A cikk a Magyar Épületgépészet 2020/9. számában jelent meg, melynek tartalomjegyzéke itt letölthető.
Alapvető kérdések
A szakirodalmi kutatómunka eredményeinek összegzéseként megállapítottuk, hogy jóllehet a lakossági gáztűzhelyek alkalmazása igen elterjedt, nem állnak rendelkezésre olyan adatok, amelyek lehetővé tennék az ilyen berendezések belsőlevegő-minőségre gyakorolt hatásának értékelését. A jelenleg érvényben lévő előírások és ajánlások részben hiányosak, részben pedig energetikai szemléletűek. Ugyanakkor a felmérések azt mutatják, hogy a kialakuló belsőlevegő-minőségi és légellátási problémákat a felhasználók döntő mértékben ablaknyitással oldják meg (V. Leitner-Kajtár, 2020). Amennyiben azonban a légellátás nem megfelelő, a tűzhely használata során keletkező gáznemű égéstermék jelentősen rontja a belső levegő minőségét, ami negatív hatással lehet a bent tartózkodó emberek egészségi állapotára, közérzetére. Szélsőséges esetben akár szén-monoxid mérgezés is felléphet.
A gáztűzhely biztonságos üzemeltetése érdekében tehát tervezett szellőztetésre van szükség. Annak érdekében, hogy a gyakorlatban jól hasznosítható, kellően általános eredményre jussunk, a kutatás további fázisaiban négy alapvető kérdésre kerestük a választ:
- Melyek egy lakossági gáztűzhely általános fizikai modelljének paraméterei?
- Milyen mértékű a várhatóan kialakuló szennyezőanyag imisszió?
- Milyen feltételekkel biztosíthatók az érvényben lévő szennyezőanyag imissziós határértékek?
- A jelenleg alkalmazott szellőztetési módok alkalmasak-e a megfelelő belsőlevegő-minőség biztosítására?
A fenti kérdések megválaszolása érdekében első lépésként kidolgoztuk a gáztűzhely szennyezőanyag kibocsátásának fizikai modelljét (V. Leitner-Kajtár, 2020/7-8). A modellalkotás folyamatának első lépéseként a szakirodalomban megtalálható statisztikai, kutatási, egészségügyi felmérésekből származó, valamint gyártói adatokat, jogszabályi követelményeket és szabványi ajánlásokat összegezve meghatároztuk a kompakt szerkezeti kialakítású lakossági gáztűzhelyek fizikai modelljének alapadatait.
Az elméleti szén-dioxid, nitrogén-monoxid és nitrogén-dioxid forráserősség adatok alapján kiszámítottuk az imissziós paraméterek értékét a gáztűzhely jellemző üzemidejére vonatkoztatva (az üzemidő jellemzőket a gázfogyasztási, illetve napi időmérleg statisztikák alapján határoztuk meg).
Laboratóriumi és helyszíni mérések
Az elméleti modell kiértékelése után laboratóriumi és helyszíni mérésekkel vizsgáltuk a lakossági gáztűzhelyek belsőlevegő-minőségre gyakorolt hatását, különböző szellőzési módok esetén, az alábbiak szerint (V. Leitner, et al., 2018):
- imissziós értékek mérése (CO2, NO és NO2 koncentráció változása az időben);
- szennyezőanyag forráserősség adatok meghatározása;
A laboratóriumi és helyszíni méréseket azonos menet szerint, azonos mérőállás kiépítésével és azonos mérőműszerek alkalmazásával végeztük el. A mért értékeket, a mintavétel gyakorisági adatokat, valamint a felhasznált mérőműszerek adatait az 1. táblázatban foglaltuk össze. Az általános mérési elrendezést pedig az 1. ábra mutatja.
1. ábra. Általános mérési elrendezés
1. táblázat. Mért paraméterek és a felhasznált mérőműszerek
Mérési feladat Mért paraméter Jelölés ésdimenzióMintavétel
gyakoriságaMintavételi
pontok számaMérőműszer Filtrációs légcsereszám
nfil [h–1] meghatározásaCO2 koncentráció kco2 [ppm] 5 min 3 HORIBA VIA-510 CO2 Helyiség térfogata Vh [m3]– – mérőszalag Égők hőteljesítményének
Qle [kW] meghatározásaKorrigált gázmennyiség Vgáz [m3]– 1 Hitelesített gázmérő, pontossági osztály 1,5. A fiítőérték az adott napra vonatkozó, szolgáltató által közzétett adat. Gázfogyasztás időtartama τ [min] – Fütőérték Hi [kJ/m3]– Belsőlevegő-minőség
értékeléseCO2 koncentráció kCO2 [ppm] 2 min 3 HORIBA VIA-510 CO2 NO koncentráció kNO [Ppb] HORIBA APNA-360 NOx N02 koncentráció kNO2 [ppb] NOx koncentráció kNOx [ppb] Külső légállapot mérése léghőmérséklet tk [°C] 1 TESTO 175 logger relatív páratartalom φk [%]
A belsőlevegő-minőségi méréseket az alábbi menetrend alapján hajtottuk végre.
- A helyiség geometriai felmérése (Vh)
- A helyiségre jellemző filtrációs légcsereszám (nfil) mérése az alábbiak szerint:
- adott szennyezőanyag mennyiség kibocsátása (a vizsgált helyiségben CO2 gázpalackból történő beadagolásával 10 000 ppm-es kezdeti koncentrációt állítottunk elő, a térben egyéb, meghatározó mértékű szennyezőanyag forrás nem volt);
- peremfeltételek biztosítása (a szellőzést csak a zárt nyílászárók résein keresztül kialakuló filtráció biztosította, kiegészítő szellőzés vagy helyi szennyezőanyag elszívás nem volt, a tökéletes keveredés elősegítése érdekében a beadagolt szén-dioxidot a térben kézi ventilátor segítségével oszlattuk el);
- kezdeti feltétel biztosítása (a kezdeti szén-dioxid koncentráció elérésekor, a gázpalack zárása után indult a hígulási szakasz, amely alapján a kiértékelés történt);
- a szén-dioxid koncentráció időbeli változását leíró görbe felvétele;
- a leíró görbére illesztett regressziós egyenes meredeksége alapján a filtrációs légcsereszám meghatározása.
- A gáztűzhely és az elszívóernyő gyári adatainak rögzítése.
- A gáztűzhely gázfogyasztásának mérése, hőteljesítmény adatok (Qle) meghatározása: adott idő alatt elfogyasztott (hitelesített gázmérőről leolvasott) gázmennyiség, valamint a tényleges (gázszolgáltató által megadott) fűtőérték adatok alapján.
- A gáztűzhely imissziós mérések három különböző üzemállapotban (nagyláng, kisláng, illetve sütő üzeme), filtrációs szellőzés mellett:
- az átlagos szén-dioxid, nitrogén-monoxid, valamint a nitrogén-dioxid koncentráció időbeli változásának – k f(τ) – mérése, három, a térben azonos magasságban kiépített mérési pont segítségével;
- a szennyezőanyag-forráserősség értékek ( ) meghatározása a homogén térre vonatkozó matematikai modell alapján (Bánhidi-Kajtár, 2017);
- fajlagos forráserősség adatok meghatározása a mért teljesítmény adatok alapján.
A belsőlevegő-minőség mérések eredményeinek összegzése
A mérési eredményeink alapján a kompakt szerkezeti kialakítású, laboratóriumi állapotú (azaz köznyelvi megfogalmazás szerint szabadon álló, még nem használt) lakossági gáztűzhelyek esetében a fajlagos (az égő hőteljesítményére vonatkoztatott) forráserősség adatok a 2. táblázatban összegzett névleges értéknek tekinthetők.
2. táblázat. Lakossági gáztűzhely égők fajlagos szennyezőanyag kibocsátása
Névleges forráserősség-adatok Szén-dioxid 39,9 mg/kJ Nitrogén-dioxid 5,4 μg/kJ Nitrogén-monoxid 17,6 μg/kJ
Szakirodalmi adatok alapján a jellemző egyidejű névleges hőteljesítmény maximuma Qle,e,max = 4,7 kW. Erre az értékre vonatkoztatva az 2. táblázat adatait, meghatároztuk a kompakt szerkezeti kialakítású, laboratóriumi állapotú gáztűzhely modell szennyezőanyag kibocsátásának mennyiségi adatait:
- névleges szén-dioxid kibocsátás KCO2,n = 675 108 mg/h;
- névleges nitrogén-dioxid kibocsátás KNO2,n = 91 368 µg/h;
- névleges nitrogén-monoxid kibocsátás KNO,n = 297 792 µg/h.
A fenti, névleges kibocsátási értékek alapján elvégeztük az imissziós határérték vizsgálatát a cikksorozat 2. részében bemutatott elméleti modell alapján (V. Leitner-Kajtár, 2020/7-8.) A szükséges minimális szellőzés névleges értékét az MSZ EN 15251:2007 szabványban javasolt Vsz = 51 m3/h értéknek tekintettük. A vizsgált üzemidő mértéke τü = 45 min volt. Az eredmények a 3. táblázatban és a 2. ábrán láthatók.
3. táblázat. Imissziós paraméterek, gáztűzhely modell – névleges állapot
lmissziós paraméterek
gáztűzhely üzemére
(Qle,e,n=4,7 kW)kCO2 [ppm] kNO2 [μg/m3] kNO [μg/m3] GSZN GSZmin GSZN GSZmin GSZN GSZmin kk (τ = 0 min) 400 400 10 10 0 0 kü,max (τ = τü,max = 45 min) 14956 7180 3556 1662 11558 5383 k60 (τ = 60 min) 10 178 5178 2392 1174 7763 3794 k180 (τ = 180 min) 7886 2238 1834 458 5944 1460 kmax,20 (τ = τü,max ± 10 min) 17016 7567 4058 1756 13193 5690
2. ábra. Imissziós határértékek vizsgálata, gáztűzhely modell – névleges állapot
Az eredmények alapján az alábbi következtetéseket vontuk le.
- A kompakt szerkezeti kialakítású, laboratóriumi állapotú lakossági gáztűzhely szennyezőanyag kibocsátásának meghatározó paramétere a felszabaduló nitrogén-dioxid mennyisége.
- Az előzetes meghatározott minimális filtrációs légmennyiség (Vfil,min = 10,6 m3/h) nem elégséges a vonatkozó kCO2 = 15 000 ppm szén-dioxid koncentrációs határérték betartásához. A filtráció javasolt névleges értéke Vfil,n = 16,5 m3/h.
- A szükséges minimális szellőzés mértéke a nitrogén-dioxid 1 órás átlagolási határértéke alapján Vsz,min,n = 67 m3/h, ami a mintául tekinthető konyha 15,0 m3-es légtérfogatára vetítve nn = 4,5 l/h légcserét jelent (V. Leitner-Kajtár, 2020/7-8.).
Fontos ismételten kiemelni, hogy a megadott eredmények 2H (G20) minőségű, szennyezőt nem tartalmazó, száraz földgáz λn = 1,2 névleges légellátási tényező melletti, htü,n = 90% névleges tüzeléstechnikai hatásfokkal történő elégetésére vonatkoznak.
Az eddigiekben bemutatott számítások során feltételeztük, hogy a szellőztetés folyamatos (τelsz,üz,a = 180 min; ezt a továbbiakban „Alapeset”-nek jelöljük). Ez energetikai szempontból mindenképp kétséges megközelítés, így a továbbiakban megvizsgáltuk, hogy milyen hatása van az elszívás szakaszos működtetésének (az általunk javasolt térfogatáram mellett).
A vizsgált esetek:
- eset: az elszívás csak a főzés ideje alatt működik (τelsz,üz,1 = 45 min).
- eset: az elszívás – a szakirodalmi ajánlásoknak megfelelően – a főzés befejezését követően még 15 percig üzemel (τelsz,üz,2 = 60 min).
- eset: az elszívás a főzés befejezését követően 20 percig üzemel (τelsz,üz,3 = 65 min).
- eset: az elszívás a főzés befejezését követően 30 percig üzemel (τelsz,üz,3 = 75 min).
Az tűzhely kikapcsolása után bekövetkező nitrogén-dioxid koncentráció változást a 3. ábra szemlélteti, a számított határérték adatokat a 4. táblázat tartalmazza. A számítások során feltételeztük, hogy a légpótlás folyamatos.
3. ábra. Nitrogén-dioxid imisszió változása különböző elszívási időtartam esetén
4. táblázat. Nitrogén-dioxid imissziós határértékek különböző elszívási időtartam esetén
kNO2 [μg/m3] Alapeset
τelsz,üz,a = 180 min1. eset
τelsz,üz,1 = 45 min2. eset
τelsz,üz,2 = 60 min3. eset
τelsz,üz,3 = 65 min4.eset
τelsz,üz,4 = 75 minkk (τ = 0 min) 10 10 10 10 10 kü,max (τ = τü,max = 45 min) 1326 1326 1326 1326 1326 k60 (τ = 60 min) 953 1064 953 953 953 k180 (τ = 180 min) 351 617 408 385 371 kmax,20 (τ = τü,max ± 10 min) 1361 1552 1361 1361 1361
A 4. táblázat eredményeit összevetve a különböző átlagolási időtartamokra vonatkozó határértékekkel (V. Leitner – Kajtár, 2020/7-8) látható, hogy a 3 órás k60,NO2,meg = 400 μg/m3 feltétel abban az esetben teljesül, ha az elszívás a tűzhely kikapcsolását követően minimálisan 20 perccel tovább üzemel (3. eset). Ami közelítőleg megfelel a szakirodalomban is javasolt üzemidőnek.
A napi használat szempontjából fontos kérdés, hogy okoz-e jelentős változást az, hogy a 180 perces üzemszünet után a kezdeti koncentráció 10 μg/m3 érték helyett 35 μg/m3 értékre nő. Számítási eredményeink szerint amennyiben a légpótlás továbbra is külső térből érkezik, a 3 órás átlagkoncentráció értéke a gáztűzhely utolsó használatát követően (pl. vacsorakészítés után) minimális mértékben emelkedik: k180 = 396 μg/m3, ami – papírforma szerint – még mindig a megengedett érték alatt marad.
Érdekességképpen megjegyezzük, hogy ha nincs lehetőség elszívóernyő használatára, és a konyhai szellőzést csak a filtrációra bízzuk (pl. fűtési szezonban), akkor a nap kezdetén mért 10 μg/m3 érték mintegy 290 μg/m3 -ra nő.
Értelemszerűen a fenti eredmények tovább pontosíthatóak, például különböző gáztűzhely típusok szennyezőanyag kibocsátásának méréses vizsgálata alapján. Szintén fontos szempont lehet a külső térben mérhető nitrogén-dioxid koncentráció értéke, mint kezdeti koncentráció szint.
Az általunk megkezdett CFD szimulációs vizsgálatok szintén lehetőséget nyújtanak a kutatások kibővítésére (V. Leitner-Kajtár, 2016).
Összegzés
A BME Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszékén egy már több éve folyó kutatás keretein belül vizsgáltuk, vizsgáljuk a lakossági gáztűzhelyek belső környezetre gyakorolt hatását.
A szakirodalmi kutatás alapján megállapítottuk, hogy bár az ipari és kommunális konyhák esetében a kutatások meglehetősen széleskörűek, a lakossági gáztűzhelyekkel kapcsolatos eredmények alapján általános következtetések nem vonhatók le. A konyha helyiségek szellőztetésével kapcsolatos problémák feltárása során megállapítottuk, hogy a levegőminőségi problémák alapvető felhasználói megoldása az ablaknyitás, ami energetikai szempontból megkérdőjelezhető megoldás. Ugyanakkor a mesterséges szellőztetés céljából beépített konyhai elszívóernyőket elsősorban a berendezés keltette zaj miatt nem használják.
Első lépéseként meghatároztuk a kompakt szerkezeti kialakítású, laboratóriumi állapotú lakossági gáztűzhelyek fizikai modelljének alapadatait, a homogén térre vonatkoztatott szennyezőanyag forrást leíró matematikai modell alapján. Megvizsgáltuk a gáztűzhely okozta légszennyezésből eredő kockázat mértékét, a potenciálisan érintett emberek száma alapján. Ezt követően laboratóriumi és helyszíni méréseket végeztünk, melyek során a gáztűzhelyek belső környezetre gyakorolt hatását különböző üzemállapotokban, eltérő szellőzési módszerek alkalmazása mellett vizsgáltuk. A mérési eredmények alapján pontosítottuk a kidolgozott fizikai modellt, majd megállapítottuk, hogy belsőlevegő-minőségi szempontból a nitrogén-dioxid kibocsátás mértéke a meghatározó.
A cikksorozatban bemutatott eredményeink alapján a lakossági gáztűzhelyek belső használatához szükséges szellőztetés belsőlevegő-minőségi és egészségvédelmi szempontú méretezéséhez és tervezéséhez az alábbi javaslatokat tesszük:
- Meghatározó szennyezőanyagnak a nitrogén-dioxid tekinthető; viszonyítási határértéknek – a szellőztetés tervezése szempontjából – a 3 órás átlagolási időtartamra vonatkozó k60,NO2,meg = 400 μg/m3 koncentráció tekinthető.
- A lakossági gáztűzhely használata esetén a filtráció javasolt névleges értéke Vfil,n = 16,5 m3/h (Δp = 20 Pa mellett, az MSZ EN 12207:2017 szabvány ajánlásaival összhangban).
- A tűzhely átlagos üzemidejének 45 perc tekinthető, a tűzhely használatát követően az elszívást még további 20 percig javasolt biztosítani, feltételezve, hogy a légpótlás folyamatosan biztosított.
További kutatási irányok
A kutatómunka további célkitűzése alapvetően egy olyan konyhai szellőztetési mód kidolgozása, amely lehetőséget nyújt a komfortelméleti és energetikai szempontok együttes figyelembevételére.
A kidolgozott modell, illetve a kutatás során alkalmazott módszerek felhasználásával lehetőség nyílik egy olyan statisztikai adatbázis létrehozására, amelynek alapja a jelenleg kereskedelmi forgalomban kapható, illetve elterjedten alkalmazott gáztűzhely típusokra vonatkozó szennyezőanyag kibocsátás mért értéke. Az így létrehozott adatbázis lehetővé teszi a kutatási eredmények további matematikai statisztikai módszereken alapuló pontosítását.
Építész kollégák bevonásával az adatbázis tovább bővíthető a jellegzetes konyha helyiség méretekkel is.
Hasonlóképp célszerű lenne az alkalmazott nyílászárók jellemzőinek felmérése is. Nemzetközi kutatási példák alapján – akár kérdőíves felmérések keretében – szükséges a felhasználói szokások (ablaknyitás, tűzhelyhasználat stb.) magyarországi felmérése is.
A kutatómunka részeként megkezdtük a lakossági gáztűzhelyek belső környezetre gyakorolt hatásának CFD modellezését is. Ennek kapcsán felépítettük egy adott tűzhely CFD modelljét, majd különböző esetekben vizsgáltuk a kialakuló szennyezőanyag eloszlást és hőmérséklet, valamint légsebesség mezőket. Jóllehet a kutatómunkának ez a része még pontosítást igényel, a kezdeti eredmények összhangban vannak a szakirodalmi kutatás tapasztalataival és a mérési eredményekkel (V. Leitner-Kajtár, 2016) (V. Leitner, et al., 2018).
A CFD modellezés folytatása szintén a további kutatások fontos lépése.
Irodalomjegyzék
- Dr. Bánhidi, L.; Dr. Kajtár, L. (2017): Válogatott fejezetek a komfortelmélet témaköréből. Akadémiai Kiadó, Budapest
- Vörösné Leitner, A.; Kajtár, L. (2020): Újra a gáztűzhelyekről…1. rész: Statisztikák, alapvető adatok MAGYAR ÉPÜLETGÉPÉSZET LXIX. évfolyam 2020/4. szám pp. 9–14
- Vörösné Leitner, A.; Kajtár, L. (2020/7-8): Újra a gáztűzhelyekről…2.rész: Gáztűzhely a konyhában – elméleti vizsgálatok) MAGYAR ÉPÜLETGÉPÉSZET LXIX. évfolyam 2020/7-8. szám pp. 3–7
- Vörösné Leitner, A.; Kajtár, L.; Nyers, J. (2018): Indoor environmental assessment method in residential kitchen. THERMAL SCIENCE Year 2020, Vol. 24, 3B, pp. 2055–2065
- Vörösné, Leitner A.; Kajtár, L. (2016): Investigation of air supply and exhaust systems around gas stoves with mathematical modelling and CFD simulation. NEW ENERGY 11 pp. 56–58.