Vurdering af omfanget af dårlige skorstene til private brændeovne og brændekedler, regelgrundlag og løsningsmuligheder
Bilag H
Røgspredning omkring fritliggende bygninger
I dette bilag forklares og illustreres hvordan spredningsforholdene er fra skorstene på huse med forskellige taghældninger og skorstenshøjder. Det sker ved at gengive udvalgte dele af en licentiat undersøgelse af røgspredningen omkring fritliggende bygninger, udført i en vindtunnel af Civilingeniør Allan Bang Jensen fra DK-teknik. Rapporten Røgspredning omkring fritliggende bygninger, har været anvendt som kursusmateriale på DIEU kurset ”Spredning af luftforurening fra lave kilder” den 2.-3. december 1987.
1.1 Metodebeskrivelse
En systematisk undersøgelse af spredningsforholdene omkring blot en bygning i fuld skala vil være overordentlig tidskrævende og bekostelig. Det kan eksempelvis tage lang tid at opnå de nødvendige kombinationer af vindhastighed og vindretning.
Strømningsforhold omkring bygninger er imidlertid velegnet til undersøgelse i reduceret målestok ved hjælp af en vindtunnel. Et modelforsøg kan udføres som skitseret i Figur 1. En vindtunnel er i princippet et langt rør, hvor der frembringes en strømning, der svarer til strømningen i den nederste del af atmosfæren. Et hus i reduceret målestoksforhold (f.eks. 1:100) anbringes i midten af vindtunnelens testsektion, og en luftart, der simulerer røgen, udsendes gennem modelhusets skorsten. Røgfanens spredning og bevægelse registreres ved at måle koncentrationsprofilerne i givne punkter efter modelskorstenen.
Figur 1. Vindtunnel
I en vindtunnel er det forholdsvis simpelt at udføre systematiske modelundersøgelser med varierende taghældning, skorstenshøjde, vindhastighed og vindretning.
Undersøgelsens formål er en kvalitativ undersøgelse, hvor de målte værdier i form af vertikale koncentrationsprofiler fra jordoverfladen og opad, angiver røgfanens spredning og fortynding under indvirkning af den aktuelle placering og påvirkning fra bygninger. Koncentrationsprofilerne i forskellige afstande fra skorstenen og ved de varierende forsøgsforhold, kan direkte sammenlignes, og derved give grundlag for en mere almen forståelse af mekanismerne for spredning af røg fra lave skorstene og bygningens indflydelse herpå.
1.1.1 Strømningsforhold
I umiddelbar nærhed af en enkelt eller flere bygninger kan det være vanskeligt at beskrive forholdene generelt, idet selv små ændringer af bygningers udformning eller indbyrdes placering i forhold til vindretningen har en så væsentlig indflydelse på strømningsforholdene og dermed røgspredningen, at to næsten identiske situationer kan være karakteriseret ved forskellige spredningsforhold.
Hovedtrækkene af bygningers indflydelse på vindfeltet er vist i Figur 2, hvor et simplificeret strømningsbillede omkring en skarpkantet bygning er optegnet.
Figur 2. Forenklet skitse af strømningsforhold omkring en rektangulær bygning. Øverste er bygningen set fra siden og nederste er den set ovenfra.
Øverste del af figuren viser et udsnit gennem huset i vindretningen, og nederste del viser strømningen set ovenfra. I det efterfølgende er x- aksen altid sammenfaldende med vindretningen, y-aksen er den horisontale retning vinkelret på vindretningen, og z-aksen repræsenterer den vertikale (lodrette) retning.
På bygningens vindside er der overtryk, medens læsiden er præget af undertryk og turbulens. Strømlinierne viser, at luftstrømningen afbøjes opad umiddelbart foran bygningen. Denne forskydning forplanter sig med aftagende effekt over huset efterfulgt af en nedsugning på husets læside på grund af undertryk. Dette område betegnes forskydningszonen.
Fra bygningens forkant til et par hushøjder bag bygningens bagkant, er der et ret afgrænset område med store forstyrrelser i luftstrømningen. Strømningen er præget af kraftige turbulente hvirvler, og langs jordoverfladen og taget kan strømningen lokalt være rettet imod vindretningen (recirkulation). Dette område kan betegnes recirkulationszonen på grund af den kraftige turbulens. Skorstene placeret i dette område, er ofte udsat for vindnedslag, hvor røgen blæses ned i skorstenen og baglæns ud gennem brændeovnen. Vindnedslagenes hyppighed og kraft afhænger af den konkrete vindretning, da hvirvlerne ikke er statiske, men kraften er generelt stigende med stigende vindhastighed.
Ved at betragte huset ovenfra fremgår det, at strømningen ændres tilsvarende langs husets lodrette flader specielt fra husets forkanter vokser nye såkaldte grænselag op. Disse grænselag er karakteriseret ved forøget turbulens, og i kort afstand fra huset er afgrænsningen mellem kølvandet og den øvrige strømning ret skarp. I større afstand fra huset er kølvandets afgrænsning mere usikker, fordi den turbulente energi fordeles til større luftmasser, idet kølvandet breder sig ud til siderne og op i den omgivende luftstrømning.
Hvis røgen fra en skorsten eller luften fra et ventilationsafkast ikke føres op over det kraftige turbulente grænselag i recirkulationszonen, vil røgfanen blive spredt hurtigt og kraftigt mod jordoverfladen umiddelbart bag bygningen.
Udenfor recirkulationszonen vil nedsug og større spredning påvirke røgfanen. Denne påvirkning vil aftage for voksende skorstenshøjde og for voksende afstand fra bygningen. Spredningen af røgfanen kan som tommelfingerregel betragtes som uafhængig af bygningers påvirkning, hvis udslipshøjden regnet fra jordoverfladen, er mindst 2 gange bygningshøjden.
1.1.2 Skorstensnedsug
Ligesom vindens afbøjning omkring en bygning giver undertryk på bygningers læside, vil der opstå undertryk på skorstenens læside og langs sidefladerne. Dette medfører, at røgen kan suges ned bag skorstenen eller skorstenspiben, hvis røghastigheden ikke er tilstrækkelig stor i forhold til vindhastigheden. Når røgen trænger ned under skorstenens udslipshøjde, betegnes dette som skorstensnedsug. Hvis det samme optræder i forbindelse med bygninger, anvendes tilsvarende betegnelserne bygningsnedsug. Skorstensnedsuget afhænger både af vindens hastighed og skorstenens udstrækning, så det vil være meget større bag en bred muret skorsten i forhold til en slank stålskorsten.
Figur 3. En-dimensionale koncentrationsfordelinger i 3 afstande bag skorstenstop. De kraftige linier angiver fanens maksimumkoncentration for de tre hastighedsforhold.
Figur 3 viser nogle resultater fra en modelundersøgelse af spredningsforholdene i umiddelbar nærhed af en skorstenstop. For 3 afstande er der vist koncentrationsfordelingen for tre forskellige forhold af V/U, hvor V er røggassens udslipshastighed ved skorstenstop, og U er vindhastigheden ved skorstenstop. Det fremgår tydeligt af denne figur, at der altid optræder skorstensnedsug, når V/U < 1.
Da udslipshastigheden i skorstenen fra almindelige brændeovne typisk er under 1 m/s, medfører denne lave udslipshastighed, at de meget ofte har skorstensnedsug. En hyppigt anvendt "tommelfingerregel" siger, at V/U skal være større end 1,5 for helt at undgå skorstensnedsug. Hvis V = 1 m/s, så opnås V/U > 1,5 kun når vindhastigheden U er mindre end 0,7 m/s, dvs. næsten vindstille.
Koncentrationsprofilerne i Figur 4, der er målt 15 m efter 3 fritstående skorstene med forskellig højde og V/U = 1,17, er medtaget dels for at vise røgfanen, når der optræder skorstensnedsug, og dels for at vise, hvordan røgfanen spredes fra en fritstående skorsten uden bygningsindflydelse.
Figur 4. Koncentrationsprofiler målt 15 m efter 3 fritstående skorstene med forskellig højde og V/U = 1,17.
Der ses tydeligt skorstensnedsug fra alle tre skorstenshøjder, idet koncentrationsprofilernes maksimum alle er lavere end den tilsvarende skorstenshøjde.
Skorstenshøjderne på 4,2 og 8,3 m svarer til udslipshøjderne for skorstene med højden 0,8 m over tagets højeste punkt på henholdsvis et hus med fladt tag og et hus med en taghældning på 45°. Det svarer til to af de undersøgte modelhuse med en skorstenshøjde svarende til bygningsreglementets krav. Det vil fremgå af det følgende, at spredningsforholdene forværres betydeligt, når bygningsnedsuget fra husenes medtages i forsøgene.
1.2 Huse med 45° taghældning
Figur 5. Koncentrationsprofiler målt 15 m og 45 efter hus med 45° taghældning og 4 skorstenshøjder.
Fejl! Henvisningskilde ikke fundet. viser, at i kort afstand fra huset er koncentrationen ved jordoverfladen meget følsom for skorstenshøjden. For x = 15 m og HS = 0,8 og 2 m er koncentrationsprofilerne skæve med angivelse af forholdsvis små koncentrationer ved jordoverfladen. Med de højere skorstene på 4 og 8 m ses, at røgfanen ikke når ned til jordoverfladen inden for så korte afstande som x = 15 m. 45 m efter skorstenen vil fanen fra den 8 m høje skorsten endnu ikke være spredt så meget, at det giver anledning til nogen målelig koncentration ved jordoverfladen.
Bygningens indflydelse fremgår direkte ved sammenligning mellem de samme skorstenshøjder i Figur 4 og Figur 5. Med den høje skorsten på 15,5 m svarende til 8 m over tagryg er profilerne næsten ens. Spredningen er lidt mindre for den fritstående skorsten uden bygning, men profilerne er tilnærmelsesvis Gauss-fordelte, dvs. klokkeformet koncentrationsfordeling.
Sammenligning af de lave skorstene på 8,3 m og 0,8 m over tagryg viser, at udslip i nærheden af huset spredes hurtigere - den maximale koncentration i profilen bliver mindre, men røgfanen spredes ned mod jordoverfladen, så koncentrationen her bliver større. Bygningsindflydelsen resulterer i en skæv fordeling i koncentrationsprofilet.
Det bør bemærkes, at selvom der optræder skorstensnedsug efter alle skorstenene, er røgfanens maksimum på de to laveste skorstene i Figur 5 op over udslipshøjden på grund af taghældningens opadgående påvirkning af luftstrømningen. Denne effekt er større jo lavere skorstenen er.
Vindretningen er naturligvis væsentlig for bygningsindflydelsen. Med fastholdt skorstenshøjde er modelhuset drejet fra 0 til 90o i forhold til vindens retning, og profilerne målt 15 m nedstrøms efter skorstenen er samlet i Figur 6. Indtil i = 45o er profilerne stort set identiske, men for denne og større vinkler vil røgfanen blive ført med strømningen langs tagets læside.
Figur 6. Koncentrationsprofiler målt 15 m efter skorsten for 45o taghældning og forskellige vindretninger.
Det fremgår tydeligt af figuren, at profilernes maksimum for i = 60o og 75o fremkommer i højde med tagets nederste kant. De største koncentrationer i de nederste par meter af atmosfæren forekommer således, ved vindretninger i området i = 60 - 75o.
Når huset drejes, bliver vinklen over tagryggen mindre for en partikel, der følger en bane foran huset op over taget til skorstenstoppen. Indtil i = 45° opstår der hvirvelafløsning ved det skarpe knæk på tagryggen, og strømningen fører røgfanen fri af taget. For vindretning mellem 45 og 75° »klæber« strømningen til tagfladen på husets læside, og strømningen fører røgen ned langs tagfladen, hvor kraftige hvirvler fordeler røgen mod jordoverfladen. Med vindretningen parallelt med huset (i = 90°) er der ingen knæk i forhold til strømningen, og røgen følger tagryggen til gavlen, hvorfra den spredes.
For den mest kritiske vindretning i = 75o, der giver den størst koncentration et par m over jorden, er skorstenshøjdens indflydelse på koncentrationsfordelingen undersøgt særskilt og vist i Figur 7.
Figur 7. Koncentrationsprofiler målt 15 m efter varierende skorstenshøjder, med fastholdt vindretning i = 75o.
Det ses tydeligt af figuren, at koncentrationerne i lave højder falder drastisk, når Hs forøges til 3-4 m over tagryggen.
Det er således tydeligt, at en skorsten på 0,8 m over tagryggen på et hus med 45o taghældning har ganske gode spredningsforhold for røgfanen, undtagen når vinden kommer skråt i forholdt til tagflade, hvor røgfanen suges ned mod jorden og giver væsentligt højere koncentrationer.
Skorstenens placering over tagryg henholdsvis foran eller bagved huset er undersøgt og illustreret ved resultaterne i Figur 8. Bortset fra skorstenens placering er forholdene i øvrigt identiske. Når skorstenen placeres på husets luvside (foran huset i forhold til vindretningen), føres røgfanen op i større højder end hvis skorstenen er placeret over tagryggen i samme højde. Dette skyldes, at strømlinierne afbøjes opad, når vinden blæser direkte på tværs af husets længderetning. Da røgfanens centerlinie er ført højere op, vil en skorstenshøjde på 3 m over tagryggen medføre, at røgfanen slet ikke kan detekteres i lav højde.
Figur 8. Sammenligning af skorsten placeret 3 forskellige steder på 45o tagflade.
Sammenlignes skorstenen i læsiden med luvsiden ses, at den modsatte virkning er konstateret, når skorstenen placeres på husets læside. Profilerne for læsiden har tydeligvis mindre maksimalværdi, fordi turbulens på husets læside forøger spredningen. Dette medfører imidlertid også, at røgen føres ned og giver højere koncentrationer ved jordoverfladen, også ved en skorstenshøjde på 4 m. Det er karakteristisk for denne skorstensplacering, at koncentrationerne i lavere højde er næsten uafhængige af skorstenshøjden, når denne er mindre end 4 m. Skorstenen skal altså være højere end 4 m over tagryg, for at gå fri af bygningens turbulensområde.
1.3 Hus med 30° taghældning
Der er udført de samme forsøg med et modelhus med 30o taghældning, og nogle af resultaterne viser her. Når taghældningen reduceres til 30o har det ingen indflydelse på spredningen, men den lavere udslipshøjde i forhold til jordoverfladen sænker profilerne svarende til den lavere tagrygning.
Figur 9. Koncentrationsprofiler målt 15 m efter skorsten for 30o taghældning og forskellige vindretninger.
Når vindretningen ændres i forhold til vind på tværs af husets længderetning, se Figur 9, ses en markant ændring af koncentrationsfordelingen. I forhold til 45o taghældning i Figur 6 vil røgen over den mindre taghældning i højere grad følge strømlinierne på husets bagside. Ved i = 30o er der betydelige koncentrationer i lav højde, hvor det tilsvarende profil for 45o taghældning ikke er påvirket af den kraftige turbulens på husets læside. Vindretninger fra i = 45o til i = 90o (langs tagryggen) resulterer således i væsentligt større koncentrationer i lav højde.
Skorstenens placering over tagryg henholdsvis foran og bagved huset er undersøgt og illustreret i Figur 10, ligesom for 45o taghældning i Figur 8.
Figur 10. Sammenligning af skorsten placeret 3 forskellige steder på 30o tagflade.
Forskellen i de målte koncentrationer, når skorstenen står i tagryg, på læsiden eller vindsiden af huset er vist i Figur 10. Resultaterne svarer til resultaterne for 45o huset, men koncentrationerne fra huset med 30o-taghældning er større i lav højde, på grund af lavere udslipshøjden fra det lavere hus.
1.4 Huse med fladt tag
Huse med fladt tag adskiller sig meget væsentligt fra huse med taghældning, når røgens koncentrationsfordeling efter huset undersøges.
I Figur 11 er vist koncentrationsprofiler 15 m efter hus med fladt tag og varierende skorstenshøjde. Der ses kun en lille effekt af at forhøje skorstenen fra 0,8 m til 4 m over taget. Skorstenshøjder under 4 m giver dårlig spredning af røgen og medfører relativt høje koncentrationer ved jorden. Dette gælder også for ret lave vindhastigheder. Hvis koncentrationen ved jordoverfladen skal reduceres væsentligt for x = 15 m, skal skorstenshøjden over det flade tag føres mindst 4 m over tagfladen.
Figur 11. Koncentrationsprofilen 15 m efter hus med fladt tag og varierende skorstenshøjde.
I Figur 12 ses koncentrationsprofiler målt ved varierende vindretninger, og en skorsten på 0,8 m midt på er rektangulært hus.
Figur 12. Koncentrationsprofil målt ved varierende vindretninger
Med en skorstenshøjde på 0,8 m følger røgfanen altid tagfladen uafhængigt af vindretningen. Variationen i den største koncentration skyldes i nogen grad, at strømningen omkring huset påvirkes af væggene, som strømlinierne vil søge at følge hen mod husets bagerste hjørne - specielt for i = 60 og 75°. Uanset vindretningen er der høje koncentrationer ved jorden.
Effekten af placering af skorstenen foran, midt på eller bagerst på et fladt tag i forhold til vindretningen er illustreret i Figur 13.
Figur 13. Skorsten placeret i vindside og i læsiden af hus med fladt tag
Sammenlignes de to figurer med skorsten på 0,8 m og i afstanden 15 m, ses at skorstenen i læsiden giver den største koncentration ved jorden med en jævn fordeling opad, mens skorstenen i vindsiden giver en mere spids profil, med den største koncentration i niveau med tagfladen. Begge placeringer giver væsentlig større koncentrationer ved jorden, end husene med rejsning.
1.5 Sammenhængende huse og rækkehuse
For at illustrere strømningsforholdene og røgspredningen i områder, hvor husene ikke er fritliggende, er der udført modelforsøg med rækkehuse i to etager og gårdhavehuse. Disse forsøg er fortsat forenklede illustrationer af de komplicerede forhold, der karakteriserer strømningen omkring bygninger, påvirket af forskellige nabobygninger, træer, hegn etc. Når huse er sammenhængende, vil der være en tendens til, at strømningen i lav højde foregår langs husrækkerne.
1.5.1 Rækkehuse med to etager
På vindtunnelens drejeskive er der opstillet modelrækkehuse, som skitseret øverst på Figur 14. Rækkehuset er vist i tværsnit, og rækkehusenes placering er vist i forhold til drejeskivens centrum, hvor den undersøgte skorsten er placeret. Skitsen angiver samtidig de 5 undersøgte vindretninger. Skæringspunkterne mellem de to cirkelbuer og retningslinierne udgør de målepositioner, hvor koncentrationsprofilerne er optegnet.
Figur 14 Rækkehuse med to etager med 0,8 m skorsten og retning 0° og 30°
Med strømning på tværs af husrækkerne Figur 14a er koncentrationsprofilet noget højere i forhold til koncentrationsprofilet over fritliggende huse med fladt tag. Det skyldes sandsynligvis, at grænselaget, der vokser op fra tagets forkant, er højere for brede bygninger (i forhold til højden). Samtidig kan spredningen øges på grund af kraftigere turbulens fra foran liggende rækkehuses påvirkning af strømningen.
Figur 15. Rækkehuse med to etager med 0,8 m skorsten og retning 60° til 90°
Koncentrationsprofilerne er markant påvirket af helt lokale effekter for eksempel strømning langs husrækkerne der specielt ses i Figur 15e.
1.5.2 Gårdhavehuse
Figur 16 viser et snit i et gårdhavehus, og husenes placering i dobbelte rækker med veje imellem. Den lille kvadratiske gårdhave er forsynet med plankeværk.
Igen er resultaterne påvirket af meget lokale forhold. For eksempel er profilerne i flere tilfælde målt i en gårdhave, hvor huset eller plankeværket resulterer i kraftig turbulens, der medfører konstante koncentrationer under taghøjden.
Profilerne svarer stort set til fordelingen fra målinger omkring fritliggende hus med fladt tag. Det fremgår af de målte koncentrationer, at skorstenshøjden skal være stor for at undgå påvirkningen og eventuelle røggener indenfor samme bebyggelse.
Figur 16. Spredningsforhold omkring gårdhavehuse
Spredningsforholdene omkring sammenhængende huse giver ofte problemer ved anvendelse af brændeovne, fordi skorstenen aldrig er høj nok, til at sikre en ordentlig spredning, så høje koncentrationer hos de nærtliggende naboer undgås. Skorstensanvisningerne i bygningsreglementet og SBI anvisningen er langt fra restriktive nok til at sikre tilstrækkelig høje skorsten på sammenhængende huse.
En brændeovnsforhandler gav eksempel på problemer med røggener i en bebyggelse af rækkehus med høj rejsning (to etager). To beboere havde installeret brændeovn, og da det gav røggener, fik de monteret røgsuger, men det hjalp ikke tilstrækkeligt. Røgen blev suget ned mellem de to rækker rækkehuse, og gav problemer for både brændeovnsejer og naboer. Løsningen blev et forbud mod brændeovne i bebyggelsen, og de to beboere der havde investeret i brændeovne fik erstattet deres udgifter af foreningen.
Skorstene på sammenhængende huse bør på denne baggrund være betydeligt højere end tagryggen. Alternativt bør anvendelse af brændeovne undgås eller måske forbydes, som i eksemplet, hvor beboerne gennem boligforeningen vedtog et forbud mod brændeovne.
1.6 Opsamling
De viste eksempler på røgspredning illustrerer, at beskrivelse af strømningsforhold og dermed røgspredning i bygningers nærhed er overordentligt kompliceret. Skorstene der etableres efter sædvanlig og gældende praksis, ofte er alt for lave til at sikre en ordentlig spredning af røgen.
Spredningsforholdene er dårligst for skorstene på huse med flade tage og lav taghældning, og når skorstenen er placeret i husets læside i forhold til den fremherskende vindretning. Særlig problematisk er det, når skorstenens udmunding er lavere end tagryggen på husets læside.
Forsøgene viser ikke hvilke koncentrationer af generende lugt og/eller sundhedsskadelige stoffer i røgen, der kan forekomme ved jorden, hvor mennesker udsættes for dem. Der er dog ingen tvivl om, at forbrændingens kvalitet har afgørende betydning for den reelle genevirkning, næsten uanset afkastforholdene. Dårlige afkastforhold hænger dog ofte sammen med dårlig skorstenstræk, fordi skorstenen er lav, og det gør det meget vanskeligere at fyre optimalt, så emissionen af lugtende og sundhedsskadelige stoffer bliver mindst muligt.
For at tilvejebringe de bedste forhold for både fyring og spredning af røgen, er det vigtigt at skorstenstrækket er i orden og at skorstenen er høj nok og placeret rigtigt i forhold til en optimal spredning af røgen.
Det vil generelt være godt naboskab, at etablere eller forhøje skorstenen, så den mindst svarer til anbefalingerne i SBI anvisningen om:
- Skorsten bør være mindst 5 m høj, regnet fra gulvet hvor brændeovnen står.
- Skorstenen bør være 1 m over tagryggen eller den højeste del af bygningen.
For at undgå røggener, kan det i mange tilfælde være nødvendigt med en højere skorsten end den mindste højde SBI-anvisningen angiver
Version 1.0 Oktober 2007, © Miljøstyrelsen.