Faszerkezetek tűzvédelmi tervezése

A faanyag már tűzifaként is igen jelentős ipari nyersanyagnak tekinthető, ipari felhasználása azon jóval túlmutat ezen.

Használjuk: bútorok, nyílászárók, padló-, fal-, és mennyezetburkolatok, hordók, előállításához, teherviselő szerkezetek házak, háztetők, födémek, hidak kivitelezéséhez.

Égési tulajdonságainak, ezzel kapcsolatos sajátosságainak ismerete főleg ez utóbbi esetben, a teherviselő szerkezetek kialakítása során elengedhetetlen. Hiszen itt egy esetlegesen bekövetkező tűzeset, a nem megfelelő anyagok használata, vagy a tűzvédelmi és egyéb szempontok szerinti szakszerűtlen tervezés következtében könnyen emberéleteket is követelhet.

A Magyarországon jelenleg hatályban lévő tűzvédelmi előírások alapján az építőanyagokat éghetőségük szerint két fő csoportba soroljuk:

1.  „Nem éghető” anyagok. Jelük: A; (pl.: cementkötésű forgácslapok)
2.  Az „éghető”, anyagok. Jelük: B.

Az éghető anyagokat további alcsoportokba soroljuk, mely alapján megkülönböztethetünk:

• Nehezen éghető-, (B1)
• Közepesen éghető-(B2), illetve
• Könnyen éghető (B3) anyagokat.

A faanyagot korábban az éghető anyagok közé soroltuk, ezek alapján az éghetőségi osztályok alapján:

– B1: Nehezen éghetőnek minősül pl. az égéskésleltetővel átitatott faanyag.

– B2: Közepesen éghetőnek számít a kezeletlen faanyag, a forgácslapok, és a rétegelt lemezek.

– B3: Könnyen éghető a farostlemez, az MDF lapok, illetve a felületkezelt fahulladékok egy része.

Igaz, hogy a faanyag az éghető építési anyagok kategóriájába tartozik, ez azonban mégsem jelenti azt, hogy alkalmazása tűzvédelmi szempontból rosszabb, mint például a vas- és acél tartószerkezeteké. Sőt! Számos jó tulajdonsága bizonyos esetekben magasan ezek fölé emeli.

Faszerkezetek viselkedése tűz esetén

Leégett tetőszerkezet

https://www.sulysap.hu/?module=news&action=show&nid=207174  2022.09.08

• Hő okozta méretváltozások.

A faanyagnál a hő hatására bekövetkező méretváltozás nagymértékben függ az anatómiai irányoktól. Hosszirányban a hő okozta méretváltozás elhanyagolható. Húr és sugár irányban már számottevő lenne, de a hő hatására fellépő nedvességcsökkenés hasonló mértékű zsugorodást idéz elő a fában, így a két hatás nagyjából kiegyenlíti egymást. Épp ezért a faszerkezetek tervezése során a legtöbb esetben nem is szükséges figyelembe vennünk a hőmérsékletváltozás hatására bekövetkező változásokat.

De egészen más a helyzet fémszerkezetek esetén. A vas hő tágulási együtthatója: 11,7×10-6 1/°C. Ez azt jelenti, hogy egy 10m hosszú tartó hosszváltozása már az úgynevezett normál hőmérsékleti tartományban (- 25°C-tól +60°C-ig) is 10mm.

Amennyiben azonban egy tűz által felforrósított fémszerkezetről beszélünk, ez az érték már a 10mm többszöröse lesz.

A beépített vasgerendák hossztengelyük irányában jelentősen megnyúlnak és kinyomhatják a falakat, aminek következtében még teherviselő képességük megszűnése előtt összedőlhet az épület…

• A fa hővezető képessége

A fa igen rossz hővezető, a tűz hatására is csak lassan melegszik át. Ennek szemléltetésére, amennyiben a faanyag hővezető képességét egynek vesszük, úgy a köveké nagyságrendileg ennek kb. tízszerese, a fémeké pedig akár ezerszerese is lehet.

Ráadásul a faanyag felületén az égés során viszonylag hamar, vékony faszénréteg keletkezik, mely védi az anyagot a magas hőmérséklet rombolóhatásától. A keletkező faszénréteg hővezető képessége ugyanis csak mintegy harmada a fa hővezető képességének, így rövid időre elszigeteli azt a tűztől, ezzel is csökkentve a beégés intenzitását. Mindezek következtében a faszerkezetek elemei viszonylag hosszú ideig megőrzik teherviselő képességüket. Megfelelő tervezés esetén akár órákig is képesek ellenállni a tűz hatásának, aminek hála megnő a mentésre szánható idő hossza. A tűz faanyagba történő behatolásának gyorsasága fafajtól függően 0,5-1,3mm percenként. Keményfák esetén az érték alacsonyabb, puha fáknál magasabb. Lucfenyő esetén 0,7-1 mm/perc beégési sebességgel kalkulálhatunk. Egy 10×10 cm keresztmetszetű gerenda ennek megfelelően megközelítőleg 40-50 perc alatt ég át teljesen.

Mivel a különféle fajtájú anyagok beégési sebessége közel állandó, jól kiszámítható a szerkezet égés során tanúsított viselkedése, a tönkremenetel időpontja, és a mentéshez rendelkezésre álló idő is.

A vas és acél igen jó hővezető képességűek, hamar átveszik környezetük hőmérsékletét. És hiába van magas olvadási pontjuk, teherhordó képességük már 500%C°-nál lényegesen lecsökken. (A fa hővezetési együtthatója rost irányában átlagosan kétszer akkora (0,27 W-h/m-h. °C) mint a rá merőleges húr és sugár irányokban (0,14 W-h/m-h. °C).

• A faszerkezetek alakváltozása

A faszerkezetek bizonyítottan a legkisebb mértékben deformálódnak a tűz hatására.

A fémtartók megnyúlnak, magasabb hőmérsékleten lehajlanak.

A vasbeton szerkezetekben pedig a jelentősen táguló vas szétrepeszti a betont. Ezek az alakváltozások többnyire igen rövid idő alatt, hirtelen következnek be. Ezzel szemben a faanyag égési mechanizmusa ismert, gyorsasága könnyen kiszámítható, és jól megjósolható a szerkezet összeomlásának ideje is.

A faszerkezetek tervezése során, a tűzállóság javítása céljából a legegyszerűbb megoldás a szelvényméretek növelése. Minél nagyobb szelvényméretű darabokból építünk fel egy szerkezetet, annál jobb lesz a tűzállósága.

Ha a tűzbe dobunk néhány különböző méretű fadarabot, a gyakorlatban is meggyőződhetünk róla, hogy a tűz először a kisebb darabokba, illetve nagyobb hasábok esetén azok éleibe kap bele. Ennek oka, hogy a szelvények éleit sokkal jobban körül tudja járni a levegő, mint például a lapjait, így tökéletesebb feltételek alakulnak ki az égés számára. A kisebb szelvényméretek alkalmazása több élhez, nagyobb tagoltsághoz, nagyobb támadási felülethez vezet, így csökken a szerkezet tűzállósága.

Hasonlóan rombolja a szerkezet tűzzel szembeni ellenálló képességét a különféle rovarrágásokkal behálózott faanyag. A rovarrágások ugyanis:

• megkönnyítik a fa belsejében képződő éghető gázok felületre jutását,
• tagolják az éghető felületet, nagyobb támadási felületet biztosítva ezzel a lángoknak,
• és növelik a szelvény felületét, mellyel rontják az anyag térfogat-felület arányát.

A szelvényméretek, és a tagoltság égési tulajdonságokkal való összefüggése magával vonja, hogy a manapság oly előszeretettel alkalmazott rácsostartós tetőszerkezetek égési ellenállása sem a legkedvezőbb. Pedig ezek a tetőszerkezetek kiváló mérnöki tervezés eredményei. Modellezve a tetőszerkezetre ható erőket minimális szelvénytúlméretezéssel lehet létrehozni, igen jó teherbírású, statikailag kiszámított szerkezeteket. Az anyagtakarékosság jelentős költségcsökkenéshez vezet. A rácsostartós tetőszerkezetek jóval olcsóbbak, mint ácsolt társaik, azonban vitathatatlan hátrányukként még egyszer meg kell említenünk, a karcsú tartók rosszabb tűzállóságát, és a járható, tárolásra alkalmas födémfelület kicsiny méretét, vagy akár hiányát is.

Szeglemezes rácsos tartó tetőszerkezet

https://www.truss-wood.hu/szolgaltatasaink 2022.09.08.

A szelvényméret növelése azonban gyakran nem alkalmazható, vagy azért

• mert túlságosan nagy súlytöbbletet jelentene. Nagyobb fesztávolságok esetén a tartók már saját súlyuktól is jelentősen lehajlanak.
• , vagy mert nagymértékben megnövelné a szerkezet anyagköltségeit.
• , vagy mert a keresztmetszet növelése nem célravezető. A kulcs ugyanis a lehető legalacsonyabb térfogat-felület arány Egy mennyezetburkolat nagy felületű, és a térfoga-felület arányon az sem segítene eleget, ha 18mm-ről 25mm-re növelnénk a vastagságát.

Az ilyen esetekben különféle tűzvédő bevonatokat alkalmazásával javíthatjuk az alkalmazott szerkezet tűzzel szembeni ellenállását. De az ismert a tűzvédelmi bevonatokkal kezelt faanyag sem válik éghetetlenné!

A faanyag égése

A különféle anyagok éghetőségét azok kémiai összetétele határozza meg. a szenet, hidrogént, foszfort, ként, illetve ezek különféle vegyületeit tartalmazó anyagok többnyire éghetőek. A faanyag egy cellulózból, hemicellulózból, ligninből és pektinből felépülő, bonyolult összetételű szerves anyag mely gyakorta nagyobb mennyiségben tartalmaz különféle járulékos, úgynevezett extrakt anyagokat is. A cellulóz, a hemicellulóz, a lignin és a pektin (magas szén és hidrogéntartalmuknak köszönhetően,) már önmagukban is éghetőek, a faanyagban megjelenő extrakt-anyag tartalom a különböző olajok, gyanták képében pedig tovább növeli a faanyag éghetőségét.

Az égés

A definíció szerint: az égés egy olyan kémiai reakció, mely során az éghető anyagok hő fejlődés és fényjelenségek kíséretében a levegő oxigénjével egyesülnek. A reakció létrejöttéhez három feltételnek kell teljesülnie:

Egyszerre, egy időben kell jelen lennie:

– az éghető anyagnak,

– az égést tápláló oxigénnek,

– és a megfelelő gyulladási hőmérsékletnek.

A fenti három tényező közül bármelyik is hiányzik, az égés nem következik be, illetve, a reakció leáll.

A faanyag égési jellemzői, égésének folyamata

Kevesen tudják, hogy bár a fa szilárd tüzelőanyag, meggyújtva túlnyomórészt mégis fagázként ég el. A lángok hatására 85%-ban gázzá, 15%-ban szénné alakul át. A faanyagot felépítő különféle vegyületek nemcsak fűtőértékükben de égési tulajdonságaikban is különböznek. Igaz közülük a ligninnek van a legnagyobb fűtőértéke, de ez is kap lángra a legnehezebben. A legkisebb fűtőértéke a hemicellulóznak van, ezzel párhuzamosan ez gyullad meg a legkönnyebben. És valahol e két anyag között helyezkedik el fűtőértékével és gyúlékonyságéval a cellulóz.

Amennyiben a faanyag égési jellemzőit szeretném megvizsgálni, úgy érdemes a faanyag égésének folyamatát három fő fázisra elkülöníteni:

– gyulladás

– égés

– utóizzás

Amennyiben a faanyag hőmérsékletét lassan emelni kezdjük, az egyes hőmérséklettartományokban különféle kémiai változásokat tapasztalhatunk. Ez alapján a faanyag égését, vagy helyesebben mondva termikus bomlását 9 szakaszra oszthatjuk. Ennek a kilenc szakasznak, csupán ötödig eleme a faanyag gyulladása.

1.: A faanyag száradása: 100-110 C°. Amennyiben a faanyagot kemencébe helyezzük, és ott huzamosabb ideig 100-110C°-os hőmérsékleten tároljuk, az igen gyorsan száradni kezd. Faanyagunk elveszti szabadvíz tartalmát, majd a kötöttvíz távozásával megkezdődik az anyag zsugorodása is, mely a gyors nedvességleadás következtében vetemedéshez, mély repedések megjelenéséhez is vezethet. A fizikai változások ezen szakaszban szemmel láthatóak, de jelentősebb kémiai változás még nem következik be a fatest felépítésében.

2.: A faanyag elszíneződése: 110-150 C°. Amennyiben a hőmérsékletet tovább emeljük, 110-150C°-on már számítanunk kell a faanyag elszíneződésére, ami 160C°-on már igen jelentős is lehet. Ezen értékek ismerete különösen a faanyag ragasztása során fontos, a megfelelő préselési hőfok beállításához. 110-150C°-on a faanyagból már eltávoznak a különféle illó olajok, a fenyőfélék gyantatartalmából pedig terpentin szabadul fel. A színváltozás kezdetben csak igen enyhe, világos barna színű, később, a hőmérséklet emelésével azonban egyre sötétebb és sötétebb lesz. Ami különösen világos faanyagok préselése során komoly gondokat okozhat.

3.: A faanyag elszenesedése: 150-200 C°. 150C° felett már kémiai változások következnek be a faanyagban. A sejtfalakban lévő cellulózmolekulák a nagy hő hatására feldarabolódnak. A faanyag színe jelentősen besötétedik, felgyorsul a faanyagból kilépő éghető gázok termelődése megkezdődik a fa termikus bomlása (elgázosítása) és beindul a faszénképződés.

4.: A faanyag lobbanáspontja: 200-260 C°. 200C°-tól a faanyagból kilépő éghető gázok mennyisége ugrásszerűen megnő, és összetételében is megváltozik. Csökken a széndioxid és nitrogéntartalma, ellenben megnő az éghető bomlástermékek aránya, mint a szénmonoxid, a hidrogén, vagy a metán. A felszabaduló gázok ebben a szakaszban már hő, vagy akár szikra hatására is belobbannak, az égési folyamat azonban még nem öntartó.

A faanyag termikus bomlása eddig a pontig endoterm reakció. Ahhoz, hogy folytatódjon az égés energia, hő bevitelére van szükség a rendszerbe.

5.: A gyulladási pont: 260- 290-340 C°.:

260C° fölött a faanyagból távozó, gáz halmazállapotú bomlástermékek keletkezése, már olyan intenzív, hogy a gyújtó láng hatására bekövetkező égés önfenntartóvá válik, külső beavatkozás nélkül is tovább folytatódik. Az eddig endoterm termikus bomlási folyamat exotermmé, hő termelő reakcióvá változik, és egészen addig folytatódik, míg éghető anyag és oxigén egyszerre van jelen az égés környezetében.

A faanyag gyulladáspontja változó. Függ a nedvességtartalomtól, a geometriai kialakítástól, és a fafajtól is.

Példának okáért a fenyőfa gyulladási hőmérséklete: 280°C, a kőrisé 240°C. A bükk megközelítőleg 295°C-on kap lángra, míg a tölgynek legalább 340°C-ra van szüksége mindehhez. De ezek csupán átlagértékek. Az előző oldalakról jól ismerjük a nedvesség égésre gyakorolt hatását. Tudjuk, hogy a víz nem csak a fűtőértéket rontja. Mivel gátolja az égést emeli az égéshez szükséges gyulladási hőmérsékletet is.

Ebben az esetben is lehetőségünk van azonban a gyulladási hőmérséklet csökkentésére, hiszen, minél kisebbre, apróbbra daraboljuk a faanyagot, az annál könnyebben meggyullad. Itt következik a fa geometriai alakjának hatása az éghetőségre. Minél nagyobb ugyanis az anyag térfogatához viszonyított felülete, annál könnyebben át tudja járni a levegő és az annál könnyebben gyullad meg.

6.: A faanyag öngyulladása: 330-370 C°. Ebben a hőmérséklettartományban, amennyiben elegendő oxigén van jelen, már bármiféle külső hatás, szikra, vagy gyújtóláng hatása nélkül is lángra lobban a faanyag.

7.: A faanyag égése: 400-500 C°. Miután a faanyag már lángra kapott, és elegendő oxigén van jelen az égés környezetében, beindul az öngerjesztő égési folyamat, mely saját magát katalizálva egészen addig folytatódik, míg az éghető anyag el nem fogy. Ennek során a hőmérséklet fokozatosan emelkedik, majd 400-500C° környékén a gázképződés eléri maximumát

8.: A faszén égése: 500 C° felett: Ahogy a hőmérséklet megközelítőleg 500C°-ra emelkedik a faanyag már jelentős mértékben elszenesedett. A gázképződés újra csökkenni kezd, begyulladnak az elszenesedett részek, és az égés intenzívvé válik, mely során a hőmérséklet az 1000-1200C°-ot is elérheti.

9.: Az utóizzás, vagy utóégés: Nincs hőmérséklettartományhoz kötve: Miután leállt a gázképződés, mint éghető anyag már csak a faszén marad vissza az égés helyén. Ez még egy jó darabig izzik, majd miközben lassan elfogyott, a hőmérséklet meredeken csökkenni kezd. Végül az égés megszűnik, és (amennyiben az égés során elegendő oxigén állt rendelkezésre), csak 0,2-1%-nyi éghetetlen hamu marad vissza.

A faanyag égését számos tényező befolyásolja. Amennyiben a faanyag szempontjából vizsgáljuk az égést és nem vesszük figyelembe a külső tényezőket, mint az égés környezetébe jutó Oxigén mennyisége, a huzathatás, a szélsebesség, a hőmérdéklet…

az alábbi befolyásoló tényezőket kell szem előtt tartanunk:

1. a fafaj,
2. a fafajon belüli sűrűség, és szöveti felépítés,
3. a nedvességtartalom,
4. az járulékos (extrakt) anyag tartalom, (gyanták, illó olajok…)
5. a méretek és a tagoltság.

1.: A fafaj jelentősége: amennyiben széles körben szeretnénk figyelembe venni a tűzvédelmi tervezés szempontjait, a faanyagokat az éghetőségük alapján négy csoportba sorolhatjuk:

• Jól ellenálló: akác, bükk, kőris, tölgy.
• Közepesen ellenálló: erdeifenyő, nyír, vörösfenyő.
• Mérsékelten ellenálló: dió, cseresznye, lucfenyő.
• Nem ellenálló: éger, hárs, jegenyefenyő, nyár.

Tűzvédelmi szempontból tehát kijelenhetjük, hogy a fenyőfélék, és a szórt likacsú fák a kevésbé ellenálló fafajok, míg a gyűrűs likacsúak az ellenálló fajok közé sorolhatók.

Ennek oka nem feltétlenül abban keresendő, hogy a szórt likacsú fajok, illetve a fenyőfélék általában több levegőt tartalmaznak. A kulcs inkább a szöveti szerkezetükben rejlik. Ezekből a fafajokból nehezebben tudnak eltávozni a magas hőmérsékleten keletkező gázok. Így miután az égés kezdetét követően kialakul az égés terjedését akadályozó faszénréteg, az addig felgyülemlett gázok nagy mennyiségben távoznak rajta keresztül, ami szikrahatás mellett jelentős láng és hőképződéssel is jár (, dacára a szénréteg hőszigetelő képességének).

2.: A fafajon belüli sűrűség, és szöveti felépítés,

Nem csak a különböző fafajok, de a különböző területekről származó, azonos fafajok éghetősége között is jelentős különbségek mutatkoznak. Egy nagyobb sűrűségű, sűrűbb évgyűrűszerkezettel ellátott faanyag beégési sebessége akár 50%-kal is kisebb lehet. De a sűrűséggel összefüggésben azt is elmondhatjuk, hogy az éghetőség az anyag fatörzsben elfoglalt helyétől is nagymértékben függ. A sűrűbb geszt sokkal kevésbé éghető (, éghetősége kb. 30%-kal kisebb), mint a szíjács. Ennek oka azonban nem csak a nagy térfogatsúly, hanem az is, hogy a gesztben létrejött nagymértékű tilliszképződés akadályozza az éghető gázok faanyagon belüli áramlását. Ezen szempontok figyelembevétele a valóságban igen körülményes lenne, ezért a szerkezetek tervezésénél „hibalehetőségként” vesszük számon őket. A tervezés során igyekszünk olyan értékekkel számolni, hogy az átlagosnál silányabb minőségű anyagok is meg tudjanak felelni a célnak. Ezt a legtöbb esetben tapasztalati értékek alapján történik, mely a biztonság érdekében a szerkezet szelvényméreteinek nagymértékű növelését vonja maga után.

3.: Nedvességtartalom:

A faanyagban lévő nedvesség nem csak annak fűtőértékét, de éghetőségét is drasztikusan csökkenti. A csökkenés olyan nagymértékű, hogy az élőnedves faanyag meg sem gyújtható, amíg a felületi rétegek nedvességtartalma a külső hő hatására le nem csökken. A víz ugyanis gátolja az égési folyamatot. A faanyag csak akkor válik éghetővé, ha előbb elpárologtatjuk, „kiforraljuk” belőle a vizet. Ez jelentős hő veszteséggel jár, melyet az égés energiája fedez. Minél nedvesebb a faanyag, a párologtatás annál nagyobb hőelvonással jár, az égés pedig annál nehézkesebb, és alacsonyabb hőfokú lesz.

4.: Járulékos (extrakt) anyagok:

A különböző járulékos anyagok (idegen szóval: extrakt anyagok): gyanták, zsírok, viaszok és olajok, lobbanáspontja jóval alacsonyabb, és magas fűtőértékük miatt jelentős hőt is termelnek, ami miatt különösen hátrányosan befolyásolják a faanyag éghetőségét. Mennyiségük a faanyagban igen változó, 1-5% közötti értékre tehető. Hazai viszonylatban a téma szempontjából nagyobb jelentősége csak a fenyőféléknek van. A fenyőfélék jó része nagy mennyiségben tartalmaz gyantát, melynek fűtőértéke különösen magas, mintegy 35MJ/kg. És a helyzetet csak súlyosbítják a gyantatáskák, melyek (, mivel helyükön nem tud kialakulni a faanyagot védő felületi szénréteg) hosszan, és forró lánggal égnek, így gyújtóforrásként működve hamar lángra lobbantják az anyagot.

5.: A méretek és a tagoltság,

E két tényező ugyancsak nagymértékben meghatározza a faanyag éghetőségét, illetve gyulladási hőmérsékletét. Általános érvényű szabályként elmondhatjuk, hogy minél kisebb méretűre szeleteljük a faanyagot, az annál könnyebben gyullad meg (lsd. miért aprítunk pl. gyújtóst). De a hangsúly nem is annyira a méreteken, mint inkább a térfogat-felület arányon van. Minél kisebbre daraboljuk az anyagot, annál inkább csökken a térfogat-felület aránya, mellyel párhuzamosan javul az éghetősége.  Az adott térfogatra viszonyítva mindezek mellett sokkal több él van kit

Következésképpen, a gyakorlatba átültetve eddigi tapasztalatainkat, minél nagyobb szelvényméretű darabokból építünk fel egy szerkezetet, annál nagyobb lesz a tűzállósága. Furcsa módon ehhez semmi köze a szilárdsági méretezéshez. Egy erősebb, kisebb szelvényekből felépülő tető jóval hamarabb válik a lángok martalékává, mint esetlegesen gyengébb, de nagyobb szelvényekből felépülő társa.

A fa, mint tüzelőanyag

Az éghetőség szempontjából vizsgálva az anyagok két csoportra bonthatóak: lehetnek éghetőek, vagy nem éghetőek.  A fa természetesen az éghető anyagok közé tartozik.

Ezzel mindenki tisztában van, hiszen tüzelési célú felhasználása szinte egyidős az emberrel.

Nem tudjuk pontosan mikor kezdtük el használni a tüzet 3, vagy talán 5 millió évvel ezelőtt, de annyi bizonyos, hogy a bizonyítékok alapján a Homo erectus i.e. 350 000 évvel, már rutinosan alkalmazta azt.

A tűz egy csodálatos, lebilincselő természeti jelenség. Amennyiben a faanyagot tüzelési célra használjuk, a fotoszintézis által, több évtizeddel, vagy akár évszázaddal ezelőtt megkötött széndioxidot, illetve az annak megkötéséhez használt napenergiát változtatjuk meleggé.

A lángok játéka meleget, és fényt áraszt magából, mellyel visszahozza a napfény élményét a téli szobákba. Élménye egyetlen más fűtési módhoz sem hasonlítható és mindemellett ma is a legolcsóbb tüzelőanyagok egyike.

Összehasonlítva: 1 m3 keménylombos faanyag fűtőértéke nagyjából 390m3, 10KW/h fűtőértékű földgáznak, felel meg, ami villamos fűtésnél kb. 3900Kw/h-t tesz ki.  Attól függően, hogy milyen előkészítettségi fokozatban vásároljuk meg téli tűzrevalónkat, a fűtési költségeink akár ötödére, vagy akár még ennél is kevesebbre csökkenhetnek. Logikusan: minél előrehaladottabb felkészítési állapotban szerezzük be a tűzifát, azaz minél több idegen teljesítményt veszünk tehát igénybe, annál kisebb megtakarítást érhetünk el. De a költségmegtakarításon túl, a fatüzelés számos más előnyt is hordoz magában:

– Megtermeléséhez, és eltüzeléséhez nagyon kevés segédenergia szükséges.

– Más, fosszilis energiahordozókhoz képest kevésbé szennyezi a környezetet. (Bár a tüzelőberendezések helytelen működtetése alkalomadtán ennek ellenkezőjét is bebizonyíthatja. Pl. ha a faanyag túlságosan vizes és-vagy rosszul ég el…)

– A fa nagy mennyiségben áll rendelkezésünkre, újratermelődő, így a megfelelő erdőgazdálkodás következtében kiapadhatatlan energiaforrást jelent. 2014-ben Magyarország fáinak éves növedéke megközelítőleg 10-13 millió m3-re tehető. (Az említett mennyiségű tűzifát évről évre a nélkül termelhetnénk ki, hogy rablógazdálkodást folytatnánk, és csökkentenénk az erdeinkben található faanyag mennyiségét. Gyakorlatilag fakitermelésünk ennél lényegesen kevesebb (6-7millió m3), és annak is csak egy kisebb hányada, kerül felhasználásra tűzifaként.)

A fa, mint élő szervezet, a leveleiben található zöldszíntestek, és a napenergia segítségével, a légkörben található széndioxid, és víz felhasználásával állítja elő az életfolyamataihoz szükséges szőlőcukrot. Ezt a reakciót nevezzük fotoszintetizációnak:

6H2O+ 6CO2+ napfény= C6H12O6+ 6O2

A reakció melléktermékeként az állati és emberi szervezet számára oly nélkülözhetetlen Oxigén keletkezik. Az általuk évről évre előállított jelentős mennyiségű Oxigén teszi lehetővé lényegében a földi életet.

A fotoszintetizáció során a fa lényegében a napból származó energiát alakítja át és raktározza a növekedése során létrejövő anyagok kémiai kötéseiben, miközben saját testébe építi a légkörben található széndioxidot.

Egy köbméter fa kb. 230 kg lekötött szenet tartalmaz, amiből az égés során megközelítőleg 850 kg szén-dioxid keletkezik.

Amennyiben a faanyagot kint hagyjuk az erdőben, korhadása során (, mivel a korhadás egy lassú égés,) ez a mennyiség ugyanúgy felszabadulna, és a légkörbe jutna, csak sokkal lassabban.

A nedvességtartalom hatása az égésre

A frissen kitermelt faanyag még nem alkalmazható kielégítően tüzelési célokra, tömegének jó részét (akár a felét is) ugyanis még a benne lévő nedvességtartalom teszi ki.

A víz nagymértékben csökkenti faanyagunk fűtőértékét. Az ugyanis nem csak, hogy nem éghető, az égési folyamatot is gátolja. A vizes faanyag csak akkor égethető el, ha előbb elpárologtatjuk, „kiforraljuk” belőle a vizet. Ez jelentős hő veszteséggel jár, melyet az égés energiájából kell fedeznünk. A fában található minden egyes liter víz 700Wh energiaveszteséggel jár.

Összehasonlításképpen, egy űrméter (0,57m3) frissen kitermelt faanyag esetünkben 800kg, 1500kWh energiát ad. Amennyiben ugyanezt a faanyagot légszáraz állapotra szárítjuk, súlya 420kg-ra csökken, fűtőértéke pedig 1800kWh-ra nő.

A különbség legjobban az egy kilogramm fára vonatkoztatott fűtőértékben nyilvánul meg:

a frissen kitermelt, vagy vizes faanyag fűtőértéke: 1,9kWh/kg,

a légszáraz faanyag fűtőértéke: 4,3kW/kg.

Egyes szakirodalmak szerint, amennyiben a faanyag nedvességtartalma 10%-al nő a légszáraz állapothoz képest, úgy fűtőértéke ezzel párhuzamosan 9%-ot csökken.

A fa nedvességtartalma különböző mérőműszerekkel, vagy a kiszárításos eljárással könnyedén meghatározható. (Ezekről bővebben a faanyag nedvességtartalma című fejezetben olvashat.) Amennyiben azonban nincs lehetőség a fa nedvességtartalmának pontos meghatározására, a legtöbb esetben érdemesebb azt nem tömegre, hanem térfogatra vásárolni

Az űrméter, és a sarangolt fa

De a nedves tűzifa nem csak a költséghatékonyság szempontjából hátrányos. A víz felmelegítése miatt létrejövő energiaveszteség következtében, a vizes faanyag alacsonyabb hőfokon ég. Amennyiben az égés hőfoka nem elég magas, nem következik be a tökéletes égés. És az égés során felszálló füst nem csak vizet és széndioxidot, de egyéb éghető anyagokat is tartalmaz. Az energiában gazdag el nem égett farészek füsttel történő távozása tovább csökkenti a fából nyerhető energia mennyiségét, továbbá korom, illetve kátrány formájában lerakódnak a kéményben és a tüzelőberendezés adott helyein. És mindezek mellett még a környezetet is szennyezik.

A faanyag fűtőértéke

Ahogy arról már korábban is szó volt, a különféle anyagok éghetőségét azok kémiai összetétele határozza meg. A fatestet kb. 50%-ban szén 43%-ban oxigén, és mintegy 6%-ban hidrogén alkotja (de ezeken kívül 1%-ban egyéb anyagokat is tartalmaz).

Lényegében ezekből az anyagokból épülnek fel a faanyag törzsét képező vázvegyületek:

a cellulóz, a hemicellulóz, a lignin és a pektin. ( Ez utóbbival jelenleg nem foglalkozunk, hiszen bár szerkezetileg igen fontos, mennyiségileg nem számottevő a faanyagban.)

A száraz fatest összetétele a fűtőérték szempontjából:

• A fatest nagy részét, kb. 50%-át a cellulóz teszi ki. Fűtőértéke 4,8 kW h/kg.
• Ugyan csak jelentős tömeget képez a lignin, mely a faanyag 25-30%-át képezi. Fűtőértéke 7,5 kW h/kg.
• Mintegy 20%-ra tehető az egyéb cellulózhoz hasonló poliszacharidok, pl. a hemicellulóz jelenléte, melynek fűtőértéke némileg alatta marad a cellulózénak: 4,5 kW h/kg.
• És végül meg kell említenünk az egyéb járulékos, extrakt anyagokat, a különféle gyantákat, zsírokat, viaszokat és olajokat, melyek mennyisége a fatestben rendkívül változó 1-5%. Fűtőértékük azonban igen jelentős, átlagosan úgy: 10 kW h/kg.

A fenti felsorolásból egyértelműen megállapítható, hogy annál nagyobb a faanyag fűtőértéke, minél több lignint és járulékos anyagot tartalmaz. Minthogy a fenyőfélék több lignint, és gyantát tartalmaznak, mint a lombos fák, érthetően fűtőértékük is nagyobb.

                  kW h/űrméter     kW h/kg

Gyertyán       2200                4,2      

Bükk              2100                4,2

Tölgy              2100                4,2

Kőris               2100                4,2

Akác               2100                4,1

Nyár               1400                4,2

Lucfenyő        1600                4,4

Erdei fenyő    1700                4,4

A fenyőfélék sűrűsége azonban jóval alatta marad a lombos fáknál megszokott értékeknek, így ha a belőlük kinyerhető energiamennyiséget a térfogatra vonatkoztatjuk (kW h/űrméter), a lombos fák már lényegesen jobb tüzelőanyagnak minősülnek a fenyőféléknél.

Természetesen a fűtőérték azonban nem csak a fafajtól és a nedvességtartalomtól függ. Ki kell emelnünk, hogy a különböző termőhelyi adottságok is nagymértékben befolyásolják azt. Sőt az függ a fadarabok nagyságától is. A fenti táblázatban közölt értékek ezeknek megfelelően csupán átlagértékek, egy fafajon belül ezeknél nagyobb és kisebb fűtőértékű faanyagokkal is találkozhatunk.