Метод расчета концентрации окиси углерода в наружном воздухе

 

 

Г

лавным фактором, определяющим уровень загрязнения внутреннего воздуха, являются концентрации загрязняющих веществ в наружном воздухе. В связи с этим уровень загрязнения воздуха в помещениях, характерный для городов промышленно развитых стран, достаточно высокий [1].

Показатель выявления загрязняющих веществ в воздухе городской среды вырос в среднем с 65% (1991 г.) до 75% (2004 г.). В частности, выявление монооксида углерода (СО) за эти годы скачкообразно поднялось с 15 до 70%, особенно от стационарных (точечных) источников выброса [2].

В связи с этим наружное загрязнение воздуха – серьезное ограничение для естественной вентиляции в городских условиях. Движение воздуха от окон через комнаты до вытяжки на кухне и санузлах происходит под действием природных (случайных) факторов: перепада температур между улицей, помещением и ветра. Альтернатива естественной вентиляции − принудительная вентиляция с фильтрацией. Применение централизованной механической приточно-вытяжной вентиляции в жилых зданиях дает возможность обеспечить централизованную очистку наружного воздуха в приточной камере, но только от твердых загрязнителей (пыли, сажи). Поэтому возникает необходимость тщательного выбора места организованного притока наружного воздуха. Закономерность изменения концентраций газообразных загрязнителей в наружном воздухе по мере удаления от поверхности земли и от точечных источников изучена недостаточно, натурными исследованиями не проверялась. Следовательно, способ выбора места забора наружного воздуха для вентилирования жилых помещений, находящихся под воздействием точечных источников, подлежит уточнению.

Индустриализация городов Сибири и Урала, когда не была известна зависимость загрязнения атмосферы от климатических параметров, стала одной из причин неблагоприятного качества воздуха в этих городах. Анализ информации о выбросах, по данным Государственной сети мониторинга загрязнения атмосферы Росгидромета, показывает, что в списке 35 крупнейших городов России г. Тюмень занимает место на границе первой десятки и относится к городам с высоким уровнем загрязнения атмосферы.

Объектом данного исследования являлись жилые здания, находящиеся под воздействием стационарных (точечных) источников выброса.

Цель работы – оценка наружного воздуха и разработка методики расчета по изменению качества воздушной среды жилых помещений под воздействием стационарных (точечных) источников выброса посредством установления взаимосвязи между качеством наружного и внутреннего воздуха на основе построения математических зависимостей формирования выбросов дымовых газов на различных расстояниях от источника по высоте.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1) проведение экспериментальных исследований концентраций загрязняющих веществ (СО) в наружном воздухе и определение наиболее неблагоприятных периодов и факторов, влияющих на формирования загрязнения воздушной среды жилых помещений;

2) разработка и обоснование математических зависимостей концентраций в наружном воздухе вредных газов (СО), поступающих в жилые помещения, от расстояния до точечных источников на основе натурных исследований по высоте фасада зданий;

3) экспериментальное определение взаимосвязи между концентрацией СО в наружном и внутреннем воздухе.

Натурные исследования проводились авторами на базе ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии по Тюменской области».

Крупными источниками загрязнения городов Сибири, в том числе г. Тюмени, являются автономные отопительно-производственные котельные промышленных предприятий, где процессы горения топлива не регули­руются, сгорание происходит не полностью, дымовые газы с содержанием вредных примесей выбрасываются в атмосферу. 

В связи с этим подфакельный отбор проведен от точечных источников различной высоты от 15 до 60 м круглогодичного режима работы летом (июнь – август) 2006 – 2007 гг. Выбор теплого периода года обусловлен тем, что вещества, скапливающие перед фасадом здания, проникают в помещение из-за частого проветривания.

Для исследования выбрали многоэтажные здания (девяти- и десятиэтажные). При этом отбор проб проводился непосредственно перед фасадами жилых зданий рядом с улицами с наименьшей интенсивностью движения (50–100 авт./ч) или в глубине жилых кварталов: ул. Парковая, Орловская, Куйбышева и др. В ходе исследования определялся электрохимическим методом анализа оксид углерода (II), который является массовым компонентом и продуктом неполного сгорания почти всех видов топлив точечных источников.

На первом этапе исследования определены наиболее неблагоприятные периоды для рассеивания выбросов точечными источниками. В связи с этим подфакельный отбор на границе с жилой застройкой проводился при средней скорости ветра (5–6 м/с) от источников высотой от 40 до 60 м при слабом ветре (1–2 м/с) от источников 20 м и ниже.

Минимальное количество измерений в каждой точке равнялось 20 в течение месяца. Всего за 2006–2007 гг. сделано для каждого здания по высоте фасада 120 проб.

В каждой точке проводился отбор на различных расстояниях (100 м; 200 м; 300 м; 500 м; 1000 м) по высоте на уровне: 1,5 м от земли, в зоне дыхания; 15 м от земли – середина высоты здания; 30 м и 33 м – уровень последнего этажа (рис.1–3).

Для получения уровня загрязнения на промежуточных расстояниях использовался интерполяционный полином четвертой степени (1), полученный формулой Лагранжа,

,                                              (1)

где – значение функции в узловой -точке, мг/м³; – промежуточное расстояние, м; – высота в узловой -точке, м; –высота в -точке, кроме , м.

По средним значениям (120-ти замерным данным) выведены зависимости концентрации СО от расстояния до источников перед фасадами жилых зданий [3]. По результатам исследования построены кривые распределения концентраций СО в зависимости от расстояния на высоте 1,5 м; 15 м; 33 м от поверхности земли для источников различной высоты от 15 до 60 м (рис.1–3).

 

 

С увеличением высоты источника кривая распределения концентраций СО на уровне 1,5 м (уровень 1 этажа) становится плавной, а максимальная концентрация при изменении высоты трубы от 15 м до 60 м уменьшается в 3,75 раза (см. рис.1–3). При этом убывание концентрации загрязнителя, после достижения максимума, по мере увеличения высоты источника происходит с меньшей динамикой.

На уровне 15 м (середина здания) самый высокий максимум концентраций отмечен на расстоянии 200 м для источника высотой 44 м, для источника 60 м – максимум уменьшается в 1,5 раза. С увеличением высоты источника до 44 м концентрации оксида углерода (II) изменяются резко, но с увеличением трубы до 60 м кривая распределения концентраций вновь приобретает плавные очертания. Наименьшее значение максимума концентраций приходится на трубы высотой 15 м (см. рис.1) и 60 м (см. рис.3), так как для источника 15 м максимум концентраций отмечается на уровне 1,5м – 2,7ПДК_м.р., а от источника 60 м – на уровне последнего этажа 1,4ПДК_м.р..

При отборе проб СО на уровне 30–33 м (уровень последнего этажа) выяснено, что с увеличением высоты источника от 15 до 60 м максимум концентраций возрастает. Самый высокий максимум концентраций СО отмечен для источника высотой 44 м – 1,4ПДК_м.р. (см. рис.2), для трубы 60 м он уменьшается в 1,3 раза (см. рис.3), для 22 м – в 2,3 раза, для 15 м – в 4,5 раза (см. рис.1). При этом кривая распределения концентраций, по мере уменьшения высоты источника от 15 до 60 м, становится плавной (см. рис.1–3).

Таким образом, для источника высотой 15 м (см.рис.1) самое неблагоприятное качество воздушной среды для жилых помещений отмечается на уровне 1,5 м (уровень первого этажа) до 350 м (1ПДК_СС − среднесуточная); на высоте 15 м (середина здания) – до 200 м (1ПДК_сс); на уровне 30–33 м (последний этаж) все концентрации находятся в пределах допустимой нормы.

Источник высотой 44 м (см. рис.2) создает неблагоприятное качество воздушной среды на уровне от 15 до 33 м, в середине здания и на уровне последнего этажа концентрация СО приблизительно одинакова. Небезопасный уровень создается на высоте 15 до 800 м (1ПДК_сс), на уровне 33 до 720 м (1ПДК_сс). Аналогичная ситуация складывается для жилых зданий, находящихся под воздействием источника высотой 60 м. Экологически небезопасное качество воздушной среды складывается на уровне 15 до 1200 м, на уровне 30 до 1100 м. В дальнейшем после достижения максимально-приземной концентрации на уровне 1,5 м неблагоприятное качество воздуха отмечено на уровне 1,5 м от 400 до 1400 м.

Обработка результатов экспериментальных исследований позволила получить аппроксимационные зависимости (2)–(13) изменения концентраций СО от расстояния (R) на уровне: 1,5 м (уровень первого этажа); 15 м (середина здания); 30 м (уровень последнего этажа) – для источников высотой от 15 до 60 м. Коэффициент достоверности аппроксимаций R² 0,98.

Аппроксимационные зависимости для расчета уровня загрязнения СО наружного воздуха от точечных источников

Для источника высотой 15 м

· На высоте 1,5 м (50–1400 м): 

.                     (2)

· На высоте 15 м (50–200 м):

.                     (3)

· На высоте 30 м (50– 600 м):

.                     (4)

Для источника высотой 22 м

· На высоте 1,5 м (50–500 м):

.  (5)

· На высоте 15 м (50–300 м):

.      (6)

· На высоте 30 м (50–600 м):

.            (7)

Для источника высотой 44 м

· На высоте 1,5 м (50–1000 м):

.                (8)

· На высоте 15 м (50–600 м):

.            (9)

· На высоте 30 м (50–600 м):

.              (10)

Для источника высотой 60 м

· На высоте 1,5 м (50–900 м): 

.                     (11)

· На высоте 15 м (50–800 м):

.                          (12)

· На высоте 30 м (50–600 м):

,                      (13)

где с – концентрация СО в наружном воздухе перед фасадом здания на i - высоте, мг/м³;

R – расстояние от устья точечного источника до фасада здания, м.

Представлены зависимости (11)–(13) для источника высотой 60 м на уровнях 1,5 м; 15 м; 30 м (рис.4–6).

 

 

Полученные зависимости (2)–(13) позволяют рассчитать концентрацию окиси углерода (СО) на любом расстоянии (в зоне воздействия) от точечных источников высотой          15; 22; 44; 60 м на уровнях 1,5 м (уровень первого этажа); 15 м (середина здания) и 30–33 м (уровень последнего этажа). После указанных расстояний для зависимостей (2)–(13) разброс величин концентраций СО имеет линейный характер, причем все концентрации находятся в пределах нормы.

В продолжение натурных исследований наружного воздуха, цель которых − определение концентрации СО в жилой застройке и перед фасадом здания, исследования влияния качества наружного воздуха на состояние внутреннего направлены на определение концентрации СО в жилых помещениях.

Отбор проб в жилых помещениях проводился при неблагоприятных метеорологических условиях (скорости и направлении ветра). Причем влияние источников бытового происхождения было исключено. Жилые помещения, в которых производился отбор проб окиси углерода, выбрали на первом, пятом, девятом (или десятом) этажах здания. Выбор обусловлен тем, что известные значения концентраций СО по высоте перед фасадом данного жилого здания, позволят произвести их сравнение с полученными значениями внутри жилых помещений. Также это дает возможность охарактеризовать изменение концентраций в жилых помещениях в зависимости от высоты расположения квартир.

Отбор проб в жилых помещениях проводился при двух режимах: полностью закрытые оконные проемы (благодаря инфильтрации); в режиме проветривания (при открытой оконной форточке).

В результате выявлена взаимосвязь между качеством наружного воздуха перед фасадом жилых зданий и качеством воздушной среды жилых помещений от стационарных источников:

· при закрытых окнах в жилых помещениях наблюдается концентрация оксида углерода (II) до 15% от концентрации перед фасадом здания на расстоянии более 150 м от источника; до 90% на расстоянии до 150 м;

· в режиме проветривания – до 90%.

В связи с этим возникает необходимость организованного притока наружного воздуха из мест, в которых концентрации загрязняющих веществ от стационарных (точечных) источников будут минимальны. Для этого рекомендуется устройство приточно-вытяжной системы вентиляции с механическим побуждением.

Выводы

· Выведены экспериментальные зависимости, позволяющие рассчитать величину концентрации оксида углерода (II) перед фасадом многоэтажных жилых зданий от стационарных источников (высотой от 60 м до 15 м) на любом расстоянии в зоне воздействия от жилого здания до источника.

· Выявлена взаимосвязь между качеством наружного воздуха перед фасадом жилых зданий и качеством воздушной среды жилых помещений от стационарных источников.

· Разработанная методика по расчету концентрации СО на любом расстоянии от здания до источника на уровнях 1,5 м; 15 м; 30–33 м уточняет нормативные документы по выбору места забора приточного воздуха для вентилирования квартир, находящихся под воздействием точечных источников выброса.

 

 

1.Ливчак И.Ф. Вентиляция многоэтажных жилых зданий/ И.Ф. Ливчак, А.Л. Наумов. –М.: АВОК-ПРЕСС, 2005. –136 с.

2.Кузьмичев, А.В. Основы мониторинга воздушного бассейна застроенных территорий в условиях децентрализации систем теплоснабжения: дис…канд. техн. наук: 03.00.16, 05.23.03 / Кузьмичев Александр Викторович. – Волгоград, 2005. –129 с.

3. Калиткин Н.Н. Численные методы/ Н.Н. Калиткин. – М.: Наука, 1978. – С.512.

 

 

(17) Тема 2009-3-22 С. Моделирование самодиффузии нефти в пористой среде.

Двояшкин Н.К., Морякова С.С. Возможности градиентного ядерного магнитного резонанса в исследовании самодиффузии нефти в пористой среде // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 2009,. № 3. С. 22 – 29

УДК 539.143