Moje zainteresowanie piecami rakietowymi zaczęło się 2009 roku. Z uwagą zacząłem wówczas oglądać i czytać w internecie o różnych odmianach i wariantach zastosowań pieców rakietowych (rocket stoves). W 2012 roku, po gruntownym zgłębieniu tematu i przestudiowaniu książki Ianto Evansa i Leslie Jackson pt: “Rocket Mass Heaters”. wybudowałem w Barkowie na Mazurach Garbatych swój pierwszy niskobudżetowy akumulacyjny piec rakietowy. W ciągu dwóch kolejnych lat kierowałem budową 8 podobnych pieców. Koszty materiałowe każdego z nich mieściły się w przedziale 250 – 500 zł, gdyż w dużej mierze były one budowane z materiałów dostępnych lokalnie (glina, kamień, piasek), recyklingowych (rury, beczki, blachy, popiół drzewny, butelki, tłuczeń szklany), i porozbiórkowych (cegły szamotowe, cegły zwykłe, gruz). Przez dwie zimy miałem przyjemność testować działanie dwóch takich pieców i doświadczyć przyjemności obcowania z nimi. W roku 2014 zacząłem budować najnowsze zoptymalizowane wersje komorowych pieców rakietowych z poziomym paleniskiem Petera Van den Berga i tego rodzaju piece szczególnie polecam pod rozwagę wszystkim, którzy myślą o budowie efektywnego i oszczędnego pieca akumulacyjnego.
Czym jest piec rakietowy?
Mówiąc krótko i prosto, każdy piec, którego zaizolowane palenisko połączone jest z zaizolowaną pionową komorą spalania, zwaną również podnośnikiem, dopalaczem lub kominem (ang. heat riser), można określić mianem pieca rakietowego. Izolacja paleniska i podnośnika ciepła ma w piecu rakietowym znaczenie kluczowe, gdyż dzięki temu utrzymywana jest wysoka temperatura wewnątrz paleniska, która jest podstawowym czynnikiem umożliwiającym proces efektywnego spalania gazów. Temperatura w palenisku i podnośniku ciepła może, w zależności od konstrukcji i sposobu izolacji wynosić do 800 do 1200° C.
Efektywność pieca rakietowego
Gdy temperatura spalania drewna (lub innej biomasy) przekroczy 700° C, następuje proces utlenienia pierwiastków węgla i wodoru. Wynikiem tego jest powstanie tlenku i dwutlenku węgla (CO i CO2) oraz pary wodnej (H2O). Im wyższa temperatura panuje w palenisku i podnośniku ciepła, tym większy jest potencjał spalania tych gazów. Efektywność spalania gazów można zwiększyć stosując doprowadzenie podgrzanego powietrza wtórnego do górnej części paleniska, oraz przez odpowiedni kształt paleniska wywołujący wirowy ruch spalanych gazów.
Efektywność spalania gazów w prawidłowo zbudowanym piecu rakietowym może wynosić od 75 do 95% i jest ona uzależniona od szczegółów konstrukcyjnych paleniska, podnośnika ciepła, oraz właściwej obsługi pieca. Dla porównania, efektywność spalania gazów w prostych, otwartych kominkach wynosi zaledwie 10%. Oprócz pieców rakietowych efektywność spalania na poziomie 80% uzyskują też nowoczesne piece, kotły i kominki o porządnym standardzie z regulacją nadmuchu powietrza pierwotnego i wtórnego. Efektywność powyżej 90% osiągana jest natomiast przez zaawansowane kotły z pełnym sterowaniem niezależnymi źródłami powietrza pierwotnego i wtórnego, tak by odpowiednio je podawać w różnych fazach spalania.
Piec rakietowy jest zatem stosunkowo prostą i łatwą do samodzielnego wykonania konstrukcją, która efektywnością spalania gazów dorównuje najbardziej zaawansowanym współczesnym technologiom grzewczym.
Historia pieca rakietowego
Prawdopodobnie pierwszymi piecami rakietowymi, lub przynajmniej protoplastami współczesnych palenisk rakietowych są różnego rodzaju proste piece ziemne z odpowiednio wydrążonymi kanałami, które służyły najczęściej do przyrządzania posiłków. Znaleziska archeologiczne i badania etnologiczne potwierdzają stosowanie takich piecyków w wielu kulturach pierwotnych zarówno w historii, jak i obecnie. Eksperymenty archeologii doświadczalnej które również sam przeprowadzałem pokazały że gotując na takich piecach można znacznie ograniczyć zużycie opału w porównaniu do płaskiego, osłoniętego z trzech stron paleniska a także uzyskać bezdymne spalanie. Z biegiem czasu, te proste i efektywne paleniska zostały zapomniane i bardzo rzadko stosowane. W pewnym sensie odkryto je na nowo pod koniec XX wieku, nadając im ucywilizowaną formę. Oto krótka historia tego odkrycia.
Generacja I – prosty i efektywny piec do przyrządzania posiłków
W latach 70 XX wieku dr Larry Winiarski z Aprovecho Research Center (www.aprovecho.org) mając na uwadze dobro ubogich mieszkańców krajów trzeciego świata, którzy przygotowując swoje posiłki na otwartym ogniu lub na prostych osłoniętych z trzech stron paleniskach, borykają się z chorobami oczu i dróg oddechowych spowodowanych zadymieniem, rozpoczyna prace nad konstrukcją prostego paleniska, którego celem ma być podniesienie efektywności spalania gazu drzewnego i zlikwidowanie problemu zadymienia. W roku 1982 zostaje opracowana pierwsza dokumentacja techniczna pieca rakietowego do gotowania posiłków. Jego kluczowymi elementami składowymi jest izolacja termiczna całego paleniska, pionowy dopalacz gazów, pełniący funkcję zbliżoną do klosza w lampie naftowej (po nałożeniu klosza lampa zdecydowanie mniej dymi) oraz powietrze wtórne doprowadzone do wnętrza paleniska za pomocą specjalnego kanału znajdującego się pod miejscem na wsad paliwowy.
W ciągu kolejnych lat dr Larry Winiarski wraz z pomocnikami podróżuje po krajach trzeciego świata aby prezentować i promować swój wynalazek. Jego celem jest dotarcie do jak największego grona odbiorców. W efekcie setki tysięcy a może nawet miliony takich piecyków używanych jest w ponad 60 krajach. Sprawdzają się, są oszczędne, nie dymią, i co najważniejsze można zbudować je samodzielnie przy bardzo niskich lub wręcz żadnych kosztach materiałowych. Równolegle w Instytucie Approvecho trwają prace nad rozwojem i adaptacją pieca rakietowego do kolejnych zastosowań. Powstają prototypy pieców do pieczenia chleba, do podgrzewania wody oraz pomieszczeń. W każdym przypadku zachowana jest wysoka efektywność spalania i małe zużycie opału. W roku 2006 dr Larry Winiarski przyjmuję nagrodę Ashden Awards (organizacja promująca rozwój zrównoważony w sektorze energetycznym) w podziękowaniu za jego pracę w Afryce oraz ponownie, w roku 2009 za pracę w chińskiej fabryce nad masową produkcją wydajnych pieców kuchennych na potrzeby krajów rozwijających się.
Generacja II – Rakietowy piec akumulacyjny z paleniskiem „J-Tube”
Kolejną postacią, która odegrała ważną rolę w rozwoju i promocji pieca rakietowego jest Ianto Evans – przyjaciel i współpracownik Winiarskiego, architekt, ekolog oraz permakulturowiec promujący tanie i ekologiczne budownictwo. Janto Evans razem z Lindą Smiley wybudował w Oregonie pierwszy w Ameryce Północnej budynek w technologi COB, w którym zamieszkali w roku 1989. W kolejnych latach zakładają tam szkołę naturalnego budownictwa „North American School of Natural Building”, promują budownictwo ze słomy, gliny i piasku oraz upowszechniają technikę o nazwie „Oregon Cob” (Strona internetowa: www.cobcottage.com).
Na potrzeby ogrzewania swoich budynków Ianto eksperymentuje z projektem pieca rakietowego. Dokłada do zaizolowanego paleniska podajnik grawitacyjny na drewno, a na wierzch zaizolowanego podnośnika ciepła nakłada beczkę, która służy jako wymiennik podobny do znanej nam „kozy”. Spaliny prowadzi rurami, które zabudowuje gliną, tworząc coś w rodzaju zapiecka, na którym można się położyć. Gorące spaliny ogrzewają dużą masę termiczną, która później stopniowo oddaje ciepło. Paliwem jest drobno porąbane drewno lub chrust.
Gałązki lub szczapy drewna wkładane są do paleniska pionowo, a siła grawitacji przesuwa je stopniowo, w miarę spalania, w dół. Palą się tylko końcówki gałązek na podobieństwo indiańskiego ogniska, co dodatkowo wpływa na wydajność pieca.
Po latach doświadczeń w projektowaniu i budowaniu pieców, Ianto Evans wraz z Leslie Jackson wydają w 2006 r. książkę, pt „Rocket Mas Heaters„ (Akumulacyjne Piece Rakietowe) w której dokładnie opisują zasady projektowania i budowania pieców rakietowych z paleniskiem J-Tube, wyposażonych w ławę akumulującą ciepło. Książka ta przyczynia się do dużej popularyzacji akumulacyjnych pieców rakietowych, szczególnie w środowiskach alternatywnych, związanych z ruchem ekowioskowym, permakulturą i budownictwem naturalnym. Dzięki niej tysiące osób na świecie decyduje się przystąpić do samodzielnej budowy akumulacyjnego pieca rakietowego do celów grzewczych. Najnowszą edycję tej książki można nabyć online również w formie elektronicznej na stronie: www.rocketstoves.com
Generacja III – Batch Box, zoptymalizowane palenisko rakietowe z poziomym wkładem paliwa
Duży przełom optymalizacyjny pieców rakietowych nastąpił stosunkowo niedawno. Konstruktorzy z całego świata, otwarcie i naturalnie dzieląc się na zasadach open source swoimi pomysłami, usprawnieniami, testami i wynikami testów na forach internetowych, doprowadzili do opracowania prostego w wykonaniu paleniska, które charakteryzuje się bardzo wysoką efektywnością spalania gazów rzędu 92-96%.
Konstruktorem, którego imię w szczególności należy wymienić jest Peter Van den Berg – emerytowany inżynier z Holandii, który na przestrzeni kilku ostatnich lat wniósł ogromny wkład w rozwój i optymalizację palenisk rakietowych – zarówno kalsycznego J-Tube, jak i nowego „Batch Box”.
Głównym zainteresowaniem Petera było zmniejszenie poziomu tlenku węgla w spalinach oraz optymalizacja współczynnika nadmiaru powietrza w palenisku. Bazując na odczytach z analizatora spalin dokonywał wielu kolejnych poprawek w projekcie, bacznie obserwując czy przynoszą one pożądany efekt. W efekcie w 2011 r. zaproponował kilka zmian w klasycznym palenisku Evansa (tzw. J-Tube), a dwa lata później na świeczniku pojawia się zoptymalizowane i przetestowane przez niego palenisko Batch Box z poziomą komorą spalania, specjalnym kanałem dostarczającym do paleniska wtórne powietrze (tzw. P-channel, lub Peter-Channel).
Anglojęzycznych czytelników zachęcam do zaznajomienia się z dorobkiem Petera Van den Berga na forum: (http://donkey32.proboards.com/user/32).
Palenisko Batch Box opracowane zostało w dwóch wersjach. Pierwsza budowana jest z cegieł szamotowych, a druga odlewana z betonu żaroodpornego. Palenisko to szybko rozgrzewa się do wysokich temperatur i osiąga czyste spalanie nawet w czasie od 5 do 15 minut od rozpalenia. Średnia sprawność spalania gazów wynosi 93%, a poziom tlenku węgla (CO) w spalinach szybko spada, utrzymując się na średnim poziomie 400 ppm. Mało jest współczesnych konstrukcji które mogą się pochwalić takimi wynikami.
Podstawową, widoczną na pierwszy rzut oka cechą poziomego paleniska Batch Box jest sposób załadunku drewna. Wkłada się je poziomo, tak samo, jak w tradycyjnych piecach, i kominkach. Możliwa jest też zmontowanie estetycznych drzwiczek z szybą. Z punktu widzenia konstrukcji kluczowe znaczenie ma wąska, pionowa szczelina (tzw. gardło lub port), przez którą płomień przechodzi z paleniska do podnośnika ciepła. Ukośne podpórki po bokach paleniska pomagają utrzymywać palące się drewno w zwartym stosie.
Peter Van den Berg zwrócił również uwagę na to, że akumulacyjne piece rakietowe uzyskiwać mogą znacznie większą wydajność akumulacji jeśli ich konstrukcja zostanie zbudowana według zasad systemu komorowego, opatego na hydraulicznym ruchu gazów (z ang. bell system – czyli system dzwonu lub dzwonów) zamiast w systemie kanałowym, który był stosowany dotychczas w klasycznej konstrukcji Evansa, gdzie rury były umieszczone w ławie grzewczej i obłożone gliną. (temat przewagi pieców komorowych nad akumulacyjnymi zostanie rozwinięty w oddzielnym artykule).
Poniższy film pokazuje proces budowy paleniska batch box z cegieł szamotowych.