Kominy w budynku

Kominy w budynku

Od czasu gdy człowiek wprowadził do domu ognisko pojawił się problem odprowadzania spalin. Z domu należało odprowadzić spaliny i stworzyć warunki do zamieszkania w ogrzewanym wnętrzu. To były początki techniki kominowej. Zmieniały się piece na bardziej funkcjonalne i sprawniejsze cieplnie, zmieniały się paliwa i ich rodzaje, musiały zmieniać się też kominy. Oprócz przewodów odprowadzających różne rodzaje spalin pojawiły przewody odprowadzające zużyte powietrze tzw. przewody wentylacyjne. Zakres tej publikacji ograniczymy do popularnych przewodów kominowych jakie spotykamy w budynkach mieszkalnych, zamieszkania zbiorowego czy użyteczności publicznej, działających grawitacyjnie.

W dzisiejszym, przeciętnym budynku, znajdziemy przewody dymowe, spalinowe i wentylacyjne. Przez przewód należy rozumieć kanał z szczelną obudową i niezbędnym wyposażeniem, wykonaną z materiału odpornego na korozyjne działanie prowadzonych w nim gazów, wyprowadzający je bezpiecznie na zewnątrz budynku. Kominem zaś nazywać będziemy zebrane i prowadzone razem przewody tworzące wspólną konstrukcję wyprowadzającą je na zewnątrz budynku. Komin może mieć jeden lub kilka przewodów w których mogą być prowadzone różne gazy.  Każdy komin wytwarza naturalny ciąg grawitacyjny prowadzonego gazu (powietrza), zwany efektem kominowym.
Ze względu na sposób wytwarzania ciągu w kominie możemy dokonać podziału na:

• Kominy o ciągu naturalnym.
• Kominy o ciągu sztucznym w tym:
• z wentylatorem podmuchowym,
• z wentylatorem wyciągowym,
• układ mieszany.

Kominy o ciągu sztucznym, wymienione w punkcie dwa, w budynkach mieszkalnych należą do rzadkości i dlatego nie będą omawiane.
Do podstawowego wyposażenia budynku należą przewody, które ze względu na rodzaj prowadzonych gazów, możemy podzielić na:

• Przewody dymowe odprowadzające spaliny z trzonów kuchennych, pieców ogrzewczych (w tym kominków) opalanych paliwem stałym (drewno, węgiel, koks, brykiety itp.).
• Przewody spalinowe odprowadzające spaliny z urządzeń opalanych gazem ziemnym, płynnym, olejem opałowym itp.
• Przewody wentylacyjne odprowadzające zużyte powietrze ponad dach budynku.

Budynek często wyposażony jest w przewody dymowe awaryjne, używane szczególnych przypadkach.
Rozwiązania konstrukcyjne i materiałowe kominów, spotykane w budynkach dzisiaj eksploatowanych, to:

• Kominy jednowarstwowe murowane z cegły lub prefabrykowane,
• Kominy komorowe z elementów ceramicznych,
• Kominy warstwowe, izolowane termicznie, przewietrzane itp.

Kominy jednowarstwowe murowane z cegły funkcjonują głównie w budynkach istniejących, choć często wykonywane są w budynkach nowowznoszonych. Do wykonania takiego przewodu kominowego należy zastosować cegłę paloną z gliny klasy 15 lub 10, dopuszcza się cegłę wapienno-piaskową klasy 15 ale tylko do wykonania przewodów wentylacyjnych. Sposób murowania takich kominów jest ważny z uwagi na ich poprawne funkcjonowanie, stąd sposób wiązania cegieł w murach z kominami określony jest normami. Przewody kominowe jednowarstwowe wykonuje się też z elementów prefabrykowanych betonowych z wykorzystaniem betonów zwykłych lekkich kruszywowych. Poprawnie wykonane kominy tego rodzaju charakteryzują się dobrą statecznością, gazoszczelnością i ognioodpornością.
Kominy komorowe z elementów ceramicznych wykonywane są z użyciem pustaków o różnym kształcie i wielkości przekroju poprzecznego przewodu kominowego. Rozróżnia się pustaki do budowy przewodów spalinowych i dymowych oraz wentylacyjnych. Produkowane są też specjalne pustaki z otworami bocznymi do wykonywania podłączeń. Wszystkie te elementy oprócz otworu na przewód kominowy, posiadają przelotowe drążenia o regularnym kształcie i rozmieszczeniu. Nie są one  przewidziane do przepływu spalin czy powietrza z wentylacji, są one komorami powietrznymi. Kominy z pustaków ceramicznych należy obmurować cegłą pełna ceramiczną na grubość minimum pół cegły. W miejscu przewidywanego podłączenia należy wstawić specjalny pustak z otworem wlotowym.
Współczesny komin warstwowy z trzech zasadniczych warstw:

• Wewnętrznej rury ceramicznej,
• Warstwy izolacji termicznej,
• Zewnętrznej warstwy osłonowej.

Wewnętrzna rura wykonywana jest najczęściej z ceramiki ogniotrwałej, odpowiedniej do rodzaju spalin, funkcji itp. Ogólne wymagania stawiane materiałom na tego typu przewody to odporność na zmiany temperatur, kwasoodporność, szczelność i trwałość.
Warstwa izolacji termicznej to przeważnie płyta z wełny mineralnej, która otula wewnętrzną rurę ceramiczną chroniąc ją przed stratami ciepła. Jest to przeważnie kształtka lub płyta z nacięciami wykonana tak by można ją było dopasować do wewnętrznej rury ceramicznej.
Zewnętrzna warstwa osłonowa to najczęściej prefabrykowany element betonowy wykonany z betonu lekkiego. Popularny jest beton na kruszywie  keramzytowym. Aby umożliwić przewietrzanie i wysychanie warstwy izolacyjnej elementy te posiadają wyprofilowane pionowe kanały wentylujące wnętrze komina.
Komin warstwowy z przewietrzaniem należy stosować przy niskich temperaturach spalin a więc tam gdzie stosowane są urządzenia grzewcze o dużej sprawności np. kotły kondensacyjne. Ważnym jest by temperatura wewnętrznej powierzchni ściany przewodu, na całej jego długości, była wyższa od temperatury punktu rosy gazów. Spełnienie tego warunku zapewni, że w przewodzie nie będzie występować wilgoć od skroplonej pary wodnej zawartej w prowadzonych gazach. Warunek ten nie będzie obowiązywał w przypadku stosowania wewnętrznych rur ceramicznych niewrażliwych na wilgoć.

Ciąg w kominie powodowany jest różnicą gęstości powietrza zimnego po jego zewnętrznej stronie i powietrza ciepłego (gazów spalinowych) w jego wnętrzu. Ciąg, zwany też efektem kominowym, polega na spontanicznym przepływie powietrza od podstawy komina w górę do jego wylotu, na skutek wypychania powietrza z wnętrza budynku przez napływające cięższe  powietrze zewnętrzne. Efekt taki obserwujemy nie tylko w przewodach kominowych ale też w szybach windowych, klatkach schodowych, szybach kopalnianych itp.

Siłą napędową jest różnica gęstości między powietrzem zewnętrznym a  wewnętrznym (w przewodzie komina), spowodowana różnicą temperatur powietrza zewnętrznego i wewnętrznego (gazów spalinowych). Słup wewnętrznego ogrzanego powietrza (gazów) jest lżejszy  od  powietrza zewnętrznego zimnego. Wynika to z tego że u podstawy komina w jego wnętrzu, ciśnienie jest mniejsze niż na zewnątrz na tej samej wysokości. Dzięki wyporowi hydrostatycznemu, bo tak trzeba nazwać tą różnicę gęstości i wynikającą z tego różnicę ciśnień, ciepłe powietrze unosi się do góry w postaci prądu konwekcyjnego i przewodem wyprowadzane jest na zewnątrz.
Niemal zawsze wewnątrz budynku mamy powietrze cieplejsze niż na zewnątrz i wynikającą z tego jego mniejszą gęstość. Powietrze zewnętrzne jako zimniejsze charakteryzować się będzie większą gęstością. Z tej różnicy gęstości wynika różnica ciśnień wywierana przez słup powietrza zewnętrznego i wewnętrznego co nazywamy ciśnieniem czynnym. Zdefiniować je można jako różnica ciśnień hydrostatycznych pomiędzy ciśnieniem wywieranym przez słup powietrza zewnętrznego o gęstości ?z a ciśnieniem wywieranym przez słup powietrza wewnętrznego o gęstości ?w. Oba te ciśnienia wyznaczamy na poziomie wlotu powietrza (gazów) do przewodu kominowego to dla komina o wysokości h (od wlotu do wylotu), ciśnienie czynne określamy wzorem:
?p = (?z ? ?w).h.g

gdzie:  ?p ? ciśnienie czynne [Pa],
            ?z ? gęstość powietrza zewnętrznego [kg/m3],
            ?w ? gęstość powietrza wewnętrznego [kg/m3],
            h ? wysokość przewodu kominowego od wlotu do wylotu [m],
            g ? przyspieszenie ziemskie [m/s2].

Im większa wartość ciśnienia czynnego, tym lepszy ciąg powietrza (gazów) w przewodzie kominowym.
Określając gęstości powietrza zewnętrznego i wewnętrznego oraz wysokość przewodu kominowego od wlotu do wylotu możemy oszacować ciśnienie czynne. Spróbujmy to zrobić dla łazienki na parterze budynku czterokondygnacyjnego dla kratki wentylacyjnej i piecyka do podgrzewania wody z palnikiem atmosferycznym (bez dmuchawy).

Przyjmijmy następujące parametry do obliczeń:
temperatura wewnętrzna powietrza  tw=24°C (wlotowa na kratce wentylacyjnej)      wilgotność powietrza ?=60%,
gęstość powietrza ?w=1,180kg/m3,
wysokość przewodu kominowego hk=11,10m (od wlotu na parterze do wylotu),
temperatura gazów wylotowych twg=140°C,
gęstość gazów (jak dla powietrza suchego) ?wg=0,854kg/m3,
temperatura powietrza zewnętrznego tz=12°C,
wilgotność powietrza zewnętrznego ?=40%,
gęstość powietrza zewnętrznego ?z=1,236kg/m3.

Wstawiając do wzoru na ciśnienie czynne odpowiednie, podane wyżej parametry,  otrzymamy wartość ciśnienia czynnego dla kratki wentylacyjnej w łazience usytuowanej na parterze budynku czterokondygnacyjnego ?p=6,099Pa, dla tego samego przypadku ale dla gazów spalinowych z piecyka gazowego (przy wiele wyższej temperaturze) ciśnienie to wynosi ?p=41,596Pa. Te wielkości ciągów przy mniejszej wysokości przewodu kominowego na wyższych kondygnacjach maleją, by dla ostatniej kondygnacji, gdzie wysokość przewodu wynosi hk=1,60m osiągnąć wartość dla kratki wentylacyjnej ?p=0,879Pa i odpowiednio dla gazów spalinowych piecyka ?p=5,996Pa. Wyliczony rozkład ciśnień pokazuje rys. 1, gdzie wykres A to ciśnienie czynne dla kratki wentylacyjnej w łazience a wykres B to kilkakrotnie  większe ciśnienie czynne na podłączeniu piecyka gazowego.

W poprawnie zaprojektowanych i wybudowanych budynkach musi być zapewniona stała wymiana powietrza. Zapewnić to musza z jednej strony kanały wentylacyjne (wywiewne) a z drugiej otwory nawiewne. Do nawiewu powietrza wykonujemy specjalne otwory lub mogą to być nieszczelności np w oknach, drzwiach itp. Zgodnie z polskimi normami dotyczącymi wentylacji mieszkań, w kuchni z kuchenką gazową w ciągu godziny powinno być wymieniane 70m3 powietrza a w łazience 50m3, niezależnie od wielkości mieszkania.

Jeżeli w mieszkaniu mamy szczelne okna i drzwi a nie mamy otworów nawiewnych, to po pewnym czasie wytworzy się podciśnienie ze względu na stały ubytek masy gazu ze szczelnej objętości, co doprowadzić musi do zassania z zewnątrz najpierw przewodem wentylacyjnym o mniejszym ciśnieniu czynnym a następnie przewodem spalinowym czy dymowym. Mamy wtedy tak zwany ciąg wsteczny. Ciąg wsteczny ustaje gdy wyrównają się ciśnienia na wlocie do komina. Zjawisko ciągu wstecznego może doprowadzić do bardzo groźnych następstw, najczęściej są to zatrucia tlenkiem węgla lub uduszenie dwutlenkiem węgla.
Tlenek węgla jest produktem niepełnego spalania się paliwa, które może mieć miejsce w przypadku niedostatecznego dopływu tlenu do paleniska. Tak więc brak dostępu powietrza (tlenu) może z jednej strony spowodować niepełne spalanie a z drugiej strony spowoduje podciśnienie i wtłaczanie powstającego trującego tlenku węgla z powrotem do wnętrza. Wskazuje to jednoznacznie jak niebezpiecznym dla mieszkańców jest niesprawny system kominowy.

Rys.1. Schemat rozkładu ciśnienia czynnego kratki wentylacyjnej (A) oraz dla piecyka gazowego (B) dla wyliczeń w tekście.

We współczesnym budynku ok. 30% ciepła zużywamy na podgrzanie powietrza wentylacyjnego, więc na okres zimy, by zmniejszyć zużycie ciepła, uszczelniamy mieszkania ograniczając tym samym wymianę powietrza. W związku z tym dochodzi do zwiększenia ciśnienia zewnętrznego w stosunku do wewnętrznego, wentylacja przestaje działać, jednocześnie następuje wychłodzenie górnych części przewodu i odwrócenie ciągu. Podobny efekt może nastąpić przy silnym wietrze, który wytwarzając dodatkowe ciśnienie hydrodynamiczne u wylotu komina, wyższe od ciśnienia wewnętrznego, może spowodować wtłaczanie w dół komina a efekcie do wnętrza domu, dymu, spalin czy zużytego powietrza, co też stanowi zagrożenie dla zdrowia i życia mieszkańców.
Wyeliminowanie zagrożeń jakie stwarzają źle funkcjonujące kominy, wymaga spełnienia wielu warunków na etapie projektowania, wykonania i eksploatacji budynku. Poprawne wykonanie kominów, sprawdzenie pod tym względem przez nadzór budowlany czy kominiarski, nie zapewni poprawności ich funkcjonowania przy niewłaściwej eksploatacji i na odwrót.

Ciśnienie czynne zapewni ruch powietrza w przewodzie kominowym ale to nie wystarczy by następowała wymiana powietrza w mieszkaniu jeżeli nie zapewnimy dopływu świeżego powietrza z zewnątrz, w przewodzie nie będzie miało co przepływać a w mieszkaniu nie będzie miało się co wymieniać. Aby kominy poprawnie funkcjonowały, aby wentylacja grawitacyjna działała, niezbędne jest spełnienie kilku  warunków:

• Temperatura wewnątrz mieszkanie musi być wyższa niż na zewnątrz,
• Należy zapewnić dopływ świeżego powietrza z zewnątrz,
• Kominy należy wykonać i eksploatować zgodnie z wymaganiami, by nie doprowadzić do wstecznego ciągu, zadmuchiwania itp.

Jednak zmorą mieszkańców są szczelne okna i drzwi, sytuacja w takich mieszkaniach staje się bardziej niebezpieczna, gdy zamontowane są tam i działają gazowe urządzenia grzewcze z otwartym paleniskiem (podgrzewacze wody, piece dwufunkcyjne itp.), niesie to zagrożenie życia i zdrowia. Już sama obecność człowieka w nie wentylowanym pomieszczeniu prowadzi do powolnego wyczerpywania się tlenu, uruchomienie piecyka gazowego z otwartym paleniskiem zużycie tlenu przyspiesza, gdyż jest on potrzebny do spalania się gazu. Większe ciśnienie czynne na przewodzie spalinowym niż na przewodzie wentylacyjnym, przy braku dopływu powietrza z zewnątrz, spowoduje że w tym ostatnim powstanie ciąg wsteczny. Między kratką wentylacyjną zamontowaną na przewodzie wentylacyjnym a paleniskiem i dalej przewodem spalinowym będzie następowała intensywna wymiana powietrza. W pozostałej, niższej części łazienki, wytworzy się zastoina powietrzna w której wzrastać będzie stężenie dwutlenku węgla (CO2).  Dwutlenek węgla jako cięższy od powietrza gromadzi się przy posadzce ale z czasem, głównie na skutek zasilania produktami spalania z piecyka, jego warstwa rośnie aż osiągnie głowę kąpiącego się w wannie, senność i zmęczenie są pierwszymi objawami niedotlenienia (powolnego duszenia się). Jeżeli w tej zastoinie gromadzi się trujący tlenek węgla (produkt niepełnego spalania się węgla), to mamy do czynienia z  groźnym zatruciem.

Zatrucie tlenkiem węgla może mieć miejsce gdy wydajność ciągu wstecznego z kratki wentylacyjnej będzie zbyt mała w stosunku do zapotrzebowania piecyka i w palenisku będzie następowało spalanie niepełne. Niska wydajność ciągu wstecznego spowoduje zmniejszeni ciągu w przewodzie spalinowym a w konsekwencji powstanie w nim również ciąg wsteczny a wtedy stężenie trującego tlenku węgla w powietrzu łazienki będzie wzrastać aż osiągnie wartość krytyczną.
Zmniejszenie wydajności przewodu wentylacyjnego można spowodować przez zamknięcie (zatkanie) kratki wentylacyjnej, zamontowanie na niej mechanicznych urządzeń wentylacyjnych, które nie pracując utrudniają grawitacyjny przepływ powietrza. Stosowanie wentylatorów mechanicznych, wymuszających sztuczny ciąg w przewodach jest zabronione obowiązującymi przepisami. Pracujący wentylator na kratce, wyciągając powietrze z pomieszczenia, może spowodować ciąg wsteczny w przewodzie spalinowym i wypływ ich do pomieszczenia a w konsekwencji niebezpieczeństwo zatrucia.

Na zakończenie należy jeszcze raz podkreślić, że najlepiej wykonane i zaprojektowane przewody kominowe nie będą dobrze funkcjonowały, jeżeli nie zapewnimy dopływu świeżego powietrza w miejsce tego, które przewód ma wyprowadzić. Stosowanie nawiewu jest podstawowym warunkiem funkcjonowania kominów. Brak nawiewu przy korzystaniu z różnego rodzaju piecyków z otwartym paleniskiem stwarza zagrożenie zatrucia spalinami.

Dr inż. Lesław Macieik