Fire Safety of Metal Chimneys in Residential Homes in Finland

Abstract

Viime vuosina Suomessa on tapahtunut lukuisia rakennuspaloja, jotka ovat saaneet alkunsa metallisavupiippujen läpivienneistä välipohjien, kattojen ja seinien läpi. Vuonna 2012 metallisavupiiput aiheuttivat yli 70% kaikista savupiippujen aiheuttamista tulipaloista asuinrakennuksissa Suomessa. Metallisavupiippujen aiheuttamat tulipalot ovat merkittävä ongelma, koska metallisavupiippujen osuus kaikista savupiippuista Suomessa on vain 10%. Metallisavupiippujen paloturvallisuuden parantamiseksi tehtiin laaja tutkimusohjelma vuosina 2010-2016 Tampereen teknillisen yliopiston palolaboratoriossa (nykyään Tampereen yliopisto). Tutkimukset olivat pääasiassa kokeellisia. Laboratorio- ja kenttäkokeita suoritettiin savupiippujen suunnittelua varten käytettävän tulisijojen savukaasulämpötilan määrittämiseksi. Lisäksi laboratoriokokeilla tutkittiin metallisavupiipun asennustavan ja mineraalivillan sisältämän orgaanisen aineen palamisen vaikutusta metallisavupiipun paloturvallisuuteen.

Savupiipun läpiviennistä aiheutuneisiin paloihin tunnistettiin useita syitä: todelliset savukaasujen lämpötilat ovat korkeammat kuin savupiippujen suunnittelussa oletetaan, savupiipun virheellinen tai riittämätön asennustapa ja mineraalivillaeristeessä tapahtuva kytöpalo. Tulisijat ja savupiiput testataan EN- standardien mukaisesti. Standardikokeet suoritetaan ennalta määritellyissä laboratorio-olosuhteissa. Todelliset olosuhteet paikan päällä voivat olla hyvin erilaisia kuin nämä laboratorio-olosuhteet. Käyttöolosuhteet vaihtelevat, esimerkiksi polttoainetyypin ja savupiipun veto-olosuhteiden vuoksi, joka puolestaan riippuu rakennuksen sijainnista, tulisijan käyttöajasta, tulisijan säädöistä sekä savupiipun pituudesta ja savupiipun asennustavasta. Näistä olosuhteiden vaihtelusta huolimatta, EN-standardikokeisiin perustuvan savupiipun suunnittelun tulisi johtaa paloturvallisiin ratkaisuihin.

Tulisijan CE-merkinnässä ilmoitettu savukaasujen lämpötila ei välttämättä aina johda turvalliseen ratkaisuun, joten sitä ei pidä käyttää savupiipun suunnitteluun. Laboratoriokokeissa olleiden tulisijojen korkeimmat savukaasujen lämpötilat lämpötilaturvallisuuskokeessa olivat 124°C - 381°C korkeammat kuin CE- merkinnässä ilmoitetut savukaasujen lämpötilat. Joissakin kenttätesteissä savukaasujen lämpötilat ja savupiipun veto ylittivät huomattavasti standardikokeiden arvot. Kenttäkokeissa kamiinojen ja kiukaan savukaasujen keskimääräiset lämpötilat olivat noin 100°C korkeammat kuin savukaasujen lämpötilat, jotka valmistajat olivat ilmoittaneet tulisijan CE-merkinnässä.

Tutkimuksessa havaittiin eroja metallisavupiippujen todellisten asennustapojen ja standardin mukaisten kokeiden olosuhteissa. Standardikokeissa mitatut lämpötilat voivat olla matalampia kuin lämpötilat todellisissa asennuksissa. Standardissa on puutteita koskien savupiipun asemaa testirakenteessa ja kuuman kaasun mittauspisteen sijaintia testissä. Savupiipun testauksessa kuuman kaasun lämpötila voi jäähtyä yli 150°C standardin mukaisen mittauspisteen ja savupiipun läpiviennin välillä, joten savupiippu voidaan testata liian matalalla savukaasulämpötilalla. Suurimman riskin aiheuttaa savupiipun nokipalo, koska nokipalossa palaminen voi tapahtua savupiipun läpiviennin kohdalla. Koetulokset osoittavat, että nokipalokokeessa kuuman kaasun lämpötila savupiipun läpiviennissä voi olla 350°C matalampi kuin testilämpötila. Savupiipun standardin mukainen testaustapa nurkassa lähellä kahta seinää ei edusta pahinta mahdollista savupiipun asennustapaa. Todellisissa asennuksissa savupiiput ovat yleensä täysin yläpohjaeristeen ympäröimiä. Yläpohjaeristeen lämmönjohtavuus on alhaisempi kuin testirakenteen seinien. Kokeissa yläpohjaeristeen kohdalta mitatut lämpötilat olivat noin 60°C korkeampia kuin standardin mukaisista kohdista seinistä mitatut lämpötilat.

Mineraalivillan orgaanisen aineen kytevä palaminen vaikuttaa savupiipun läpiviennin lämpötilaan. Kytevä palaminen tuottaa lisälämpöä läpivientirakenteeseen, mikä puolestaan nostaa sekä läpivientieristeen että ympäröivien välipohja- ja kattorakenteiden lämpötiloja. Mineraalivillaeristeille tehdyt kokeet osoittivat, että kytevä palaminen voi nostaa läpivientieristeen lämpötilaa sadoilla asteilla, mikä puolestaan voi nostaa rakennusmateriaalien lämpötiloja savupiipun läpiviennissä hetkellisesti yli 100°C.

Tässä tutkimuksessa tunnistettiin monia tekijöitä, jotka voivat nostaa lämpötiloja savupiipun läpiviennissä. Myös monien tekijöiden vaikuttaminen samanaikaisesti on mahdollista, mikä voi nostaa lämpötilat savupiipun läpiviennissä syttymislämpötilan tasolle. Tutkimuksessa esitetään monia tapoja nykyisten EN-standarditestien turvallisuustason lisäämiseksi ja siten metallisavupiippujen paloturvallisuuden parantamiseksi.

In recent years, numerous building fires have occurred in Finland where the fire started due to the ignition of flammable materials in the vicinity of metal chimney penetrations through floors, roofs and walls. In 2012, metal chimneys caused over 70% of all chimney-induced fires in residential buildings in Finland. The safety issue with metal chimneys is important, as they represent only 10% of all chimneys in Finland. To improve the fire safety of metal chimneys, an extensive research programme was conducted at the TUT Fire Laboratory of Tampere University of Technology (currently known as Tampere University) between 2010 and 2016. The study was mainly experimental. A series of laboratory and field tests were performed in order to determine the flue gas temperatures of fireplaces to be used in designing chimneys. The effect of the installation of metal chimneys and the effect of the smouldering combustion of the organic content of mineral wool on fire safety were studied using laboratory tests.

Several reasons for chimney penetration-induced fires have been identified: higher actual flue gas temperatures onsite than those assumed in chimney design, incomplete or insufficient chimney installations and the smouldering combustion of mineral wool insulation. Fireplaces and chimneys are tested in accordance with EN standards. The standard tests are conducted in predefined laboratory conditions. The actual conditions onsite may be very different from these laboratory conditions. Site conditions vary, for example due to fuel type and chimney-draught conditions, which depend on site conditions, time, draught controls and the chimney length and installation. Regardless of this variation in conditions, chimney design based on EN standard tests should lead to a fire-safe solution.

The flue gas temperature given on the CE marking of a fireplace may not always lead to a safe solution and should therefore not be used in designing a chimney. In the laboratory tests, the highest flue gas temperatures of the tested fireplaces measured in the temperature safety test were 124°C to 381°C higher than those given on the CE marking. In some field tests, the flue gas temperatures and chimney draught levels exceeded significantly those of the standard laboratory tests. The mean flue gas temperatures measured during the room heater and sauna stove tests were approximately 100°C higher than the flue gas temperatures given by the manufacturers in the CE marking of the fireplaces.

The study highlighted the differences between the conditions in real installations and those in the thermal performance tests prescribed by the standard for the certification of chimneys. It showed that the temperatures measured in the tests performed according to the standard can be lower than the temperatures that may occur in real installations. The standard’s weaknesses concern the position of the chimney in the test structure and the hot gas measurement point in the tests. For chimney testing, hot gas can drop by over 150°C in temperature between the standard measurement point and the chimney penetration, so the chimney may be tested at too low a flue gas temperature. The highest risk is in the chimney thermal shock test as, in a soot fire, burning can occur just at the chimney penetration. The test results show that the flue gas temperature at the roof penetration may be 350°C lower than the test temperature. The position of the chimney in the test structure, in a corner of the roof and near two walls does not represent the worst condition in which a chimney may operate. In real installations, chimneys are usually completely surrounded by a roof that offers lower thermal conductivity than the walls of the test structure. In the test, the temperatures measured at the roof insulation were about 60°C higher than those measured on the walls.

The temperature in the chimney’s roof penetration is affected by the smouldering combustion of mineral wool binder. Smouldering combustion generates additional heat in the penetration structure, which in turn increases the temperature of both the penetration insulation and the surrounding floor and roof structures. Experiments on mineral wool specimens show that smouldering combustion can increase the insulation temperature by hundreds of degrees, which in turn can increase the temperatures of the combustible roof construction materials located adjacent to the chimney penetration by over 100°C for a limited period of time.

Several factors that can increase the temperatures in the chimney penetration were identified in this research. It has also been shown that the simultaneous action of several factors is also possible, which can increase the penetration temperatures to the level of the ignition temperature. The study presents a number of methods for increasing the reliability of current EN standard tests and thereby improving the fire safety of metal chimneys.