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Für Mensch & Umwelt
Umweltmeteorologische Aspektebei der Anpassung der TA Luft
TLUG Jena
Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt
Alfred Trukenmüller
Fachgebiet II 4.1 / Grundsatzfragen der Luftreinhaltung
Zweck der Änderungen
METEOROLOGISCHE DATENBASIS STÄRKEN
• Qualitätssicherung für meteorologische Daten und deren Übertragung
• Bereitstellung eines Niederschlagsdatensatzes
• Zulassung modellierter meteorologischer Daten
• Aktualisierte Grenzschichtprofile
METHODISCHE BRÜCHE HEILEN
• Zwischen Vorbelastung, (Gesamt-) Zusatzbelastung und Naturschutz
durch konsequente Berücksichtigung der nassen Deposition
• Zwischen Schornsteinhöhenbestimmung und Ausbreitungsrechnung
METHODISCHE LÜCKEN SCHLIEßEN
• Qualitätssicherung bei der Übertragung meteorologischer Daten
• Nasse Deposition
• Validierung und Anwendung prognostischer Windfeldmodelle
• Ungestörter Abtransport der Abgase mit der freien Luftströmung
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 2
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
Referentenentwurf:
www.bmub.bund.de/N53642/
Gliederung
1 AUSBREITUNGSRECHNUNG – EINGANGSDATEN
2 AUSBREITUNGSRECHNUNG – PARAMETRISIERUNG
3 AUSBREITUNGSRECHNUNG – VORSCHALTMODELLE
4 VORSORGE – SCHORNSTEINHÖHE
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 3
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
1 Ausbreitungsrechnung – Eingangsdaten
METEOROLOGIE 2002
• Windrichtung
• Windgeschwindigkeit
• Ausbreitungsklasse oder Monin-Obukhov-
Länge
Alternativen:
1. Messungen am Standort der Anlage
2. Daten einer geeigneten DWD-Station oder
einer entsprechend ausgerüsteten Station
+
Übertragbarkeitsprüfung
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 4
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
METEOROLOGIE 2017
• Windrichtung
• Windgeschwindigkeit
• Ausbreitungsklasse oder Obukhov-Länge
Alternativen:
1. Dito, QS nach VDI 3783 Blatt 21
2. Dito, QS nach VDI 3783 Blatt 21
Dito, nach VDI 3783 Blatt 20
3. Modellierte Daten
Nachweis der Eignung und Qualität der
eingesetzten Modelle sowie der
Repräsentativität des Datensatzes
1 Ausbreitungsrechnung – Eingangsdaten
METEOROLOGIE 2002
LANDBEDECKUNG 2002
• CORINE-Kataster
(CORINE Land Cover – CLC)
• 10fache Bauhöhe des Schornsteins
• Überprüfung vor Ort
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 5
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
METEOROLOGIE 2017
• Niederschlagsintensität
Für das Bezugsjahr der meteorologischen
Daten und den Standort der Anlage vom
Umweltbundesamt bereitgestellte Daten
• Zeitraum: zunächst 10 Jahre
• Jahresniederschlag nur vom Ort abhängig
• Datenaufbereitung läuft
• Verfahren wurde im UFOPLAN 2010 validiert
LANDBEDECKUNG 2017
• Landbedeckungsmodell Deutschland
(LBM-DE)
• Das 15-fache der Freisetzungshöhe
• Überprüfung vor Ort
2 Ausbreitungsrechnung – Parametrisierung
GASE 2002
Depositionsgeschwindigkeiten für
• Ammoniak
• Quecksilber
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 6
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
GASE 2017
Depositionsgeschwindigkeiten für
• Ammoniak
• Schwefeldioxid
• Stickstoffmonoxid
• Stickstoffdioxid
• Quecksilber (elementar)
• Quecksilber (oxidiert)
Auswaschraten für
• Ammoniak
• Schwefeldioxid
• Stickstoffdioxid
• Quecksilber (oxidiert)
2 Ausbreitungsrechnung – Parametrisierung
TROCKENE (LINKS) UND NASSE DEPOSITION IM VERGLEICH
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 7
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
Trockene (links) und nasse
(rechts) Deposition von
Ammoniak für eine
Punktquelle in 20 m Höhe
(oben) und in 200 m Höhe
(unten)
Maxima der nassen
Deposition liegen immer
nahe der Quelle und sind bei
hohen Quellen ggf. wesentlich
größer als Maxima der
trockenen Deposition.
Hq = 20 m
Hq = 200 m
2 Ausbreitungsrechnung – Parametrisierung
STÄUBE 2002
• Sedimentations- und
Depositionsgeschwindigkeiten für
Korngrößenklassen 1–4
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 8
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
STÄUBE 2017
• Sedimentations- und
Depositionsgeschwindigkeiten für
Korngrößenklassen 1–4
• Auswaschraten für Korngrößenklassen 1–4
GERUCHSSTOFFE 2017
• ohne Berücksichtigung von Deposition
• Beurteilungsschwelle 0,25 GEE/m3
2 Ausbreitungsrechnung – Parametrisierung
GRENZSCHICHTPROFILE 2017
• Konsistent nach VDI 3783 Blatt 8
(Dezember 2016)
• Basieren auf Literatur, Vergleichs- und
Validierungsrechnungen und praktischen Erwägungen
(siehe VDI 3783 Blatt 8, Anhang B)
• Umfangreiche Vergleiche mit Messungen (Wettermast
Hamburg, DWD-Station Lindenberg, ZAMG-Station
Kittsee) und Modellen: Testfall von Cuxart für arktische
Grenzschicht
• Richtlinie, numerische Modelle, z.B. Cuxart-Testfall:
idealtypische – insbesondere stabile – Grenzschicht.
• Hamburg, Lindenberg und Kittsee: stabile Schicht am
Boden im Mittel begleitet von nicht-stabilen Schichten
darüber (Blätterteig): In der TA Luft nach Einschätzung
des Richtlinien-Ausschusses nicht abbildbar.
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 9
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Ma
xim
ale
Mis
ch
un
gssch
ich
thöh
e (
m)
Monat
AKTerm AKS
2 Ausbreitungsrechnung – Parametrisierung
WINDPROFILE 2017: PASSEN ZU NUMERISCHEN 1D-MODELLEN. NATUR IST KOMPLEXER
• Nicht mehr ad-hoc festgelegt, sondern
in VDI 3783-8 aus Turbulenzprofilen berechnet.
WINDGESCHWINDIGKEIT
AK I und II AK III/2, IV und V
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 10
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
Gute Übereinstimmung mit
Profilen von METRAS-PCL
2 Ausbreitungsrechnung – Parametrisierung
WINDPROFILE 2017: PASSEN ZU NUMERISCHEN 1D-MODELLEN. NATUR IST KOMPLEXER
• Nicht mehr ad-hoc festgelegt, sondern
in VDI 3783-8 aus Turbulenzprofilen berechnet.
WINDRICHTUNG
AK I und II AK III/2, IV und V
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 11
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
Gute Übereinstimmung mit
Profilen von METRAS-PCL
3 Ausbreitungsrechnung – Vorschaltmodelle
ABGASFAHNENÜBERHÖHUNG 2002
• Schornsteine: VDI 3782 Blatt 3 (Juni 1985)
• Kühltürme: VDI 3784 Blatt 2 (März 1990)
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 12
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
ABGASFAHNENÜBERHÖHUNG 2017
• Dreidimensionales Modell PLURIS
3 Ausbreitungsrechnung – Vorschaltmodelle
WINDFELDMODELLE 2017
• Bebauung:
Prognostische Modelle müssen Anforderungen der RL
VDI 3783 Blatt 9 erfüllen
• Geländeunebenheiten:
Prognostische Modelle müssen Anforderungen
der RL VDI 3783 Blatt 7 erfüllen
• Geländeunebenheiten:
Prognostische Modelle müssen gemäß RL
VDI 3783 Blatt 16 angewendet werden.
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 13
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
Windrichtung
Planetarium Stuttgart
1.4.1997 21:00 Uhr
TA Luft-
untypisch, da
instationär
4 Vorsorge – Schornsteinhöhe
ANHANG 2 AUSBREITUNGSRECHNUNG
Neuer Abschnitt 14 „Ausbreitungsrechnung zur Bestimmung der
Schornsteinhöhe“
• Ebenes Gelände
• Rauigkeitslänge 0,5 m
• 25 ungewichtete Einzelsituationen
Ausbreitungsklassen I, II, III/1, III/2
alle 9 Windgeschwindigkeitsklassen
• Effektive Quellhöhe (Bauhöhe plus Endüberhöhung)
• Keine Deposition
• Statistische Streuung des relevanten Konzentrationswertes < 5%
VORBERECHNETE FAHNEN (FAHNENBIBLIOTHEK)
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 14
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
Ungewichtet:
Keine Häufigkeiten,
keine AKS,
standortunabhängig
4 Vorsorge – Schornsteinhöhe
SCHORNSTEINHÖHE – PRINZIP DES NEUEN VERFAHRENS (2)
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 15
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
Effektive Quellhöhe (alt)
Effektive Quellhöhe (neu)
Schornsteinbauhöhe
Abgasfahnenüberhöhung
4 Vorsorge – Schornsteinhöhe
SCHORNSTEINHÖHE – PRINZIP DES NEUEN VERFAHRENS (1)
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 16
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
Bestimme für 25
Einzelsituationen die effektive
Quellhöhe, bei der der S-Wert
eingehalten wird
Methode: Interpolation
zwischen abgespeicherten
Maxima für diskrete Werte
von heff
Bodennahe K
onzentr
ation (
logarith
mis
ch)
Entfernung von der Quelle (logarithmisch)
Scharparameter:
Effektive (!) Quellhöhe (m)10
12
14
16
18
20
40 80 160
10 m 100 m 1 km 10 km
48
51,6 mS-Wert
4 Vorsorge – Schornsteinhöhe
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 17
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
Beispiel
Je nach Windgeschwindigkeit u ergibt sich eine
andere Maximalkonzentration. Die höchste
Maximalkonzentration ergibt sich für
𝑢max =𝐸𝑎
𝐻6
Aus dieser Betrachtung folgt H = ∆h, d. h. bei der
Windgeschwindigkeit, bei der die Maximal-
konzentration erreicht wird, ist Bauhöhe H und
Überhöhung ∆h immer gleich groß.
Einsetzen in (5) liefert
𝑐max = 𝛼𝑄
4𝐸𝑎𝐻= 𝑆 7
oder
𝐻 =𝛼
4𝐸𝑎
𝑄
𝑆8
Aus den Quelleigenschaften Q und E und dem
S-Wert folgt die Bauhöhe H
4 Vorsorge – SchornsteinhöheGrundgleichungen des Nomogramms, Darstellung nach Janicke (2016)
Gauß-Fahnenmodell
𝑐 𝑥, 𝑦, 𝑧 =
𝑄
2𝜋𝜎𝑦𝜎𝑧𝑢𝑒−
𝑦2
2𝜎𝑦2𝑒−
ℎ−𝑧 2
2𝜎𝑧2
+ 𝑒−
ℎ+𝑧 2
2𝜎𝑧2
1
𝜎𝑦 𝑥 = 𝐹𝑥𝑓 2
𝜎𝑧 𝑥 = 𝐺𝑥𝑔 3mit empirischen, stabilitätsunabhängigen
Fahnenparametern und ohne Berücksichtigung der
Mischungsschichthöhe
Die Maximalkonzentration in Bodennähe ist
𝑐 = 𝛼𝑄
𝑢ℎ24
Die Höhe h ist die Summe aus Bauhöhe H und
Überhöhung ∆h = Ea/u
𝑐 = 𝛼𝑄
𝑢 𝐻 + 𝐸𝑎 𝑢 25
E hängt von Abgastemperatur und Volumenstrom ab
(α und a sind Zahlenwerte, die von F, G, f, g und
(dem Windprofil abhängen)
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 18
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
4 Vorsorge – Schornsteinhöhe
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 19
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
ALTE UND NEUE SCHORNSTEINHÖHEN (BEISPIEL Q/S = 103)
• Ob neuberechnete Höhe größer oder kleiner ist,
„kommt darauf an“
• Typischer Fall: neuberechnete Höhe ist kleiner
1919
10
100
1,000
10 100
E(m
2/s
)
H' (m)
Nomogramm Q/S = 1000
reine
Konvention
reine
Konvention
10
100
1 000
10 100
E in
m2/s
H′ in m
t = 100 C, Rtr/Rf = 1
Q_S=1000
4 Vorsorge – Schornsteinhöhe
UNGESTÖRTER ABTRANSPORT
DER ABGASE MIT DER FREIEN LUFTSTRÖMUNG
als Voraussetzung für ausreichende Verdünnung der Abgase
Denn: die verwendeten Modelle gelten nur oberhalb der Bestands- bzw.
Verdrängungsschicht
• Konkretisiert in der Neufassung der VDI 3781 Blatt 4:
Mündung außerhalb der Rezirkulationszone
5.5.2.1 ALLGEMEINES
Die Lage und Höhe der Schornsteinmündung muss den Anforderungen
der Richtlinie VDI 3781 Blatt 4 (Entwurf, Ausgabe Dezember 2015)
genügen …
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 20
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
Silo
Re
zirku
lation
szon
e
Rekapitulation der Ziele
METEOROLOGISCHE DATENBASIS STÄRKEN
• Qualitätssicherung für meteorologische Daten und deren Übertragung
• Bereitstellung eines Niederschlagsdatensatzes
• Zulassung modellierter meteorologischer Daten
• Aktualisierte Grenzschichtprofile
METHODISCHE BRÜCHE HEILEN
• Zwischen Vorbelastung, (Gesamt-) Zusatzbelastung und Naturschutz
durch konsequente Berücksichtigung der nassen Deposition
• Zwischen Schornsteinhöhenbestimmung und Ausbreitungsrechnung
METHODISCHE LÜCKEN SCHLIEßEN
• Qualitätssicherung bei der Übertragung meteorologischer Daten
• Nasse Deposition
• Validierung und Anwendung prognostischer Windfeldmodelle
• Ungestörter Abtransport der Abgase mit der freien Luftströmung
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 21
Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft
Referentenentwurf:
www.bmub.bund.de/N53642/
09.11.2016 / Umweltmeteorologie – wer und was die Luft bewegt 22
Vielen Dank für IhreAufmerksamkeitAlfred Trukenmüller
alfred.trukenmueller@uba.de
www.uba.de/themen/luft
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