Römische Brennöfen allgemein

Emissionen römischer Brennöfen je Brand

Nach dem Bertiebsmodell von Döhner et al. (2022a)¹ wurde ein römischer Brennofen in Zyklen betrieben. Alle drei Wochen fand ein Brand statt, der jeweils rund 16 Stunden dauerte.

Geheizt wurde mit Holz. Dabei kam Hartholz (Buche, Eiche, usw.) und Weichholz (Nadelhölzer) zum Einsatz. Bei den Experimental-Bränden, die Döhner et al. (2022a)² beschreiben beide Sorten wurden in unterschiedlicher Häufigkeit nachgelegt.

Nach den Bericht von Struschka und Winter (2013)³ kann man bei Weichholz von einer Abbrand-Dauer von 1,5 Stunden und bei Hartholz von 2 Stunden ausgehen.

Die eingelegten Mengen für den Probebrand 2015 wurden Je Stunde aus Abb 10 in Döhner et al. (2022a)² abgelesen. Die davon abgebrannten Mengen werden über die folgenden Stunden verteilt. Dabei wird die Einlegezeit von 0 - 3/4 Stunde nach dem Beginn der Stunde des Einlegens in 1/4 Stunden-Schritten angenommen, dann die Anteile jeder folgenden Stunde berechnet, über alle 4 Fälle gemittelt und auf achtel gerundet. Dadurch ergibt sich:

Holzart	Haltholz	Weichholz
Std. nach einlegen
0	3/8	4/8
1	4/8	4/8
2	1/8	0

So erhält die Menge Hart- und Weichholz, die in jeder Stunde brennen. Mit denn Brennwerten beider Holzarten aus dem Merkblatt 12 ⁴ der Bayerischen Landesanstalt für Wald und Forst kann man daraus die je Stunde frei werdende Wärmemenge berechnen.

Fachinger et al (2017) ⁵ geben dazu Emissionsfaktoren je umgesetzter Wärmemenge in Holzfeuerungen an. Daraus kann man die je Stunde freigesetzten Mengen von CO, Nox, Feinstaub, PAH und Ruß angeben.

Ein großes Problem sind jedoch auch Geruchsbelastungen. Farchinger et al. geben allerdings keine Emissionsfaktoren für Geruchseinheiten an. Im Bericht von Struschka und Winter (2013) sind jedoch Abgasmessungen enthalten, die die Emission von Geruchseinheiten und anderen Schadstoffen aus Holzfeueranlagen angeben. Aus dem Verhältnis CO Emission und Geruchseinheiten ergibt sich jedoch ein relativ konstanten Verhältnis von rund 80 GE/mg CO.

Damit kann man auch die Geruchsemisionen abschätzen.

Simulation des Emissions-Zyklus

Die oben ermittelten Werte kann man in eine Simulatiuon einbauen, wie unter Zeitabhängige Simulation beschrieben.

Dazu wählt man in cycle.yaml die Variante list, und kann dann die Werte aus der Tabelle einfach als stündlichen Werte angeben. Hier im Beispiel für eine Quelle:

cycle01.co:
  source: 01.xx
  start:
    at:
      time: 3-48/3
      unit: week
    offset:
      time: 7
      unit: hour
  list: [0.000, 0.000, 0.160, 0.160, 0.219, 110.723, 441.606, 331.409, 110.737, 441.781, 331.526, 103.271, 411.142, 308.688, 111.437, 594.408, 1038.661, 851.362, 296.314, 0.000]

cycle01.nox:
  source: 01.nox
  start:
    at:
      time: 3-48/3
      unit: week
    offset:
      time: 7
      unit: hour
  list: [0.000, 0.000, 0.003, 0.003, 0.004, 2.109, 8.412, 6.313, 2.109, 8.415, 6.315, 1.967, 7.831, 5.880, 2.123, 11.322, 19.784, 16.216, 5.644, 0.000]
  
cycle01.pm:
  source: 01.pm-2
  start:
    at:
      time: 3-48/3
      unit: week
    offset:
      time: 7
      unit: hour
  list: [0.000, 0.000, 0.002, 0.002, 0.002, 1.055, 4.206, 3.156, 1.055, 4.207, 3.157, 0.984, 3.916, 2.940, 1.061, 5.661, 9.892, 8.108, 2.822, 0.000]
  
cycle01.ge:
  source: 01.odor
  start:
    at:
      time: 3-48/3
      unit: week
    offset:
      time: 7
      unit: hour
  list: [0.000, 0.000, 12.840, 12.840, 17.509, 8857.804, 35328.497, 26512.714, 8858.971, 35342.504, 26522.052, 8261.653, 32891.365, 24695.079, 8915.000, 47552.678, 83092.873, 68108.971, 23705.136, 0.000]

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Simulation der Abgasfahnenüberhöhung

Für die Berechnung der Kaminüberhöhung benötigt man

• Quelldurchmesser (dq),
• Austrittsgeschwindigkeit das Abgases (vq),
• Austrittstemperatur des Abgases (tq),
• Wasserdampfgehlt des Abgases (zq, sq oder rq) sowie gegebenenfalls
• Flüssigwassergehalt (lq)

Der Quelldurchmesser beträgt nach Henning et al. (2020)⁶ im Mittel 1.35 m.

Die Austrittsgeschwindigkeit des Abgases wurde bei den Probebränden von Döhner et al. (2022b)² nicht gemessen, aber der Ofendruck. Das ist der Unterdruck, der inm Ofen durch die Temperaturerhöhung entsteht. Dadurch kann man den Luftstrom durch den Ofen hilfsweise abschätzen: Der Unterdruck im Ofen liegt in der Größenordung von 1-5 Pa. Dadurch wird Luft durch die Schüröffnung angesaugt. Nimmt man nun an, dass der Unterdruck nach dem Prinzip von Bernoulli der Druck-Erniedrigung durch die Geschwindigkeit der Luftströmung entspricht, also \(p_\mathrm{total} ~=~ p_\mathrm{s} ~+~ \frac{1}{2} \rho v^2\) Wenn man den Ofendruck gleich \(( p_\mathrm{s} - p_\mathrm{total} )\) setzt, kann man dadurch die Strömunggeschwindigkeit in der Brennkammer berechnen. Der Abgas-Volumenstrom (Kubikmeter pro Sekunde) entspricht dann der Einström-Geschwindigkeit multipliziert mit der Fläche der Schüröffnung. Die Austrittsgeschwindigkeit erhält man dann in dem man den Abgas-Volumenstrom durch Querschnittsfläche des Ofens teilt.

Mangels anderer Angaben nehmen wir an, das die Abgastemperatur der Ofentemperatur entspricht.

Den Wasserdampfgehalt des Abgases kann man abschätzen, als den Wassergehalt des jeweis brennenden Holzes geteilt durch den Abgas-Massenstrom (Volumenstrom mal Dichte):

Um die Abgasfahnenüberhöhung zeitabhängig zu simulieren, fügt man nun in austal.txt hinzu:

vq ?
tq ?
dq 1.35
zq ?

und entsprechend fügt man zu cycle.yaml hinzu:

cycle01.vq:
  source: 01.vq
  start:
    at:
      time: 3-48/3
      unit: week
    offset:
      time: 7
      unit: hour
  list: [0.000, 0.000, 1.960, 1.863, 1.754, 1.443, 1.342, 1.305, 1.390, 1.441, 2.821, 3.018, 3.987, 5.285, 5.419, 6.079, 6.219, 6.219, 5.550, 4.711, ]   

cycle01.tq:
  source: 01.tq
  start:
    at:
      time: 3-48/3
      unit: week
    offset:
      time: 7
      unit: hour
  list: [ 0., 0., 130., 130., 130., 130., 250., 320., 400., 450., 420., 520., 650., 700., 750., 800., 850., 850., 800., 500. ]

cycle01.zq:
  source: 01.zq
  start:
    at:
      time: 3-48/3
      unit: week
    offset:
      time: 7
      unit: hour
  list: [0.0000, 0.0000, 0.0005, 0.0006, 0.0008, 0.0030, 0.0087, 0.0091, 0.0054, 0.0127, 0.0054, 0.0035, 0.0048, 0.0039, 0.0043, 0.0068, 0.0076, 0.0036, 0.0009, 0.0000] 

Damit kann man dann die Quelle wie üblich simulieren.

Literatur

1. Döhner G, Herdick M, Katschmareck U, Axtmann A (2022a) Überlegungen zum wirtschaftsgeschichtlichen Potenzial der Experimentellen Keramikarchäologie. https://doi.org/10.11588/PROPYLAEUM.996.C13278 ↩

2. Döhner G, Herdick M, Katschmareck U (2022b) Kommentierte Messdiagramme zur spätantiken Töpferofentechnologie. https://doi.org/10.11588/PROPYLAEUM.996.C13279 ↩ ↩² ↩³

3. Struschka M, Winter P (2013) Geruchsbelästigungen durch Holzfeuerungen. Institut für Feuerungs- und Kraftwerkstechnik, (IFK)Universität Stuttgart ↩

4. Jürgen Hahn Markus Schardt FS (2017) Der Energieinhalt von Holz. Merkblatt 12, Bayerischen Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft ↩

5. Fachinger F, Drewnick F, Gieré R, Borrmann S (2017) How the user can influence particulate emissions from residential wood and pellet stoves: Emission factors for different fuels and burning conditions. Atmospheric Environment 158:216–226. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2017.03.027 ↩

6. Hanning E, Döhner G, Grunwald L, Herdick M, Hastenteufel A, Rech A, Axtmann A (2020) Die Keramiktechnologie der Mayener Großtöpfereien: Experimentalarchäologie in einem vormodernen Industrierevier. Jahrbuch des Römisch-Germanischen Zentralmuseums Mainz Bd. 61 Nr. 1 (2014). https://doi.org/10.11588/JRGZM.2014.1.72416 ↩