薪ストーブ

薪ストーブ（英国ではウッドバーナーまたはログバーナーとも呼ばれる）は、木質燃料（固形燃料と呼ばれることが多い）やおがくずレンガなどの木質バイオマス燃料を燃焼させることができる暖房器具または調理器具である。一般的にこの器具は、耐火レンガで裏打ちされた固体金属（通常は鋳鉄または鋼）の密閉式火室と、1つ以上の空気制御装置（ストーブに応じて手動または自動で操作できる）で構成される。最初の薪ストーブは1557年にストラスブールで特許を取得しました。これは産業革命の2世紀前のことであり、鉄はまだ法外に高価でした。最初の薪ストーブは高級消費財であり、徐々に広く使用されるようになりました。^{[1] [a]}

ストーブは、換気用のストーブパイプによって適切な煙道に接続されており、燃料が点火されると、高温の燃焼ガスが充満します。燃焼ガスが火室から煙突に排出されるようにするには、煙突または煙道ガスを外気温よりも高温にする必要があります。

薪ストーブは有害な室内空気汚染のレベルを3倍にする可能性があります。^[2] 2010年代には、ヨーロッパで木材や石炭を使った住宅暖房による大気汚染が原因で、年間61,000人が早期に死亡し、北米ではさらに10,000人が死亡しました。^[3]アフリカでは、薪ストーブの使用が原因で毎年約463,000人が亡くなっています。^[4]この高い死亡者数は、換気が不十分なストーブから排出される有毒な煙を吸い込んだことによるもので、健康に有害な物質が含まれています。さらに、木材をエネルギー源として頼ることは、森林破壊や気候変動にも寄与していますが、木材由来の燃料によるCO2_排出量は自然腐敗による排出量と同じです。

薪ストーブを安全かつ効率的に作動させるには、空気が薪ストーブ内を正常に流れるようにすることが不可欠です。火に酸素を供給するために、新鮮な空気が火室に入る必要があります。火が燃えるにつれて、煙がストーブのパイプを通って上昇し、火室に負圧が生じ、煙突から排出される必要があります。空気の流れを調節するために、ストーブ、煙道、ストーブのパイプにダンパー装置が組み込まれている場合があり、燃焼を調節するための空気取り入れ口の調整が通常あります。

ダンパーを開いたり閉じたりすることで、空気の流れを増減することができ、火室の火を煽ったり、空気の流れを制限して炎を弱めることで火を「弱め」たりすることができます。ダンパーは通常、ダンパーに取り付けられたノブやハンドルを回すことでアクセスできます。一部のストーブは、機械式または電子式のサーモスタット装置を使用して独自の空気の流れを調整します。

密閉式器具の暖房効率を最も高めるには、ストーブへのさまざまな空気の供給を制御する (空気制御装置を正しく操作する) 必要があります。最近のストーブでは、取扱説明書に手順が文書化されています。空気制御装置を完全に開くと、熱が室内にではなく煙突に直接送られる可能性が高くなり (効率が低下します) ます。多くのストーブで空気制御装置を完全に開いたままにしておくことによる最大の問題は、「過燃焼」です。過燃焼は、火室内で熱が発生しすぎると発生し、ストーブや内部部品の歪み、座屈、一般的な損傷につながります。ストーブによって、空気制御装置の数とタイプは異なります。近年では、触媒燃焼器を使用して煙が煙道から出る前に煙の中に残っている粒子やガスを燃焼させる、より効率的なモデルが開発されており、熱出力が高く、燃焼時間が長くなり、環境への悪影響が少なくなっています。

現代の建築技術によって住宅の気密性が向上したため、多くのストーブ製造業者はストーブを外気取り入れ口付きに設計せざるを得なくなりました。外気を取り入れることで、ストーブのある部屋から予熱された空気を取り入れるのではなく、冷たい燃焼空気を屋外から直接取り入れることで、ストーブの暖房効率を全体的に高めることができます。多くの現代のストーブは、オプションで外気取り入れ口を使用できます。多くの製造業者は、必要な部品をキット形式 (外気キット、または OAK) で提供しています。外気キットを検討する場合、空気はストーブより下から取り入れる必要があることを知っておくことが重要です。たとえば、地下室のストーブでは、外気キットを安全に使用できない場合があります。これは、非常に高温の排気ガスが (通常は PVC 製の) 吸気管から排出される逆流を防ぐためです。逆流すると、建物火災や高温の排気ガスが建物内に放出される可能性があります。

薪は通常、体積または質量で測定され、取引されます。メートル法が完全ではない英語圏の国では、薪はコードで測定されることがよくあります。フェイスコードは4フィート×8フィート×丸太の長さ（通常16〜18インチ）です。フルコードは4フィート×4フィート×8フィートです。薪を購入、切断、または収集する場合は、広葉樹と針葉樹の違いを認識しておくとよいでしょう。広葉樹と針葉樹は、質量あたりのエネルギー含有量は似ていますが、体積では異なります。言い換えると、広葉樹は通常、同じサイズの針葉樹よりも重く、利用可能なエネルギーが多くなります。オークやトネリコなどの木から得られる広葉樹は、燃焼速度が遅いため、出力が持続します。針葉樹の多くは針葉樹から得られ、成長が早く、燃焼速度が速い場合があります。これが、針葉樹ペレット（ペレットストーブ用）が人気がある理由の1つです。

広葉樹の主な利点は、同じ体積の針葉樹よりも多くの潜在エネルギーを含む傾向があるため、ストーブ 1 台に積み込める潜在熱量が増えることです。広葉樹は熱い炭層を形成して維持する傾向があるため、長時間にわたって少量の熱を放出します。広葉樹は長時間の弱火燃焼に理想的で、特に弱火燃焼を維持する能力が低いストーブや、高熱出力を必要としない穏やかな天候に最適です。

対照的に、針葉樹は、ほとんど石炭を使わずに、高温で速く燃える傾向があります。針葉樹は、広葉樹よりも灰が少ないかもしれません。針葉樹は、高温で速く燃えるのに最適です。優れた熱を発し、ストーブを石炭でいっぱいにしません。これは、広葉樹ストーブから最大限の熱を引き出そうと、ストーブを酷使する人にとってよくある問題です。

すべての広葉樹がすべての針葉樹よりも高い潜在的エネルギー含有量を持つわけではありません。木材は樹種によって、また個々の樹木によっても異なります (何年もゆっくりと成長した樹木は、同じ樹種で同じサイズでも数年間急速に成長した樹木よりも BTU 含有量が高くなります)。オセージ オレンジ(別名ヘッジ) は、北米でよく見られる木材の中でおそらく最も BTU 含有量が高い木材です。

多くの針葉樹は、多くの広葉樹よりも乾燥が早いです。たとえば、切断、分割、積み重ね、カバーリングされた松は通常 1 年で燃焼可能になりますが、オークの場合は同じ条件で 3 年かかると予想されます。

針葉樹は広葉樹よりも危険なクレオソートを生成するため、燃やすと危険だとよく言われます。この迷信は、両方の種類の木材が一般的に入手できる北米北東部で広く信じられています。ほとんどの専業薪ストーブの人が松とモミだけを燃やす北西部では一般的ではありません。

この神話は、昔ながらのストーブや暖炉に由来している可能性があります。これらの器具は乾燥した木材を必要とせず、また、乾燥されないことが多かったのです。その結果、煙道の温度が非常に低くなることがよくありました。これは通常、現代の煙道のように断熱されていない煙道で発生しました。木材の水分含有量が高いために火室の温度が低く、断熱材がないために煙道の温度が低いことが相まって、クレオソートが大量に蓄積されました。昔ながらの暖炉やストーブで火花を多く出す木材 (松など) を燃やすと、火花が直接煙道に入り、煙道がクレオソートで覆われている場合は危険な煙突火災につながる可能性があります。

適切に操作されている現代のストーブでは、これほど高いレベルのクレオソートの蓄積は起こりません。異なる木材の種類には異なるレベルの揮発性有機化合物が含まれていますが、すべての木材はクレオソートを生成し、不適切に燃焼すると蓄積するため、その違いは重要ではありません。松などのいわゆる危険な木材は、実際にはオークなどの木材よりも安全です。松はより高温で燃焼するため、煙道の温度を高く保つことができ、乾燥が速いため、初心者の薪ストーブでも適度に乾燥した木材を燃やすことができます。

乾燥した木材は、燃焼前に木材から水分を蒸発させるのにエネルギーが使われないため、湿った木材よりも多くの利用可能な熱を生み出します。切りたての木材 (グリーンウッドと呼ばれる) は水分含有量が高いです。木材の種類によって水分含有量は異なり、木によっても異なります。ほとんどが水である燃料を燃やすと、燃焼エネルギーの多くを水分の蒸発に使います。その結果、火室の温度と煙道の温度が低くなります。

水分含有量が重量比で 20 パーセント未満の薪は、効率的に燃焼します。これは、木材繊維に吸収された「自由」水分含有量であり、化学的に結合した水素と酸素含有量は含まれません。水分含有量は、夏の天候で数か月間屋外で空気乾燥 (「シーズニング」) することで減らすことができます。太陽光発電または燃料燃焼窯は、乾燥プロセスを加速できます。^[5]

余分な水分を除去する最も一般的なプロセスは、乾燥と呼ばれます。木材を空気乾燥させる乾燥には、3 年以上かかることがあります。木材は、屋外の換気の良い屋根付きの建物内、または窯で乾燥されます。

すべての木材は燃焼時にクレオソートの蒸気を放出します。現代のストーブは、直接の二次燃焼または触媒を介して蒸気を燃焼します。適切に作動する現代のストーブの二次燃焼では、クレオソートが漏れ出すことはほとんど、あるいはまったくありません。

漏れたクレオソートは、ガス状で木材から出る場合は無害である可能性があります。250 度 F (121 °C) を超える表面では凝結しません。現代の煙突は断熱されており、通常のストーブ操作中にこの温度以下に下がらないようにしています。クレオソートは可燃性で高温で燃えるため、蓄積すると危険です。煙突がクレオソートで覆われ、火花が煙突を上って引火すると、深刻な煙突火災を引き起こし、建物火災につながる可能性があります。これは、現代のストーブと煙突規格を使用し、乾燥した木材を燃やし、火を十分に高温に保ち、煙突上部の煙突温度を少なくとも 250 度 F (121 °C) に保ち、必要に応じて適切な煙突清掃を行うことで回避できます。

多燃料ストーブの設計はヨーロッパでは一般的です。木材、木質ペレット、石炭、泥炭などの固形燃料のみを燃焼します。通常は鋼鉄または鋳鉄で作られています。一部のモデルはボイラーストーブでもあり、お湯を供給するための水タンクが付属しています。また、ラジエーターに接続して家を暖めることもできますが、通常は専用の木材ボイラーほど効率的ではありません。

薪燃料から石油やガスに切り替えて、別個の給湯器に熱を供給することができるストーブモデルもあります。^[6]薪燃料に加えて石油やガスに簡単に切り替えられるストーブは、20世紀初頭から北米やヨーロッパで製造されており、現在でも製造されています。一部のモデルでは、ストーブの薪室の後ろにある「ポットバーナー」につながるパイプ接続を通じて、石油やガスがストーブに燃料として供給されます。

多燃料ストーブは用途が広いですが、特定の燃料を最大限に燃焼するように設計されたストーブと比較すると、通常は性能が劣ります。

現代の薪ストーブは一般的に、未燃焼ガスを燃やして効率と排出量を大幅に改善する二次燃焼方式を採用しています。一般的な方法の 1 つは触媒を使用する方法です。

触媒式薪ストーブは、火室から出たガスを触媒で再燃焼させます。触媒とは、通常よりもずっと低い温度でこれらのガスを燃焼させる触媒でメッキされた鋼鉄またはセラミックのマトリックスです。これが、現代のストーブの中で、触媒式モデルが、暖かい気候に望ましい、低く均一な熱出力を実現するのに非常に優れている理由です。

現代の非触媒式薪ストーブも、火室からのガ​​スを再燃焼させますが、二次燃焼にははるかに高い温度が必要です。触媒は必要ありません。これらのモデルは、二次燃焼を維持できないため、燃焼速度が低いと効率が大幅に低下しますが、二次燃焼が効力を発揮すると、高温で非常に効率的になります。

触媒二次燃焼と非触媒二次燃焼の両方を採用したハイブリッドストーブも存在します。

二次燃焼を一切行わないストーブもまだ存在しますが、燃焼しなかった物質が煙道から排出されるため、効率が著しく低下し、汚染も増加します。

従来のストーブでは、熱い火に木材を加えると、熱分解または破壊的蒸留のプロセスが始まります。ガス（または揮発性物質）が発生し、固形燃料の上で燃焼します。これらは、ほとんどの固形燃料器具で進行する 2 つの異なるプロセスです。二次燃焼のない旧式のストーブでは、燃焼と効率を高めるために、燃料の下と上の両方に空気を入れる必要がありました。実際には適切なバランスを実現するのは難しく、多くの旧式の薪ストーブでは、簡素化のために燃料の上にのみ空気を入れていました。揮発性物質が完全に燃焼しないことが多く、エネルギー損失、煙突のタール化、大気汚染を引き起こしました。

これを克服するために、熱分解ストーブが開発されました。2 つのプロセスは、別々に制御された空気供給を備えたストーブの別々の部分で行われます。木質ペレットを燃焼するように設計されたストーブのほとんどは、このカテゴリに分類されます。

ほとんどの熱分解ストーブは、従来のストーブのように単純な空気調節によって大量の燃料の燃焼を制御するのとは対照的に、燃料と空気の両方の供給を調節します。

ペレット燃料は通常、スクリューコンベアで熱分解室に導入されます。これにより、燃料の燃焼がより良く、より効率的になります。

この技術は実際には新しいものではなく、揮発分の多い石炭を燃焼させるための産業用石炭ボイラーで何十年も使用されてきました。

適切な空気の流れと換気も、効率的で安全な薪の燃焼に不可欠です。具体的な要件はストーブ製造業者によって定められます。英国における新規設置の法的要件は、建築規制承認文書 J、セクション 2、表 1「固形燃料器具への空気供給」に記載されています。^[7]

薪ストーブを安全に運転するには、木製の格子の下の灰受け皿（容器）を空にするなどの定期的なメンテナンスが必要です。煙突火災を防ぐために、ストーブのパイプと煙突を定期的に掃除することも必要です。クレオソートと煤は、ストーブのパイプと煙突に徐々に蓄積します。これにより煙突が損傷し、周囲の構造物、特に屋根に火が広がる可能性があります。煤がストーブのパイプや煙突を通る空気の流れを妨げると、ストーブのパイプと家の中に煙が蓄積する可能性があります。

空気の供給を減らすことで燃焼を制御するという基本原理は、ストーブ内に還元ゾーン/条件が存在することが多いことを意味します。つまり、二酸化炭素はしばしば一酸化炭素に「還元」されますが、これは非常に有毒であり、家の中に漏れないようにする必要があります。これは、ストーブまたは煙突が清掃されていないか、換気が不十分な場合に発生する可能性があります。薪ストーブを使用する場合は、製造元の推奨に従って、常に一酸化炭素検出器または警報器を設置する必要があります。すべての煙探知器が一酸化炭素を検出するわけではありません。

石炭、グリース、オイル、ガソリン、灯油、プラスチックなどの燃料促進剤も、薪ストーブの薪に決して加えてはなりません。発生した炎が簡単に薪室やストーブのパイプを圧倒し、住宅火災を引き起こす可能性があるからです。

英国の大気浄化法に基づき、地方自治体は管轄区域の全部または一部を煙制御区域と指定することができます。指定煙制御区域内にある建物の煙突、炉、または固定式ボイラーから煙を排出することは違法です。また、煙制御区域内で使用するために「許可されていない燃料」を入手することも、それが「免除」された器具（煙制御区域で一般的に適用される規制から「免除」された器具）で使用されない限り、違法です。現在の罰金の最高額は、違反ごとに 1,000 ポンドです。

「煙制御区域」で大気浄化法に準拠するためには、免除対象の器具または燃料を使用する必要があります。^[8]

米国の大気浄化法では、薪ストーブは環境保護庁(EPA) による認定を受けることが義務付けられています。

しかし、EPAはペレットストーブ、屋内または屋外の薪ボイラー、石造りストーブ、およびEPA規制の対象外となっている特定の種類の薪ストーブについては、強制排出制限を設けていなかった。EPAは2015年に発効した新しい規制を策定し、ほぼすべての薪ストーブ（暖炉、チムニー、その他の特別な器具は引き続き対象外）に対して強制排出制限を設けた。^[9]

2019年、EPAの薪ストーブに対する強制的な煙排出制限は、薪燃焼室内暖房器具の改訂された性能基準のステップ1に基づき、1時間あたり4.5グラムの煙（g/h）でした。^{[10] [11]}ワシントン州でも、1時間あたり最大4.5グラムの要件がありました。

住宅用薪ストーブの新規排出源性能基準 (NSPS) は、2020 年 5 月 15 日に発効しました。EPA は、大気汚染を軽減するために 1988 年に薪ストーブの排出基準を開始し、非触媒ストーブの場合は 1 時間あたり 7.5 グラム、触媒ストーブの場合は 4.1 グラムという初期制限を設定しました。これらの規制は時間の経過とともに改良され、特に 2015 年には段階的なアプローチで排出量を削減しました。第 1 段階では排出量の上限が 1 時間あたり 4.5 グラムに設定され、第 2 段階では、採用されたテスト手法に基づいて、この制限がさらに 1 時間あたり 2.0 グラムまたは 2.5 グラムに引き下げられました。

最新の「フェーズ IV」または「ステップ 2 基準」では、薪ストーブの基準がさらに厳しくなり、特にテスト対象が薪から薪へと変更されました。これまで EPA は、信頼性の高いテスト燃焼のために、サイズと配置が一定な薪を使用していました。しかし、この方法は、より変動の大きい薪が標準である家庭での実際のストーブの使用を反映していませんでした。この変更は、住宅で使用される木材のサイズ、水分、および種類の多様性を考慮し、より現実的な排出テストを目指しています。

カリブ海、中米、南米など一部の地域では、多くの家が適切な換気手段のない屋内で薪ストーブを使用しています。煙は家の中に留まり、住人が吸い込んで健康を害します。世界保健機関（WHO）によると、直火調理による屋内空気汚染で毎年200万人近くが死亡しており、そのほとんどは女性と子供です。大量の薪を伐採すると、地元の森林や生態系も危険にさらされます。^[12]

ロータリー・インターナショナルなどの非政府組織（NGO）は、より燃料効率が良く安全な薪ストーブの建設を住宅所有者に積極的に支援している。その1つは、ジャスタ・ストーブ、ジャストストーブ、エコストーブ、またはラ・エストゥファ・ジャスタと呼ばれる。ジャスタ・ストーブは、煙突付きのアドベ、セメント、軽石などの材料で作られている。ロケットストーブや干し草箱ストーブなど、他の種類の薪ストーブもこれらのコミュニティに導入されている。ロケットストーブはジャスタ・ストーブよりも最大30％燃料効率が良いが、小型のポータブルロケットストーブ（調理用）には煙突がなく、屋外での使用にのみ適している。大型のロケットストーブは煙突または排気管に接続されている。干し草箱ストーブは、別の屋外用薪ストーブである。干し草箱ストーブは、断熱材としてわら、羊毛、またはフォームを使用し、燃料使用量を最大70％削減する。^[13]

イタリアはヨーロッパでペレットストーブの最大の市場の一つで、全世帯の約30%が暖房に木材を使用しています。つまり、約500万世帯が木材を燃料とするストーブまたは調理器具を所有していることになります。^[要出典]

英国では、家庭での木材燃焼が微粒子大気汚染の最大の原因になっていると主張されている。 ^[14] しかし、英国政府（DEFRA）の統計ではこの主張は裏付けられておらず^[15]、道路輸送と工業プロセスの両方がより大きな汚染源となっている。

• フランクリン ストーブは、ベンジャミン フランクリンが発明したもので、より効率的なタイプの薪ストーブです。扱いにくく、普及しませんでしたが、多くのストーブが今でも「フランクリン」ストーブと呼ばれています。
• カール・ヨハン・クロンシュテットは、18 世紀半ばに薪ストーブの効率を 8 倍に高めたと伝えられています。
• ヴォルフガング・シュローターは鋳鉄製のフレームとガラス製の扉を備えた最初の薪ストーブを発明した。これにより、ストーブ内で燃えている火を見ることができた。^[16]
• 暖炉インサートは、薪暖炉を薪ストーブに改造します。暖炉インサートは、既存の暖炉と煙突の中に設置する独立型ユニットです。従来の暖炉よりも煙が少なく、必要な薪も少なくて済みます。暖炉インサートは、大きな家から小さな家まで、さまざまなサイズがあります。^[17]
• ダウンドラフトまたはクロスドラフトのガス化ストーブ、例えばDunsley Yorkshire、Welkom 600、Avalon Arbor™薪ストーブ、XEOOSなど。^[18]
• ボイラーストーブは、温水と空間暖房の両方を提供します。バックボイラーは、火室の背面にオプションで挿入されるか、ストーブの構造に不可欠なラップアラウンド ウォーター ジャケットです。この選択によって、ストーブの出力のどれだけが、水の加熱ではなく空間暖房に使われるかが決まります。
• ロケットマスヒーターは燃料効率の良いストーブの一種で、1970年代に命名されましたが、そのコンセプトは数千年前に遡ります。火の上にある超高温の煙突が炎を横と上方に引き上げ、熱い燃料と空気を混ぜて素早く高温でクリーンに燃える火を作ります。この火は木材をほとんど必要とせず、残留物もほとんど残らず、用途も広いです。^[19]

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  モンタナ州にあるポール・ウィートンのパーマカルチャー農場のティピに設置されたロケットマスヒーター
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  暖炉、暖房のために木を燃やす
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  日本の伝統的な薪ストーブ「だるまストーブ」
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  フランス、ストラスブールのアルザス地方の家にある、セラミックタイル張りのコックルストーブの薪ストーブ。ストーブの上には木製の洗濯物干しラックが吊り下げられている。
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  1941年、北米のキッチンに典型的なコンロで料理をするニューメキシコの女性
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  薪サウナストーブ、フィンランド
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  大型ガラス扉と効率性を高める大型熱交換器を備えた特注の暖炉インサート
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  メープルシロップ製造用の屋外「蒸発器」として使用される薪ストーブ（ニューヨーク州）
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  小型のポットベリーストーブ、カブール、アフガニスタン
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  ドイツの農場のリビングルームのストーブ
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  マサチューセッツ州のストーブ
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  天板で調理できるタイプ（リージェンシー）

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