Umweltmeteorologische Aspekte bei der Anpassung der TA Luft

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/

http://www.bmub.bund.de/N53642/

Gliederung

1 AUSBREITUNGSRECHNUNG – EINGANGSDATEN

2 AUSBREITUNGSRECHNUNG – PARAMETRISIERUNG

3 AUSBREITUNGSRECHNUNG – VORSCHALTMODELLE

4 VORSORGE – SCHORNSTEINHÖHE



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



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



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



GASE 2017


• Ammoniak

• Schwefeldioxid

• Stickstoffmonoxid

• Stickstoffdioxid

• Quecksilber (elementar)

• Quecksilber (oxidiert)

Auswaschraten für

• Ammoniak

• Schwefeldioxid

• Stickstoffdioxid

• Quecksilber (oxidiert)


TROCKENE (LINKS) UND NASSE DEPOSITION IM VERGLEICH



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


STÄUBE 2002

• Sedimentations- und


Korngrößenklassen 1–4



STÄUBE 2017

• Sedimentations- und


Korngrößenklassen 1–4

• Auswaschraten für Korngrößenklassen 1–4

GERUCHSSTOFFE 2017

• ohne Berücksichtigung von Deposition

• Beurteilungsschwelle 0,25 GEE/m3


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.



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


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



Gute Übereinstimmung mit

Profilen von METRAS-PCL


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



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)



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.



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)



Ungewichtet:

Keine Häufigkeiten,

keine AKS,

standortunabhängig


SCHORNSTEINHÖHE – PRINZIP DES NEUEN VERFAHRENS (2)



Effektive Quellhöhe (alt)

Effektive Quellhöhe (neu)

Schornsteinbauhöhe

Abgasfahnenüberhöhung


SCHORNSTEINHÖHE – PRINZIP DES NEUEN VERFAHRENS (1)



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




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)






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


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 …



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



Referentenentwurf:

www.bmub.bund.de/N53642/

http://www.bmub.bund.de/N53642/


Vielen Dank für IhreAufmerksamkeitAlfred Trukenmüller

[email protected]

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