Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 51, 2012 r. Stanisław Hławiczka*, Czesław Kliś**, Ewa Strzelecka-Jastrząb**, Marian Cenowski**, Joachim Bronder**, Katarzyna Korszun** NOWE PODEJŚCIE DO OCENY NISKIEJ EMISJI Z OGRZEWANIA MIESZKAŃ W KSZTAŁTOWANIU STĘŻEŃ PYŁU NA OBSZARZE GMINY. II. MODELOWANIE STĘŻEŃ PYŁU NEW APPROACH TO THE IMPACT ASSESSMENT OF DUST EMISSION FROM HOME HEATING PROCESSES ON THE AIR POLLUTANT CONCENTRATION OF A SINGLE MUNICIPALITY. II. MODELLING OF PARTICULATE MATTER CONCENTRATIONS Słowa kluczowe: zanieczyszczenie powietrza, PM10, PM2,5, niskie źródła emisji, ogrzewanie mieszkań, modelowanie stężeń pyłu. Key words: air pollution, PM10, PM2.5, residential sector, home heating, PM concentration modelling. Summary Issues relating to methodology for the determination of PM10 and PM2.5 emissions from the processes of home heating were presented in the part I of the article. It was shown that in the investigated area (241 municipalities) were about 80% of dwellings based on their own small heating sources generating so called low emissions. Taking advantage of data presented in Part I of the article on emissions of particulate matter PM10 and PM2.5 emissions from heating processes in residential sector, in the presented article PM concentrations, as the result of the mentioned emissions, were analyzed. In particular the authors tried to define the quantitative contribution of emissions from residential heating processes in the total particulate matter * Prof. dr hab. inż. Stanisław Hławiczka Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych, ul. Kossutha 6, 40-488 Katowice; tel.: 32 254 60 31; e-mail: s.hlawiczka@ietu.katowice.pl; Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska, Politechnika Częstochowska, ul. Dąbrowskiego 73, 42-200 Częstochowa; tel.: 34 325 04 62. ** Dr Czesław Kliś, mgr inż. Ewa Strzelecka-Jastrząb, mgr inż. Marian Cenowski, dr Joachim Bronder, mgr inż. Katarzyna Korszun Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych, ul. Kossutha 6, 40-488 Katowice; tel.: 32 254 60 31; e-mail: klis@ietu.katowice.pl, strzelec@ietu.katowice.pl, cenowski@ietu.katowice.pl, bron@ietu.katowice.pl, korszun@ietu.katowice.pl 7
Stanisław Hławiczka i in. concentrations measured in the designated air monitoring stations located in the municipalities covered by the Project. Modeling of PM concentrations was performed using the CALPUFF model. This model took into account the changing of ambient air temperature. Temperature of 21 C was adopted as the level of comfort. As a result of modeling of PM10 and PM2.5 concentrations, as a result of emissions from residential heating processes, there was PM conc. database incorporating separately each emission area within the municipalities covered by the Project considering each of 480 days in the heating periods of years 2006 and 2007. The results of modeling 24-hour PM10 concentrations were compared with the results of measurements carried out in air monitoring stations. This allowed to assess the contributions of the calculated concentrations (taking into account only emissions from residential heating) in the total concentration of PM10 in the area. This kind of comparative analysis was performed for 33 emission areas where air pollution monitoring stations were installed. These shares were as follows: in Lower Silesia were in the range from 6% to 48%, in the region of Opole Province from 12% to 36% and in the Province of Silesia from 18% to 49%. The results of modeling the 24-hour concentrations of particulate matter in terms of frequency exceeding the permissible daily concentration of PM10 were also examined. It was found that within the analyzed area (241 municipalities) there were 49 municipalities experienced situations in which the modeled PM10 concentrations exceeded the permissible daily PM10 concentration limit at least 10 times per year. At the same time in 15 municipalities, within this group of 49 municipalities, modeled daily PM10 limit value were exceeded more than 35 times per year. In one of the municipalities (Nowa Ruda) number of the exceedances amounted to 115 times, and over one third of the exceedances (45 exceedances) were alone caused by the PM10 concentration component generated by the pollutant emissions from heating processes in residential sector. 1. WPROWADZENIE Przedstawiany artykuł jest kontynuacją pracy dotyczącej metodycznych aspektów dokonywania ocen zanieczyszczenia powietrza pyłem zawieszonym, w podziale na frakcje PM10 i PM2,5, emitowanym ze źródeł ciepła małej mocy, w których są prowadzone procesy spalania paliw na potrzeby ogrzewania mieszkań. Część rezultatów uzyskanych w projekcie badawczym Polepszenie jakości powietrza w rejonie przygranicznym Czechy Polska [Polepszenie 2008] zaprezentowano w artykule opublikowanym wcześniej [Hławiczka i in. 2011], w którym opisano obszar objęty badaniami i przedstawiono zagadnienia metodyczne, dotyczące wyznaczania emisji pyłu z tego typu źródeł, mających charakter źródeł obszarowych, często silnie rozproszonych. Zaproponowane tam podejście metodyczne umożliwiło wskazanie z dużą dokładnością lokalizacji obszarów emisji pyłu w obrębie rozpatrywanych gmin, znajdujących się w obszarze objętym analizami, tj. w regionie przygranicznym województw: śląskiego, opolskiego i dolnośląskiego. W przywołanej wyżej pracy analizą objęto 241 gmin. Oryginalnym rozwią- 8
Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... zaniem metodycznym opisanym w tej pracy był sposób wyznaczania emisji pyłu w powiązaniu ze sposobem ogrzewania mieszkań oraz ze stanem izolacyjności budynków. W wyznaczaniu zapotrzebowania na ciepło grzewcze uwzględniono rzeczywiste temperatury powietrza i wykazano, że temperatura powietrza atmosferycznego silnie wpływa na zapotrzebowanie na ciepło, co uwidacznia się szczególnie wyraźnie w budynkach słabo izolowanych termicznie. Źródłem analizowanych danych, na podstawie których można było dokonać ilościowej oceny emisji pyłu, były przede wszystkim: GUS [Bank 2009], numeryczna mapa granic gmin pozyskana z Państwowego Rejestru Granic i Powierzchni Jednostek Podziałów Terytorialnych Kraju, numeryczna mapa użytkowania ziemi CORINE Land Cover 2000, wytyczne Europejskiego programu monitoringu środowiska [EMEP/EEA 2009] wykorzystywane do krajowych inwentaryzacji emisji zanieczyszczeń powietrza w Europie oraz Narodowy Spis Powszechny Ludności i Mieszkań. Do obliczeń zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych wykorzystano dane Krajowej Agencji Poszanowania Energii [KAPE]. Tak szczegółowe podejście metodyczne umożliwiło wyznaczenie emisji pyłu z procesów ogrzewania mieszkań o takim stopniu dokładności, jakiego dotychczas nie uzyskano w żadnych innych analizach tego rodzaju. Całość merytorycznej części projektu [Polepszenie 2008], w ramach którego uzyskano opisywane dane, podzielono na następujące fazy: fazę gromadzenia danych potrzebnych do obliczeń emisji pyłu PM10 i PM2,5 z procesów ogrzewania mieszkań, która obejmowała opracowanie informacji o powierzchni mieszkań, z podziałem na rodzaje źródeł ciepła i stosowane typy paliw, jak również ze względu na stopień izolacji termicznej budynków; w tej fazie prac zebrano też dane o rozkładach temperatur powietrza zewnętrznego, od których zależy zapotrzebowanie na ciepło grzewcze; fazę obliczeń zapotrzebowania na ciepło grzewcze mieszkań, w której uwzględniono sprawności cieplne eksploatowanych źródeł ciepła; fazę obliczeń zużycia paliw do pokrycia zapotrzebowania na ciepło, z zastosowaniem wskaźników emisji pyłu opracowanych w ramach projektu; fazę obliczeń emisji pyłu z procesów związanych ze spalaniem paliw na potrzeby ogrzewania mieszkań. Wyniki uzyskane w tej części projektu i ich analizę przedstawiono w odrębnym artykule [Hławiczka i in. 2011]. Rezultaty uzyskane w wyniku prac wykonywanych w ramach wymienionych faz realizacji projektu umożliwiły podjęcie dalszych etapów projektu, obejmujących: fazę analizy rozprzestrzeniania pyłów PM10 i PM2,5 emitowanych z procesów ogrzewania mieszkań w poszczególnych gminach objętych projektem; fazę obliczeń stężeń pyłu w obrębie poszczególnych gmin i wskazanie miejsc, w których emisje z procesów spalania paliw na cele grzewcze szczególnie silnie wpływały na poziom stężenia pyłu na terenie analizowanych gmin obszaru przygranicznego; fazę analiz możliwości działań, prowadzących do zmniejszenia emisji i stężeń pyłu w wybranych gminach objętych projektem. 9
Stanisław Hławiczka i in. Niniejszy artykuł jest poświęcony zagadnieniom ujętym w trzech ostatnich punktach, opisujących zakres projektu realizowanego w Instytucie Ekologii Terenów Uprzemysłowionych (IETU). 2. MODELOWANIE STĘŻEŃ PYŁU EMITOWANEGO Z PROCESÓW SPALANIA PALIW NA POTRZEBY OGRZEWANIA MIESZKAŃ 2.1. Uwagi ogólne Poziomy stężeń pyłu zawieszonego PM10 i PM2,5 obliczono wykorzystując model CALPUFF [Scire i in. 2000a]. Jest to model opracowany w firmie Sigma Research Corporation, w latach 80. XX wieku. W projekcie wykorzystano wersję CALPUFF-v5.8 [CALPUFF 2006]. Pełny komplet oprogramowania, poza modułem CALPUFF, zawiera dodatkowo preprocesor meteorologiczny CALMET, a także programy narzędziowe do przygotowania danych wejściowych (TERREL, CTGPROC, CTGCOMP, MAKEGEO) oraz interfejs graficzny. Do modelowania stężeń pyłu konieczne są dane charakteryzujące wielkości emisji pyłu. W procesie modelowania emisji pyłu, z uwagi na koszt i czas przygotowania danych dotyczących emisji tego zanieczyszczenia z indywidualnych gospodarstw domowych, zdecydowano, że grupy tych źródeł będą reprezentowane przez obszary emisji [Hławiczka i in. 2011]. Wskazano, że aby realistycznie odtworzyć stężenia pyłu, którego źródłem są emisje z instalacji grzewczych w budynkach mieszkalnych, należy w procesie modelowania wprowadzić emisję pyłu jako funkcję temperatury otoczenia. Dlatego wielkość każdej obliczanej emisji pyłu PM10 i PM2,5 związanej ze spalaniem paliw uwzględniała: wskaźnik emisji pyłu, który zależał od rodzaju instalacji grzewczych w danym obszarze emisji, od wielkości strat ciepła w budynkach rozmieszczonych w obszarze gminy oraz od ilości i rodzaju paliwa stosowanego na cele grzewcze, różnicę temperatur między temperaturą optymalną i temperaturą otoczenia, powierzchnię obszaru emisji. W modelu CALPUFF wykorzystuje się wbudowany dynamiczny model emisji zanieczyszczeń, co umożliwia uwzględnienie dla każdego źródła emisji, oprócz informacji o granicach obszaru emisji, jego wysokości nad poziomem terenu oraz wysokości punktu emisji, również zestawu stałych wskaźników emisji każdego z rozpatrywanych zanieczyszczeń. Jednocześnie, oddzielnie dla każdego zanieczyszczenia, w każdej godzinie, można uwzględniać zmieniające się temperatury otoczenia. W przeprowadzonych obliczeniach średnia wielkość emisji była wyrażona za pomocą wskaźnika emisji pyłu na jednostkę powierzchni mieszkalnej [Hławiczka i in. 2011]. Wskaźnik ten uwzględniał spadek temperatury, dzięki czemu możliwe było uzyskanie zestawu 24 wartości wskaźników, będących różnicą temperatury otoczenia w danej godzinie oraz temperatury 21ºC, przyjętej za poziom komfortu cieplnego. 10
Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... 2.2. Charakterystyka procedur modelowania i stosowanych narzędzi obliczeniowych Preprocesor danych geofizycznych. Strefa przygraniczna objęta projektem mieściła się w obszarze prostokątnym o wymiarach 380x260 km, z centrum w punkcie o szerokości geograficznej 50.425 N i długości geograficznej 16.9 E ok. 10 km na zachód od Paczkowa. Do określania emisji obszarowej istotna jest poprawnie wyznaczona powierzchnia obszarów emisji. Do odwzorowania strefy objętej modelowaniem zastosowano transformację stożkową Lamberta, przy przesunięciu początku układu współrzędnych o 130 km na południe i 190 km na zachód. Za równoleżniki przecięcia stożka z powierzchnią Ziemi przyjęto równoleżnik 50.0 N oraz równoleżnik 51.0 N. Podstawowa siatka obliczeniowa została oparta na węzłach gridu kartezjańskiego o rozmiarach 380 km x 260 km i kroku 1 km. Do wykonania modelu wysokościowego terenu wykorzystano moduł TERREL. Moduł ten wykorzystywał dane SRTM3 (3-sec Shuttle RADAR Topo Mission ) o rozdzielczości ok. 90 m. Na rysunku 1. pokazano charakterystykę wysokości terenu objętego domeną projektu. Preprocesor danych o użytkowaniu i pokryciu terenu składał się z modułów CTGPROC i CTGCOMP, których zadaniem było przygotowanie informacji o użytkowaniu terenu i pokryciu obszaru objętego analizą. Były one danymi wejściowymi do kompleksowego modelu geofizycznego MAKEGEO. Zadaniem preprocesora MAKEGEO było wygenerowanie pełnego zestawu danych geofizycznych, niezbędnych do dalszych obliczeń. Rys. 1. Charakterystyka wysokości terenu w domenie projektu Fig.1. Characteristics of terrain elevation within the project domain 11
Stanisław Hławiczka i in. Preprocesor meteorologiczny CALMET. Do przeprowadzenia symulacji rozkładu stężeń zanieczyszczeń powietrza program CALPUFF wymaga informacji o składowych wektora wiatru i temperaturze w całej objętości powietrza nad obszarem badań. Dodatkowo wymaga następujących parametrów powierzchniowych: klasy stabilności, prędkości dynamicznej, wysokości warstwy mieszania, długości Monina-Obuchowa, konwekcyjnej skali prędkości, temperatury powietrza, gęstości powietrza, natężenia krótkofalowego promieniowania słonecznego, względnej wilgotności powietrza, opadu atmosferycznego, kodu opadu. Dane meteorologiczne na potrzeby tego programu przygotowuje preprocesor meteorologiczny CALMET [Scire i in. 2000b]. Trójwymiarowe pola parametrów meteorologicznych modelowano dla 9 warstw na wysokości 20, 40, 80, 160, 320, 640, 1280, 2560, 5000 m nad poziomem terenu. Do tego celu wykorzystano dane uzyskane z modelu meteorologicznego MM5 [MM5...] dla okresów grzewczych w latach 2006 2007 oraz dane z obserwacji naziemnych pochodzących ze stacji meteorologicznych zlokalizowanych w obszarze objętym projektem. Do symulacji warunków meteorologicznych za pomocą MM5 wykorzystano globalne dane meteorologiczne dla 1 o siatki obliczeniowej, z krokiem 6-godzinnym. Siatka tej domeny (9 km x 9 km) pokrywa całą strefę przygraniczną objętą projektem. Do przygotowania danych z obserwacji naziemnych, prowadzonych w stacjach meteorologicznych w strefie przygranicznej, wykorzystano dane zakupione przez IETU z serwisu meteorologicznego National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Przygotowano skrypt w języku Python, za pomocą którego tworzono pliki zawierające zestawy danych z obserwacji naziemnych, w postaci akceptowanej przez CALMET. Obliczeniami CALMET sterował specjalnie przygotowany skrypt w języku Python. W rezultacie powstała biblioteka danych meteorologicznych CALMET dla ok. 480 dni, w okresach grzewczych lat 2006 i 2007. 2.3. Wyniki modelowania stężeń pyłu Wyniki modelowania stężeń zanieczyszczeń pyłowych udostępniono na stronie internetowej projektu [Polepszenie... 2008]. Dla każdej gminy i dla każdego dnia symulacji można pobrać zestaw 24 godzinnych stężeń zanieczyszczeń pyłowych (PM10 i PM2,5), generowanych przez emisje z procesów grzewczych mieszkań, we wszystkich obszarach emisji danej gminy. Przykładowy rozkład przestrzenny 24-godzinnych stężeń PM2,5 w wybranym dniu (który na podstawie analizy statystycznej uznano za dzień o średnim poziomie stężeń w analizowanym okresie) w przygranicznym obszarze województwa dolnośląskiego przedstawiono na rysunku 2. 12
Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... Rys. 2. Mapa stężeń PM2,5 powodowanych przez emisję z ogrzewania mieszkań w dniu 05.03.2006 na obszarze przygranicznym województwa dolnośląskiego Fig. 2. Map of the PM2.5 concentration caused by the emission from home heating on 05.03.2006 for the border area of Lower Silesian Province Otrzymane wyniki modelowania dobowych stężeń pyłu poddano analizie porównawczej. Do analizy wybrano obszary emisji, w obrębie których w 2006 i/lub 2007 roku były zlokalizowane stacje monitoringu powietrza, działające w ramach Państwowego Monitoringu Środowiska. Dane pomiarowe (stężenia dobowe PM10) z tych stacji pobrano z Europejskiej Bazy Jakości Powietrza [AirBase]. Przeanalizowano modelowane wartości stężeń pyłu dla: 13 obszarów emisji w województwie dolnośląskim, 10 obszarów emisji w województwie opolskim, 10 obszarów emisji w województwie śląskim. Porównanie wartości stężeń PM10 uzyskanych z użyciem modelu z wartościami z pomiarów prowadzonych w stacjach monitoringu powietrza umożliwiło określenie udziału stężeń obliczonych z uwzględnieniem jedynie emisji pochodzących z ogrzewania mieszkań w całkowitym stężeniu pyłu na tym obszarze. Przykładowe ilustracje, obrazujące wyniki przeprowadzonej analizy porównawczej przedstawiono na rysunkach 3. 6. Dane pokazane na tych rysunkach dotyczą okresów grzewczych analizowanych lat, tj. dni od 1 stycznia do 30 kwietnia oraz od 1 września do 31 grudnia. 13
Stanisław Hławiczka i in. Rys. 3. Analiza porównawcza wartości stężeń PM10 modelowanych oraz pomiarowych; stacja monitoringu powietrza w Opolu, okresy grzewcze 2006 r. Fig. 3. The comparative analysis of the measured and modelled PM10 conc. data for the automatic air monitoring station in Opole during the heating seasons of the year 2006 Obliczony, na podstawie danych zaprezentowanych na rysunku 3., udział stężeń wygenerowanych przez emisje pyłu pochodzące z procesów ogrzewania mieszkań w stężeniach całkowitych, zmierzonych na stacji, wyniósł 12%. Prezentowane na rysunku 3. dane pochodzą ze stacji pomiarowej w Opolu, zlokalizowanej w ponad 100-tysięcznym mieście funkcjonującym na prawach powiatu, gdzie oprócz źródeł związanych z emisją niską istnieje wiele innych, w tym punktowe (np. Elektrownia Opole, Cementownia Odra ), liniowe (np. autostrada A4, 3 drogi krajowe i 5 dróg wojewódzkich) oraz obszarowe. Ten znaczący udział źródeł emisji pyłu innych niż procesy ogrzewania mieszkań jest przyczyną niewielkiego udziału stężeń powodowanych ogrzewaniem mieszkań na obszarze monitorowanym przez stację pomiaru jakości powietrza w Opolu. W małych miejscowościach należy się spodziewać większych udziałów stężeń powodowanych przez emisje z ogrzewania mieszkań w całkowitych stężeniach pyłu, z powodu znacznie większego udziału emisji niskiej w sumarycznej emisji pyłu na danym terenie. Potwierdzeniem tej tezy mogą być, zaprezentowane na rysunku 4., dane dla Zdzieszowic. Jest to niewielkie, niespełna 13 tysięczne miasto w województwie opol- 14
Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... skim, posiadające na swoim obszarze źródła punktowe emisji pyłu, znajdujące się na terenie Zakładów Koksowniczych Zdzieszowice, największego producenta koksu w Europie. Mimo to wyznaczony dla tej miejscowości udział stężeń wygenerowanych przez emisję pochodzącą z ogrzewania mieszkań w stężeniach całkowitych był zdecydowanie większy niż w Opolu i wyniósł 36%. Rys. 4. Analiza porównawcza wartości stężeń PM10 modelowanych oraz pomiarowych; stacja monitoringu powietrza w Zdzieszowicach, okresy grzewcze 2007 r. Fig. 4. The comparative analysis of the measured and modelled PM10 conc. data for the automatic air monitoring station in Zdzieszowice during the heating seasons of the year 2007 Z analizy porównawczej obliczonych i pomierzonych wartości stężeń PM10 wynika również, że wnioskowanie o wielkości udziału stężeń powodowanych emisją z ogrzewania mieszkań w całkowitym stężeniu pyłu powinno być poprzedzone dogłębną analizą, zarówno struktury rodzajów źródeł emisji na danym terenie, jak również reprezentatywności obszarowej stacji pomiaru jakości powietrza. Tezę taką potwierdzają dane z miejscowości Działoszyn, osady liczącej ok. 600 mieszkańców, położonej na terenie gminy Bogatynia, w województwie dolnośląskim (rys. 5). Wydawałoby się, że w tak małej miejscowości, w której brak jest jakichkolwiek innych niż ogrzewanie domów źródeł emisji pyłu, udział stężeń modelowanych, powodowanych emisją z ogrzewania domów, w stężeniu całkowitym, wyznaczonym w posadowionej tam stacji monitoringu powietrza, powinien być bliski jedności. W rzeczywistości wyniósł on zaledwie ok. 6%. 15
Stanisław Hławiczka i in. Rys. 5. Analiza porównawcza wartości stężeń PM10 modelowanych oraz pomiarowych; stacja monitoringu powietrza w Działoszynie, okresy grzewcze 2007 r. Fig. 5. The comparative analysis of the measured and modelled PM10 conc. data for the automatic air monitoring station in Działoszyn during the heating seasons of the year 2007 Wyjaśnieniem tak małej wartości tego udziału jest miejsce lokalizacji działającej w Działoszynie stacji monitoringu powietrza. Jest to stacja zlokalizowana w strefie oddziaływania przemysłu, której zadaniem jest ocena narażenia mieszkańców gminy na oddziaływanie Elektrowni Turów, znajdującej się w odległości ok. 4 km na południe od stacji pomiarowej. Na zupełnie inną sytuację wskazują dane, pochodzące ze stacji monitoringu powietrza w Rybniku, ponad 140-tysięcznym mieście w województwie śląskim (rys. 6). Jest to czternaste co do wielkości miasto w Polsce, w którym, podobnie jak w Opolu, na stężenia pyłu wygenerowane przez emisję niską z ogrzewania mieszkań nakładają się stężenia powodowane emisją z wielu innych źródeł: punktowych (np. Elektrownia Rybnik ), liniowych (autostrada A1, 1 droga krajowa, 4 drogi wojewódzkie) oraz obszarowych. W Rybniku udział stężenia pyłu obliczonego z użyciem modelu w stężeniu całkowitym jest zaskakująco duży w 2007 roku wyniósł on 49%. Powodem takiej sytuacji jest wyjątkowo niekorzystna struktura tzw. substancji mieszkaniowej na terenie miasta, zarówno jeżeli chodzi o stopień izolacji termicznej budynków mieszkalnych, jak i rodzaj stosowanych do ich ogrzewania instalacji grzewczych. Przeprowadzona w projekcie [Polepszenie 2008] analiza wykazała, że ponad połowę istniejącej powierzchni użytkowej mieszkań można zaliczyć do klasy mieszkań o dużych 16
Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... stratach ciepła, tzn. nieposiadających ani ocieplonych ścian, ani wymienionej stolarki budowlanej, a jednocześnie 62% powierzchni użytkowej mieszkań jest ogrzewana indywidualnie, z zastosowaniem węgla. Dodatkowo 75% tych instalacji grzewczych to najgorsze, z ekologicznego punktu widzenia, stare typy kotłów węglowych oraz piece węglowe. Rys. 6. Analiza porównawcza wartości stężeń PM10 modelowanych oraz pomiarowych; stacja monitoringu powietrza w Rybniku, okresy grzewcze 2007 r. Fig. 6. The comparative analysis of the measured and modelled PM10 conc. data for the automatic air monitoring station in Rybnik during the heating seasons of the year 2007 Taki sam rodzaj analiz porównawczych, których wyniki przykładowo przedstawiono w niniejszej pracy (rys. 3 6), przeprowadzono dla 33 obszarów emisji, zlokalizowanych na obszarze województw: śląskiego, opolskiego i dolnośląskiego. Uzyskane wyniki wykazały, że omawiane udziały stężeń pyłu pochodzącego z procesów ogrzewania mieszkań w ogólnych wartościach stężenia pyłu wyznaczonych w odpowiednich stacjach monitoringu jakości powietrza w latach 2006 i 2007 wynosiły: w województwie dolnośląskim od 6 (w Działoszynie) do 48% (w Wałbrzychu), w województwie opolskim od 12 (w Opolu, ul. Minorytów) do 36% (w Zdzieszowicach), w województwie śląskim od 18 (w Cieszynie, ul. Sienkiewicza) do 49% (w Rybniku). Duży udział stężeń pyłu emitowanego z procesów spalania paliw na potrzeby ogrzewania mieszkań w ogólnych (sumarycznych) wartościach stężenia pyłu na danym obszarze może być sygnałem bardzo niekorzystnej sytuacji. Mała wysokość punktu emisji zanie- 17
Stanisław Hławiczka i in. czyszczeń generowanych w paleniskach domowych do powietrza, wynosząca często tylko kilkanaście metrów nad gruntem, nie sprzyja procesom rozpraszania tych zanieczyszczeń w atmosferze. Tego rodzaju sytuacji nie ma w przypadku wysokich źródeł punktowych, z których zanieczyszczenia emitowane do atmosfery zwykle natrafiają na warunki rozprzestrzeniania znacznie lepsze niż w warstwie przyziemnej. Niekorzystnym warunkom emisji z niskich źródeł często towarzyszą niekorzystne, z punktu widzenia dyspersji zanieczyszczeń, warunki meteorologiczne. Mowa tu o sytuacjach inwersyjnych, wywołujących zjawiska stagnacji mas powietrza, w których prawie zanikają procesy rozcieńczania. Kumulacja emisji pyłu z palenisk domowych wywołana zaistnieniem warunków inwersyjnych, prowadzi zwykle do sytuacji skrajnie niekorzystnej tzw. epizodu smogowego. Taką sytuację zaobserwowano w Rybniku (rys. 7), kiedy to udział stężeń pyłu z procesów ogrzewania mieszkań był niezwykle wysoki. Wartości stężeń z poziomu ok. 50 mg/m 3 w ciągu zaledwie 7 godzin wzrosły tam prawie 12-krotnie. Rys. 7. Epizod wysokich stężeń PM10 zarejestrowany w stacji pomiarowej w Rybniku; 09.10.2011 r. [WIOŚ] Fig. 7. The episode of PM10 high concentrations registered with the measuring station in Rybnik; 09.10.2011 [WIOŚ] Analizując uzyskane w obliczeniach modelowych wartości 24-godzinnych stężeń pyłu zwrócono również uwagę na częstość przekraczania dopuszczalnego stężenia dobowego pyłu PM10, występującą na poszczególnych analizowanych obszarach emisji. Stwierdzono, że na analizowanym obszarze południowej części województwa dolnośląskiego, całego województwa opolskiego oraz południowej części województwa śląskiego (obejmującym 241 gmin) w obrębie 49 gmin sytuacje, podczas których obliczone stężenia PM10 przekroczyły 18
Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... dobowe wartości normatywne wystąpiły co najmniej 10 razy w ciągu roku. W 15 z nich stężenia te przekroczyły wartości dopuszczalne więcej niż 35 razy w ciągu roku. Z danych dotyczących rozpatrywanego obszaru województwa dolnośląskiego (rys. 8) wynika, że obszar przygranicznej części województwa dolnośląskiego, na którym dochodzi do przekroczenia dopuszczalnych wartości stężenia pyłu PM10 jest znaczny. Rys. 8. Liczba dni z przekroczeniami dopuszczalnego 24-godzinnego stężenia PM10 na analizowanym w projekcie obszarze południowej, przygranicznej części województwa dolnośląskiego Fig. 8. Number of days with exceedances of one day PM10 limit concentration for analysed within the project southern area of border part of Lower Silesian Province Bardzo znaczący udział emisji pyłu z palenisk domowych w kształtowaniu poziomów stężeń tego zanieczyszczenia można przedstawić na przykładzie dolnośląskiej gminy Nowa Ruda (rys. 9). Na obszarze tej gminy, według danych zarejestrowanych przez automatyczną stację monitoringu powietrza, w 2007 r. liczba przekroczeń 24 godzinnego dopuszczalnego stężenia PM10 w ciągu roku wyniosła 115, z czego ponad jedną trzecią (45 przekroczeń) spowodowała tylko składowa stężenia wygenerowana emisją pochodzącą z procesów ogrzewania mieszkań. 19
Stanisław Hławiczka i in. Rys. 9. Analiza porównawcza wartości stężeń PM10 modelowanych oraz pomiarowych; stacja monitoringu powietrza w Nowej Rudzie, okresy grzewcze 2007 r. Fig. 9. The comparative analysis of the measured and modelled PM10 conc. data for the automatic air monitoring station in Nowa Ruda during the heating seasons of the year 2007 Metoda analizy danych zastosowana w projekcie umożliwiła również wyodrębnienie zależności między wartościami stężeń pyłu ogółem (stężenia pochodzące z pomiarów) a stężeniami generowanymi emisjami z ogrzewania mieszkań (wartości wyliczone z użyciem modelu). Na analizowanym obszarze wystąpiły też obszary emisji, w których dopuszczalne 24 godzinne stężenia PM10 mierzone na stacji były przekraczane, i to z częstością przewyższającą dozwoloną przepisami. Z porównania danych monitoringowych z modelowanymi wynikało jednak, że na tych obszarach procesy ogrzewania mieszkań nie są przyczyną tych przekroczeń lub że ich udział w tworzeniu tych przekroczeń nie jest istotny. Na przykład w Cieszynie (rys. 10), według danych zarejestrowanych przez automatyczną stację monitoringu powietrza w 2007 r., 24-godzinne stężenie PM10 przekroczyło wartość dopuszczalną 61 razy, ale ani jedno przekroczenie nie zostało spowodowane samą składową stężenia wygenerowaną przez emisję pyłu pochodzącego z ogrzewania mieszkań. 20
Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... Rys. 10. Analiza porównawcza wartości stężeń PM10 modelowanych oraz pomiarowych; stacja monitoringu powietrza w Cieszynie, okresy grzewcze 2007 r. Fig. 10. The comparative analysis of the measured and modelled PM10 conc. data for the automatic air monitoring station in Cieszyn during the heating seasons of the year 2007 3. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Wykorzystując przedstawione wcześniej przez autorów dane [Hławiczka i in. 2011] dotyczące emisji pyłów PM10 i PM2,5 ze źródeł ciepła sektora mieszkalnictwa, w niniejszej pracy skoncentrowano się na analizie wartości stężeń pyłów w obrębie gmin objętych projektem badawczym Polepszenie jakości powietrza w rejonie przygranicznym Czechy Polska. Interesujące są dane, dotyczące udziału stężeń powodowanych emisjami z procesów ogrzewania mieszkań w całkowitych stężeniach pyłu wyznaczonych w stacjach monitoringu powietrza zlokalizowanych na obszarze gmin objętych projektem. Do określenia poziomu stężeń pyłu PM10 i PM2,5 wykorzystano model CALPUFF, z wbudowanym dynamicznym modelem emisji zanieczyszczeń. Wykorzystanie tego modelu umożliwiło uwzględnianie co godzinę zmieniającej się temperatury otoczenia. Jest to istotne, ponieważ wielkość zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania mieszkań silnie zależy od temperatury powietrza atmosferycznego niższe temperatury oznaczają potrzebę intensyfikacji procesów spalania, co wiąże się ze zwiększonymi emisjami pyłu, a tym samym zwiększaniem się stężeń pyłu w obszarze lokalizacji mieszkań. W przeprowadzonych procesach modelowania wielkość emisji wyrażono za pomocą wskaźnika emisji pyłu na jed- 21
Stanisław Hławiczka i in. nostkę powierzchni mieszkalnej, który uwzględnia różnicę między temperaturą otoczenia w danej godzinie a temperaturą 21ºC, przyjętą za poziom komfortu cieplnego. Do przeprowadzenia symulacji stężeń zanieczyszczeń powietrza program CALPUFF wymagał rozbudowanej informacji meteorologicznej, m.in.: składowych wektora wiatru (9 warstw), temperatury (9 warstw), klasy stabilności, prędkości dynamicznej, wysokości warstwy mieszania, długości Monina-Obuchowa, konwekcyjnej skali prędkości, temperatury powietrza, gęstości powietrza, natężenia krótkofalowego promieniowania słonecznego, względnej wilgotności powietrza, opadu atmosferycznego, kodu opadu. W wyniku obliczeń stężeń pyłu PM10 i PM2,5, jako rezultatu emisji z procesów ogrzewania mieszkań, powstała baza danych, uwzględniająca oddzielnie każdy obszar emisji w gminach objętych projektem i każdy z 480 analizowanych dni w okresach grzewczych lat 2006 i 2007. Wyniki modelowania dobowych stężeń pyłu poddano analizie porównawczej. Do analizy wybrano obszary emisji, w obrębie których były zlokalizowane stacje monitoringu powietrza, działające w ramach Państwowego Monitoringu Środowiska. Przeanalizowano wyniki stężeń pyłu dla 33 różnych obszarów emisji: 13 w województwie dolnośląskim, 10 w województwie opolskim, 10 w województwie śląskim. Porównanie wartości stężeń uzyskanych w obliczeniach z użyciem modelu z wartościami stężeń PM10 pochodzącymi z pomiarów prowadzonych w stacjach monitoringu powietrza umożliwiło określenie udziału stężeń obliczonych, uwzględniających jedynie emisje pochodzące z ogrzewania mieszkań, w całkowitym stężeniu pyłu na tym obszarze. Tego rodzaju analizy porównawcze przeprowadzono dla 33 obszarów emisji zlokalizowanych na obszarze badanych województw. Uzyskane wyniki analiz wykazały, że udziały te wynosiły: w województwie dolnośląskim od 6 do 48%, w województwie opolskim od 12 do 36%, w województwie śląskim od 18 do 49%. Dokonano również analizy wyników modelowania 24-godzinnych stężeń pyłu PM10 pod kątem częstości przekraczania wartości dopuszczalnych. Stwierdzono, że na 241 analizowanych gmin w obrębie 49 obliczone stężenie PM10 przekroczyło wartości dopuszczalne co najmniej 10 razy w ciągu roku, w tym w 15 więcej niż 35 razy w ciągu roku. W niektórych gminach udział emisji pyłu z palenisk domowych w kształtowaniu poziomów stężeń tego zanieczyszczenia był znaczący. Na przykład w dolnośląskiej gminie Nowa Ruda w 2007 r., zarejestrowane przez stację monitoringu powietrza stężenie PM10 przekroczyło wartość dopuszczalną 115 razy, z czego ponad jedną trzecią przekroczeń (45) spowodowała sama składowa stężenia pochodzącego z ogrzewania mieszkań. Na analizowanym terenie były też obszary emisji, w których stężenia PM10 mierzone na stacji monitoringu przekraczały wartości dopuszczalne, jednak z porównania ich wartości z wartościami wymodelowanymi wynikało, że procesy ogrzewania mieszkań nie są tu 22
Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... przyczyną przekroczeń. Na przykład w Cieszynie, liczba przekroczeń dopuszczalnego stężenia PM10 w roku wyniosła 61, ale ani jedno przekroczenie nie było spowodowane składową stężenia wygenerowaną przez emisję pochodzącą z ogrzewania mieszkań. Praca została wykonana w ramach projektu Polepszenie jakości powietrza w rejonie przygranicznym Czechy Polska (Program Operacyjny Współpracy Transgranicznej 2007 2013, Republika Czeska Rzeczpospolita Polska). PIŚMIENNICTWO AirBase - The European air quality database. European Environment Agency, http://www. eea.europa.eu/data-and-maps/data/airbase-the-european-air-quality-database-2 Bank Danych Regionalnych. Dane o liczbie i powierzchni mieszkań zamieszkanych wg sposobu ogrzewania i rodzaju stosowanego paliwa i energii; dane NSP 2002, GUS, 2009, Warszawa. CALPUFF, Development of the Next Generation Air Quality Models for Outer Continental Shelf (OCS) Applications, Final Report: Volume 2 - CALPUFF Users Guide (CALMET and Preprocessors). 2006. Earth Tech International, Inc., Concord, MA. EMEP/EEA air pollutant emission inventory guidebook 2009. European Environment Agency, Copenhagen. HŁAWICZKA S., KLIŚ C., CENOWSKI M., STRZELECKA-JASTRZĄB E., DŁUGOSZ J., BRONDER J. 2011. 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: 22 46. KAPE (Krajowa Agencja Poszanowania Energii), http://www.kape.gov.pl MM5 Community Model. Pennsylvania State University, National Center for Atmospheric Research numerical model, http://www.mmm.ucar.edu/mm5 Polepszenie jakości powietrza w regionie przygranicznym Czechy Polska. Program Operacyjny Współpracy Transgranicznej Republika Czeska Rzeczpospolita Polska 2007-2013. 2008. Uniwersytet Techniczny Ostrawa/IETU Katowice, www.cleanborder.eu SCIRE J. S., ROBE F. R., FERNAU M. E., YAMARTINO R. J. 2000a. A User s Guide for the CALMET Meteorological Model (Version 5). Earth Tech International, Inc. Concord, MA. SCIRE J. S., STRIMAITIS D. G., YAMARTINO R. J. 2000b. A User s Guide for the CALPUFF Disperssion Model (Version 5). Earth Tech International, Inc. Concord, MA. WIOŚ (Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Katowicach), http://stacje.katowice. pios.gov/monitoring 23