modelli e strumenti per lo studio della qualità dell’aria ... · modelli e strumenti per lo...

\

DIEF Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari” Università di Modena e Reggio-Emilia

Modelli e strumenti per lo studio della qualità dell’aria presso il Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari”

Applicazione dei modelli SPRAY e Micro – SWIFT – SPRAY per la dispersione degli inquinanti in atmosfera

Ing. Marco Zaccanti [email protected]

mailto:[email protected]



\


Caso di studio e obiettivi della ricerca

Azienda AUSL di Modena “Policlinico” nuovo impianto di trigenerazione.

Trigenerazione: energia elettrica + termica + frigorifera

miglioramento efficienza energetica complesso ospedaliero.

Abbinamento con caldaie ausiliarie e generatori di vapore copertura fabbisogno energetico nei periodi di picco.

Simulazione della dispersione degli inquinanti (NOx):

Confronto tra scenari emissivi (impianto esistente e in progetto).

Analisi della correlazione tra dati simulati e misure sperimentali.

Valutazione dell’impatto dovuto all’impianto con altre sorgenti d’inquinamento atmosferico.




\


Il contesto spaziale

Prima periferia di Modena, bacino padano, altezza s.l.m. 34 m:

Area urbana densamente popolata, recettori sensibili (ospedale).

Sorgenti basse, altezza camini 10 – 15 m; possibili fenomeni di accumulo nei canyon urbani.

Co-presenza di sorgenti emissive ad elevato impatto ambientale:

riscaldamenti domestici, traffico veicolare, impianti industriali.

Condizioni atmosferiche favorevoli all’accumulo degli inquinanti: debole ventosità, inversioni termiche, isola di calore urbana.




\


Simulazione a scala locale

Valutazione dell’area interessata dagli impatti.

Confronto tra scenari emissivi (impianto esistente e in progetto).

Dominio di simulazione:

Dimensioni orizzontali: 40 km x 40 km.

Dimensioni griglia: celle di 250 m x 250 m.

Struttura verticale: 30 livelli, prog. logaritmica.

Top dominio: 1800 m dal suolo.

Dati orografici da elaborati da supporto DEM. (processore RELIEF, Arianet s.r.l.)




\


Simulazione a micro scala urbana

Dispersione in presenza di edifici → accumuli nei canyon urbani.

Dominio di simulazione:

Dimensioni orizzontali: 500 m x 500 m.

Dimensioni griglia: celle di 2 m x 2 m.

Struttura verticale: 30 livelli, prog. logaritmica.

Top dominio: 200 m dal suolo.

Topografia urbana elaborata in ambiente GIS.




\



Elaborazioni preliminari alla simulazione dei processi dispersivi

Suite modellistica Aria INDUSTRY (Arianet s.r.l.):

MINERVE

processore meteo diagnostico; campi 3D di vento e temperatura.

SURFPRO processore di turbolenza per il PBL;

campi 2D per L, u*, Hmix, w*.

Dati meteorologici in input: misure sperimentali, (DEXTER).

www.arpa.emr.it/sim/?osservazioni_e_dati/dexter




http://www.arpa.emr.it/sim/?osservazioni_e_dati/dexter

\



Il modello SPRAY (Arianet s.r.l.)

Modello lagrangiano a particelle

Orografia complessa, calme di vento, inversioni termiche

Schema di turbolenza del PBL;

dati in input: L, u*, Hmix, w*.

Velocità delle particelle: • parte media: campo 3D vento, output da processore MINERVE;

• parte stocastica: equazioni di Langevin, schema di Thompson (1987).

Plume rise dinamico, schema di Anfossi (1993).

Trattamento deposizione secca e umida particolato.




\



Micro - SWIFT - SPRAY

Micro - SWIFT

campi 3D di vento e turbolenza in presenza di edifici.

Micro – SPRAY

campo 3D di concentrazione all’interno del tessuto urbano

Turbolenza locale: edifici tensore di diffusione Kx,y,z

+

Turbolenza di sottofondo: atmosfera serie temporale per L, u*, Hmix, w*.




\



Ricostruzione del dominio urbano e del campo di flusso

Ambiente GIS, shape file; geometria a blocchi degli edifici: altezza e coordinate vertici in pianta

↓ Zone di perturbazione campo di vento




\


Esempi




\



Impianto ESISTENTE, Ospedale «Policlinico» di Modena.

Caldaie (3): climatizzazione invernale;

Potenza: 4600 kWth , Hstack= 11 m.

Generatori di vapore (2): usi sanitari; Potenza: 3400 kWth , Hstack= 11 m.

Combustione CH4:

emissioni di NOx, PM10, CO.

Conc. NOx: valori limite D.lgs. 152/06.

Scenario: inverno 2010; emissioni elevate, atmosfera stabile.




\



Impianto IN PROGETTO, Ospedale «Policlinico» di Modena.

Trigeneratore (1): Hstack= 15 m. Potenze: 3349 kWel, 3098 kWth.

Caldaie (3): climatizzazione invernale; Potenza = 5200 kWth , Hstack= 10 m.

Generatori di vapore (2): usi sanitari; Potenza = 2081 kWth , Hstack= 10 m.

Emissioni: NOx, PM10, CO.

modulazione oraria, piano gestionale. Scenario: inverno 2010.

Conc. NOx: D.lgs. 152/06.




\



Impianto IN PROGETTO, analisi dei contributi separati.

Trigeneratore Caldaie + gen. vapore




\



Impianto IN PROGETTO, profili verticali concentrazione NOx: differente risalita dei pennacchi → impatti diversi al suolo e in quota.




\



Scenari meteorologici diversi a confronto

14 gennaio 2010 (sx):

vento debole, condizioni stabili.

6 febbraio 2010 (dx): vento moderato.

Effetto canyon → concentrazioni rilevanti in regime di maggiore ventosità.




\



Canyon urbano, analisi di dettaglio

Profilo di concentrazione NOx interpolato su punti 1 – 19 (rosso); punti 1, 2, 3 posizione sorgenti (blu).




\


Conclusioni e sviluppi futuri

Analisi impatto ambientale impianto di trigenerazione.

Simulazione a scala locale. Processori MINERVE e SURFPRO, modello a particelle SPRAY:

• individuazione dell’area interessata dagli impatti; • confronto tra scenari emissivi (impianto esistente e in progetto).

Simulazione a micro scala urbana.

Processore Micro – SWIFT - SPRAY: • ruolo della topografia urbana, individuazione fenomeni di canyon.

Sviluppi futuri:

• Contributo impianto a confronto con altre sorgenti urbane (traffico veicolare). • Validazione risultati: buona correlazione statistica (coeff. Pearson: 0,70 – 0,90)

tra dati simulati e misure sperimentali di qualità dell’aria (stazioni ARPA locali).




\


Riferimenti

• Anfossi D., Ferrero E., Brusasca G., Marzorati A. and Tinarelli G. (1993) ‘A simple way of computing buoyant plume rise in Lagrangian stochastic dispersion models’, Atmospheric Environment, Vol. 27A, pp.1443-1451.

• Arianet (2010) SPRAY5 - General Description and User’s Guide, ARIANET R2010.08.

• Aria Tech. (2010) SWIFT Wind Field Model, General Design Manual.

• Deserti M., Savoia, E., Cacciamani, C., Golinelli, M., Kerschbaumer, A., Leoncini, G., Selvini, A., Paccagnella, T. and Tibaldi, S. (2001) ‘Operational meteorological pre-processing at Emilia Romagna ARPA Meteorological Service as a part of a decision support system for Air Quality Management’, International Journal of Environment and Pollution, Vol.16, pp.571-582.

• Ghermandi G., Teggi S., Fabbi S., Bigi A., Zaccanti M. M.(2014) ’Tri-generation power plant and conventional boilers: pollutant flow rate and atmospheric impact of stack emissions’, International Journal of Environmental Science and Technology, DOI 10.1007/s13762-013-0463-1, on line January 27th 2014, pp.1-12.

• Ghermandi G., Teggi S., Fabbi S., Bigi A., Zaccanti M. M. (2013) ‘From local-scale to micro-scale assessment of the atmospheric impact of the pollutant plume emitted from a power-plant stack’, Proc. of 15th International Conference on Harmonisation within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes, Madrid, 6-9 May 2013.

• Thomson, D. J. (1987) ‘Criteria for the selection of stochastic models of particle trajectories in the turbulent flows’, Journal of Fluid Mechanics., Vol.180, pp.529-556.

• Tinarelli G. «SPRAY 3.1 – General Description and User’s guide», Arianet R2007.08.

• Vardoulakis S., Fischer B. E. A., Pericleous K., Gonzales-Flesca N.(2003) ’Modelling air quality in street canyons: a review’, Atmospheric Environment, Vol. 37, pp.155–182.




\


Grazie dell’attenzione!




\


Modelli e strumenti per lo studio della qualità dell’aria presso il Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari”

Applicazione dei modelli SPRAY e Micro – SWIFT – SPRAY per la dispersione degli inquinanti in atmosfera

Ing. Marco Zaccanti [email protected]




modelli e strumenti per lo studio della qualità dell’aria ... · modelli e strumenti per lo...

Documents