e-gépész online szaklap

Újra a gáztűzhelyekről…

Gyakorlati következtetések

| | |  0 | |

Újra a gáztűzhelyekről…

A szerzők a Magyar Épületgépészet hasábjain cikksorozatban taglalták a gáztűzhelyek „magánéletét”, részben a rendelkezésre álló hazai, illetve nemzetközi kutatási eredmények, továbbá elméleti vizsgálatok alapján. Jólehet az elvégzett kutatómunka igen sokrétű volt, tudományos értékét alapvetően meghatározza az eredmények gyakorlati alkalmazhatósága, ami esetünkben egy igen egyszerű kérdéssé redukálható: milyen mértékű legyen a szellőztetés egy gáztűzhellyel felszerelt konyhában? A cikksorozat alább olvasható, egyben lezáró részében a szerzők bemutatják a levegőminőség-mérési eredmények alapján levont gyakorlati következtetéseiket, valamint röviden felvázolják a további kutatási lehetőségeket.

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 és
dimenzió
Mintavétel
gyakorisága
Mintavételi
pontok száma
Mérőműszer
Filtrációs légcsereszám
nfil [h–1] meghatározása
CO2 koncentráció kco2 [ppm] 5 min 3 HORIBA VIA-510 CO2
Helyiség térfogata
Vh [m3]
mérőszalag
Égők hőteljesítményének
Qle [kW] meghatározása
Korrigált 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
értékelése
CO2 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.

  1. A helyiség geometriai felmérése (Vh)
  2. A helyiségre jellemző filtrációs légcsereszám (nfil) mérése az alábbiak szerint:
    1. 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);
    2. 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);
    3. kezdeti feltétel biztosítása (a kezdeti szén-dioxid koncentráció elérésekor, a gázpalack zárása után indult a hígulási szakasz, amely alapján a kiértékelés történt);
    4. a szén-dioxid koncentráció időbeli változását leíró görbe felvétele;
    5. a leíró görbére illesztett regressziós egyenes meredeksége alapján a filtrációs légcsereszám meghatározása.
  3. A gáztűzhely és az elszívóernyő gyári adatainak rögzítése.
  4. 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.
  5. A gáztűzhely imissziós mérések három különböző üzemállapotban (nagyláng, kisláng, illetve sütő üzeme), filtrációs szellőzés mellett:
    1. 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;
    2. a szennyezőanyag-forráserősség értékek ( ) meghatározása a homogén térre vonatkozó matematikai modell alapján (Bánhidi-Kajtár, 2017);
    3. 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.

  1. A kompakt szerkezeti kialakítású, laboratóriumi állapotú lakossági gáztűzhely szennyezőanyag kibocsátásának meghatározó paramétere a felszabaduló nitrogén-dioxid mennyisége.
  2. 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.
  3. 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:

  1. eset: az elszívás csak a főzés ideje alatt működik (τelsz,üz,1 = 45 min).
  2. eset: az elszívás – a szakirodalmi ajánlásoknak megfelelően – a főzés befejezését követően még 15 percig üzemel (τelsz,üz,2 = 60 min).
  3. eset: az elszívás a főzés befejezését követően 20 percig üzemel (τelsz,üz,3 = 65 min).
  4. 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 min
1. eset
τelsz,üz,1 = 45 min
2. eset
τelsz,üz,2 = 60 min
3. eset
τelsz,üz,3 = 65 min
4.eset
τelsz,üz,4 = 75 min
kk (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:

  1. 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.
  2. 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).
  3. 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.

Magyar Épületgépészet

Hozzászólás

A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.

Facebook-hozzászólásmodul