From the SelectedWorks of Robert Oleniacz 2014 Przykładowa ocena wpływu termomodernizacji budynków jednorodzinnych na zmianę ich oddziaływania na jakość powietrza atmosferycznego Robert Oleniacz Magdalena Kasietczuk Mateusz Rzeszutek Available at: http://works.bepress.com/robert_oleniacz/50/
PRZYKŁADOWA OCENA WPŁYWU TERMOMODERNIZACJI BUDYNKÓW JEDNORODZINNYCH NA ZMIANĘ ICH ODDZIAŁYWANIA NA JAKOŚĆ POWIETRZA ATMOSFERYCZNEGO dr inż. Robert Oleniacz, mgr inż. Magdalena Kasietczuk, mgr inż. Mateusz Rzeszutek 1 Streszczenie: W pracy przedstawiono wyniki obliczeń wielkości emisji zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego z przykładowych jednorodzinnych budynków mieszkalnych (opalanych węglem) przed i po ich termomodernizacji, a także ocenę wpływu na jakość powietrza tej emisji. W analizie uwzględniono zużycie ciepła na ogrzewanie, wentylację oraz przygotowanie ciepłej wody użytkowej. Ocena oddziaływania na jakość powietrza została przeprowadzona dla osiedla składającego się z 60 takich budynków z wykorzystaniem technik modelowania dyspersji zanieczyszczeń w powietrzu (model CALMET/CALPUFF). Słowa kluczowe: termomodernizacja; niska emisja; zanieczyszczenia powietrza; modelowanie dyspersji atmosferycznej; CALMET/CALPUFF 1. Wprowadzenie Głównym celem termomodernizacji budynku jest redukcja zapotrzebowania na energię. Oprócz ewidentnych korzyści ekonomicznych przynosi to także poprawę mikroklimatu i komfortu cieplnego oraz dodatkowe efekty ekologiczne związane np. z ograniczeniem emisji zanieczyszczeń do powietrza. Znane są publikacje z tego zakresu, analizujące prace termomodernizacyjne z uwzględnieniem różnych aspektów zrównoważonego rozwoju i konkretnych efektów energetycznych, ekonomicznych i ekologicznych [1-4] czy oceniające wpływ budynku jednorodzinnego na środowisko za pomocą analizy cyklu życia [5]. Efekty ograniczenia niskiej emisji z sektora mieszkalnego przy pomocy zabiegów termomodernizacji nie były do tej pory jednak szczegółowo oceniane z uwzględnieniem rzeczywistych parametrów systemu ogrzewania, warunków 1 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, tel. + 48 (12) 6174503, fax: +48 (12) 6335076, e-mail: oleniacz@agh.edu.pl, mkasiet@agh.edu.pl, rzeszut@agh.edu.pl 199
meteorologicznych i obliczeń dyspersji zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki tego typu oceny, zmierzającej do określenia możliwego stopnia zmniejszenia wpływu na jakość powietrza przykładowego zespołu budynków jednorodzinnych opalanych węglem kamiennym, które w związku ze słabą izolacją termiczną są poddawane różnym pracom termomodernizacyjnym. Ocenę przeprowadzono z uwzględnieniem emisji dwóch najbardziej charakterystycznych dla tego rodzaju paliwa substancji zanieczyszczających powietrze: dwutlenku siarki (SO 2 ) i pyłu drobnego PM10. W obliczeniach rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w powietrzu wykorzystano system modeli CALMET/CALPUFF, uznawany za jedno z najlepszych narzędzi do modelowania poziomów substancji w powietrzu powodowanych przez zespoły źródeł emisji [6, 7] i coraz szerzej stosowany w naszym kraju przy opracowywaniu programów ochrony powietrza, prognozowaniu jakości powietrza oraz w różnych pracach naukowych [8-12]. W pracach [13-14] podobna metodyka obliczeniowa została zastosowana do kompleksowej oceny wielkości emisji pyłu drobnego PM10 i PM2,5 w latach 2006-2007 ze źródeł ciepła małej mocy (stosowanych na potrzeby ogrzewania mieszkań) dla 241 gmin obszaru przygranicznego województw: śląskiego, opolskiego i dolnośląskiego, a także wpływu tej emisji na jakość powietrza w tym regionie. Zwrócono w nich uwagę na silny wpływ temperatury powietrza atmosferycznego na zapotrzebowanie na ciepło (zwłaszcza w przypadku budynków słabo izolowanych termicznie) oraz istotny udział niskiej emisji w kształtowaniu sytuacji smogowych obserwowanych podczas niekorzystnych sytuacji meteorologicznych w rejonie niektórych stałych punktów pomiarowych monitoringu powietrza. 2. Charakterystyka obiektu badań i przyjęte warianty prac termomodernizacyjnych Obiektem badań było przykładowe osiedle składające się z 60 jednakowych pod względem parametrów geometrycznych i cieplnych budynków mieszkalnych jednorodzinnych o charakterystycznej bryle kostki typowej dla lat 70. i 80. XX wieku [15]. Przyjęto, że osiedle to tworzy regularną zabudowę zwartą, dobrze osłoniętą, zgodnie z rzutem przedstawionym na rys. 1. Założono, że każdy budynek jest murowany, dwukondygnacyjny, podpiwniczony, z dachem płaskim i zamieszkiwany przez rodzinę 4-osobową. Przyjęte wymiary budynku to: wysokość 8 m, długość 10 m, szerokość 11 m, wysokość kondygnacji w świetle 2,5 m, całkowita 2,7 m, kubatura wewnętrzna 449,3 m 3, kubatura zewnętrzna 584,1 m 3. Na parterze znajduje 200
się wiatrołap, kuchnia z oknem, dwa pokoje, WC, pomieszczenie gospodarcze oraz garaż, natomiast na piętrze trzy pokoje, łazienka z oknem i WC. Rys. 1. Widok osiedla budynków jednorodzinnych W stanie początkowym (wariant W 0 ) przyjęto, że stropodach każdego budynku wypełnia strop żelbetowy kanałowy ŻERAŃ o grubości 22 cm (współczynnik przenikania ciepła U = 1,8 W/(m 2 K)), ściany zewnętrzne są zbudowane z pustaków betonu komórkowego typu SIPOREX o grubości 24 cm (U = 1,2 W/(m 2 K)), okna są podwójne, drewniane (U = 2,6 W/(m 2 K)), a piwnica nie jest ogrzewana (U = 0,33 W/(m 2 K)). We wszystkich budynkach zastosowano wodne ogrzewanie rurowe, zasilane z kotła stalowego wodnego o sprawności 70 % i mocy nominalnej 24 kw, opalanego węglem kamiennym o wartości opałowej 24 MJ/kg. Elementy grzejne stanowią grzejniki członowopłytowe bez regulacji miejscowej. Instalacja grzewcza pełni również funkcję przygotowania ciepłej wody użytkowej z wykorzystaniem w charakterze urządzenia pomocniczego pompy obiegowej. W pracy uwzględniono kilka propozycji prac termomodernizacyjnych mających na celu istotne obniżenie zapotrzebowania na energię w każdym budynku. W wariancie 1 (W 1 ) założono przeprowadzenie wymiany stolarki okiennej na okna PVC z 3-komorowym system profili (U = 1,4 W/(m 2 K)). Wariant 2 (W 2 ) uwzględniał ocieplenie ścian zewnętrznych warstwą ułożonego szczelnie styropianu o grubości 12 cm, skutkujące obniżeniem współczynnika przenikania ciepła przez ścianę do poziomu U = 0,261 W/(m 2 K). Wariant 3 (W 3 ) przewidywał docieplenie stropodachu warstwą styropianu o grubości 15 cm i uzyskanie współczynnika przenikania ciepła przez stropodach U = 0,258 W/(m 2 K). W najbardziej rozbudowanym wariancie 4 (W 4 ) zostały połączone ze sobą działania zaproponowane w wariantach W 1 -W 3 i przewidziano dodatkowo 201
wymianę kotła węglowego na nowszy typ o większej sprawności (82 %) i mniejszej mocy wynikającej ze zredukowanego zapotrzebowania na ciepło. 3. Obliczenia zapotrzebowania na ciepło Na potrzeby określenia wielkości emisji zanieczyszczeń do powietrza z analizowanego osiedla budynków jednorodzinnych i zmian tej emisji w wyniku zaproponowanych prac termomodernizacyjnych, najpierw obliczono roczne zapotrzebowanie na ciepło użytkowe w pojedynczym budynku dla poszczególnych rozpatrywanych wariantów. Obliczenia te wykonano częściowo z wykorzystaniem oprogramowania Audytor OZC 6.0 Pro, bazującego na metodyce wynikającej z rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku [16] z uwzględnieniem rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [17] oraz szereg norm krajowych i europejskich [18-21]. Zakres obliczeń obejmował m.in. roczne zapotrzebowanie na energię końcową bez urządzeń pomocniczych (z uwzględnieniem całkowitej sprawności instalacji) na cele centralnego ogrzewania i wentylacji (c.o.) oraz do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). W obliczeniach zapotrzebowania na ciepło na cele c.o. uwzględniono geometrię budynku i przyjęte dla poszczególnych wariantów parametry przegród budowlanych w celu określenia strat przez przenikanie i wentylację oraz zysków ciepła (wewnętrznych i od słońca), a także sprawności ich wykorzystania. Założono, że analizowane osiedle budynków znajduje się w III strefie klimatycznej, w przypadku której projektowa temperatura zewnętrzna wynosi -20 C, natomiast średnia roczna temperatura zewnętrzna wynosi +7,6 C. W obliczeniach zapotrzebowania na energię do przygotowania c.w. założono całoroczny okres użytkowania budynku. Zapotrzebowanie to jest dużo niższe w stosunku do potrzeb grzewczych, nie mniej jednak istotne. Przyjęto, że działania termomodernizacyjne zaproponowane w ramach wariantów W 1, W 2 i W 3 nie wpływają na zmiany tego zapotrzebowania. Jedynie w przypadku wariantu W 4, w którym założono m.in. wymianę kotła na bardziej sprawny i o mniejszej mocy, uwzględniono pewną redukcję zapotrzebowania na energię końcową do przygotowania c.w.u. Z drugiej strony w okresie pozagrzewczym uwzględniono zmniejszenie całkowitej sprawności instalacji c.w. wynikające z konieczności codziennego krótkotrwałego użytkowania kotła (założono, że będzie on wówczas rozpalany na ok. 2 godziny dziennie). Zapotrzebowanie na energię w paliwie w okresie, w którym kocioł jest uruchamiany tylko w celu wytwarzania c.w. określono przy założeniu, że zużycie węgla wynosi 10 202
Zapotrzebowanie na energię końcową, GJ/rok kg/dzień (warianty W 0 -W 3 ) lub 5 kg/dzień (wariant W 4 ). Skutkuje to większym rocznym zapotrzebowaniem na energię końcową niż wychodzi z obliczeń wykonywanych zgodnie z [16] przy założeniu ciągłej pracy kotła. Zwiększenie to wydaje się być jednak uzasadnione z uwagi na przyjęty sposób eksploatacji kotła (codzienne uruchamianie i wygaszanie). Wyniki obliczeń rocznego zapotrzebowania pojedynczego budynku na energię końcową (na cele c.o. i c.w.u.) dla stanu początkowego (wariant W 0 ) i poszczególnych wariantów termomodernizacyjnych przedstawiono na rys. 2. Zmienność średnich rocznych wskaźników jednostkowego zapotrzebowania na energię końcową na cele c.o. i c.w.u. (w odniesieniu do kubatury zewnętrznej budynku) uzyskano na poziomie odpowiednio od ok. 18,4 i 2,6 W/m 3 dla wariantu W 0 do ok. 7,0 i 1,6 W/m 3 dla wariantu W 4. 450 400 350 47,5 47,5 c.w.u. c.o. 300 250 47,5 47,5 200 150 100 50 339,1 328,6 250,3 249,1 29,0 129,8 0 W0 W1 W2 W3 W4 Rys. 2. Porównanie rocznego zapotrzebowania pojedynczego budynku na energię końcową na cele centralnego ogrzewania i wentylacji (c.o.) i do przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) otrzymanego dla poszczególnych wariantów Jak wynika z rys. 2, wymiana starych okien drewnianych na współczesne okna PVC (wariant W 1 ) przynosi zmniejszenie zapotrzebowania na cele c.o. w stosunku do stanu początkowego jedynie o ok. 3 %. Zdecydowanie większą oszczędność (o nieco ponad 26 %) umożliwia ocieplenie ścian zewnętrznych (wariant W 2 ) lub stropodachu (wariant W 3 ). Wykonanie wszystkich tych prac termomodernizacyjnych oraz zastosowanie bardziej sprawnego kotła węglowego pozwala na osiągnięcie redukcji rocznego zapotrzebowania na energię końcową na cele c.o. o prawie 62 %, a na wytwarzanie c.w.u. o prawie 19 % w stosunku do stanu początkowego. Całkowite zmniejszenie rocznego zapotrzebowania na energię w paliwie oszacowano na poziomie ok. 59 %. 203
Całkowita emisja PM10, kg/rok 4. Określenie wielkości emisji zanieczyszczeń do powietrza i czasu jej występowania Obliczenia emisji rozpatrywanych zanieczyszczeń (SO 2 i PM10) dla poszczególnych wariantów wykonano z uwzględnieniem określonego w rozdziale poprzednim zapotrzebowania budynku na energię końcową oraz wskaźników emisji rekomendowanych przez Europejską Agencję Ochrony Środowiska (EEA European Environment Agency) dla procesu spalania węgla kamiennego w domowych kotłach małej mocy [22]. Zastosowano następujące wskaźniki emisji: w przypadku SO 2 900 g/gj, w przypadku PM10 404 g/gj. Całkowite emisje roczne rozpatrywanych substancji otrzymane dla poszczególnych wariantów przedstawiono na rys. 3. Stopień redukcji wielkości emisji otrzymano na poziomie analogicznym, jak stopień redukcji sumarycznego zapotrzebowania na energię końcową na cele c.o. i c.w.u. a) 400 Całkowita emisja SO 2, kg/rok b) 350 300 250 200 150 100 50 0 42,8 42,8 c.w.u. c.o. 42,8 42,8 305,2 295,7 225,3 224,2 26,1 116,8 W0 W1 W2 W3 W4 180 160 140 120 100 80 60 40 20 19,2 19,2 137,0 132,8 19,2 19,2 101,1 100,6 c.w.u. 0 W0 W1 W2 W3 W4 Rys. 3. Całkowite emisje roczne SO 2 (a) i PM10 (b) do powietrza z pojedynczego budynku w zależności od rozpatrywanego wariantu i przeznaczenia produkowanego ciepła c.o. 11,7 52,4 204
Emisja ta została następnie odpowiednio rozłożona w czasie umownego roku w przyjętym okresie jej zachodzenia (eksploatacji kotła), w zależności od temperatury zewnętrznej (intensywności ogrzewania), przy uwzględnieniu następujących założeń (kryteriów): w okresie grzewczym budynek jest ogrzewany co najwyżej w godzinach od 7:00 do 24:00 i tylko wtedy, gdy temperatura powietrza atmosferycznego jest mniejsza niż 10 C przez co najmniej 3 godziny; w tym czasie wytwarzana jest też ciepła woda użytkowa (kryterium K 1 ), w okresie pozagrzewczym kocioł jest użytkowany tylko w godz. 18:00-20:00 w celu wytwarzania c.w.u. (kryterium K 2 ). W tabeli 1 zestawiono możliwe przypadki występowania ww. kryteriów w poszczególnych miesiącach umownego roku (rok 2012, dane meteorologiczne z rejonu Krakowa). Liczba dni w roku, dla których zostało spełnione kryterium K 1 wyniosła 212, a dla których zostało spełnione kryterium K 2 154. Tabela 1. Występowanie przyjętych kryteriów funkcjonowania kotłowni (zachodzenia emisji zanieczyszczeń do powietrza) w poszczególnych miesiącach umownego roku Kryterium Miesiąc I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII K 1 (c.o. + c.w.u.) + + + + + - - - + + + + K 2 (c.w.u.) - - - + + + + + + + - - W celu uwzględnienia zmienności emisji w ciągu roku dla jednogodzinnego kroku obliczeniowego, wymaganego w procesie modelowania dyspersji zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym w zastosowanym modelu, wyznaczono zależność pomiędzy emisją uśrednioną dla okresu jednej godziny a temperaturą zewnętrzną (t o ). Najpierw obliczono względny współczynnik obciążenia cieplnego budynku (n i,j ) w funkcji przyjętych przedziałów temperatur, korzystając z zależności (1) i (2): gdzie: n i,j i,j i,min n i,j względny współczynnik obciążenia cieplnego budynku dla i- tego wariantu i j-tego przedziału temperatur zewnętrznych; Φ i,min średnie projektowe obciążenie cieplne budynku dla i-tego wariantu i najniższego przedziału temperatur zewnętrznych występującego w rozpatrywanym roku: -25 C < t o -20 C [kw]; (1) 205
Φ i,j średnie projektowe obciążenie cieplne budynku dla i-tego wariantu i j-tego przedziału temperatur zewnętrznych [kw]: gdzie: i,j H,L, Tp H,L, Tk (2) 2 Φ H,L,Tp projektowe obciążenie cieplne dla zadanej temperatury początkowej przedziału [kw]; Φ H,L,Tk projektowe obciążenie cieplne dla zadanej temperatury końcowej przedziału [kw]. Współczynnik n i,j obrazuje stopień zmniejszenia obciążenia cieplnego kotła i maksymalnej emisji jednogodzinnej w zależności od występującego przedziału temperatur zewnętrznych. Przyjmuje on wartość równą 1 dla najniższego przedziału temperatur (-25 C < t o -20 C). Następnie określono emisję jednogodzinną dla poszczególnych przedziałów temperatur otoczenia osobno dla kresu grzewczego (zgodnie z kryterium K 1 ) i pozagrzewczego (zgodnie z kryterium K 2 ). W tym celu wykorzystano następujące zależności: E i,j n,i, j,k1 j n,c.o.,k1 n,c.w.u., K1 j1 E n n i,j n,i,k 2 j E E n,c.w.u.,k 2 K 2 d E (3) (4) gdzie: E n,i,j,k1 τ j E n,c.o.,k1 E n,c.w.u.,k1 emisja n-tej substancji w okresie grzewczym (zgodnie z kryterium K 1 ) uśredniona w czasie jednej godziny dla i-tego wariantu i j-tego przedziału temperatur [kg/h]; częstość występowania temperatury otoczenia w j-tym przedziale temperatur w rozpatrywanym okresie [h/rok]; całkowita roczna emisja n-tej substancji w okresie grzewczym (kryterium K 1 ) wynikająca ze zużycia paliwa na cele c.o. [kg/rok]; całkowita roczna emisja n-tej substancji w okresie grzewczym (K 1 ) wynikająca ze zużycia paliwa do przygotowania c.w.u. [kg/rok]; 206
E n,i,k2 emisja n-tej substancji w okresie pozagrzewczym (zgodnie z kryterium K 2 ) uśredniona w czasie jednej godziny dla i-tego wariantu [kg/h]; E n,c.w.u.,k2 całkowita roczna emisja n-tej substancji w okresie pozagrzewczym (K 2 ) wynikająca ze zużycia paliwa do przygotowania c.w.u. [kg/rok]; τ K2 liczba dni w roku występowania okresu pozagrzewczego [d/rok]; τ d czas pracy kotła w ciągu doby w okresie pozagrzewczym [h/d]. W tabeli 2 porównano ze sobą warianty W 0 i W 4 w zakresie jednogodzinnych emisji rozpatrywanych zanieczyszczeń w okresie grzewczym z pojedynczego budynku obliczonych dla poszczególnych przedziałów temperatur otoczenia. Tabela 2 Zestawienie emisji jednogodzinnych SO 2 i PM10 do powietrza w okresie grzewczym z pojedynczego budynku dla wariantów W 0 i W 4 w zależności od temperatury otoczenia Temperatura Częstość Współczynnik Emisja [kg/h] otoczenia występowania n i,j SO 2 PM10 t o [ C] τ j [h/rok] * W 0 W 4 W 0 W 4 W 0 W 4 5 < t o 10 968 0,323 0,432 0,0735 0,0332 0,0330 0,0149 0 < t o 5 1059 0,426 0,520 0,0970 0,0400 0,0435 0,0179-5 < t o 0 485 0,532 0,609 0,1211 0,0468 0,0544 0,0210-10 < t o -5 195 0,647 0,700 0,1473 0,0538 0,0661 0,0241-15 < t o -10 206 0,765 0,797 0,1741 0,0612 0,0782 0,0275-20 < t o -15 77 0,882 0,899 0,2007 0,0691 0,0901 0,0310-25 < t o -20 9 1,000 1,000 0,2276 0,0768 0,1022 0,0345 * w okresie grzewczym umownego roku w godzinach od 7:00 do 24:00 (zgodnie z kryterium K 1 ) Średnie emisje jednogodzinne SO 2 i PM10 do powietrza towarzyszące eksploatacji kotła w okresie pozagrzewczym określono z kolei na poziomie: dla wariantów W 0 -W 3 : 0,108 i 0,0485 kg/h, a dla wariantu W 4 0,054 i 0,024 kg/h. 5. Ocena wpływu na jakość powietrza Ocenę wpływu analizowanego zespołu budynków na jakość powietrza przeprowadzono przy pomocy systemu modeli CALMET/CALPUFF wraz z towarzyszącymi im preprocesorami przygotowania danych geofizycznych i meteorologicznych. CALMET jest to model diagnostyczny rekonstruujący dwu i trójwymiarowe pole czynników meteorologicznych zmiennych w czasie i przestrzeni na podstawie danych pochodzących z stacji naziemnych i aerologicznych oraz tzw. danych geofizycznych odnoszących się do 207
ukształtowania powierzchni ziemi i klas pokrycia terenu [23]. CALPUFF jest to niestacjonarny, wielowarstwowy gaussowski model obłoku stosowany do obliczeń rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym [24]. Posiada on wyspecjalizowane algorytmy symulacji stężeń m.in. z wypornościowych (prężnych) źródeł liniowych (buoyant line sources) zaczerpnięte z modelu dyspersji BLN (Buoyant Line and Point source dispersion models) [25, 26]. Moduł ten jest dedykowany do obliczeń dyspersji zanieczyszczeń emitowanych m.in. z zabudowy jednorodzinnej [24]. Obliczenia przeprowadzono w regularnej siatce receptorów o rozdzielczości 100 m, umieszczając analizowany zespół budynków jednorodzinnych w środku podstawowego obszaru obliczeniowego o wymiarach 10 10 km. Osiedle to zostało umownie zlokalizowane w zachodniej części miasta Krakowa. Dane przestrzenne ukształtowania terenu pozyskano z bazy danych SRTM3 (Shuttle Radar Topography Mission) udostępnianej przez Amerykańskie Służby Geologiczne, a dane pokrycia terenu pozyskano z bazy danych CLC 2006 (Corine Land Cover 2006) udostępnianej przez Europejską Agencję Ochrony Środowiska (EEA). Dane przygotowano zgodnie z przesłaniami zawartymi w pracach [23, 27]. Natomiast niezbędne dane meteorologiczne za rok 2012 pochodzące z 4 stacji naziemnych i 4 stacji aerologicznych przygotowano odpowiednio przy pomocy aplikacji SMERGE i READ62 [23]. W wykonanych obliczeniach dyspersji zanieczyszczeń w powietrzu atmosferycznym uwzględniono jednoczesną emisję z całego rozpatrywanego zespołu 60 budynków jednorodzinnych (rys. 1), przyjętą z rozdzielczością jednogodzinną na poziomie określonym w rozdziale 4. Zdefiniowano sześć zastępczych emitorów liniowych, z których każdy obejmował emisję pochodzącą z 10 budynków położonych w danym szeregu. W tabeli 3 zamieszczono zbiorcze zestawienie maksymalnych i średnich wartości stężeń jednogodzinnych, 24-godzinnych i średniorocznych SO 2 i PM10 w powietrzu otrzymanych w przyjętym obszarze obliczeniowym dla stanu początkowego (wariant W 0 ) i najbardziej kompleksowego z zaproponowanych wariantów termomodernizacyjnych (wariant W 4 ). Uzyskany stopień redukcji stężeń zanieczyszczeń w powietrzu w przyjętym podstawowym obszarze obliczeniowym (10 10 km) dla najbardziej rozbudowanego wariantu termomodernizacyjnego (W 4 ) w stosunku do stanu początkowego (wariantu W 0 ) jest podobny do stopnia redukcji zapotrzebowania na energię i wielkości emisji. W przypadku maksymalnych wartości stężeń jednogodzinnych (S 1 ) i średniodobowych (S d ) redukcja ta wyniosła odpowiednio 62 i 64 %, a w przypadku maksymalnych wartości stężeń średniorocznych (S a ) ok. 57 %. Jest to o tyle istotne, że otrzymane dla wariantu W 0 maksymalne stężenia jednogodzinne i średniodobowe SO 2 i PM10 w przynajmniej jednym punkcie obliczeniowym przewyższały określone dla nich poziomy dopuszczalne [28] lub wartości odniesienia [29] w powietrzu, wynoszące w przypadku SO 2 208
odpowiednio 350 i 125 g/m 3, a w przypadku PM10 odpowiednio 280 i 50 g/m 3. Tymczasem w przypadku wariantu W 4 tego typu przekroczenia już nie wystąpiły. W wariancie tym maksima stężeń S 1, S d i S a w powietrzu uzyskano na poziomie odpowiednio 69, 37,6 i 37,5 % wartości dopuszczalnych. Dopuszczalne stężenia średnioroczne SO 2 i PM10 w powietrzu, wynoszące odpowiednio 20 i 40 g/m 3 [28], nie były także przekraczane w przypadku stanu początkowego (sprzed termomodernizacji), czyli najgorszego spośród analizowanych wariantów pod względem wielkości emisji (W 0 ). Tabela 3 Porównanie wariantów W 0 i W 4 pod względem maksymalnych i średnich wartości stężeń jednogodzinnych (S 1 ), 24-godzinnych (S d ) i średniorocznych (S a ) uzyskanych dla poszczególnych substancji w powietrzu w przyjętym podstawowym obszarze obliczeniowym Wariant Substancja Wartość S 1 [µg/m 3 ] S d [µg/m 3 ] S a [µg/m 3 ] maksymalna 627,7 132,2 17,48 SO Wariant 2 średnia 9,35 0,828 0,0391 W 0 maksymalna 281,8 59,4 7,84 PM10 średnia 4,10 0,359 0,0171 maksymalna 241,6 47,0 7,49 SO Wariant 2 średnia 3,52 0,307 0,0165 W 4 maksymalna 107,6 21,1 3,36 PM10 średnia 1,54 0,134 0,0072 Redukcja stężeń (W 4 /W 0 100 %) SO 2 PM10 maksymalna 61,5% 64,4% 57,2% średnia 62,4% 62,9% 57,8% maksymalna 61,8% 64,5% 57,1% średnia 62,4% 62,7% 57,9% Na rys. 4 zamieszczono przykładowe przestrzenne rozkłady stężeń maksymalnych jednogodzinnych PM10 w powietrzu otrzymane w wydzielonej części siatki obliczeniowej (obszar o wymiarach 6 6 km) dla wariantów W 0 i W 4. Wynika z nich, że podwyższone wartości stężeń (na poziomie ok. 20-100 % stężenia maksymalnego) koncentrują się na terenie rozpatrywanego osiedla budynków jednorodzinnych i w jego bezpośrednim sąsiedztwie w odległości do ok. 500 m od granic osiedla. Podobne rozkłady stężeń uzyskano dla SO 2 i innych czasów uśredniania. Przedstawione w tabeli 3 i na rys. 4 wyniki obliczeń wskazują, że za występujące w powietrzu w wielu rejonach Polski (w tym w Krakowie) w okresie grzewczym wysokie stężenia chwilowe oraz ponadnormatywne stężenia średniodobowe i średnioroczne pyłu zawieszonego PM10 może być w znacznej mierze odpowiedzialna niska emisja z palenisk domowych. W przypadku jednak, gdy dominującym źródłem emisji kształtującym jakość powietrza w danym miejscu jest proces spalania węgla kamiennego, relacja pomiędzy występującymi w powietrzu stężeniami PM10 i SO 2 (traktowanymi jako zanieczyszczenia pierwotne) powinna być jak ok. 1:2. Im bardziej ta relacja jest zmieniona w kierunku wzrostu stężenia pyłu PM10 w powietrzu, 209
tym w większym stopniu jakość powietrza mogą kształtować inne źródła emisji, do których zalicza się m.in. procesy spalania paliw o mniejszej zawartości siarki (np. drewna w kotłach na biomasę czy olejów napędowych w silnikach Diesla), pyłotwórcze procesy przemysłowe, pylenie wtórne z podłoża oraz procesy powstawania pyłów wtórnych w atmosferze (z prekursorów). Rys. 4. Przestrzenne rozkłady stężeń maksymalnych jednogodzinnych PM10 w powietrzu otrzymane dla wariantów W0 (a) i W4 (b) w g/m 3 (wartość odniesienia: D 1 = 280 g/m 3 [29]) 210
6. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych obliczeń i analiz wyciągnięto następujące wnioski: 1. Budynki jednorodzinne opalane indywidualnie węglem kamiennym mogą stanowić istotne źródło emisji podstawowych zanieczyszczeń powietrza, do których zaliczamy m.in. dwutlenek siarki (SO 2 ) i pył drobny PM10. 2. Jedną z najbardziej racjonalnych metod ograniczenia tej emisji (oprócz zmiany rodzaju spalanego paliwa) jest zmniejszenie zapotrzebowania budynku na ciepło użytkowe poprzez przeprowadzenie termomodernizacji. 3. Każdy z zaproponowanych w pracy wariantów prac termodernizacyjnych odnoszących się do budynku typu kostka o niskiej izolacyjności termicznej przynosi pewne zmniejszenie tego zapotrzebowania, ale zdecydowanie nawiększe efekty w tym zakresie gwarantuje ocieplenie ścian zewnętrznych lub stropodachu. 4. W przypadku wykonania obydwu tych prac oraz zastosowania klasycznych okien PCV i bardziej sprawnego kotła można w przypadku tego typu budynku uzyskać redukcję rocznego zużycia paliwa i wielkości emisji zanieczyszczeń do powietrza o ok. 60 %. Ww. efekt przekłada się na analogiczne zmniejszenie wpływu budynku na jakość powietrza. 5. Obliczenia rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w powietrzu, wykonane dla zespołu tego typu źródeł emisji (60 budynków w zabudowie zwartej) z wykorzystaniem systemu modeli CALMET/CALPUFF (z jednogodzinnym krokiem obliczeniowym) umożliwiają uzyskanie szczegółowej informacji na temat możliwych do występowania w rejonie takiej zabudowy stężeń chwilowych (jednogodzinnych), średniodobowych i średniorocznych. 6. Niska emisja z kilkudziesięciu węglowych pieców i kotłów c.o. małej mocy, eksploatowanych w blisko siebie położonych budynkach, może okresowo powodować w powietrzu wysokie stężenia chwilowe SO 2 i pyłu zawieszonego PM10, a tym samym przyczyniać się też w pewnym stopniu do występowania ponadnormatywnych stężeń średniodobowych i średniorocznych tych substancji w powietrzu. Praca powstała w ramach badań statutowych AGH nr 11.11.150.008. Literatura [1] Ćwięczek M.: Audyt energetyczny wybranego obszaru miasta metoda bilansowania potrzeb cieplnych oraz wyznaczania efektów energetycznych i ekologicznych wynikających z termomodernizacji. Górnictwo i Środowisko, z. 1, 2006, ss. 73-95, Prace Naukowe GiG, Katowice, 2006. 211
[2] Jaworska-Michałowska M.: Ekologiczny aspekt termomodernizacji wybrane zagadnienia, Czasopismo Techniczne z. 18 (rok 107), Architektura z. 8-A, 2010, ss. 137-145, Wyd. Politechniki Krakowskiej, Kraków, 2010. [3] Ujma A., Lis A.: Elementy zrównoważonego rozwoju w termomodernizacji budynku wielorodzinnego, (w): Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym, ss. 376-389, praca zbior. pod red. T. Bobki, J. Rajczyka, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2010. [4] Piotrowska-Woroniak J., Woroniak G.: Efekty energetyczne, ekonomiczne i ekologiczne termomodernizacji budynku hotelowego w Białymstoku. Budownictwo i Inżynieria Środowiska, 3, nr 4, 2012, ss. 185-194. [5] Król P., Firląg S.,Węglarz A.: Zintegrowana ocena wpływu budynku jednorodzinnego na środowisko, Rynek Instalacyjny, nr 9, 2013, ss. 21-25. [6] Interagency Workgroup on Air Quality Modeling (IWAQM): Phase 2 Summary Report and Recommendations for Modeling Long Range Transport Impacts, US EPA, Office of Air Quality Planning and Standards, Research Triangle Park, NC 27711, EPA-454/R-98-019, December, 1998. [7] U.S. Environmental Protection Agency: Revision to the Guideline on Air Quality Models: Adoption of a Preferred General Purpose (Flat and Complex Terrain) Dispersion Model and Other Revisions; Final Rule, U.S. EPA, 40 CFR Part 51, Federal Register, 70, No. 216, 2005, pp. 68217-6826. [8] Szczygłowski P., Mazur M.: Zastosowanie modelu Calmet/Calpuff do obliczeń poziomu stężeń zanieczyszczeń pochodzących z wysokich emitorów punktowych. Inżynieria Środowiska, 10, z. 2, 2005, pp. 195-205. [9] Szczygłowski P., Mazur M.: Modelling dispersion of air pollutants over the area of diversified relief based on the Calmet/Calpuff model, Environment Protection Engineering, 32, No. 4, 2006, pp. 73-77. [10] Kaleta D., Żeliński J.: Porównanie własności gaussowskich modeli smugi i obłoku, Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów, 45, nr 4, 2011, ss. 125-129. [11] Holnicki P., Nahorski Z.: Air quality modeling in Warsaw Metropolitan Area. Journal of Theoretical and Applied Computer Science, 7, No. 1, 2013, pp. 56-69. [12] Sówka I., Skrętowicz M., Zwoździak P., Guz Ł., Zwoździak J., Sobczuk H.: Zastosowanie wybranych modeli matematycznych do szacowania zasięgu szkodliwego oddziaływania instalacji przemysłu chemicznego w przypadku awarii, Ochrona Środowiska, 35, nr 2, 2013, ss. 73-76. [13] Hławiczka S., Kliś Cz., Cenowski M., Strzelecka-Jastrząb E., Długosz J., Bronder J.: Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu na obszarze gminy. I. Inwentaryzacja źródeł emisji i modelowanie emisji, Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 47, 2011, ss. 22-46. [14] Hławiczka S., Kliś Cz., Strzelecka-Jastrząb E., Cenowski M., Bronder J., Korszun K.: Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu na obszarze gminy. II. Modelowanie stężeń pyłu, Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 51, 2012, ss. 22-46. [15] Podręcznik typologii budynków mieszkalnych z przykładami działań mających na celu zmniejszenie ich energochłonności, Narodowa Agencja Poszanowania Energii SA, Warszawa, 2011. [16] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury dnia 6 listopada 2008 r. w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego lub części budynku stanowiącej samodzielną całość techniczno-użytkową oraz sposobu sporządzania i wzorów świadectw ich charakterystyki energetycznej, Dz. U. 2008, nr 201, poz. 1240 z późn. zm. 212
[17] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, Dz. U. 2002, nr 75, poz. 690 z późn. zm. [18] PN-B-02025: Obliczanie sezonowego zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania budynków mieszkalnych i zamieszkania zbiorowego, 2001. [19] PN-EN ISO 6946: Komponenty budowlane i elementy budynku - Opór cieplny i współczynnik przenikania ciepła - Metoda obliczania, 2008. [20] PN-EN 12831: Instalacje ogrzewcze w budynkach - Metoda obliczania projektowego obciążenia cieplnego, 2006. [21] PN-EN ISO 13788: Cieplno-wilgotnościowe właściwości komponentów budowlanych i elementów budynku - Temperatura powierzchni wewnętrznej konieczna do uniknięcia krytycznej wilgotności powierzchni i kondensacja międzywarstwowa - Metody obliczania, 2013. [22] European Environment Agency: EMEP/EEA air pollutant emission inventory guidebook 2013, Technical report No 12/2013 (http://www.eea.europa.eu/publications/emep-eeaguidebook-2013). [23] Scire J.S., Robe F.R., Fernau M.E., Yamartino R J.: A User s Guide for the CALMET Meteorogical Model (Version 5), Concord, 2000. [24] Scire J.S., Strimaitis D.G., Yamartino R J.: A User s Giude for the CALPUFF Dispersion Model, Concord, 2000. [25] Schulman L.L., Scire J.S.: Bouyant Line and Point Sources (BLP) dispersion model user s guide, Document P-7304-B, Environmental Research & Technology, Inc, Concord, 19080. [26] Schulman L.L., Scire J.S.: The development and capabilities of the BLP Model, Proceedings APCA Specialty Conference on Dispersion Modeling from Complex Sources, St. Louis, 1981. [27] Rzeszutek M.: Przygotowanie danych przestrzennych na potrzeby modelowania rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń w powietrzu z wykorzystaniem modelu CALMET/CALPUFF, Prace Studenckiego Koła Naukowego Geografów Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie, tom 2, 2014, ss. 13-17. [28] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 sierpnia 2012 r. w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu, Dz. U. 2012, poz. 1031. [29] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 26 stycznia 2010 r. w sprawie wartości odniesienia dla niektórych substancji w powietrzu, Dz. U. 2010 r., nr 16, poz. 87. THE EXAMPLE OF ASSESSMENT OF AMBIENT AIR POLLUTION CHANGES RESULTING FROM THE THERMOMODERNIZATION OF SINGLE-FAMILY BUILDINGS Summary: The paper presents the results of calculations of pollutant emissions to air from the sample of single-family residential buildings (coal-fired) before and after thermal modernization, as well as an assessment of the impact on air quality of the emissions. The analyzes were included the heat consumption for heating, ventilation and domestic hot water preparation. The assessment of the impact on air quality was carried out for an settlement consisting of 60 such buildings using techniques of modeling of the air pollutant dispersion (CALMET/CALPUFF model). Key words: thermomodernization; low emission; air pollutants; atmospheric dispersion modeling; CALMET/CALPUFF 213