A környezetvédelem műszaki alapjai - ara.bme.hu · PDF file(Német és angol ipari szennyezés Ösavas ivóvíz + réz csővezeték ) • Legsavasabb eső: Kína, 1981, pH = 2.25

A környezetvédelem műszaki alapjai

(BME GEÁT AGT1)

Dr. Goricsán István, 2008Balczó Márton, Balogh Miklós, 2009

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Áramlástan Tanszék1

Légköri szennyezőanyag-terjedés és modellezése

22

A SAVAS ESŐK KIALAKULÁSA

Forrás: http://www.eoearth.org/upload/thumb/4/42/Acid_deposition_formation_diagram.jpg/300px-Acid_deposition_formation_diagram.jpg

Forrás: http://maps.grida.no/go/graphic/acid_rain_in_europe

Savas ülepedés Európában, 1993Forrás: http://www.fossweb.com/CA/modules3-6/Environments/activities/delgap/images_sized/ph%20scale.jpg

• Terjedés a légkörben: SO2 légköri élettartama néhány nap, NO2-é kb 20 óra.(„a légszenyezés nem ismer országhatárokat”: 70-es évek Ny-Németo.-i savas esők: K-Németo-i, Cseho-i ipari kibocsátások miatt.)

• 70-es évek Svédország: a szőke haj fürdésnél bezöldült. (Német és angol ipari szennyezés savas ivóvíz + réz csővezeték )

• Legsavasabb eső: Kína, 1981, pH = 2.25. Emberre, környezetre közvetlenül veszélyes, háztartási ecetnél savasabb. Jelenleg is területének 30%-án savasak esők esnek.

3

ELŐFORDULÁS

• 1952 december 5-9. : 4 napos inverzió és szélcsend, köd• Háztartási magas kéntartalmú széntüzelés (háború után)• magas SO2 koncentráció – a ködrészecskékben kénessavat képezett• 4000 közvetlen, 8000 közvetett haláleset

4

A LONDONI NAGY SZMOG

Forrás: http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9p:Acid_rain_woods1.JPG

Növénypusztulás: Jegenyefenyő-halál (Németország), bükkhalál (Németország, Csehország, Lengyelország, Ausztria, Szlovákia). Tavakban: fitoplankton-állomány pusztulása

Állatvilág pusztulása: Zooplankton- állomány pusztulása. Norvégia: 5000 tóból 1750 elvesztette a kétéltű- és halpopulációját.

Fémek, építmények korróziója: Al, Cu, Zn, Cd, Ma, Pb oldása

Káros hatások az emberre: bőrbetegségek…

Közvetett hatások: talajok, édesvizek elsavasodása. A mésztartalmú talajok ellenállnak a savas esőtől valókimosódásnak, de a tartós savbevitel ezeket is károsítja - a tápanyagok kimosódnak a leszivárgó vízzel. A talaj elveszti tápanyagraktározó és -szállító funkcióját. (K-Eur: egyes területeken az erdő a tápanyagszükségleteit az odajutott légszennyező anyagokból fedezi!!! Az erdő növekedéséhez szükséges S, N, Ca, Mg 50%-a a levegőből származik.)

Forrás: http://mirror-in-bom1.gallery.hd.org/_c/natural-science/_more1999/_more05/acid-rain-stone-erosion-of-statue-2-AJHD.jpg.html

Forrás: http://mainegov-images.informe.org/dep/air/acidrain/images/ARAIN1.jpg5

SAVAS ÜLEPEDÉS KÖVETKEZMÉNYEI

Nemzetközi egyezmények :• 1979 Convention on Long-Range Transboundary Air Pollution (Genf 1979) - LRTAP• Protocol to LRTAP on the Reduction of Sulphur Emissions or Their Transboundary

Fluxes by at Least 30% - az 1980-as szinthez képest 30% csökkentés (1985 Helsinki) – a 23 aláíró államból 21 50%-os vagy nagyobb csökkentést ért el.

• 1994 Oslo Protocol on Further Reduction of Sulphur Emissions – 28 állam ratifikálta

6

SAVAS ÜLEPEDÉS MÉRSÉKLÉSE

Forrás: VITUKI, 2008: 2007.évi összesítı értékelés hazánk levegıminıségérıl az automata mérıhálózat adatai alapjánhttp://www.kvvm.hu/olm

Magyarország:Környezetvédelmi Törvény:1995. ÉVI LIII. törvény valamintlevegőtisztaság-védelmi rendeletek(14/2001: a légszennyezettségi határértékekről, a helyhez kötött légszennyező pontforrások kibocsátási határértékeiről)

7

LÉGSZENNYEZETTSÉGI HATÁRÉRTÉKEK

Határérték [µg/m3]órás éves

határérték tűréshatár határérték tűréshatárNitrogén-dioxid 100

a naptári év alatt 18-nál

többször nem léphető túl

50%amely 2001. I. 1-jétől

évenként egyenlőmértékben csökken, és

2010. I. 1-jére eléri a 0%-ot

85 40 50% amely 2001. I. 1-jétől

évenként egyenlőmértékben csökken, és

2010. I. 1-jére eléri a 0%-otNitrogén-oxidok(mint NO2)

200 150 70

Szén-monoxid 10 000 5 000 3 000

Határérték [µg/m3]24 órás éves

határérték tűréshatár Határérték tűréshatárSzálló por (PM10) 50

a naptári év alatt 35-nél többször nem léphető túl

40

órásLégszennyező

anyag

24 órásLégszennyező

anyag

Betartása hol kötelező:• Ország egész területén• Hollandia: úttól 10m távolságban• Autópálya építés: 50m-es kisajátítási sávon kívül• Védendő objektum : lakóház stb.területén

• Egészségügyi határérték• Riasztási határérték• Munkahelyi határérték

HELYSZÍNI MÉRÉSEK - MONITORING

Forrás: http://www.kvvm.hu/olm/map.php?id=Budapest

Telepített szakaszos (manuális) mérőhálózat

SO2, NO2, szálló por 24 órás átlag

Ülepedő por 30 napos átlag

Telepített folyamatos (automata) mérőhálózat

Pl. Kosztolányi tér órás átlag: SO2, NO2, NOX, CO, O3, PM10

Adatok elérhetők: http://www.kvvm.hu/olm/index.php

> regionális > városi > mikro

9

LÉGSZENNYEZETTSÉG HELY SZERINTI VÁLTOZÁSA

Meteorológiai skála: makro (globális) > mezo > mikro

10

LÉGSZENNYEZETTSÉG HELY SZERINTI VÁLTOZÁSA

11

LÉGSZENNYEZETTSÉG IDŐBELI VÁLTOZÁSA

A NOx, NO2 és PM10 szennyezettség átlagos heti menete a Budapest, Erzsébet téri mérőállomáson

• Napi, heti, évszakos változás

• Ok: kibocsátás változása, nagytávolságú transzport, meteorológiai viszonyok

12

LÉGSZENNYEZETTSÉG

Természetes és emberi eredetű anyagok a levegőben:• Gázok összetétel szerint: NO, CO, NO2, SO2, O3, HC, • Szilárd részecskék méret szerint: TSPM, PM10, PM2.5, nanorészecskék

Mértéke: szennyezőkoncentráció [mg/m3], [µg/m3], [ppm] (part per million)

• Emisszió: kibocsátás• Transzmisszió: tovaterjedés• (Konverzió: kémiai átalakulás)• Immisszió: adott helyen észlelt

légszennyezettségi állapot

Légszennyezettség meghatározása:

• Csak mérés…

• Mérés és modellezés kombinációja…

• Teljes modellezés

13

EMISSZIÓ

Típusok:• Pontforrás – ipari kibocsátások, kémények• Vonalforrás – utak• Felületi forrás – kőbányák, mezőgazdasági területek

Forráscsoportok:• Erőművek• Ipar• Közlekedés• Háztartások

Kibocsátás helye:• Emissziókataszterek• Magasság szerint:

•Kéményen (ipari)•Felszín (közl.)

Stuttgart város és környékénekNOx emisssziókatasztere

Forrás:Städtebauliche Klimafibel Online

14

EMISSZIÓMEGHATÁROZÁS

Helyhez kötött források (ipari és háztartási szennyezők):kéményben a kilépő füstgáz térfogatáramának és koncentrációjának mérésével

Közlekedés

Egyetlen jármű kibocsátása:• Próbapadon (dinamométer), motorpadon illetve járműbe telepített műszerekkel

mérhető• Emissziós faktor (fajlagos emisszió): egyetlen jármű egy megtett km-re eső

kibocsátása

Emisszió (kibocsátás) = forgalom x járművek fajlagos emissziója

[ ] ]m/g[Ks/mq]s/g[Q 33v ⋅=

[ ] ]km/g[EFh/járműN]h/km/g[QL ⋅=

15

KÖZLEKEDÉSI EMISSZIÓMEGHATÁROZÁS MÉRÉSSEL

- Alagútban szélsebesség- és koncentrációmérés + forgalomelemzés (rendszám alapján)- Kipufogógázelemzés távérzékeléssel + forgalomelemzés

( )LN

uAccEF KA

⋅⋅−

=

• Egyirányú forgalom (dugóhatás, áramlás a forgalom irányába)

• Szélsebesség mérése az alagútban• Immissziómérés az alagút elején és beljebb• Forgalomszámlálás, rendszám rögzítés

térfogatáram

összemisszió

Forrás: Fuel Efficiency Automobile Test Data Centerhttp://www.feat.biochem.du.edu

• A kipufogó magasságában átbocsátott infravörös és ultraibolya fény spektroszkópiai elemzése

• Sebesség és gyorsulásmérés• A CO2 koncentrációval összehasonlítva

üzemanyag kg-ra vonatkoztatott CO, NOx és HC emissziósfaktorok meghatározása

• Rendszám rögzítés videokamerával

Emisszió Transzmisszió (konverzió) Immisszió

162016

SZENNYEZŐANYAG-TERJEDÉSI JELENSÉGEK

Első jelentős szennyezőforrások: ipari kibocsátások, kéményekfüstfáklyák viselkedésének vizsgálata

analítikus megoldás – empírikus formulák

with the kind permission of Geoff Spivey, 2007

Téglagyár kéményéből kilépő füstfáklya (Stewartby, Anglia)

A légkör földfelszín feletti azon rétegét nevezzük planetáris, vagy atmoszférikus határrétegnek, ahol a felszín hatása közvetlenül kimutatható. Ez a hatás a hő-, momentum-, tömegátvitelben és a nedvesség szállításában érhető tetten. Az atmoszférikus határrétegben az áramlás időben erősen változik (turbulensnek tekinthető), a kicserélődési folyamatok turbulens diffúzióval mennek végbe. Tehát örvények szállítják a hőt, impulzust és anyagot (légszennyezettséget). 17

AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEG

18

AZ ATMOSZFÉRIKUS HATÁRRÉTEG FELOSZTÁSA

Általános Városi

• A sebességprofil alakja a felszín érdességétől függ

192019


• Effektív kéménymagasság > kéménymagasság• Terjedés a fő áramlás irányába• Fáklya szélesedése: turbulens diffúzió• Az időbeli átlag Gauss-eloszlással írható le

Forrás: E. J. Plate (ed.): Engineering Meteorology Elsevier 1982

FÜSTFÁKLYA MODELLEK (GAUSS-MODELL)

ux

2)Hz(

2)Hz(

2y

zy

eeeeu2

Q=)z,y,x(C

2z

2

2z

2

2y

2⋅λ

−σ⋅+

−σ⋅−

−σ⋅

−

⋅⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡+⋅⋅

⋅σ⋅σ⋅π⋅

H

Hh

Folytonos pontforrás

Stacioner kibocsátás

•Stacioner állapot

•Sík felszín feletti terjedés

•Átlagos szélsebesség

•Állandó érdesség

•50km távolságig működik

212021


Füstfáklya viselkedése különböző rétegződésnél

222022


Füstfáklya viselkedése különböző rétegződésnél

232023

LÉGKÖRI STABILITÁSBallon mozgása: adiabatikus (hőcsere nélküli állapotváltozás)A légköri hőmérséklet gradienstől függően visszatér vagy tovább emelkedik

stabilislabilisneutrális

24

STABILITÁST BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK

Γd

Gyenge kisugárzás

Erős kisugárzás

Gyenge besugárzás

Erős besugárzás

Derült nappal » napsugárzás » talaj felmelegül »talajközeli rétegek felmelegülnek » hőmérséklet erősen csökken a magassággal » labilis

Derült éjszaka » napsugárzás megszűnik » talaj kisugárzása » talajközeli rétegek lehűlnek » hőmérséklet a magassággal nő » stabil

Borult idő » hőszigetelő hatás » semleges

T

2525

A STABILITÁS KÉPEKBEN

2626

AZ INSTABILITÁS KÉPEKBEN

1. Konfúzor2. Turbulenciagenerátorok3. Érdességi elemek4. Állítható plafon 5. Előkészítő szakasz6. Mérő szakasz – modell a forgóasztalon7. Ventilátor8. Diffúzor

27

HATÁRRÉTEG-SZÉLCSATORNÁK

28

AZ ÁRAMLÁSTAN TANSZÉK SZÉLCSATORNÁI

29

MODELLKÉSZÍTÉS - ÉPÜLETEK

A Millenniumi Városközpont és a Ferencváros 1:500 léptékű modellje a szélcsatornában

30

MODELLEZÉSI MÓDSZEREK

• Nyomgáz kibocsátása és gázminta elemzése

31

MINTAVEVŐ ÉS KONCENTRÁCIÓMÉRŐ BERENDEZÉS

gázkromatográf

FID

Mintavevő

Gázkromatográf : 100-200 °C-ra hevíti a gázmintát | megakadályozza a páralecsapódást a FID-ben | | (szétválasztja a gázmintában lévő vegyületeket)

32

MODELLKÉSZÍTÉS - DOMBORZAT

digitális terepmodell előkészítése CAD-ben vízsugárvágás a szintvonalak mentén

lépcsők kitöltése műgyantával selyemtérkép felületre kasírozása

33

MODELLKÉSZÍTÉS - DOMBORZAT

M0 autóút északi szektor, 10-es úti csomópont 1:1000 léptékű modellje a szélcsatornában

34

MODELLKÉSZÍTÉS

Pontforrások kivitelezése• Belépő impulzus beállítása /megszüntetése• Kémények: függőleges, alagútkapuk:

vízszintes kilépő sebesség

Forrás: Environmnetal Wind Tunnel Laboratory EWTL @ ZWAMKilépés alagútkapun (csatlakozó vonalforrással)

35

MODELLKÉSZÍTÉS

Vonalforrások kivitelezése• Belépő impulzus beállítása /megszüntetése• Egyenletes kilépés biztosítása

Az injekciós tűkön fellépő nagy nyomásesés miatt a kilépés a vonal mentén a bevezetés helyétől

függetlenül egyenletes lesz.

Vonalforrás alulról

Vonalforrás lefedése a függőleges impulzus megszüntetésére

36

MODELLKÉSZÍTÉS

A járműforgalom hatásának modellezése

Koncentráció és szélsebesség összefüggése egy út közelében

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 1 2 3 4 5 6szélsebesség [m/s]

konc

entr

áció

[mg/

m3 ]

Járműturbulencia hatása

Fordított arányosság

Futószalagos járműturbulencia-modellezés egy utcakanyonban

CODASC data baseLaboratory of Building- and Environmental AerodynamicsIfH, Karlsruhe Institute of Technology

37

MODELLKÉSZÍTÉS – MINTAVÉTELI HELYEK

Környezeti hatásvizsgálatokban• 1.5m magasságban• Lakóépületek homlokzata (ablakok)• Frekventált helyek: intézmények, áruházak

bejárata, villamosmegállók• Óvoda, iskola, kórház területén• Légszennyezettségi mérőállomások

Fontos: a háttérkoncentráció mérése a modell előtt! (le kell vonni a mért koncentrációból)

Kísérletekben• Teljes feltérképezés a cél• Függőleges és vízszintes profilok,

négyzethálók• Pontforrások: forrás körüli ívek

mentén

vonalforrás tesztmérése mintavétel lakóépület mintavételi pont(kivezetések a modell alján) 2.emeleti ablakainál a Nemzeti Színház előtt

vonalforrás

Mért profil

38

MODELLKÉSZÍTÉS MINTAVÉTELI HELYEK

683 mérési pont Oklahoma város szélcsatorna vizsgálatában

24 mérési pont egy része a Millenniumi Városközpont vizsgálatában

SZENNYEZŐANYAG TERJEDÉS - NUMERIKUS SZIMULÁCIÓ

Numerikus szimulációval

Szélcsatorna-kísérlettel

Helyszíni mérésekkel

Mikroskálájú szennyezőanyag-terjedés vizsgálata

• A vizsgált terület felosztása apró cellákra (akár több millió cella)

• minden egyes cellára az örvénylő levegőmozgását leíró egyenletek felírása

• bemenő adatok (szélirány, szélsebesség) megadása

• Az egyenletek közelítő megoldása számítógépen (több 10 millió egyenlet – komoly számítógép-kapacitás)

SZENNYEZŐANYAG TERJEDÉS - NUMERIKUS SZIMULÁCIÓ- SZÉLMEZŐ SZÁMÍTÁSA

Eredmény: a levegő iránya és sebessége minden egyes cellában

Áramlástani numerikus szimuláció

NUMERIKUS SZIMULÁCIÓ -SZENNYEZŐANYAG TERJEDÉS SZÁMÍTÁSA


Szennyezőanyag-terjedés számításaA szennyezőanyagokat az örvénylő levegő viszi magával és keveri el. A terjedési egyenlet a szélmező ismeretében megoldható.

SZENNYEZŐANYAG TERJEDÉS - NUMERIKUS SZIMULÁCIÓ - SZENNYEZŐANYAG TERJEDÉS SZÁMÍTÁSA



buszmegálló


Bartók Béla út

Bocs

kai ú

t

Kosztolányi Dezső tér

PÉLDA: A HATÁR ÚT ÉS A WEKERLE-TELEPHOL LEGYEN AZ ÚJ TEHERMENTESÍTŐ ÚT?

4 verziót vizsgáltunk,ÉNY-i széliránynál

Határ

út (

jelen

leg)

A, B ve

rzió (sz

intbe

n ille

tve s

üllye

sztve

)

C és D ve

rzió (sz

intben és

süllye

sztve

)


„A” verzió


„D” verzió

SZENNYEZETTSÉG-CSÖKKENTÉS

2. táblázat A vizsgált változatok

Légszennyezettség csökkentési lehetősége belvárosi mélygarázs építésénél


2. táblázat A vizsgált változatok

Jelenlegi helyzet vizsgálataÉves átlag nitrogén-oxid koncentráció

MISKAM szimuláció eredményea mérőállomás helyén: 116 µg/m3

KVVM mérőállomás: 133 µg/m3

Hiba: 12%


Documents

A környezetvédelem műszaki alapjai - ara.bme.hu · PDF file(Német és angol ipari szennyezés Ösavas ivóvíz + réz csővezeték ) • Legsavasabb eső: Kína, 1981, pH = 2.25