Author: guest63

Ahjuehituse kaasajastamise võimalused Eesti oludes
Annes Andresson OU Ahjutarve, Mart Hovi EMÜ tehnikainstituut
Annotatsioon
Ahjude põhiliseks kütuseks Eesti oludes on küttepuud. Seda loetakse ka üheks odavamaks võimaluseks kodudes soojust saada. Seoses taastuvenergiaallikate valdkonnas toimuvate arengutega ei pruugi see nii jääda ja seega peaks aegsasti mõtlema sobiva põletustehnika kaasajastamisele. Kui eelmise sajandi teisel poolel soovitasid mitmed autorid hakata kasutama restkollet, siis tänapäeval näitavad viimased uuringud, et õhu koldesse altjuhtimisega ei saavutata piisavalt puhast põlemist. Lisaks keemiliselt mittetäieliku põlemise soojuskaole loetakse ahikütet peensaaste allikaks. Saksakeelsetes maades, aga ka mujal, on juba sajandeid pööratud tähelepanu ahju tõhusamaks muutmisele. Selles suunas tuleb ka Eesti oludes liikuda.
Märksõnad: Ahi, küttepuit, ajalugu, pilukolle, projekteerimine
Väljakaevamised kinnitavad, et inimesed kasutasid primitiivseid ahjusid juba 2500 aastat e.m.a., kus kütuseks oli suuremalt osalt puud. Euroopas on esinenud perioode, mil metsad on maha raiutud, sest puitu vajati suures koguses kütteks, majade ja laevade ehituseks. Metsade kadumine sundis inimkonda otsima säästlikumaid ahjusid – nii on paljud tuntud inimesed omaalgatuslikult otsinud ökonoomsemaid viise kütmiseks. Ajaloost teame, et Saksa luuletaja Johann Wolfgang Goethe huvitus peale luuletamise ka ahjuehitusest ja ehitas koos vasesepp Christoph Gottlieb Pflugiga balloonahju. Preisi kuningas Fridrich II organiseeris 1764. aastal esimese ahjuehituse konkursi Saksamaal, eesmärgiks saada võimalikult ökonoomne ahi. Võitjaks tuli pottseppmeister Paul Baumer Berliinist, kelle järgi hakati seda tüüpi ahju kutsuma Berliini kahhelahjuks (Berliner Kachelofen). Sel ahjul olid kindlas proportsioonis nii kolle kui ka suitsulõõrid. Ahjul olid kolde rest, lõõride süsteem ja siiber suitsugaaside reguleerimiseks. Ahjuehitus on nt huvitanud ka Ameerika president Benjamin Franklinit, kes isiklikust huvist konstrueeris puudega köetava ahju aastal 1742.
Joonis 1. Võitjaks tulnud pottseppmeister Paul Baumeri ahi 1765. aastal
Figure 1. The winner stove from Paul Baumer in year 1765
Veel 1800. aasta algul oli probleemiks, kuidas ehitada suitsulõõre nii, et nende kaudu ei läheks ahjust palju soojust korstnasse – kui pikad ja missuguse ristlõikega peaksid lõõrid olema ning kas ehitada neid paralleelselt? Alles siis, kui ahjuehitusega hakkasid tegelema insenerid, tekkisid kahtlused, et üksnes traditsioonilisele kogemusele toetudes ei saa projekteerida sobiva kujuga lõõristikke. Kahjuks on Eestis veel tänapäevalgi levinud tänu internetifoorumitele arvamusi, mida ei saa soojusfüüsikast lähtudes tõeseks pidada. Eestis oli kaua aega ainsaks ahjuehituse alaseks kirjanduseks Arvo Veski ja Aksel Vaigu „Pottsepa ja korstnapühkimistööd“, 1964 Tallinn ja selle kordustrükid. Raamat kujutas endast praktilist õpperaamatut ilma eriliselt teooriasse süvenemata.
Ahjuehituse alaseid uuringuid arendati Saksa Demokraatlikus Vabariigis (SDV) insener Karl Heinz Pfestorfi eestvõttel, kelle raamatust „Kachelofen und Kamine“ on ilmunud kuus kordustrükki. Raamat oli saksakeelsena kättesaadav ka meil. SDV-s otsiti alternatiivseid kütuseid, sest riik oli vaene kivisöe ja nafta poolest.
Kui kütteõli ja gaasi hinnad tõusid, hakati ka teistes riikides otsima neile alternatiivseid kütuseid. Esimesed tõsiseltvõetavad teaduslikud uuringud küttepuudega töötavate ahjude kohta ilmusid 1990. aastate alguses (Hofbauer 1993, Rath 1995), mis panid aluse tänaseks väljakujunenud seisukohtadele.

Temperatuuri juhtivusvõime on materjali soojusjuhtivuse suhe soojussalvestusvõimesse. Tähistatakse a-ga ja mõõtühik on m2/s 10 -6
Jahtumisarv näitab, kui kiirelt plaat ,paksusega d, etteantud tingimustes jahtub. Soojaülekanne ei ole piiratud. Jahtumisarv muutub plaadi paksusega. Tabelis on toodud andmed 10 cm paksusega plaadi korral. Aega mõõdetakse sekundites.
Viimasel kolmel aastal on levima hakanud uus kolde ehituse süsteem. Ahju kolde sein koosneb kahest paralleelsest šamott-tellistest laotud seinast, mis on eraldatud omavahel 7–8 mm laiuse piluga, mille kaudu juhitakse koldesse põlemisõhk. Pilud on kolde kolmes küljes ja paiknevad seina ülaosas. Pilude pindalad ja omavahelised kaugused saadakse arvutuste teel. Eesmärgiks on suunata ettekuumutatud põlemisõhk ümber kolde küttepuudele, mis kindlustab ahjus kõrge temperatuuri, puhta põlemise ja hea kasuteguri (82%). Selliste ahjude sisemise ehituse projekteerimine toimub arvutiprogrammi alusel (vt joonis 3). Eestis omab selle programmi litsentsi üks firma, OÜ Volt. Kütteseadme lõõride ehituses on eelistatud Wolfshöheri ahju šamott-tellised, mida peetakse üheks parimaks Euroopas ja mida saab osta ka Eestis. Osa firmasid toodab ahjudele sobilikke lõõrisüsteeme moodulitena, kuid need on šamott-tellistega võrreldes kallimad. Suitsulõõri pikkus ja nende õige ristlõige kindlustab hea sooja ülekande lõõri seintele. Seinte materjal peab olema piisava soojusmahtuvusega, et salvestunud soojus kanduks aeglaselt üle ahju välisseintele.

Joonis 3. Näide Austria pottsepaühingu programmiga projekteeritud ahju passist (K. Koppel)
Figure 3 Example of computer aided stove design from passport of stove

Joonis 2. Pliidi pilukolle, milles saab puhtalt põletada kuni 3,7 kg puitu (Foto Lauri Lõhmus)
Figure 2. Umvelt-Plus fireplace for clean burning of 3,7 kg wood
Vaatame tänapäevaseid soovitusi salvestava ahju koldele. Ahju mootoriks tuleb lugeda ahju kollet, sest see peab kindlustama kõrge kasuteguri. Kõrge kasutegur saadakse kõrge põlemistemperatuuriga, kus suitsugaasid liiguvad koldest suitsulõõri ca 700-kraadilise temperatuuriga. Selle eelduseks on piisavalt avar kolle, põlemisõhu piisav kogus ja selle hea segunemine põlemisgaasidega. Kolde rest puudub ja kolde ruumi sisepinnna (6 külge) optimaalseks suuruseks peetakse maksimaalselt lubatud kütuse koguse korrutist 900-ga. Seega 25 kg küttepuude kasutamisel peab kolde sisepindala olema 900 x 25 = 22 500 cm². Kolde põhja kuju ei ole eriti oluline – kas ristkülikukujulise põhjapinnaga või ruudukujuline. Küll aga ei tohi kolde pikkus ületada kolde laiust üle kahe korra. Pikas koldes, eriti selle nurkades, põlevad puud ebaühtlaselt. Oluline on ka kolderuumi kõrgus, sest küttepuud vajavad põlemiseks ruumi, kõrget temperatuuri ja aega, et suitsugaasid saaksid seguneda küllaldaselt hapnikuga. Arvutuslikult peab eelnevalt esitatud näite puhul kolderuumi kõrgus põrandast kuni kolde laeni olema vähemalt 55 cm. Maksimaalse kütusekogusega kütmisel peab halupuude kohale jääma 25 cm vaba ruumi. Suur kolle toob kaasa suure CO ja põlemata orgaanilise aine hulga ning liigõhk jahutab suitsugaase ja kolde seinu. Liialt väikese kolde korral tõuseb leek esimesse suitsulõõri ja põlemisprotsess jääb poolikuks. Meil on aastaid ehitatud ahjusid, kus kolde suuruse määrab ära pottsepa arvamus, mitte aga soojustehnikaga arvestamine. Tagajärjeks on madal kasutegur. Koldes salvestunud soojus on ca 50% kogu koldes vabanenud soojuse hulgast. Selleks, et koldes oleks kõrgem temperatuur, mis kindlustaks suurema kasuteguri, oli Euroopas aeg, kus kolle soovitati isoleerida 3 cm paksuse isolatsiooniplaadiga. Praeguseks on välja töötatud mitmed paremad šamott-tellised, millel on madal soojusjuhtivus ja suur kuumutustsüklite taluvus. See vähendab soojuse ülekannet läbi kolde seinte ja kindlustab suitsugaaside kõrge temperatuuri. Liigõhutegur ahjul põlemise jooksul on keskmiselt 2,95, s.o õhku kulub põlemisel kolm korda rohkem kui teoreetiliselt on vaja. Põlemise alguses ja lõppfaasis on see tegur 8 ja enam. Soovides vähendada liigset koldesse sisenevat õhku, kasutatakse kaasajal õhu juurdevoolu elektroonilisi rergulaatoreid. Et põlemise alg- ja lõppfaasis on temperatuuri ja liigõhu suhe erinev, siis soovitatakse temperatuuri ja liigõhu hulga kõrval pidevalt mõõta ka CO-sisaldust, millega korrigeeritakse õhu juurdevoolu koldesse.

Pilukoldega pliidi plaadi alune ruum on pärast katsekütmist tahmavaba. Ka koldeukse klaas on puhas. Kolde seintes on näha põlemisõhu avad.

Esimene põhjalik norm salvestavatele ahjudele kinnitati Austrias 01.01.1999. A, ÖNORM B 8301. Selle materjali põhjal võeti 2010. aastal vastu EN 15544, mis kehtib soovituslikult kogu EL-is. Normis on soovituslikud näitajad CO, NO, lendtuha, põlemata orgaanika ja kasuteguri kohta. Kuidas mõõta salvestavas ahjus neid parameetreid, seda õpetab EN 15250. Kui Keskkonnaministeeriumi poolt tellitud uurimus näitas, et Eestis 2013. a mõõdetud ahjus oli CO-d ja lendtuhka soovituslikust normist neli korda rohkem (Teinemaa 2013).
Taastuva energia kasutamise arengukava ja kehtestatud rangete normidega küttekeha põlemisgaaside kohta on Austrial ja Šveitsil kavas nõuda vanade ahjude kohustuslikku ümberehitust. Ümberehituse graafik on koostatud sõltuvalt ahju ehitusaastast. Samal ajal on Saksamaa võtnud vastu otsuse, et ümberehitus toimuks siis, kui antud ahi (küttekeha) vajab remonti suure kulumise tõttu. Saksa autorite seisukoht on ka, et uued ranged normid põlemisgaaside ning kasuteguri kohta tahetakse liialt rangeks viia ja nende normide täitmist saab nõuda ainult vahetult peale kütteseadme vastuvõtmist, sest küttekolde hilisema töö käigus need näitajad halvenevad. Eestis toimub uutele saastenormidele üleminek aeglaselt, neid on veel vähe tutvustatud ja seetõttu pole paljud meistrid selle tähendust Palju on räägitud ka sellest, et müügil peaks olema kuivad halupuud, mille maksimaalne niiskus on 20%.
Kokkuvõte
Eelmise sajandi lõpus Euroopa Liidus toimunud arengud tõid Eestis kaasa samad nõuded umbes kümme aastat hiljem, mil meil hakkasid toimuma pottseppade koolitused, kus tutvustati Euroopa soovitusi ning meie meistrid pääsesid esmakordselt 2009. aastal Austriasse Ortneri firma poolt läbi viidud koolitustele. Sealt tulid sidemed ja erialateadmised ning traditsiooniks muutus messide külastamine. Eeltoodu on tänaseks viinud Eestis ahjuehituse uuele tasemele. Saavutatud olukord peaks vastama Euroopa Liidus kehtivatele nõuetele ja parandab puidu kui taastuva energiaallika kasutust.
Kasutatud kirjandus
Hofbauer H. „Kleinholzfeuerungen – Entwicklungen in Österreich“ Österreich, Kufstein, AT, 1993
Rath M, „Einsatz neuer Techniken zur Optimierung der Verbrennung und Erhöhung der Anwendungs- und Bedienungsfreunddlickeit des Holzbrandkachelöfens- Forschungsbericht“ AG Wien 1995
Hofbauer H. Schiffert T. „Der Kachelofen in der Praxis Vorortmessungen bei Kachelöfen“ Österfreichischer Kachelofenverband 2001
Teinemaa, E.; Maasikmets, M., jt. Genfi piiriülese õhusaaste kauglevi konventsiooni püsivate orgaaniliste saasteainete protokolli nõuete täitmine Keskkonnaministeerium 2013 Kättesaadav : http://www.envir.ee/sites/default/files/genfi_aruanne_final.pdf (1.10.2014)
About the development of wood as a renewable energy source in Estonia
In Estonia the main fuel for ovens is firewood and it is considered to be one of the cheapest options to heat homes. Due to the development in the field of renewable energy sources it might not stay as it has been. It is advisable to think about the modernisation of suitable combustion technique beforehand. Even though many authors advised to start using grate-firebox during the second half of 20th century, the newer research shows that clean burning is not achieved when steering air into the furnace from under the furnace. In addition to the heat loss that comes from the chemically incomplete burning, oven is also considered to be the source of fine pollution. For Centuries the emphasis has been on making ovens more effective in German speaking countries (and elsewhere). Considering the conditions in Estonia, we should have the same aim.

Tabel 1. Kahhelahjude ehitusmaterjalide füüsikalised parameetrid. (Hofbauer 2001)
Table 1. Physical parameters of building materials for stove

Materjal	Eri-soojus	Tihe-dus	Soojus- / juhtivus	Sooja- / salvestus võime	Tempera- / tuuri / juhtivus- / võime	Jahtumis-arv
	kJ/kg/K	kg/m3	W/m/K	kJ/m3/K	m2/s 10-6	s
Keraamiline / kiud	0,94	700	0,24	658	0,36	27 777
Müüritellis	0,94	1570	0,84	1470	0,57	17 543
Pottsepatellis	0,96	1850	0,93	1776	0,52	19 230
Tööstuslik / šamott-tellis	0,96	2350	2,04	2256	0,90	11 111
Ränikarbiid	1,20	2600	11,00	3120	3,53	2833
Wolfshöheri / Šamott-tellis	0,92	1900	0,76	1748	0,435	23000
Ortneri materjal KMS-240	1,09	2600	3,16	2834	1,11	8968
Tulikivi, risti	0,98	2900	2,00	2842	0,70	14 286
Tulikivi, paralleelne	0,98	2900	6,00	2842	2,11	4739
Magnesiit	1.05	3000	9,89	3150	3,13	3195
Teras	0,40	7800	58,00	3600	16,00	625