OBLICZENIA POZIOMÓW SUBSTANCJI W POWIETRZU (METODYKA REFERENCYJNA)

Dane do obliczeń poziomów substancji w powietrzu

Lokalizacja obiektu

• rodzaj obszaru oraz typ pokrycia terenu,

• rodzaj zabudowy (ilość i wysokość kondygnacji),

• granice terenu zajętego przez rozpatrywany obiekt.

Tło substancji i tło opadu substancji pyłowej

Tło substancji, dla których określone są dopuszczalne poziomy w powietrzu (Dz.U. nr 47/2008, poz. 281), stanowi aktualny stan jakości powietrza określony przez właściwy inspektorat ochrony środowiska jako stężenie uśrednione dla roku. Dla pozostałych substancji tło uwzględnia się w wysokości 10 % wartości odniesienia uśrednionej dla roku. Tło opadu substancji pyłowej uwzględnia się w wysokości 10 % wartości odniesienia opadu substancji pyłowej. Tła nie uwzględnia się przy obliczeniach poziomów substancji w powietrzu dla zakładów, z których substancje wprowadzane są do powietrza wyłącznie emitorami wysokości nie mniejszej niż 100 metrów. Przyjęte oznaczenie dla tła zanieczyszczeń: R.

Położenie emitorów

Położenie emitorów oznacza się przy pomocy współrzędnych Xe i Ye, przy czym oś X układu współrzędnych jest skierowana w kierunku wschodnim, a oś Y w kierunku północnym.

Parametry emitora

Parametrami emitora są:

a) geometryczna wysokość emitora liczona od poziomu terenu; h,

b) średnica wewnętrzna wylotu emitora; d,

c) prędkość gazów odlotowych na wylocie emitora; v,

d) temperatura gazów odlotowych na wylocie emitora; T.

W przypadku emitora o wylocie prostokątnym, o wymiarach p×q, oblicza się średnicę równoważną:

m

Emisja

Należy ustalić:

a) maksymalną emisję uśrednioną dla 1 godziny - E_g, E_p,

b) średnią emisję dla okresu obliczeniowego (roku, sezonu lub podokresu) - Ē_g, Ē_p, Ē_f.

Emisję maksymalną określa się dla tej fazy procesu, w której w ciągu 1 godziny emitowana jest największa masa substancji. W przypadku trwania maksymalnej emisji krócej niż 1 godzina, należy obliczyć najwyższą średnią emisję odniesioną do 1 godziny.

W przypadku emitorów pracujących okresowo lub ze zmieniającymi się w ciągu roku emisją i parametrami (v i T), obliczenia poziomów substancji w powietrzu należy wykonywać dla takich podokresów, że w czasie każdego z nich:

• nie zmienia się liczba jednocześnie pracujących emitorów w zespole,

• emisja z każdego emitora nie zmienia się o więcej niż 25 %,

• parametry emitora (v, T) nie zmieniają się o więcej niż 25 %.

W związku z powyższym, przy podziale roku na podokresy należy rozważyć:

• cykl zmienności emisji i parametrów każdego emitora (v, T),

• równoczesność i czas pracy emitorów w zespole,

• możliwość dobrania odpowiednich danych meteorologicznych (róża wiatrów) dla każdego z podokresów.

Przy obliczeniach rozkładu stężeń substancji w powietrzu uwzględniających podział roku na podokresy należy przyjmować emisję charakterystyczną dla każdego podokresu, przy czym przynajmniej w jednym z podokresów (niekoniecznie w tym samym dla wszystkich emitorów) musi być uwzględniona emisja maksymalna z każdego z emitorów. Przy określaniu emisji maksymalnej z emitora, który odprowadza gazy odlotowe z więcej niż jednego źródła, należy uwzględniać jednoczesność pracy poszczególnych źródeł wynikającą z przyjętej technologii i innych ograniczeń.

Zaleca się, by obliczenia stężeń średnich oraz opadu substancji pyłowej były również wykonywane z uwzględnieniem podziału roku na podokresy. Dopuszcza się jednak obliczanie tych wielkości z zastosowaniem średnich emisji i parametrów emitora (v, T) dla roku, przy czym powinny to być średnie ważone względem czasu trwania podokresów.

Dane meteorologiczne

Do obliczenia poziomów substancji w powietrzu niezbędne są następujące dane meteorologiczne:

a) statystyka stanów równowagi atmosfery, prędkości i kierunków wiatru (róża wiatrów),

b) średnia temperatura powietrza dla okresu obliczeniowego (roku, sezonu lub podokresu) T_o.

Wyróżnionych jest 36 sytuacji meteorologicznych wynikających z 6 stanów równowagi atmosfery, którym odpowiadają zakresy prędkości wiatru na wysokości h_a = 14 m, ze skokiem co 1 m/s.

Róża wiatrów - zestawienie tabelaryczne częstości występowania sytuacji meteorologicznych dla 12 głównych kierunków wiatru

ua, m/s	I	sektory wiatru
				1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
1		1	31	26	6	3	2	2	3	5	15	36	31	24
2			137	91	82	54	38	25	28	47	80	135	173	141
3		122	143	176	122	119	45	84	109	199	183	199	125
1	2	161	208	202	205	284	137	181	287	410	288	278	190
2			8	17	22	45	63	34	29	22	22	8	7	1
3		42	39	100	189	346	134	81	60	45	13	28	19
4		12	10	1	0	0	1	0	1	4	4	16	15
5		82	80	84	38	24	16	33	55	93	143	107	96
1	3	76	116	149	129	91	36	112	146	219	157	91	57
2			103	161	153	171	146	78	199	337	424	234	128	57
3		10	16	25	52	43	30	30	30	17	6	1	2
4		15	35	92	258	267	85	107	91	30	8	8	2
5		0	1	0	0	0	0	0	0	0	2	1	0
6		58	63	36	15	14	9	33	53	81	73	71	34
7		51	131	108	123	69	43	132	155	217	127	53	32
8		57	161	158	157	85	49	179	343	517	172	73	31
1	4	4	11	45	64	42	13	42	41	18	4	0	0
2			4	31	125	317	188	45	117	63	22	2	0	1
3		23	44	16	12	6	11	23	22	50	27	15	2
4		34	102	96	72	47	56	116	162	213	107	48	11
5		47	156	123	137	81	51	152	357	421	117	49	11
6		0	12	33	76	34	15	44	42	13	1	2	0
7		1	23	81	198	71	34	60	26	3	2	1	0
8		2	2	2	0	0	0	1	1	1	0	0	1
9		19	77	37	23	16	22	63	64	82	33	12	9
10		17	121	79	77	55	59	119	286	248	73	19	9
11		1	7	45	77	41	23	40	22	6	1	0	0
1	5	10	40	9	2	7	14	29	39	31	10	3	1
2			18	124	95	92	79	100	216	360	268	68	23	7
3		4	14	2	0	0	5	6	4	5	2	0	0
4		7	98	34	40	42	96	161	288	169	45	9	1
5		0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
1	6	9	62	43	25	33	97	177	278	123	38	1	2
2			1	29	9	6	17	71	104	151	42	12	3	0
3		4	14	5	6	53	199	247	321	92	15	2	0
4		2	13	6	2	33	271	267	170	30	6	1	0

Sytuacje meteorologiczne

stan równowagi atmosfery I	1	2	3	4	5	6
rodzaj równowagi	silnie chwiejna	chwiejna	lekko chwiejna	obojętna	lekko stała	stała
zakres prędkości wiatru uo (m/s)	1-3	1-5	1-8	1-11	1-5	1-4

Statystyki stanów równowagi atmosfery, prędkości i kierunków wiatru oraz średnie temperatury powietrza T_o opracowane są przez państwową służbę meteorologiczną. W obliczeniach zaleca się stosowanie róży wiatrów najbardziej odpowiedniej dla podokresów (np. zimowej-dziennej), ale dopuszcza się też stosowanie jednej róży wiatrów (np. rocznej) dla wszystkich podokresów.

Obliczenia wstępne

Efektywna wysokość emitora

Efektywną wysokość emitora oblicza się według wzoru:

H = h + h m

h wyniesienie gazów odlotowych

h geometryczna wysokość emitora

Wyniesienie gazów odlotowych h zależy od prędkości wylotowej gazów v, emisji ciepła Q i prędkości wiatru na wysokości wylotu z emitora u_h. W przypadku emitorów poziomych i zadaszonych przyjmuje się, że wyniesienie gazów odlotowych wynosi zero. Emisję ciepła oblicza się ze wzoru:

kJ/s

d średnica wylotowa emitora; m

v prędkość wylotowa gazów z emitora; m/s

T temperatura spalin; K

T_o temperatura otoczenia; K

Wyniesienie gazów odlotowych h oblicza się na podstawie następujących formuł:

a) formuły Hollanda, gdy 0 ≤ Q ≤ 16000 kJ/s, przy czym wyróżnia się następujące przypadki:

h = h_H = 0 dla v ≤ 0,5 u_h

dla v ≥ u_h

dla 0,5 u_h < v < u_h

b) formuły CONCAWE, gdy Q ≥ 24000 kJ/s

c) kombinacji formuł Hollanda i CONCAWE, gdy 16000 < Q < 24000 kJ/s

Parametry meteorologiczne

Parametry meteorologiczne występujące w obliczeniach poziomów substancji w powietrzu obejmują:

• 
  prędkość wiatru na wysokości wylotu emitora:

dla h ≤ 300 m

dla h > 300 m

• średnią prędkość wiatru w warstwie od poziomu terenu do efektywnej wysokości emitora H:

dla h ≤ 300 m

dla h > 300 m

• średnią prędkość wiatru w warstwie od geometrycznej wysokości emitora h do efektywnej wysokości emitora H:

dla h = H

dla H ≤ 300 m i H ≠ h

dla h < 300 m i H > 300 m

dla h ≥ 300 m

• współczynnik poziomej dyfuzji atmosferycznej:

gdzie

• współczynnik pionowej dyfuzji atmosferycznej:

gdzie

x - składowa odległości emitora od punktu, dla którego dokonuje się obliczeń, równoległa do kierunku wiatru; m

z₀ - współczynnik aerodynamicznej szorstkości terenu; m

Występujące we wzorach wartości stałych zależnych od stanu równowagi atmosfery m, a, b podane są w tabeli 3 w załączniku 3 do rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 roku w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu (Dz.U. nr 16/2010, poz. 87). Występująca we wzorach liczba 14 oznacza wysokość anemometru. Jeżeli prędkość wiatru (u_h, u_s, ū) obliczona według powyższych wzorów jest mniejsza od 0,5 m/s, do obliczeń poziomów substancji w powietrzu należy przyjmować 0,5 m/s.

Jeżeli H/z₀ nie zawiera się w zakresie od 10 do 1500, współczynniki A oraz B oblicza się według powyższych wzorów przyjmując:

H/z_o = 10 gdy H/z_o < 10

H/z_o = 1500 gdy H/z_o >1500

Aerodynamiczna szorstkość terenu

Współczynnik aerodynamicznej szorstkości terenu z₀ wyznacza się w zasięgu 50 h_max według wzoru:

m

przyjmując wartości z_oc w zależności od typu pokrycia terenu (tabela 4 w załączniku 3 do rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 roku w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu - Dz.U. nr 16/2010, poz. 87).

Emitor zastępczy

Emitor zastępczy można utworzyć dla zespołu n emitorów, jeśli dla każdego z nich spełnione są równocześnie warunki:

a)
e - numer emitora od 1 do n

b) wyniesienie gazów odlotowych ze wszystkich emitorów jest równe zero,

c) odległość między najbardziej oddalonymi od siebie emitorami nie przekracza 2h.

Średnią wartość
oblicza się jako średnią arytmetyczną z wysokości n emitorów. Parametry emitora zastępczego oblicza się następująco:

Emitor zastępczy umieszcza się w stosunku do emitorów, z których został utworzony, w odległości odpowiedniej do emisji z poszczególnych emitorów. Położenie emitora zastępczego określają współrzędne:

Najwyższe ze stężeń maksymalnych substancji w powietrzu S_mm dla pojedynczego emitora

Stężenie maksymalne substancji gazowej w osi wiatru uśrednione dla 1 godziny S_m w określonej sytuacji meteorologicznej oblicza się według wzoru:

mg/m³

E_g - emisja maksymalna substancji gazowej

gdzie stałe zależne od stanu równowagi atmosfery C₁ oraz g podane są w tabeli 3 w załączniku 3 do rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 roku w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu (Dz.U. nr 16/2010, poz. 87), a współczynniki A oraz B oblicza się według podanych wcześniej wzorów.

W przypadku obliczania maksymalnego stężenia pyłu zawieszonego uśrednionego dla 1 godziny S_mp stosuje się wzór:

mg/m³

E_p - emisja maksymalna pyłu zawieszonego

Posługując się powyższymi wzorami należy obliczyć wartość S_m w 36 sytuacjach meteorologicznych i wybrać wartość najwyższą S_mm. Stężenia S_m i S_mp występują w stosunku do emitora w odległości x_m wyrażonej wzorem:

m

gdzie stałe zależne od stanu równowagi atmosfery C₂ oraz b podane są w tabeli 3 w załączniku 3 do rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 roku w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu (Dz.U. nr 16/2010, poz. 87).

Kryterium opadu pyłu

Dla pojedynczego emitora lub zespołu emitorów należy sprawdzić, czy spełnione są jednocześnie następujące warunki (kryterium opadu pyłu):

a)
mg/s

E_fe emisja pyłu ogółem dla pojedynczego emitora

b)
Mg/rok

c) emisja kadmu nie przekracza 0,005 % wartości emisji pyłu określonej w lit. a) i b),

d) emisja ołowiu nie przekracza 0,05 % wartości emisji pyłu określonej w lit. a) i b).

Kryterium opadu pyłu uwzględnia emisję wszystkich frakcji substancji pyłowej, w tym również pył zawieszony.

Zakres obliczeń poziomów substancji w powietrzu

Z obszaru objętego obliczeniami wyłączony jest teren zakładu, dla którego dokonuje się obliczeń. W przypadku emisji takich samych substancji z emitorów znajdujących się na terenie zakładu, obliczenia poziomów substancji w powietrzu wykonuje się dla zespołu tych emitorów.

Jeżeli w odległości mniejszej niż 30 x_mm od pojedynczego emitora lub któregoś z emitorów w zespole znajdują się obszary parków narodowych lub obszary ochrony uzdrowiskowej, to w obliczeniach poziomów substancji w powietrzu na tych obszarach należy uwzględniać ustalone dla nich dopuszczalne poziomy substancji w powietrzu oraz wartości odniesienia substancji w powietrzu.

Zakres skrócony

Jeżeli z obliczeń wstępnych wynika, że spełnione są następujące warunki:

a) dla pojedynczego emitora lub zespołu emitorów, z których został utworzony emitor zastępczy:

b) dla zespołu emitorów:

c) kryterium opadu pyłu,

to na tym kończy się wymagane dla tego zakresu obliczenia.

Jeżeli nie jest spełniony warunek określony w punkcie c), to należy wykonać obliczenia opadu substancji pyłowych w sieci obliczeniowej, z uwzględnieniem statystyki warunków meteorologicznych w celu sprawdzenia warunku:

Zakres pełny

Jeżeli nie są spełnione warunki a) i b) zakresu skróconego, to na całym obszarze, na którym dokonuje się obliczeń, należy obliczyć w sieci obliczeniowej rozkład maksymalnych stężeń substancji w powietrzu uśrednionych dla 1 godziny, z uwzględnieniem statystyki warunków meteorologicznych, aby sprawdzić, czy w każdym punkcie na powierzchni terenu został spełniony warunek:

Jeżeli z powyższych obliczeń wynika, że dla zespołu emitorów spełniony jest warunek:

to na tym kończy się obliczenia.

Natomiast dla zespołu emitorów lub dla pojedynczego emitora, dla których nie jest spełniony warunek określony wzorem
, należy obliczyć w sieci obliczeniowej rozkład stężeń substancji w powietrzu uśrednionych dla roku i sprawdzić, czy w każdym punkcie na powierzchni terenu został spełniony warunek:

Dalsze obliczenia nie są wymagane, jeżeli są spełnione warunki kryterium opadu pyłu, a w pobliżu emitorów nie znajdują się budynki wyższe niż parterowe. Jeżeli jednak nie są spełnione warunki kryterium opadu pyłu, to należy wykonać obliczenia opadu substancji pyłowych w sieci obliczeniowej, z uwzględnieniem statystyki warunków meteorologicznych w celu sprawdzenia warunku:

Jeżeli w odległości od pojedynczego emitora lub któregoś z emitorów w zespole, mniejszej niż 10 h, znajdują się wyższe niż parterowe budynki mieszkalne lub biurowe, a także budynki żłobków, przedszkoli, szkół, szpitali lub sanatoriów, to należy sprawdzić, czy budynki te nie są narażone na przekroczenia wartości odniesienia substancji w powietrzu lub dopuszczalnych poziomów substancji w powietrzu. W tym celu należy obliczyć maksymalne stężenia substancji w powietrzu dla odpowiednich wysokości. Rozróżnia się następujące przypadki:

1. gdy geometryczna wysokość najniższego emitora w zespole jest nie mniejsza niż wysokość ostatniej kondygnacji budynku Z, obliczenia stężeń wykonuje się dla wysokości Z,

2. gdy geometryczna wysokość najniższego emitora w zespole jest mniejsza niż wysokość ostatniej kondygnacji budynku Z, obliczenia stężeń wykonuje się dla wysokości zmieniających się co 1 m, począwszy od geometrycznej wysokości najniższego emitora do wysokości:

Z jeżeli H_max ≥ Z

H_max jeżeli H_max < Z

H_max oznacza najwyższą efektywną wysokość emitora w zespole z obliczonych dla wszystkich sytuacji meteorologicznych.

Wszystkie wartości stężeń obliczone ze względu na budynki znajdujące się w pobliżu emitorów nie mogą przekraczać wartości D₁.

Częstość przekraczania wartości odniesienia lub dopuszczalnego poziomu substancji w powietrzu należy obliczyć, jeżeli wartości stężeń obliczone ze względu na budynki znajdujące się w pobliżu emitorów przekraczają wartość D₁ lub nie jest spełniony warunek S_mm ≤ D₁ w punktach sieci obliczeniowej.

Wartości odniesienia substancji w powietrzu lub dopuszczalne poziomy substancji w powietrzu uważa się za dotrzymane, jeżeli częstość przekraczania wartości D₁ przez stężenie uśrednione dla 1 godziny jest nie większa niż 0,274 % czasu w roku w przypadku dwutlenku siarki, a 0,2 % czasu w roku dla pozostałych substancji.

LITERATURA I MATERIAŁY ŹRÓDŁOWE

1. Wytyczne obliczania stanu zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego; MAGTiOŚ, Warszawa 1981/1983

2. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 3 marca 2008 roku w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu (Dz.U. nr 47/2008, poz. 281)

3. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 roku w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu (Dz.U. nr 16/2010, poz. 87)

4. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2005 roku w sprawie standardów emisyjnych z instalacji (Dz.U. nr 260/2005, poz. 2181)

5. Nowicki M. Jaworski W.; Obliczenia stanu zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego - przykłady i tablice do Wytycznych ...; PZiTS, nr 359/V Warszawa 1982

6. Juda J. Chróściel S.; Ochrona powietrza atmosferycznego; WNT, Warszawa 1979

7. Głowiak B. i inni; Inżynieria ochrony atmosfery; wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1973

8. Kucowski J. i inni; Energetyka a ochrona środowiska; WNT, Warszawa 1993

9. Rutkowski J.D.; Podstawy inżynierii ochrony atmosfery; wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1993

10. Wskaźniki emisji substancji zanieczyszczających wprowadzanych do powietrza z procesów energetycznego spalania paliw; MOŚZNiL, Warszawa kwiecień 1996

strona 14

Rozprzestrzenianie zanieczyszczeń - ćwiczenia projektowe (materiały pomocnicze)

h_H - wyniesienie według Hollanda

h_C - wyniesienie według CONCAWE

u_h - prędkość wiatru na wysokości wylotu z emitora; m/s

u_a - prędkość wiatru na wysokości anemometru; m/s

m - wykładnik meteorologiczny

h - wysokość emitora; m

---