EVU - El- og Vvs-branchens Uddannelsessekretariat Biobrændsel EFTERUDDANNELSE Bestillingsnr.: 41-812 Udgave: 10.04.2007
Introduktion til kurset Indhold 1. Markedet for biomasse... 6 2. Myndighedsbestem melser... 7 Bygningsreglement B0...7 Norm for Varme- og køleanlæg i bygninger, DS 469...7 Arbejdsmiljøloven...8 At-Vejledning Tekniske Hjælpemidler B.4.8...8 Brandteknisk vejledning nr. 22 og 32...8 Brandbeskyttelse og brandkrav...8 Norm for vandinstallationer, DS 439...9 Miljøbeskyttelsesloven...9 Godkendelse og lovgivning...9 3. Biobrændsler og logistik... 11 Bestemmelse af vandindhold, og beregning af brændværdi... 11 Bestemmelse af vandindhold i træ... 11 Tørstofindhold i brændsel... 12 Beregning af brændværdi... 12 Dimensionerende varmetab for bygninger... 12 Ældre boligmasse... 12 Forbrugerøkonomi... 13 Brænde... 13 Priser for brændestakke... 13 Rabat ved køb af brændestakke... 14 Træpiller, flis og korn... 14 Fyringsolie... 14 Fjernvarme... 14 4. Konstruktioner, vedligeholdelse og levetid... 16 Kedler... 16 Brændekedler... 16 Automatisk fyrede kedler... 18 Løse pillebrændere... 19 Brændeovne med vandtank ( gris )... 20 Orientering om kedelopbygning... 22 5. Forbrændingsteknik og fyringsteknik... 24 Forbrændingskemi generelt... 24 Forbrændingskemi... 24 Øvre og nedre brændværdi... 25 Maksimal CO2... 25 Luftoverskud og røggasblanding... 26 Forbrændingens afhængighed af temperatur og luft... 27 Forbrændingshastigheder for gas/luftblandinger... 27 Soddannelse... 27 Nødvendige betingelser for god forbrænding... 28 Forureninger... 28 Principper for indblæsning af luft... 28 Reaktionsfaser... 29 Tørring, fordampning af vand... 29 2 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE
Introduktion til kurset Forgasning (pyrolyse)... 29 Gasforbrænding/kulstofforbrænding?... 29 Reaktionsfaser ved portionsfyring... 29 For tidlig køling af flammerne... 30 Skorstensforhold... 30 CE-mærkning... 32 6. Rørføringsløsninger... 38 Materialer... 38 Isolering... 38 Rørføringsløsninger for kombinerede anlæg... 39 Beregning af vandstrømme i arrangement med varmeveksler... 39 Installationseksempler... 40 7. Indregulering og drift af mindre biobrændselsanlæg... 41 8. Service og fejlretning på biobrændselsanlæg... 44 9. Bilag 1. Vejledning til Biofuelprogrammet... 45 10. Skemaer... 53 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE 3
Introduktion til kurset Introduktion til kurset Kursus nr.: xx-xxx Varighed: 3 dage. Kursusmål Målet med dette kursus er, at du kan installere biobrændselsanlæg som enkeltstående anlæg og i kombination med andre varmeproducerende anlægstyper i henhold til myndighedsbestemmelser. Du har et overblik over situationen på markedet for biomasse og miljøaspekter, biobrændsler, brandbeskyttelse, forbrændingsteknik, fyringsteknik, optimale rørføringsløsninger, samt konstruktion, installation og vedligeholdelse af biomassekedler og -ovne. Endvidere kan du funktionsafprøve, indregulere, fejlrette og servicere biobrændselsanlæg i henhold til myndighedsbestemmelser, forbrændingskvalitet, nyttevirkning og levetid. Du skal selvstændigt kunne foretage de forskellige arbejdsopgaver. Moduler Dette kursus er delt op i følgende moduler: - Installation af biobrændselsanlæg - Servicering, fejlfinding og indregulering af biobrændselsanlæg Hvis du allerede er inde i stoffet i ét af modulerne kan du blive fritaget for at gennemgå det pågældende modul - dog under forudsætning af, at du ved kursusafslutningen kan opnå kursets samlede mål. En eventuel fritagelse for et modul vil samtidig medføre, at den samlede kursuslængde bliver afkortet. Åbent værksted Kurset bliver gennemført som åbent værksted. Det betyder, at der vil være kursister på flere forskellige kurser i det samme værkstedslokale på samme tid. Du kan derfor ikke altid forvente at få hjælp og vejledning, lige når du står og har brug for det. Undervisningsmaterialerne er derfor udformet således, at du selv kan gå i gang med opgaverne i de forskellige moduler. Det kan være en fordel, at man er to eller flere, der laver den samme opgave. Evaluering Når kurset er slut skal både kurset og det, du har lavet, evalueres og vurderes. Kursusevalueringen foregår på et skema, som du vil få udleveret. Resultatet af dit arbejde bliver vurderet af underviseren - og du får et uddannelsesbevis, når underviseren har vurderet, at du har gennemført kurset med et tilfredsstillende resultat. God arbejdslyst! 4 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE
Introduktion til kurset Igangsætterspørgsmål til modulet Installation af biobrændselsanlæg Igangsætterspørgsmål til kurset Det kan være en fordel at besvare følgende spørgsmål inden du starter på selve kurset: 1. Hvad er en sikkerhedsledning på et varmeanlæg? 2. Hvad er en kedelshunt? 3. Hvorfor skal der sidde en ekspansionsbeholder på et varmeanlæg? 4. Hvad er forskellen på trykekspansions- og åben ekspansionsbeholder? 5. Hvad er biobrændselsmasse? 6. Nævn 3 forskellige former for biobrændsler. 7. Er kulilte farligt at indånde? 8. Hvilke luftarter i procent er atmosfærisk luft sammensat af? 9. Hvad er definitionen for en brændværdi? 10. Er biobrændsel CO 2 -neutralt? Når du har besvaret alle spørgsmålene, kan du gå videre med opgaverne i dit kompendie, eventuelt i samarbejde med en af dine medkursister. Fremlæg dit/jeres resultat for underviseren. VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE 5
Markedet for biomasse 1. Markedet for biomasse Hvorfor, hvor og hvornår er biobrændsel relevant? Bygningens energimærke bliver ikke nødvendigvis forbedret ved installation af biobrændselsanlæg, da virkningsgraden på et oliefyr ofte vil være højere. Alligevel kan der opnås betydelige økonomiske og CO 2 -mæssige besparelser. Biobrændsel udmærker sig navnlig ved at: Det er et CO 2 -neutralt brændsel Det er en fornybar ressource, Det er en indenlandsk ressource (DK+EU) Det er et billigt brændsel (privatøkonomisk fordelagtigt) Det er samfundsøkonomisk fordelagtigt Der sker ingen miljøkatastrofer ved spild/udslip af brændsel (som ved fx olie) Biobrændselsanlæg er primært relevant i det åbne land (område 4), hvor der er ca. 500.000 husstande. I bynære fjernvarme- og naturgasområder er der foretaget store fælles investeringer i ledningsnet mv., og som oftest er der tilslutningspligt til disse. Den bedste forrentning af et biobrændselsanlæg opnås for forbrugere med et større varmeforbrug, fx over 2.500 liter fyringsolie pr. år, altså ved større bygninger. Typiske ejendomme der har et større varmeforbrug er feriecentre, vandrerhjem, hoteller, kroer, kursuscentre, kaserner, efterskoler, rideskoler, museer, badelande, godser, slotte o.l. Landbrug, gartneri, kirker og mindre industrier kan også have fordel af biobrændsel. Der er ofte installeret oliefyr i de relevante ejendomme. Hvis oliefyret er modent til udskiftning er merinvesteringen i et biobrændselsanlæg som oftest beskeden og derfor meget fordelagtig. Kombination med solvarme er fordelagtig fordi biobrændselsanlægget fungerer bedst om vinteren, og med fordel kan slukkes om sommeren. Biobrændselsanlæg med tilhørende siloanlæg kræver god plads og et egnet fyrrum. Ved større anlæg skal der være en kvalificeret kedelpasser, fx en pedel. Kedelpasseren skal dog ikke som tidligere have kontrolkort fra Arbejdstilsynet. 6 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE
Myndighedsbestem melser 2. Myndighedsbestemmelser Myndighedsbestemmelser generelt I Danmark er myndighedsbestemmelserne opdelt i primær lovgivning, der bl.a. er angivet som funktionskrav i Bygningsreglementet, men som også kan være angivet i det, der hedder funktionsnormer og anvisninger. I Bygningsreglementet og funktionsnormer og anvisninger er kravene angivet med skal. Der findes sammen med den egentlige lovgivning en række anvisningsnormer og andre anvisninger. Disse er ikke lovgivning, men en annerkendt måde at opfylde lovgivningen på. Vejledningerne og sådanne normer og anvisninger er der henvist til i Bygningsregleregmentets vejledningstekst med bør. Eksempel på en funktionsnorm er DS 469, Varmenormen og DS 452, Isoleringsnormen. Eksempel på vejledningsnorm er DS 439, Vandnormen og DS 432, Afløbsnormen. Det er således, at bl.a. bygningsreglementet jævnligt opdateres, og det er derfor vigtigt, at brugeren holder sig opdateret med hvilket nyt, der er kommet i reglementet. Bygningsreglement B0 Bygningsreglementet gælder bl.a. ved installation af fyrings- og varmeanlæg i huse. I Bygningsreglementets kapitel 8.5 findes krav til indeklima, installationer, ildsteder og skorstene. Også her findes en række krav til sikring mod brand og sundhedsfare, og krav, der skal sikre tilfredsstillende driftsmulighed for fyringsanlæggene, herunder mulighed for uhindret rensning. Bygningsreglementet kan findes på hjemmesiden www.bygningsreglementet.dk, hvor nyeste opdateringer findes, men hvor det også er muligt at finde ældre udgaver af reglementet. For dimensionering af varmeanlæg henvises der i Bygningsreglement B0 til Norm for varmeanlæg med vand som varmebærende medium, DS 469. B0, kap. 8.2.Stk. 2 Varmeanlæg med vand som varmebærende medium skal dimensioneres, udføres, indreguleres og afleveres, som anvist i DS 469, Varme- og køleanlæg i bygninger. Norm for Varme- og køleanlæg i bygninger, DS 469 I Bygningsreglement B0 er der krav om, at bygninger/enfamilieshuse skal opføres, så der under normalt brug af bygningerne kan opretholdes et sundheds- og sikkerhedsmæssigt tilfredsstillende indeklima, men der er ikke noget krav om, at der skal være et varmeanlæg. Der er imidlertid et krav om, at man, hvis der installeres et varmeanlæg, udfører dette efter Norm for Varme- og køleanlæg i bygninger, DS 469. Normen omfatter varmeanlægs fordelingsanlæg og varmegivere, men omfatter ikke varmeanlæggets forsyningsanlæg. Denne norm erstatter i 2013 den tidligere udgave med betegnelsen: Norm for varmeanlæg med vand som varmebærende medium (1991). Fordelingsanlæg består af rør, afspærringsventiler, forindstillingsventiler, pumper og blandeanlæg. Varmegivere er fx radiatorer, konvektorer og gulvvarmeanlæg. Forsyningsanlæg, som altså ikke er omfattet af normen, er den del af varmeanlægget, der forsyner fordelingsanlægget med varmt vand. Forsyningsanlæg er fx kedelanlæg, fjernvarmeanlæg og varmepumper (gasfyrede varmeanlæg under 120 kw er omfattet af DS 469). Der kan afviges fra normens vejledninger, hvis det dokumenters, at afvigelsen er forsvarlig. Hvis husejer og installatør fx er enige om at underdimensionere en automatisk fyret kedel til træpiller for at opnå energiøkonomisk god drift en større del af året, er det således ikke i strid med varmenormen at gøre det, men fordelingsanlæg og varmegivere skal dimensioneres efter normen. Normen kan anskaffes hos Dansk Standard eller på www.ds.dk. VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE 7
Myndighedsbestem melser Arbejdsmiljøloven Denne lov er betegnet som bekendtgørelse af lov om arbejdsmiljø, LBK nr. 1072 af 07/09/2010. Formålet med denne lov er følgende: Kapitel 1 Formål og område 1. Ved loven tilstræbes at skabe 1) et sikkert og sundt arbejdsmiljø, der til enhver tid er i overensstemmelse med den tekniske og sociale udvikling i samfundet, samt 2) grundlag for, at virksomhederne selv kan løse sikkerheds- og sundhedsspørgsmål med vejledning fra arbejdsmarkedets organisationer og vejledning og kontrol fra Arbejdstilsynet. Med hjemmel i Arbejdsmiljøloven, er udsendt en bekendtgørelse og et sæt forskrifter af betydning for fyringsanlæg, nemlig maskindirektivet, der trådte i kraft den 29. december 2009. Direktivet er implementeret i dansk lovgivning via Arbejdstilsynets bekendtgørelse nr. 612 af 25. juni 2008 om indretning af tekniske hjælpemidler, kapitel 2. Maskindirektivet kan findes på arbejdstilsynets hjemmeside: http://arbejdstilsynet.dk/da/regler/eu-regler/ produktdirektiver/nyt-om-maskindirektivetny-8-10-08.aspx At-Vejledning Tekniske Hjælpemidler B.4.8 Denne vejledning, der er fra Arbejdstilsynet, er benævnt At-VEJLEDNING, TEKNISKE HJÆLPEMIDLER B.4.8 September 2007. Vejledningen kan findes gratis på arbejdstilsynets hjemmeside på følgende adresse: http://arbejdstilsynet.dk/~/media/at/at/04-regler/05-atvejledninger/b-vejledninger/b-4-8-indretning-og-anvendelse-fyrede-varmtvandsan/indretning-og-anvendelsefyrede-varmtvandsanlaeg%20pdf.ashx Enhver, der installerer et centralvarmeanlæg eller dele heraf, bør anskaffe og læse ovennævnte publikation. Publikationen indeholder følgende vigtige hovedafsnit: Sikkerhedsledning Åben sikkerhedsledning til fastbrændsel Fastbrændselkedel i udhus Ekspansionsbeholder Frostsikring Ekspansionsledning Vandsøjlemåler og termometer Temperaturføler Varmtvandsbeholdere og akkumuleringstanke Sammenkobling af kedler med trykekspansion Brandteknisk vejledning nr. 22 og 32 Fyringsanlæg for biomasse er omfattet af bestemmelserne i Brandteknisk vejledning nr. 22 og 32. Nr. 22 gælder for halmfyr, mens bestemmelserne i nr. 32 gælder for fyringsanlæg til alle andre biobrændsler. Brandteknisk vejledning nr. 22 kan købes på DBI s hjemmeside: http://www.dbi-net.dk/btv_22_halmfyringsanlaeg.asp Brandteknisk vejledning nr. 32 kan købes på DBI s hjemmeside: http://www.dbi-net.dk/btv_32_biobraendselsfyrede_centralvarmekedler.asp Brandbeskyttelse og brandkrav Brandtekniske krav fremgår af Brandteknisk Vejledning nr. 32 (BTV 32). Det er som udgangspunkt kommunen, der stiller kravene. Som hovedregler gælder: Fyrrummet skal udgøre en selvstændig brandcelle Vægge og loft skal være Klasse 1 beklædte Mindst 2 uafhængige sikkerhedsindretninger mod tilbagebrand Den ene skal fungere uafhængigt af strømforsyningen. Typisk: sprinkler eller cellesluse eller faldskakt (BTV 32 ny udgave brandklasser?) Biobrændsel må opbevares: I et brændselsmagasin: Lukket stålbeholder i direkte forbindelse med brænderen. Skal have en lågekontakt samt et tæt låg med sikkerheds-lukkebeslag. Der kræves yderligere én ekstra sikkerhedsindretning. Automatisk opfyldning er tilladt, hvis der anvendes et selvlukkende afspærringsspjæld. Blokering af spjældet skal forhindres ved hjælp af niveaukontrol eller lignende. Skærpede krav, hvis magasin er større end 750 liter. I internt brændselsforråd: Lager placeret i samme rum som kedlen. Tilladt brændselsmængde op til 4 m 3 pakket i sække eller i silo. Hvis der er direkte 8 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE
Myndighedsbestem melser fødning til kedlen skal der være 2 sikkerheds-indretninger, heraf en uafhængig af energitilførsel. I eksternt brændselsforråd: Lager placeret udenfor eller evt. oven over kedelrummet. Tilladt brændselsmængde op til 4 m 3 løstliggende eller mere pakket i sække eller i silo. Transportrør større end Ø200mm til kedelrummet skal sikres med et mekanisk sikkerhedsanordning eller sprinkler. Etagegennemføring sikres med spjæld eller sluse. Der kræves stadig 2 sikkerhedsindretninger, som skal være uafhængig af energitilførsel. Silo: Beholder af uspecificeret materiale. Kan være åben eller lukket. Kan indeholde opfyldnings- og transportanordninger. Vejledningen kan fraviges, hvis kommunen tillader det. Rådfør dig altid med skorstensfejeren. Skal koordineres med BTV 32 ny udgave. Som hovedregel gælder at: Kedler til fyring med fast biomasse skal opfylde DS/EN 303-5 Centralvarmekedler med hensyn til forbrændingskvalitet, virkningsgrad og sikkerhed. Løst udskiftelige brændere til fast brændsel skal opfylde DS/EN 15270 Pillebrændere til små centralvarmekedler med hensyn til forbrændingskvalitet, sikkerhed og tilpasning til kedel. Bekendtgørelse om brandværnsforanstaltninger for skorstene og ildsteder, bekendtgørelse nr. 239 af 27. april 1993 Der er foretaget ændring af bekendtgørelsen ved BEK nr. 1335 af 15/12/2009. Ændringer kan findes på: https://www. retsinformation.dk/forms/r0710. aspx?id=129315 Bekendtgørelsen omfatter bl.a. bestemmelser om, hvor hyppigt der skal foretages skorstensfejning og brandpræventivt syn på biobrændselsfyrede ildsteder. Norm for vandinstallationer, DS 439 Varmtvandsinstallationer udføres efter DS 439, Norm for vandinstallationer, hvilket bl.a. betyder, at der skal installeres skoldningssikring, hvis der er risiko for, at varmt brugsvand kan blive varmere end 65 C i private hjem, 38 C i børneinstitutioner og plejehjem. Norm for termisk isolering af tekniske installationer, DS 452 Varmeanlæg skal isoleres efter DS 452, Norm for termisk isolering af tekniske installationer. Her skal man være opmærksom på, at isoleringsmateriale, der kommer tæt på røgrør, skal være ikke-brændbart. Miljøbeskyttelsesloven LBK nr. 879 af 26/06/2010, som omfatter bestemmelser, der bl.a. forbyder afbrænding af visse typer biomasse, som er defineret som biomasseaffald. Miljøbeskyttelsesloven omfatter også bestemmelser, der giver kommunerne mulighed for at skride ind med påbud og eventuelt forbud mod benyttelse af biobrændselskedler, hvis brugen efter kommunalbestyrelsens skøn giver anledning til væsentlige ulemper for omkringboende. Godkendelse og lovgivning I henhold til Bygningsreglementerne skal kedler til fyring med biobrændsel og biomasse have en virkningsgrad, der opfylder kedelklasse 3 i DS/EN303-5. Kravet er gældende for installationer foretaget efter 1/4-2006. Prøvningsrapporter iht. EN303-5, kan anvendes som dokumentation for virkningsgrad. I henhold til Bygningsreglementet skal løst udskiftelige pillebrændere til fast brændsel opfylde DS/EN 15270 med hensyn til forbrændingskvalitet, sikkerhed og tilpasning til kedel. Prøvningsrapporter iht. DS/EN15270 kan anvendes som dokumentation. Kravet er gældende efter 31.12.2010. I henhold til Miljøstyrelsens Bekendtgørelse nr. 1432 af 11.12.2007 Brændeovnsbekendtgørelsen skal kedler til fyring med fast brændsel overholde emissionskravene i kedelklasse 3 i DS/EN303-5. Kravet er gældende for installationer foretaget efter 1.6.2008. For at dokumentere dette skal der foreligge en prøvningsattest fra en uafhængig prøvningsinstans. Prøvningsattesten skal attesteres af skorstensfejeren i forbindelse med godkendelse af tilslutning. Bekendtgørelsen kan findes på hjemmesiden: https://www.retsinformation.dk/forms/r0710. aspx?id=105319 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE 9
Myndighedsbestem melser Bygningsreglementet og Miljøstyrelsens Bekendtgørelse nr. 1432 er under revision og der er lagt op til skærpelse af krav til bl.a. virkningsgrad og emissioner. Det anbefales derfor at søge oplysninger gældende krav. Dette kan eksempelvis gøres på www.teknologisk.dk/4052,2. Automatiske biobrændselsanlæg er omfattet af Maskindirektivet (98/37/EF) og skal CEmærkes i henhold hertil. Der henvises til Arbejdstilsynets bekendtgørelse nr. 561, 669 samt 831. Alle kedler med et tilladt tryk på mere end 0,5 bar er omfattet af direktivet for trykbærende udstyr (97/23/EF). Manuelt fyrede kedler samt alle kedler med mulighed for håndfyring skal CE-mærkes i henhold direktiv 97/23/EF, når tryk gange volumen er større end 50 [bar x liter]. Der henvises til Arbejdstilsynets bekendtgørelse nr. 743. Automatiske kedler indenfor de normale trykgrænser må ikke CE-mærkes i henhold direktiv 97/23/EF, men skal udføres efter god teknisk praksis. DS/ EN303-5 anses for god teknisk praksis. Der henvises til Arbejdstilsynets vejledning nr. B.4.8 af september 2007. På www.teknologisk.dk/911 er der samlet en lang række anlæg (ca. 130 forskellige typer) som er afprøvede i henhold til gældende standarder og fundet i orden. Anlæggene på listen er desuden omfattet af både intern og ekstern kvalitetskontrol. Mht. brændsel gælder, at kun rene varer må afbrændes. Affald, husdyrgødning og lignende må ikke anvendes (Affaldsbekendtgørelsen 45). Aske kan normalt bortskaffes med dagrenovation eller anvendes som gødning. 10 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE
Biobrændsler og logistik 3. Biobrændsler og logistik Automatiske fyringsanlæg anvender ofte træpiller 1. Anvendelse af andre biobrændsler afhænger af anlægstypen, men kan eksempelvis være træfils 2 eller korn. Det er vigtigt at være opmærksom på hvilke brændsler anlægget er egnet til. I manuelle kedler fyres med brændestykker. Bestemmelse af vandindhold, og beregning af brændværdi Brændværdien for biobrændsler afhænger primært af fugtindholdet, som kan svinge fra 5 % til 50 %. Træpiller indeholder ca. 6-8 % fugt, halm og korn ca. 15 % og brænde 18-20 %. Friskfældet træ og træflis kan indeholde op til 50 % fugt. Hvis brænde opbevares i op til et par år, vil der opnås en ligevægtsfugtighed i træet, afhængigt af luftens relative fugtighed. Brænde bør tørres til under 16-18 % af vådt træ, før det benyttes. Brændværdien for træpiller med normalt fugtindhold er ca. 4,9 kwh/kg, for brænde ca. 4,2 kwh/kg, for korn og halm ca. 4,0 kwh/kg. For omregning mellem enhederne se nedenstående figur. Vandindholdets indflydelse på nedre brændværdi Hn for træ med brændsler med 1 % aske i tørstof. Bestemmelse af vandindhold i træ Vandindholdet i træ bestemmes lettest ved at tørre træet i en elektrisk ovn eller i et laboratorieskab ved 105 C. Træet vejes og lægges derefter til tørring i ovnen. Tørringstiden er 24-48 timer, eller indtil vægten på træet er konstant. Vandindholdet bestemmes på basis af den våde vægt: I nedenstående figur ses vandindholdets indflydelse på nedre brændværdi Hn for brændsler med 1 % aske i tørstof. 1 Wood pellets are small, compressed pellets made of e.g. wood shavings and sanding dust compressed under high pres-sure and with maximum 1 % binding agents. Wood pellets have typically a diameter of 6 mm or 8 mm and a moisture content of about 6-8 %. The length varies up to 5 times the diameter. 2 Wood chips consist of wood pieces of 5-50 mm in the fibre direction, longer twigs (slivers), and a fine fraction (fines). There exist three types of wood chips: Fine, coarse and extra coarse. The names refer to the size distribution only, and not to the quality. VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE 11
Biobrændsler og logistik Tørstofindhold i brændsel Angivelse af brændværdi pr. kg brændsel må ikke forveksles med brændværdi pr. rummeter. Angivelse af brændværdi i rummeter brænde eller flis ved forskelligt vandindhold anvendelig i praksis, se tabellen herunder. Anvendelse af figuren herover, når der er kendskab til bygningens årlige olieforbrug: Ved anvendelse af den øverste x-akse i figuren skal der gøres opmærksom på følgende forudsætninger: Det er forudsat, at oliefyret har en virkningsgrad på 85 %, og at varmtvandsforbruget udgør 2.200 kwh af det totale forbrug. Anvendelse af figuren, når der er kendskab til fx fjernvarme: Vandindhold og brændværdi for forskellige brændsler Hvis en sådan anvendes, bør resultatet af målingen betragtes som vejledende, da den er behæftet med nogen usikkerhed. Beregning af brændværdi Ud fra elementaranalysen (hvis man har en sådan) kan den øvre brændværdi beregnes tilnærmet, fx ved hjælp af Ernst=s formel: Hi(MJ/kg) = 338,3 x C + 1205,9 x H + 94,2 x S - 126,87 x O 25,1 x % vand (x 0,239 = kcal/kg) Dimensionerende varmetab for bygninger Udgangspunktet for at beregne den mængde biobrændsel, der skal anvendes i en bygning, er dennes varmebehov/varmetab. Det dimensionerende varmetab kan beregnes efter bl.a. DS 418, beregning af bygningers varmetab, men normalt vil det være tilstrækkeligt fx at lave en beregning, der er baseret på bygningens tidligere forbrug af olie. Ved anvendelse af den nederste akse i figuren skal der gøres opmærksom på følgende forudsætninger: Det er forudsat, at forbruget til varmt brugsvand udgør 2.200 kwh af det totale forbrug. Ældre boligmasse Det dimensionerende varmebehov er normalt betydeligt større i ældre huse, end i huse opført efter et nutidigt bygningsreglement. I nedenstående tabel er anført typiske årsforbrug pr. m² for boliger opført i perioden fra før 1920 og indtil krav i BR-S 85 blev gældende. Nedenstående figur viser det dimensionerende varmetab som funktion af olieforbrug og/eller energiforbrug i kwh. Værdierne i tabellen er baseret på en undersøgelse af energiforbruget i den eksisterende boligmasse. Undersøgelsen blev foretaget i 1994/1995 i forbindelse med et projektarbejde udført for Energistyrelsen. 12 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE
Biobrændsler og logistik Energiforbruget til opvarmning af boliger fra før krigen er typisk dobbelt så stort som i nyere boliger, men inden for samme årgang kan der være stor spredning på grund af efterisolering og forskellig brugeradfærd. I bygninger, der er opført efter nye bygningsreglementer, vil forbruget til opvarmning normalt ligge mellem 40 50 watt/ m2. et fastmassetal, som er et udtryk for, hvor meget træmasse en rumenhed indeholder. For stablet brænde varierer fastmassetallet med brændelængden, og om brændet er savet og kløvet. En kasserummeter er m³ savet og kløvet brænde, som opmåles ved hjælp at en kasse med sidelængderne 1 meter og som fyldes hulter til bulter. Forbrugerøkonomi Sammenligning af energiøkonomien ved opvarmning med forskellige energiforsyninger og brændsler kan foretages ud fra et samfundsmæssigt synspunkt, men det som forbrugere normalt interesserer sig mest for, er de direkte årlige udgifter til opvarmning. Varmeprisen bestemmes af brændslets pris, brændslets brændværdi og anlæggets virkningsgrad. Herudover kan man evt. indregne tidsforbruget til rensning af kedel mv. som en omkostning. Priserne på biobrændsel afhænger primært af mængde, art og leveringsform. Træpiller kan fx leveres direkte til døren fra de fleste olieselskaber og foderstofselskaber, og koster i så fald ca. 1.400 1.700 kr. pr. ton emballeret i sække. Piller i løs vægt kan købes lidt billigere og man kan evt. selv vælge at stå for transporten. Brænde handles ligeledes til vidt forskellige priser. Typisk vil stablet brænde kunne købes til ca. 1.800 kr. pr. ton, men mange skover eller sanker selv deres brænde til meget lavere priser. Brænde købt i små mængder, fx i sommerhusområder, kan til gengæld være meget dyrt. Korn til fyringsformål er som regel affaldskorn eller korn fra egen avl. Halm er det billigste biobrændsel, og handles i større mængder til ca. 500 kr. pr. ton. Efterfølgende sammenlignes derfor kun prisen pr. energienhed, som er beregnet på grundlag af markedsprisen for forskellige brændsler, samt typiske brændværdier og virkningsgrader for fyringsanlæg. I det efterfølgende er alle priser inkl. afgifter og moms. Brænde Brænde indkøbes normalt i rummeter eller kasserummeter, mens brændværdien altid er pr. vægtenhed. For at prisen pr. energienhed kan beregnes, er det derfor nødvendigt at omsætte indkøbte rummeter til vægtenheder. Vægten af brændet er bl.a. afhængig af massefylden eller rumtætheden, som er forskellig for de forskellige træsorter. Men herudover er vægten af en rummeter eller kassemeter også afhængig af Værdierne i ovenstående tabeller er hentet fra folderen Brænde og varme - skoven har det fra Dansk Skovforening, og prisen pr. kg tørstof er beregnet på grundlag af et fastmassetal på 0,65 for løvtræ og 0,75 for nåletræ. For en kasserummeter kan fastmassetallet variere temmelig meget, men et godt middeltal er ca. 45. Prisen pr. rummeter brænde vil kunne variere en hel del. De efterfølgende priser er taget fra Naturstyrelsens hjemmeside i januar 2013. Priser for brændestakke Prisen er pr. kubikmeter fast-masse (KFM) og inkl. moms. Træet er ikke savet og kløvet. Træet kan ikke leveres. Rummeter-prisen varierer, fordi der er forskel på, hvor tæt træet er stablet. Bøgetræ 7-40 cm i diameter Stakstørrelse mindre end 30 KFM 650 kr. pr. KFM (360-420 kr./ rummeter) VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE 13
Biobrændsler og logistik Over 40 cm i diameter eller stakke større end 30 KFM Andet løvtræ 7-40 cm i diameter Stakstørrelse mindre end 30 KFM Over 40 cm i diameter eller stakke større end 30 KFM Nåletræ 600 kr. pr. KFM (330-390 kr./ rummeter) 560 kr. pr. KFM (310-365 kr./ rummeter) 520 kr. pr. KFM (285-340 kr./ rummeter) 425 kr. pr. KFM (250 til 280 kr. pr. rummeter) Rabat ved køb af brændestakke Ved samlet køb over 40.000 kr. inkl. moms får man 10 procent rabat. som går over til at afregne efter forbrugt energi + faste afgifter. Danske Fjernvarmeværkers Forening har for 2011 beregnet fjernvarmeprisen for et standardhus på 130 m2 og et varmeforbrug på 18,1 MWh/år til at være steget gennemsnitligt med 2,1 %. Fjernvarmeprisen er steget fra 12.805 til 13.070 kroner for den gennemsnitlige ácontopris for et standardhus. Tilsvarende pris for opvarmning med fyringsolie er steget med knap 4.000 kr./år for det samme standardhus. For opvarmning med naturgas er varmeprisen faldet med ca. 1.000 kr./år for standardhuset. Olieprisen er opgjort til 29.016 kr./år og naturgasprisen til 19.156 kr./år for standardhuset. Træpiller, flis og korn Træpiller og korn indkøbes normalt efter vægtenheder, og omregning er derfor ikke nødvendig. Prisen varierer og er bl.a. afhængig af, om varen leveres i sække a 50 kg eller i større partier. Ved levering i løs vægt er prisen for træpiller i størrelsesordenen 1,20 kr./kg, mens den for korn er ca. 0,94 kr./kg. Træpiller har typisk et vandindhold på 8 % og en nedre brændværdi på 4,85 kwh/kg. Ved en pris på f.eks 1,20 kr./kg og en virkningsgrad på 85 % svarer det til en energipris på 0,29 kr./kwh eller ca. halvdelen af prisen for fyringsolie. Forbrug af træpiller i følge normalåret Korn har typisk et vandindhold på 15 % og en nedre brændværdi på 3,85 kwh/kg. Ved en pris på 0,94 kr./kg og en virkningsgrad på 85 % svarer det til en energipris på 0,29 kr./kwh eller i samme størrelsesorden som træpiller. Fyringsolie Fyringsolie indkøbes i liter eller m³ og brændværdien er altid pr. vægtenhed. For at beregne prisen pr. energienhed skal liter derfor omsættes til kg. Massefylden for fyringsolie er ca. 840 kg/m³ og den aktuelle dagspris den 20. januar 2013 er kr. 11.500,00 inkl. moms for 1.000 liter. Nedre brændværdi er 11,6 kwh/kg. Fjernvarme Tidligere blev fjernvarmeforbrug typisk afregnet efter m³ + faste udgifter. Af flere årsager er der imidlertid flere og flere værker, 14 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE
Biobrændsler og logistik VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE 15
Konstruktioner, vedligeholdelse og levetid 4. Konstruktioner, vedligeholdelse og levetid Kedler Fastbrændselkedler, især manuelt fyrede kedler som brændekedler og halmballekedler, adskiller sig på et meget væsentligt punkt fra olie- og gasfyrede kedler og fra el-varme: man kan ikke bare slukke og tænde og på den måde tilpasse effekten til behovet. Automatisk fyrede kedler for piller, flis og korn kan dog i et vist omfang tilpasse effekten efter behovet. Normalt fungerer kedlerne bedst ved belastninger mellem 30 % og 100 %, men kan fungere acceptabelt ved effekter på lidt under 30 % af den nominelle effekt. Der findes flere principper på markedet. Bliver automatiske anlæg overdimensionerede, vil belastningen en stor del af året være væsentligt mindre end 30 % og resultere i en ikke uvæsentlig tomgangs eller on-of fyring med dårlig forbrændingskvalitet. Princip for gennemforbrændingskedel Underforbrænding De mest velegnede brændekedler er altid underforbrændingskedler eller kedler med omvendt forbrænding (se figur 5.2 og 5.3). Underforbrænding er karakteriseret ved, at forbrændingsluften bevæger sig nedefra og bagud gennem glødelaget uden at passere det friske brændselslag. Brændekedler Manuelt fyrede brændekedler kan ikke brænde acceptabelt med en ydelse på 2-4 kw, som er behovet for et velisoleret enfamilieshus en stor del af året, og må derfor ikke installeres uden akkumuleringstank. Manuelt fyrede magasinkedler kan være konstrueret efter to forskellige principper: Gennemforbrænding Gennemforbrænding hvor forbrændingen foregår således, at flammerne passerer op igennem brændselslaget og underforbrænding, hvor forbrændingen foregår på undersiden af brændselslaget og flammerne forlader brændslet uden at passere op igennem brændselslaget. Princip for underforbrænding De kedler, der er dårligst egnede til biobrændsel, er typisk gamle gennemforbrændingskedler. Gennemforbrændingskedlen kan ikke brænde acceptabelt med træ og vil ikke kunne leve op til gældende emissionskrav. Disse kedler kan imidlertid være velegnede til montering af løse pillebrændere. Det er i dag ikke tilladt at sælge og installere gennemforbrændingskedler til træfyring i bygninger. Princip for underforbrænding Omvendt forbrændinger er karakteriseret ved 16 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE
Konstruktioner, vedligeholdelse og levetid at forbrændingsluften bevæger sig fra toppen og nedad gennem glødelaget og ud gennem en spalte i bunden af fyrboksen til et separat kammer. Disse typer brænder næsten som gas- eller oliefyrede kedler. Kedler for omvendt forbrænding adskiller sig fra almindelig underforbrænding ved at forbrændingsluften passerer ned gennem brændselslaget. Futures kan dog ikke anbefales til type MBSOLO). - Effektiv forbrænding Underforbrænding af træet sikrer en god energiudnyttelse. De store låger letter pålægning af brænde og askeudtagning/ rensning. Princip for omvendt forbrænding - Termostatstyret suge-træk-ventilator Sørger for passende luft til forbrændingen og skaber undertryk i fyrboksen. Når træet er brændt ud stoppes ventilatoren og pumpen automatisk af den indbyggede minimumstermostat, der føler temperaturen i røgafgangen. Herved udnyttes den oplagrede varme i lagertanken bedst. Konstruktionen stiller meget små krav til skorstenstrækket. Ventilatoren er let at tage af ved rengøring af løbehjulet. - Røgafgang opad eller bagud Pænere installation, lettere at indpasse i opstillingsrummet opad en væg (kan også stilles 45 skråt bagud). - Let tilgængeligt dæksel For rensning af rørrørene. omvendt forbrænding Eksempel: Type MB-SOLO MK II - Stor varmeflade Stor overflade i røgkanalerne og passende lav røggasmodstand sikrer maksimal varmeovergang fra røggassen til kedelvandet ved naturligt skorstensaftræk på 1,5-2,0 mmvs. - Flere slags brændsel MB-SOLO anvendes til fyring med skovtræ, kul (30-50 mm) eller koks (energikoks/ - Turbolensplader I røgrørene sørges for god afkøling af røggassen, så varmen føres effektivt over i kedelvandet. - Forbrændingslufttilførsel Primær- og sekundærluft uafhængig regulerbar. - Effektiv luftfordeling giver optimal forbrænding Såvel primær- som sekundærluften ledes via luftkanalen ind i fyrboksen med netop den VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE 17
Konstruktioner, vedligeholdelse og levetid hastighed, der giver en jævn forbrænding. Primærluften ledes ind i optimal afstand fra flammetunnelen. Sekundærluften ledes videre igennem den keramiske brændtunnel, hvor den opvarmes og fordeles gennem de to kanaler og luftdyserne, hvorefter den med stor hastighed blæses direkte ind i flammen for at fuldstændiggøre forbrændingen. Forbrændingen sker optimalt, da kedlen er forsynet med friskluftindtag igennem en temperaturstyret blæser, der er placeret på forsiden af ovnen. - Tilsluttes varmelagertank Kedlens store brændselsmagasin giver høj betjeningskomfort. Brændepåfyldningen afpasses, så brændet netop er udbrændt, når lagertanken har opnået makstemperatur (ca. 90 C). Automatisk fyrede kedler For alle automatisk fyrede kedler gælder, at brændslet automatisk transporteres fra magasinet eller brændselsforrådet frem til brænderen, hvor forbrændingen foregår under tilførsel af forbrændingsluft. Transporten foregår ofte ved hjælp af en snegl eller skrue. Underforbrændingskedel, som får tilført forbrændingsluften ved skorstenens naturlige træk. Generelt er der flere muligheder for at arrangere brændselstilførslen. Træpillekedler er opdelt i vandret tilførsel, toptilførsel og undertilførsel. Hver metode reagerer forskelligt med hensyn til slaggeproblemer fra brændslet. Billedet herunder viser de forskellige fødesystemer. Underfeed, feed from side and top feeding system (Hartmann et. al. 2007) Typiske brændsler i automatisk fyrede kedler kan være træpiller, flis eller korn. Forbrændingen foregår eksempelvis på en rist, i en herd eller i et brænderrør. Brændslet skubber asken foran sig, til den falder ned i en beholder eller, på større anlæg, ned i en transportsnegl. Der kan også være tale om kedler med vandrerist, hvor vandreristen både fungerer som brændselsdoseringsudstyr, forbrændingsrist og asketransportør. Nogle kedler har trapperist, skubberist eller vipperist, eller herdplader i stedet for riste. 18 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE
Konstruktioner, vedligeholdelse og levetid Løse pillebrændere Løse pillebrændere, der er typeprøvet efter gældende standard (se afsnit om DS/ EN15270), må eftermonteres på eksempelvis manuelle kedler, hvormed kedlen kun fungerer som røgkøler, men ikke har nogen forbrændingsteknisk funktion. Løse pillebrændere må kun monteres på kedler, hvis brændkammerstørrelse opfylder fastlagte minimumsdimensioner. Minimumsdimensionerne bestemmes ved typeprøvning af brænderen, og kan oplyses af producenten/ forhandleren eller findes på www.teknologisk. dk/911. Hvis brænderen monteres i for lille et brændkammer vil forbrændingskvaliteten forringes på grund af for tidlig afkøling af røggassen. Generelt benyttes de samme principper for brændselsfødning, som for automatiske fyrede kedler. Eksempel: Multi-Heat stokerfyr fra Baxi Denne type af kedel forbrænder træpiller, korn, træflis, spåner og savsmuld. Kedlen har et stort brændselsmagasin, som blot skal fyldes 1-2 gange om ugen i den kolde tid. Automatisk fyring sørger nemlig for, at fyret løbende får tilført brændsel efter behov, helt ned til 1 kw. Denne metode sikrer en høj virkningsgrad på 89-91 %. Man kan let stille op og ned for ydelsen, fra 30-100 % og der er derfor ikke brug for lagertank. Kedlen kan også leveres med iltstyring. - Solid kvalitet Røggasberørte, vandkølede stålplader i den indvendige kedel er 6 mm tykke og særligt udsatte dele i fyrboksen er af syrefast rustfrit stål. VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE 19
Konstruktioner, vedligeholdelse og levetid - Let at placere i opstillingsrummet Røgafgangen går ovenud og kan let føres til skorsten. Lågerne er vendbare og kan åbnes mod venstre eller højre. - Styringen Er placeret over lågerne og betjenes forfra. Udvaskning og rensning af røgrørene udføres også let forfra. - MULTI-HEAT Kan leveres med forskellige størrelser af brændselsmagasin (se tekniske data). Låget til magasinet er vendbart, så der kan påfyldes brændsel bagfra eller fra højre eller venstre side. - Træpiller, skovflis og korn Er indenlandsk, reproducerbart, miljøvenligt og billigt brændsel, der kan erstatte importeret, dyrere og miljøbelastende brændsel (olie). Når der fyres med skovflis skal der i magasinet være monteret en omrører, som vist på tegningen. Flisen føres ind i en transport- og en indføringssnegl fra flissiloen og ind på risten, hvor forbrændingen sker. Ristens bevægelse fører asken mod askefaldet og videre ud med askesneglen. Røggassen køles ved at passere røgrørene, som er omgivet af kedelvand. Brændeovne med vandtank ( gris ) For boliger med meget lavt energibehov og hvor man alligevel ønsker at benytte brændeovn, kan en god løsning være en brændeovn med gris. Ovnen selv opvarmer det rum, den er placeret i og en del af de tilstødende rum, hvis det er muligt, mens vandsystemet dels benyttes til opvarmning af varmt brugsvand, dels til opvarmning af de rum, der ikke kan opvarmes direkte. Ovnen kan suppleres med solvarme eller andet for produktion af varmt brugsvand uden for fyringssæsonen. På figuren herunder er vist et Reka flisstyringsanlæg. 20 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE
Konstruktioner, vedligeholdelse og levetid Primærluft tilsættes i den ene ende og røgafgangen er placeret i den modsatte ende af kedlen. Sekundærluft tilsættes øverst i kedelrum. Som brændekedel er kedlen uegnet. Underforbrænding for halmkedler Underforbrænding for halmkedler er ristefyring, hvor primærluft tilsættes under brændslet og sekundærluft tilsættes, hvor brændselsmængden ophører. Kedeltypen kan anvendes til halmballer og brænde. Forbrændingskvaliteten i kedlen vil i høj grad afhænge af, hvor godt gasforbrændingskammeret efter sekundærtilsætningen af luft er. Kedlens effektivitet vil afhænge af, hvor meget hedeflade røggasserne skal passere efter gasforbrændingskammeret og inden røgen føres til skorstenen. Portionskedler for halm Gennemforbrænding for halmkedler Gennemforbrændingen for halmkedler er karakteriseret ved luftindtagets placering. Overfladeforbrænding for halmkedler Primær- og sekundærluft tilsættes i disse kedler via blæsertryk ovenfra, lodret eller skråt ned i brændslet fra den ende, hvor røggasserne forlader brændselsmagasinet. Her tilsættes sekundærluft. VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE 21
Konstruktioner, vedligeholdelse og levetid Som for underforbrænding afhænger forbrændingskvaliteten i høj grad af, hvor godt gasforbrændingskammeret efter sekundærtilsætningen af luft er. Kedlens effektivitet vil ligeledes afhænge af, hvor meget hedeflade, røggasserne skal passere efter gasforbrændingskammeret, inden røgen føres til skorstenen. Modstrømsforbrænding Primær- og sekundærluft tilsættes gennem de samme luftdyser. Ved passende blæsertryk og afstand mellem dyser og brændsel vil en del af luften fungere som sekundærluft. Som ved underforbrænding er gasforbrændingskammeret og hedefladens størrelse afgørende for forbrændingskvalitet og effektivitet. Orientering om kedelopbygning Husk, der må ikke ombygges på typegodkendte kedler. Fyrrummets størrelse En gammel dimensioneringsregel siger, at den indfyrede effekt ikke må overstige 0,3-0,4 kw pr. liter fyrboks, eller 300-400 kw pr. m³ fyrboks. Jo mere træk man har, jo mindre kan fyrboksen være i forhold til den indfyrede effekt. I en kedel med utilfredsstillende forbrænding,kan forholdene i reglen forbedres ved at reducere den indfyrede effekt, eller ved at øge trækket, fx med en røggassuger. Også udmuring af fyrboksen kan være en fordel, men man må i reglen reducere den indfyrede effekt samtidig, da udmuringen jo gør fyrboksen mindre. Hedeflade Hedefladen kan opgives i forhold til indfyret effekt og i forhold til afgivet effekt. Den 22 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE
Konstruktioner, vedligeholdelse og levetid afgivne effekt afhænger af en række forhold, der er variable, mens den indfyrede effekt kun afhænger af den indfyrede brændselsmængde. For alle kedler gælder, at hedefladen skal være afpasset efter den indfyrede effekt, således at man kan holde en røgtemperatur så lav som muligt uden at få kondens i skorstenen. Sammenligner man med olie- og gaskedler skal hedefladen være ca 20 % større pr. indfyret kw. Jo mere vand, der er i brændslet, jo større skal tillægget være. På enkelte større kedler er retarderne udrustet med bevægeaggregater, således at retarderne kan holde hedefladen ren. Retardere kan i nogle tilfælde vanskeliggøre rensning af kedlen og vil under alle omstændigheder øge røgmodstanden, således at der bliver større trækbehov. I en del af de nyere kedler er retarderne indrettet således, at de anvendes i forbindelse med en automatisk rensning af kedlen. For biobrændsler vil en indfyret effekt på ca. 14 kw pr. m² hedeflade være passende. Men der er vel at mærke tale om den effektive del af hedefladen, ikke den del, der er dækket af murværk og ikke den del, der ikke bestråles af flammerne eller passeres af de varme røggasser. Hedefladen kan være opbygget af pladejern eller støbejern eller af kombinationen pladejernrøgrør. For dampkedler vil vandrørskonstruktioner hyppigt være valgt. Pladejernshedeflader vil ofte være påsvejst fladjernsribber for at øge hedfladen på en relativt billig måde. Vandkøling, luftkøling og isolering Fyringsanlæggets formål er at overføre brændslets energiindhold til anlæggets vand. Alle varme dele i og omkring fyrboksen, hvor forbrændingen foregår, skal være vandkølede, eventuelt med murværk mellem de vandkølede dele og ilden for at sikre en ordentlig forbrænding. Alle vandkølede dele skal være isoleret udvendigt. Spildvarmen fra ikke-vandkølede dele kan ikke rummes i forbrændingsluften. Forholdsvis simple regnestykker, hvori bl.a. vil indgå luftens varmefylde ville vise dette. Man kan også se på prøvningsresultater, der viser, at høj effektivitet kun opnås på fuldt vandkølede, velisolerede, velbrændende konstruktioner. Retardere Hedefladens effektivitet kan øges noget ved at tvinge røgen ud mod fladerne, fx ved hjælp af retardere. Retardere kan fx være kæder ophængt i lodrette røgrør, eller snoede eller zig-zaggede pladejernsstrimler anbragt i røgrørene. VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE 23
Forbrændingsteknik og fyringsteknik 5. Forbrændingsteknik og fyringsteknik Forbrændingskemi generelt Kemiske reaktioner foregår altid i simple forhold mellem atomer og molekyler, fx 1 kulstofatom + 2 iltatomer. De enkelte atomer kan betragtes som et slags samleled med 1, 2, 3, 4 eller 5 koblinger kaldet valenser. Kulstof optræder altid med fire valenser undtagen i CO-kulilte, hvor kulstof kun har to valenser. Da et grammolekyle af et hvilket som helst stof altid fylder 22,4 liter ved 0 C og 1 atm. tryk, bliver forholdet mellem rumfangene af gasser, der kan reagere med hinanden, også altid i simple forhold. Disse regler benyttes ved forbrændingstekniske beregninger. Forbrændingskemi Ved forbrænding af brændsler reagerer luftens ilt med brændslets indhold af kulstof, brint og svovl (og kvælstof). Samtidig udvikles der varme. Varmeudviklingen (energien) udtrykkes i kcal (kilo-kalorier), kj (kilo-joule) eller kwh (kilowatt-timer). Den udviklede varme går til: - Opvarmning af brændet. - Opvarmning og fordampning af vandet i brændet. - Nedbrydning (pyrolyse) af brændets molekyler til mindre molekyler (gas, syre, tjære, vand). - Opvarmning og fordampning af de dannede stoffer til forbrændingstemperatur. Her kan en del af varmen igen afgives, hvis gasserne brænder. - Afgivelse af varme gennem brændkammerets vægge. - Opvarmning af asken. De vigtigste reaktioner for beregning af varmeudviklingen er forbrændingen af kulstof, brint og svovl. De rene stoffers forbrændingsvarme fremgår af tabellen herunder. Grundstofferne reagerer med hinanden efter simple forhold, fx: 1 kulstofatom + 2 iltatomer, eller 1 kulstofmolekyle + 1 iltmolekyle giver 1 molekyle CO 2, dvs.: C+O2 > CO 2 1 mol kulstof + 1 mol ilt = 1 mol kuldioxid + varme 12 kg C + 32 kg O 2 > 44 kg. CO 2 1 kilo-mol C + 1 kilo-mol O2 = 1 kilo-mol CO 2 + varme Divideres med 12 fås: 1 kg C + 2,67 kg O 2 > 3,67 kg CO 2 + 33,8 MJ Tilsvarende fås for reaktionen mellem brint + ilt: 2 H 2 + O 2 > 2 H 2 O 2 mol brint + 1 mol ilt = 2 mol vand + varme 4 kg H2 + 32 kg = 2 > 36 kg H 2 O + 480 MJ 2 kilo-mol brint + 1 kilo-mol ilt = 2 kilo-mol vand + varme Divideres med 4 fås: 1 kg H 2 + 8 kg O2 >9 kg H 2 O + 120 MJ For reaktionen svovl + ilt fås tilsvarende: S + O 2 > SO 2 1 mol svovl + 1 mol ilt = 1 mol svovldioxid + varme 32 kg S + 32 kg O 2 > 64 kg SO 2 1 kilo-mol svovl +1 kilo-mol ilt = 1 kilo-mol svovldioxid + varme Divideres med 32 fås: 1 kg S + 1 kg O 2 > 2 kg SO 2 + 9,25 MJ 24 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE
Forbrændingsteknik og fyringsteknik Øvre og nedre brændværdi Brændsler indeholder i reglen vand, ligesom der ved forbrændingen dannes vand. Ved forbrænding af brændslet skal vandet fordampes, hvilket koster energi. Fordampning af 1 kg vand bruger 2,45 MJ. 1 kg H 2 Ovand > 1 kg H 2 Odamp - 2,45 MJ Der skelnes mellem den øvre brændværdi (Hø) og den nedre brændværdi (Hn) for tørt brændsel og sædvanligvis også askefrit brændsel. Ved Hn er vandets fordampningsvarme trukket fra den øvre brændværdi såvel fordampningsvarmen for det vand, der er i brændslet, som for det vand, der dannes ved forbrændingen. Maksimal CO 2 Den ilt, der indgår i forbrændingen, tages fra atmosfærisk luft. Hver gang man benytter 20,9 liter ilt, følger der samtidig 79 liter kvælstof med. Når man måler på en røgprøve, der er suget ud fra røgrøret, kondenserer man vanddampen ud inden målingen. Tilbage bliver kvælstof, kuldioxyd (CO 2 ), iltoverskud og eventuelt uforbrændt gas og kulilte (CO). Jo mere brint, der har været i brændslet, jo mere vand dannes der i forhold til CO 2 og derfor vil den CO 2 -procent, man kan måle, være afhængig af brændslet. Den nedre brændværdi kan bestemmes ved hjælp af følgende: Hn = Ho - 2442 x (9 x h + w) [kj/kg.] Hvor: h er brintindholdet i det rå brændsel w er vandindholdet i det rå brændsel Normalt benyttes den nedre brændværdi. I de kondenserende kedler kondenseres røgens vand ud, hvorved fordampningsvarmen genvindes. Benyttes den nedre brændværdi fås nyttevirkninger over 100 %. Ofte måles iltprocent - ikke CO 2 - så det kan være nødvendigt at omregne mellem de to typer måleresultat: VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE 25
Forbrændingsteknik og fyringsteknik Luftoverskud og røggasblanding I takt med forbrænding af kulbrinter og kulstof vil kuldioxidprocenten stige og iltprocenten falde. Luftoverskuddet kan endvidere udtrykkes ved forholdet mellem den maksimale og målte CO 2 -procent, se nedenstående: Afhængigt af, hvor meget brint brændslet indeholder, kan kuldioxidprocenten teoretisk ligge mellem 15 % for forbrænding af voks og harpiks og 20 % for træforbrænding. Normalt er kuldioxidprocenten et udmærket udtryk for, om der er tilført forbrændingen en tilstrækkelig mængde forbrændingsluft. I begyndelsen af forbrændingen efter brændepåfyring kan kuldioxidprocenten nå op på 18 %, senere i forløbet når den ned på 4 % - hvilket svarer til, at iltprocenten stiger fra ca. 3 til ca. 17 %. Den luft, der tilføres ud over den teoretisk nødvendige forbrændingsluft, kaldes luftoverskud. Et vist overskud af luft er nødvendigt for at sikre tilstrækkelig luft overalt, hvor gasserne skal brænde, selv om gas/luftopblandingen aldrig er helt ensartet. Forholdet mellem tilført luft og teoretisk nødvendig luft kaldes for luftoverskudskoefficienten λ (lambda). Hvis λ (lambda) er omkring 1, vil 1 % ilt give et mere sikkert mål for λ. Har man fx 1 % CO og 19 % CO 2 og man kun måler CO 2, kan man tro, at man har luftoverskud, mens man i virkeligheden har luftunderskud. Den tilførte luft skal opvarmes til røggastemperatur. Derfor giver større luftoverskud end nødvendigt for forbrændingen et unødvendigt stort røggastab (% røggastab er lig med 100 minus % nyttevirkning). 26 VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE
Forbrændingsteknik og fyringsteknik Forbrændingens afhængighed af temperatur og luft Hvis træ er varmet op til sin antændelsestemperatur, og der tilføres luft (primærluft), vil træet brænde under varmeudvikling. Forbrændingshastigheder for gas/ luftblandinger For at forbrændingen skal kunne fortsætte, må den udviklede varmemængde være lige så stor som eller større end den varmemængde, der fjernes med røgen og ved afgivelse gennem ovnvæggene, ellers går forbrændingen i stå igen. Hvis forbrændingen fortsætter, er forbrændingshastigheden meget afhængig af den hastighed, hvormed der kan føres luft til den brændende overflade. Forbrændingshastigheden er også afhængig af overfladetemperaturen af det materiale, træ, trækul eller kul der brænder men lufthastigheden er afgørende, blot brændslets overfladetemperatur er over 830 C. Ved gasarter, gas eller fordampede væsker, hvor temperaturen er høj nok, sker forbrændingen praktisk talt øjeblikkeligt, når der er blandet luft i. Det tidskrævende er at få luft og gas blandet tilstrækkeligt. Et forhold, der også spiller ind, er gas/luftblandingers forbrændingshastighed. Overskrider gassens hastighed gasforbrændingshastigheden på grund af indsnævringer i røggasvejen, før forbrændingen er afsluttet, blæser flammen ud. Gassammensætningen - og dermed forbrændingshastigheden - varierer hen igennem forgasningsforløbet efter hver brændepåfyring. Derfor må det ved dimensionering af ovnens brændkammer og røgveje sikres, at forbrændingen er afsluttet, inden gasserne når ud i kanaler eller skorsten, hvor der kan forekomme hastigheder højere end forbrændingshastigheden. Gas, der bliver varmet op uden at brænde, vil kunne fraspalte kulstofpartikler, sod. Dette sker eksempelvis, fordi luften ikke er jævnt fordelt og blandet med gasserne i forbrændingskammeret. Det er vigtigt, at de gasser, der på grund af strålevarmen fra flammerne eller murværk uddrives fra brændet, hurtigt bliver blandet med luft, inden soddannelsen bliver for voldsom. Blandingen skal være sket, inden gasserne er kølet ned under antændelsestemperaturen. Det er vel at mærke blandingen af gas og luft, der skal være varmere end antændelsestemperaturen. Det er på nogle ovne løst ved forvarmning af forbrændingsluften. Det er derfor ikke hensigtsmæssigt at tilføre gasserne for meget luft, fordi blandingen derved bliver for kold til at kunne brænde. På den anden side kan blandingen blive for dårlig i mange forbrændingsrum, hvis der skrues ned for sekundærluften, da det er lufttilsætningen, der virker som blandemekanisme. Det kan afhjælpes ved at bruge mindre luftdyser med højere lufthastighed. Også her vil forvarmning af luften kunne hjælpe, da forvarmet luft fylder mere end kold luft. Samme luftmængde vil derfor kunne tilføres med større hastighed. Undertiden er skorstenstrækket ikke tilstrækkeligt hertil, især hvis skorstenen er lavere end 4-5 meter. Soddannelse Holdes en gas varm uden luftadgang, kan der fraspaltes små kulstofpartikler, der efterhånden klumper sammen og danner sod. Sodpartiklerne kan, ligesom aktivt kul, der VVS-BRANCHENS EFTERUDDANNELSE 27