Page 1

ZÁKLADY DOPRAVNÍ TECHNIKY A DOPRAVNÍ PROSTŘEDKY ČÁST HLUK Z DOPRAVY A STANOVENÍ KONCENTRACÍ ZNEČIŠŤUJÍCÍCH LÁTEK V OVZDUŠÍ

Ing. Vítězslav Křivánek, Ph.D. RNDr. Jiří Huzlík

Ostrava 2012

Tyto studijní materiály vznikly za finanční podpory Evropského sociálního fondu a rozpočtu České republiky v rámci řešení projektu OP VK CZ.1.07/2.2.00/15.0462 „Virtuální vzdělávání v dopravě“.


Křivánek, V., Huzlík, J.

Název:

Základy dopravní techniky a dopravní prostředky (část hluk z dopravy a stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší)

Autoři:

Ing. Vítězslav Křivánek, Ph.D., RNDr. Jiří Huzlík

Vydání:

první, 2012

Počet stran:

65

Náklad:

50

Studijní materiály pro studijní obor Jazyková korektura: nebyla provedena.

Tyto studijní materiály vznikly za finanční podpory Evropského sociálního fondu a rozpočtu České republiky v rámci řešení projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost. Název: Virtuální vzdělávání v dopravě Číslo: CZ.1.07/2.2.00/15.0462 Realizace: Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava/Univerzita Pardubice

© Ing. Vítězslav Křivánek, Ph.D., RNDr. Jiří Huzlík © Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Univerzita Pardubice ISBN

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

2


Křivánek, V., Huzlík, J.

POKYNY KE STUDIU

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

3


Křivánek, V., Huzlík, J.

Při studiu každé kapitoly doporučujeme následující postup: Čas ke studiu: xx hodin Na úvod kapitoly je uveden čas potřebný k prostudování látky. Čas je orientační a může vám sloužit jako hrubé vodítko pro rozvržení studia celého předmětu či kapitoly. Někomu se čas může zdát příliš dlouhý, někomu naopak. Jsou studenti, kteří se s touto problematikou ještě nikdy nesetkali a naopak takoví, kteří již v tomto oboru mají bohaté zkušenosti.

Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět Popsat … Definovat … Vyřešit …

Ihned potom jsou uvedeny cíle, kterých máte dosáhnout po prostudování této kapitoly – konkrétní dovednosti, znalosti.

Výklad Následuje vlastní výklad studované látky, zavedení nových pojmů, jejich vysvětlení, vše doprovázeno obrázky, tabulkami, řešenými příklady, odkazy na animace.

Shrnutí pojmů Na závěr kapitoly jsou zopakovány hlavní pojmy, které si v ní máte osvojit. Pokud některému z nich ještě nerozumíte, vraťte se k nim ještě jednou.

Otázky Pro ověření, že jste dobře a úplně látku kapitoly zvládli, máte k dispozici několik teoretických otázek.

Klíč k řešení Výsledky zadaných příkladů i teoretických otázek jsou uvedeny v závěru učebnice v Klíči k řešení. Používejte je až po vlastním vyřešení úloh, jen tak si samokontrolou ověříte, že jste obsah kapitoly skutečně úplně zvládli.

CD-ROM Informace o doplňujících animacích, videosekvencích apod., které je možné si vyvolat z CD-ROMu nebo je lze nalézt na e-learningovém portálu Virtuálního vzdělávání v dopravě na: http://projekty.fs.vsb.cz/462/ .

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

4


Křivánek, V., Huzlík, J.

Další zdroje Seznam použité literatury, www odkazů apod., pro zájemce o dobrovolné rozšíření znalostí popisované problematiky.

Zajímavost k tématu Text obsahující různé doplňkové informace, které více či méně souvisí s tématem. Různé poznatky z praxe, nebo zajímavosti ze vzniku daného oboru či objevu, nebo jiné informace ze zákulisí uvedené problematiky.

Úspěšné a příjemné studium s tímto učebním textem Vám přejí autoři. Ing. Vítězslav Křivánek, Ph.D., RNDr. Jiří Huzlík

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

5


Křivánek, V., Huzlík, J.

OBSAH 1

2

HLUK Z DOPRAVY .................................................................................................... 8 1.1

Přístroje na měření hluku........................................................................................ 9

1.2

Hodnocení hluku .................................................................................................... 12 1.2.1

Hlukové indikátory a jejich hodnocení.............................................................. 12

1.2.2

ZMĚNY V NV Č. 272/2011 Změny v NV č. 272/2011 Sb................................. 14

1.3

Hygienická měření hlukové zátěže........................................................................ 15

1.4

Metody používané k měření hlučnosti vozovek ................................................... 18 1.4.1

Měření metodou SPB .......................................................................................... 20

1.4.2

Měření metodou CPX.......................................................................................... 23

1.4.3

Měření metodou OBSI ........................................................................................ 30

1.4.4

Měření hluku pneumatik .................................................................................... 31

STANOVENÍ KONCENTRACÍ ZNEČIŠŤUJÍCÍCH LÁTEK V OVZDUŠÍ ...... 35 2.1

Měření emisí motorových vozidel ......................................................................... 36 2.1.1

Zkušební cykly:.................................................................................................... 36 Zkouška ESC ....................................................................................................... 36 Zkouška ELR ....................................................................................................... 37 Zkouška ETC ....................................................................................................... 37

2.1.2

Analyzátory .......................................................................................................... 38 Stanovení oxidu uhelnatého (CO) ...................................................................... 38 Stanovení oxidu uhličitého (CO2) ....................................................................... 39 Stanovení uhlovodíků (HC) ................................................................................ 39 Stanovení uhlovodíků jiných než methan (NMHC) (jen pro plynové motory na NG) ......................................................................................................................... 39 Stanovení oxidů dusíku (NOx) ............................................................................ 39 Stanovení částic.................................................................................................... 39 Stanovení opacity (kouřivosti) ............................................................................ 41

2.1.3

2.2

Kalibrační plyny .................................................................................................. 42

Metody a principy měření kvality ovzduší ........................................................... 43 2.2.1

Měření koncentrací pevných částic .................................................................... 44

2.2.2

Měření chemického znečištění ovzduší .............................................................. 46

2.2.3

Měření meteorologických údajů......................................................................... 48

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

6


Křivánek, V., Huzlík, J. 2.3

Přístroje používané pro měření kvality ovzduší .................................................. 49 Vzorkovač ovzduší (nízko-, středně-, vysokoobjemový) .................................. 49 Analytické mikrováhy ......................................................................................... 50 UV fluorescenční SO2 analyzátor ...................................................................... 50 UV fluorescenční SO2 analyzátor s adaptérem pro stanovení H2S (TRS) ...... 50 Chemiluminescenční NO-NO2-NOx analyzátor ................................................ 51 IR CO analyzátor s korelačním filtrem ............................................................. 51 UV absorpční analyzátor ozónu ......................................................................... 52 Analyzátor s FID pro stanovení VOC (THC, CH4, nMHC) ............................ 52 GC/PID analyzátor pro stanovení benzenu, toluenu, ethylbenzenu a xylenů (BTEX) ........................................................................................................................ 53 Beta prachoměr ................................................................................................... 53

2.4

Metody odhadu podílu dopravy na znečištění ovzduší ....................................... 54 2.4.1

Chemical Mass Balance - CMB .......................................................................... 57

2.4.2

Pozitivní maticová faktorizace - PMF ............................................................... 59

2.4.3

Absolutní komponentní skóre - APCS ............................................................... 60

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

7


Hluk z dopravy Křivánek, V.

1

HLUK Z DOPRAVY

Odhaduje se, že celkem 2 miliardy obyvatel celého světa je vystaveno hladině hluku ze silniční dopravy většímu než 55 dB Lden, který je považován za škodlivý pro lidské zdraví (SZÚ, 2005). Jak uvádí (De Vos 2011) hlukem je zatíženo 125 milionů tj. 26 % obyvatel Evropské unie a situace se stále zhoršuje. Vztah mezi hlukem z prostředí a veřejným zdravím je nejvýznamnějším důvodem proč se sledování hlukové zátěže z okolního prostředí stalo jedním z hlavních témat legislativních opatření přijatých Evropskou komisí v posledních letech (European Commission, 1996). Demografický vývoj naznačuje, že se tyto údaje budou zhoršovat v desetiletích. Doprava v České republice, obdobně jako i v jiných vyspělých státech, tvoří jeden z hlavních antropogenních faktorů, který při svém rozvoji nepříznivě ovlivňuje kvalitu životního prostředí. Vzrůstající mobilita, rostoucí přepravní objemy a výkony v silniční dopravě jsou fenoménem několika posledních let. Prudce se zvyšuje množství osobních i nákladních vozidel, jejichž výroba a provoz jsou spojeny se zátěží životního prostředí. Hluk patří v dnešní době k nejrozšířenějším škodlivinám životního prostředí. Evropská unie definovala několik základních směrů technologického rozvoje v oblasti pozemní dopravy vedoucích ke snížení antropogenního znečištění (Hanson, et. al. 2004). K těmto směrům patří: -

udržitelná doprava,

-

ekologizace pozemní dopravy: snížení znečištění životního prostředí emisemi včetně rušení hlukem,

-

podpora nových technologií výroby dopravních prostředků vytváření infrastruktury komunikací.

Strategickým cílem směrnice, 2002/49/EC o hodnocení a řízení hluku ve vnějším prostředí. Cílem směrnice je snížit v EU v roce 2020 počet obyvatel zasažených hlukem o Ldvn (hlukový ukazatel pro celodenní obtěžování hlukem) nad 65 dB o 20 %. Tato směrnice ukládá členským státům povinnost vypracovat hlukové mapy území a na jejich základě pak vyhotovit Akční plány snižování emisí hluku pro aglomerace a okolí hlavních silnic. Cílem END je na základě stanovených priorit definovat společný přístup k vyvarování se, prevenci nebo omezení škodlivých či obtěžujících účinků hluku ve venkovním prostředí. Ze zpracovaných akčních hlukových plánů vyplývá, že těchto smělých výsledků nepůjde dosáhnout jen pomocí budování protihlukových stěn a vytváření nejrůznějších přeložek komunikací, což jsou v drtivé většině návrhy jak snížit nadměrný hluk v kritických místech, které vyplynuly z prvního kola strategického hlukového mapování. V roce 2008 Ministerstvo zdravotnictví ČR zveřejnilo strategické hlukové mapy pro Českou republiku. Hlukové mapování potvrdilo, že zcela zásadním zdrojem nadlimitního hluku v České republice je silniční doprava. V ČR se hluk z dopravy podílí na celkové hlukové zátěži více jak 95%. Naopak doprava železniční se na hlukové zátěži podílí zcela VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

8


Hluk z dopravy Křivánek, V. minimálně. Celková míra hlukového zatížení v České republice je v současnosti odhadována až na půl milionu osob žijících v hluku, který překračuje hygienické limity. Podle údajů Světové zdravotnické organizace dlouhodobá expozice hlukem nad 55 decibelů znamená vážné obtěžování a může způsobit vznik řady onemocnění. Hluk nad 65 dB je lékaři uváděn již jako dlouhodobě nesnesitelný, který prokazatelně poškozuje zdraví lidí, kteří jsou takové hodnotě vystaveni. Po pěti letech žití v hlučném prostředí je podle lékařů jednoznačně diagnostikovatelný vztah mezi hlukovou zátěží a nemocemi, které hluk způsobuje nebo prohlubuje (Šlachtová, Michalík, 2007). Intenzita hluku se vyjadřuje v decibelech [dB]. Nárůst této veličiny není symetrický, jak je tomu třeba u jednotek hmotnosti nebo délky. Decibel je logaritmická veličina – nárůst hluku o 3 dB znamená zdvojnásobení objemu hluku. Při nárůstu o 10 dB je hluk desetinásobný, při nárůstu o 20 dB stonásobný. Pak rozdíl mezi 20 dB a 40 dB je mnohem menší, než rozdíl mezi 60 dB a 80 dB. Pokud je například hluk o několik decibelů nad limitem, působí tato informace na první pohled mylným dojmem, že jde jen o mírné překročení, ovšem není tomu tak. Opatření mohou být jednak na straně komunikací (např. protihlukové stěny, průchody pro zvěř), vozidel legislativy (povinné emisní a hlukové limity, zpoplatnění vybraných úseků komunikací, parkovné v centrech měst), podpora využívání méně škodlivých druhů dopravy (veřejná doprava – zavádění integrovaných systémů, preference vozidel MHD na křižovatkách; kombinovaná doprava – zavádění logistických řetězců umožňujících přepravu environmentálně příznivějšími druhy dopravy; nemotorová doprava – vytváření podmínek pro pěší a cyklisty). Zastřešující rámec pak mají komplexní opatření organizačního charakteru – zavádění mobility managementu (řízení poptávky po dopravě), územně-plánovací opatření (snižování celkové poptávky po dopravě formou návrhu vhodné struktury území) nebo podpora vzdělávání pro udržitelnou dopravu (Frič a kol., 2010). Zodpovědný přístup k rozvoji dopravních systémů bude jedním z klíčových předpokladů dalšího vývoje měst i venkova směrem k trajektorii udržitelného rozvoje. Ačkoliv se může v současnosti zdát, že některá opatření směřující k omezení negativních dopadů dopravy na životní prostředí mají za následek násilné omezování podnikatelské svobody a ekonomické expanze, umožní nám v budoucnu se vyhnout daleko větším problémům, jejichž řešení bude daleko dražší a náročnější pro celou společnost.

1.1 Přístroje na měření hluku Čas ke studiu: 15 minut Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět Popsat základní zvukoměrný řetězec. Zdůvodnit používání váhových filtrů. Vysvětlit funkci a složení mikrofonu.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

9


Hluk z dopravy Křivánek, V.

Výklad Pro měření hluku z dopravy (a nejen z dopravy) se používají zvukoměry, případně s ohledem na další zpracování signálu rovněž analyzátory. Tyto měřicí přístroje musí splňovat podmínky dané normou IEC 61672 a obsahovat váhový filtr A. Normou jsou popsány 2 třídy přesnosti, a to třída 1 a třída 2. Technické požadavky na zvukoměry těchto tříd mají obecně stejné jmenovité charakteristiky a liší se hlavně v tolerancích a rozsahu provozních teplot (tolerance technických požadavků pro třídu 2 jsou širší), (ČSN EN 61672-1, 2003). Před započetím a po ukončení měření musí být měřící systém včetně mikrofonu zkontrolován kalibrátorem. Akustické kalibrátory popisuje norma IEC 60942, která specifikuje 3 třídy: LS (laboratorní etalon), třída 1, třída 2. Tolerance jsou nejmenší pro přístroje třídy LS a největší pro přístroje třídy 2 (ČSN EN 61672-2, 2004). Zvukoměrem rozumíme měřící řetězec, který obsahuje mikrofon, ústrojí zpracovávající signál a indikační zařízení, viz Obrázek 1.1. V zásadě by pro měření postačoval měřící řetězec, který se skládá ze snímače, zesilovače a měřidla. Takto sestavené měřidlo by však mohlo měřit akustický tlak pouze pro jednoduchý periodický signál. Elektrický signál, který vystupuje z mikrofonu má většinou malé amplitudy a musí být před dalším zpracováním zesílen předzesilovačem. Zesílený elektrický signál dále pomocí odpovídajících elektronických zařízení různými způsoby zpracováváme. Jednou z možností je použití váhových filtrů, které jsou přímo nastavitelné v softwaru zvukoměru (Smetana a kol., 1998).

Obrázek 1.1 - Zvukoměrný řetězec (Smetana a kol., 1998). Váhové filtry jsou zařízení s kmitočtovými charakteristikami, které odpovídají charakteristikám lidského sluchu a používají se ke korigování kmitočtu (zvuk v různém kmitočtu je vnímán sluchem s nestejnou citlivostí). Mezinárodně standardizované jsou filtry označené A, B, C a D. Nejpoužívanější je váhový filtr A, který měřený signál zpracovává se zřetelem na pokud možno dokonalou aproximaci převrácené křivky stejné hlasitosti odpovídající nízkým hladinám akustického tlaku. Příčina méně častého použití filtrů B a C je ta, že výsledky měření nesouhlasí dobře s výsledky subjektivních zkoušek. Filtr D se používá při měření leteckého hluku.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

10


Hluk z dopravy Křivánek, V. Zobrazovací jednotka je většinou digitální, ale její dynamické vlastnosti jsou odvozeny od ručkových měřidel, u kterých rychlost reakce závisí na mechanických a elektrických vlastnostech zařízení. Tímto je udávána časová konstanta, která je normou stanovená na S (slow) – vyhodnotí průměrnou hodnotu měřené hodnoty signálu za uplynulou 1s a F (fast) – vyhodnotí posledních 200 ms (Smetana a kol., 1998). Nejdůležitější částí celého měřícího řetězce je snímač – mikrofon. Nejčastěji používaný je mikrofon kondenzátorový, a to z důvodů vysoce stabilní provozní spolehlivosti. Mají nízký šum, lineární frekvenční charakteristiku v celém slyšitelném spektru a vysokou citlivost. Funkce tohoto typu mikrofonu je založena na principu vzduchového kondenzátoru, který se skládá z tenké kovové membrány a stabilní desky umístěné proti ní. Změna akustického tlaku vyvolá změnu vzdáleností těchto elektrod, což se projeví jako změna kapacitance. Vzhledem k požadavku co největší citlivosti je nutná co nejmenší zbytková kapacitance, což je vlastnost závislá na dalším prvku – mikrofonním předzesilovači – který musí být co nejblíže vlastnímu mikrofonu a co nejmenší. Mikrofon a předzesilovač tzv. mikrofonní vložka, viz Obrázek 1.2, bývají konstruovány jako jeden celek.

Obrázek 1.2 - Konstrukční uspořádání mikrofonní vložky (Smetana a kol., 1998). Jak bylo uvedeno, kromě zvukoměru se můžeme setkat i s pojmem analyzátor. Toto zařízení bylo primárně určeno pro třetinooktávovou, oktávovou a FFT analýzu různých signálů a bylo výkonnější než zvukoměr. Nyní s rozvojem digitálních technologií a miniaturizace současné zvukoměry obsahují možnosti, které dříve zastal analyzátor. V současné době analyzátorem rozumíme zařízení více či méně stacionární používané pro rozsáhlejší měření a analýzy. S využitím dalších přístrojů spolu se zvukoměrem, viz Obrázek 1.3, který tvoří základ měřícího řetězce, lze posuzovat hluk dopravy i v širších souvislostech. Jelikož při rychlostech cca od 40 km/h výše je v automobilové dopravě dominantní hluk vznikající stykem pneumatika/vozovka zaměřuje se sledování hluku z dopravy právě tímto směrem.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

11


Hluk z dopravy Křivánek, V.

Obrázek 1.3 - Zvukoměr a zvukoměrná sada pro měření v terénu.

Shrnutí pojmů 1.1. Váhový filtr, mikrofon.

Otázky 1.1. 1. Jaký je princip zvukoměru? 2. Popište části mikrofonu.

1.2 Hodnocení hluku Čas ke studiu: 30 minut Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět Popsat pojem ekvivalentní hladina akustického tlaku. Definovat hygienické limity pro jednotlivé zdroje hluků. Vysvětlit základní teze navrhovaného nového zákona o hluku.

Výklad Vnímání hluku je čistě subjektivní pocit, který se může lišit s vysokou mírou individuality. Přestože je hluk vnímán subjektivně, je nutné stanovit teoretickou fyzikální míru přípustné hlukové expozice. Dle světové zdravotnické organizace WHO rozlišujeme působení hluku dle jeho intenzity a doby expozice. 1.2.1 Hlukové indikátory a jejich hodnocení Při hodnocení vlivu hluku ve venkovním prostoru se postupuje podle hodnot hluku vyjádřených v ekvivalentních hladinách akustického tlaku LAeq (tedy v časově integrovaných hodnotách hluku) a dalších kritérií ve vazbě na způsob využití území, druhy zdrojů hluku atd.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

12


Hluk z dopravy Křivánek, V. Takové vyjádření vlivu hluku však není dokonalé, nepříznivé účinky hluku záleží i na jeho dalších vlastnostech, jako je maximální hladina hlukových událostí, jejich frekvence v čase nebo denní době. Převládající způsob hodnocení hluku dle ekvivalentní hladiny je však užitečný, srovnáváme-li vzájemně podobné hlukové situace. V běžné praxi se podle ekvivalentních hladin posuzuje ustálený nebo proměnný hluk, jako např. hluk z dopravy, hluk z většiny průmyslových zdrojů apod. Předpokládá se, že souhrnný efekt hlukových událostí vnímaných člověkem je úměrný součtu jejich zvukové energie (princip stejné energie). Proto se stanovuje jako průměr celkové energie za určitý čas T (16 hodin, 8 hodin, 1 hodina apod.), tj. ekvivalentní hladina akustického tlaku LAeq,T, která je odvozena integrací hlukových úrovní s váhovým filtrem A, který záznam hluku přizpůsobuje citlivosti lidského sluchového orgánu. Podle platných právních předpisů jsou v ČR pro hodnocení vlivu hluku z dopravy ve venkovním prostoru stanoveny hlukové indikátory časově vztažené na: -

Denní doba – LAeq,16h = ekvivalentní hladina akustického tlaku stanovená pro celou denní dobu (délka 16 hodin, od 6 do 22 hodin).

-

Noční doba – LAeq,8h = ekvivalentní hladina akustického tlaku stanovená pro celou noční dobu (délka 8 hodin, od 22 do 6 hodin).

Hodnota těchto hlukových indikátoru může být zjišťována měřením nebo výpočtem. Výpočet pomocí hlukového modelování je např. pro účely územního plánování vhodnější a z hlediska možnosti podchycení připravovaných změn je jedině možným způsobem. Pro hlukové modelování různých zdrojů hluku byly vyvinuty odpovídající výpočtové metody, které moderní výpočtové programy ve svém algoritmu zahrnují. Hygienické limity hluku v ČR jsou dány (novým) nařízením vlády č. 272/2011 Sb., o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací (Nařízení vlády č.272/2011 Sb). Pro hluk ze silniční dopravy jsou stanoveny následovně: -

Použije-li se korekce pro starou hlukovou zátěž z pozemních komunikací, v chráněném venkovním prostoru staveb: LAeq,16h = 70 dB pro denní dobu (6.00 - 22.00 hod). LAeq,8h = 60 dB pro noční dobu (22.00 - 6.00 hod).

-

Nepoužije-li se korekce pro starou hlukovou zátěž z pozemních komunikací, v chráněném venkovním prostoru staveb pro hluk v okolí hlavních pozemních komunikací, kde hluk z dopravy na těchto komunikacích je převažující: LAeq,16h = 60 dB pro denní dobu (6.00 - 22.00 hod). LAeq,8h = 50 dB pro noční dobu (22.00 - 6.00 hod).

-

V chráněném venkovním prostoru staveb pro hluk z dopravy na pozemních komunikacích, s výjimkou účelových komunikací: LAeq,16h = 55 dB pro denní dobu (6.00 - 22.00 hod). LAeq,8h = 45 dB pro noční dobu (22.00 - 6.00 hod).

Pro hluk z drážní dopravy jsou stanoveny následovně: VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

13


Hluk z dopravy Křivánek, V. -

V chráněném venkovním prostoru v ochranném pásmu drah 60 m: LAeq,16h = 60 dB pro denní dobu (6.00 - 22.00 hod). LAeq,8h = 55 dB pro noční dobu (22.00 - 6.00 hod).

-

V chráněném venkovním prostoru mimo ochranné pásmo drah: LAeq,16h = 55 dB pro denní dobu (6.00 - 22.00 hod). LAeq,8h = 50 dB pro noční dobu (22.00 - 6.00 hod).

Pro hluk ze stacionárních zdrojů (průmyslové objekty) v chráněném venkovním prostoru staveb: LAeq,8h = 50 dB pro denní dobu (6.00 - 22.00 hod). LAeq,1h = 40 dB pro noční dobu (22.00 - 6.00 hod). Závazné stanovení nejvyšších přípustných hodnot hluku pro chráněný venkovní prostor je oprávněn provádět pouze příslušný orgán ochrany veřejného zdraví. Při dokladovaném splnění nejvyšších přípustných hodnot hluku v definovaném venkovním prostoru, lze rovněž předpokládat splnění i nejvyšších přípustných hodnot hluku ve vnitřních chráněných prostorách např. staveb pro bydlení nebo staveb občanského vybavení. V jedné mapě může mít více různorodých oblastí různé mezní limity, jak shrnuje Obrázek 1.4.

Obrázek 1.4 - Barevná škála (izofony) odpovídají limitním hodnotám. 1.2.2 ZMĚNY V NV Č. 272/2011 Změny v NV č. 272/2011 Sb. Dne 24. 8. 2011 odsouhlasila vláda nové nařízení vlády č. 272/2011 Sb. o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací, jež nabylo účinnosti 1. 11. 2011 (Nařízení vlády č.272/2011 Sb.) a ruší tímto původní Nařízení vlády č. 148/2006 Sb. Oproti starší verzi NV č. 148/2006 Sb. je provedeno v tomto právním předpisu několik změn. Z hlediska hygienických limitů hluku v ČR jsou stanovené hodnoty totožné v původním NV č. 148/2006 Sb. a v aktualizovaném NV č. 272/2011 Sb. Ovšem zásadním detailem je způsob hodnocení výsledků. Zatímco dříve nebyl striktně dán způsob vyhodnocení výsledků měření (simulací) hluku a mnohé orgány ochrany veřejného zdraví při posuzování různorodých záměrů požadovali prokázání dodržení limitů hluku na straně

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

14


Hluk z dopravy Křivánek, V. bezpečnosti při započítání nejistoty. Nyní § 20 odst. 3 říká „Výsledná hodnota hladiny akustického tlaku A prokazatelně nepřekračuje hygienický limit, jestliže výsledná ekvivalentní hladina akustického tlaku A po odečtení hodnoty kombinované rozšířené nejistoty je rovna nebo je nižší než hygienický limit…“.

Zajímavost k tématu Ministerstvo zdravotnictví v září 2012 předložilo do meziresortního připomínkového řízení návrh věcného záměru zákona o ochraně veřejného zdraví před hlukem a řízení hluku v komunálním prostředí (zákon o hluku). Zákon je vypracován v souladu s Programovým prohlášením vlády České republiky a usnesením vlády č. 69 z 26. ledna 2011. Předpokládané předložení dokumentu k projednání vládě je plánováno na rok 2014. Strategickým cílem této novely je překonat stávající roztříštěnost v oblasti právních předpisů regulujících hluk. Navrhovaný zákon má charakter kodexu, protože problematika regulace hluku v komunálním prostředí zasahuje do kompetence řady resortů. Je navrhován vznik Národní rady pro hluk, která by fungovala při Úřadu vlády. Nový návrh zákona dbá na maximální uplatnění principů subsidiarity a sdílené odpovědnosti. Pro regulaci dopadů hluku z dopravy ve venkovním prostoru dochází k opuštění systému právně vymahatelných pevných hygienických limitů. Návrh zákona zavádí ve shodě s přístupem řady evropských zemí institut hlukových zón, které představují odstupňovanou míru zdravotního rizika (Hellmuth, 2012).

Shrnutí pojmů 1.2. LAeq - (equivalent continuous A-weighted sound pressure level) - ekvivalentní hladina akustického tlaku LAeq (vážená filtrem typu A). LAeq,T - ekvivalentních hladina akustického tlaku za určitou dobu. Izofona - je čára, spojující místa o stejných hodnotách hladin akustického tlaku.

Otázky 1.2. 3. Jak jsou stanoveny dle právních předpisů hlukové indikátory pro hodnocení vlivu hluku z dopravy? 4. Jaká změna z hlediska hodnocení hluku je v NV č. 272/2011Sb.?

1.3 Hygienická měření hlukové zátěže Čas ke studiu: 20 minut Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět Popsat provádění měření hluku v mimopracovním prostředí. Definovat podmínky měření. Vysvětlit význam pojmu hladiny hlukové expozice.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

15


Hluk z dopravy Křivánek, V.

Výklad Hluková zátěž naší populace je způsobena přibližně ze 40 % z pracovního prostředí a z 60 % z mimopracovního prostředí. Hlavním zdrojem hluku v mimopracovním prostředí je doprava, dále se uplatňuje hluk související s bydlením a s trávením volného času. Měření hluku se řídí obecně platnými metodikami schválenými Ministerstvem zdravotnictví. Metodické vedení při provádění měření v mimopracovním prostředí zajišťuje Národní referenční laboratoř pro měření a posuzování hluku v komunálním prostředí v Ústí nad Orlicí. K provádění měření a zpracování výsledků z mimopracovního prostředí získaných z daného měření v terénu existují následující předpisy a metodiky: -

-

ČSN ISO 1996-1 akustika, Popis a měření hluku prostředí, část 1: Základní veličiny a postupy, 2004. ČSN ISO 1996-2 akustika, Popis a měření hluku prostředí, část 2: Určování hladin hluku prostředí, 2009. KOZÁK, J., LIBERKO, M. Novela metodiky pro výpočet hluku ze silniční dopravy, Příloha zpravodaje Ministerstva životního prostředí, 1996, č.3, kap. Metodika měření hluku silniční dopravy, s. 11-16. Metodický návod pro měření a hodnocení hluku v mimopracovním prostředí, ze dne 11. 12. 2001 vydaný pod č.j. HEM–300–11.12.01–34065. Metodický návod pro hodnocení hluku v chráněném venkovním prostoru staveb ze dne 1. 11. 2010 vydaný pod č.j. 62545/2010-OVZ-32.3-1. 11, 2010.

Objektivita získaných dat, je zajištěna tím, že měření se provádí za normou přesně specifikovaných podmínek. Např. místo měření má být takové, aby se hluk mohl volně šířit, přičemž prostor kolem mikrofonů na obou stranách musí být v poloměru rovnajícího se alespoň 3 násobku měřené vzdálenosti bez velkých odrazivých objektů. Prostor mezi mikrofonem a vozidlem nesmí být zamokřen a musí být bez látek pohlcujících hluk (sníh, vysoká vegetace) nebo s odrazivým povrchem (voda). Tedy pro objektivní měření hluku, se musí vlastní měření provádět za určitých podmínek. Navíc hluk, nelze například měřit za nepříznivého počasí (silný vítr, déšť, sněžení). Měřící mikrofon bývá typicky umístěn do vzdálenosti 7,5 m od středu jízdního pruhu komunikace či středu kolejnice nebo se měření provádějí 2 m před fasádou chráněného objektu. Délka jednotlivých náměrů bývá různá, závisí na intenzitě dopravy v daném místě i na tom k čemu budou výsledky měření použity. Při měření je doporučeno vždy provádět sčítání dopravy, jelikož hluk z dopravy je na intenzitě přímo závislý. Navíc v případě kratších náměrů se celková 24 hodinová a 16 hodinová denní, resp. 8 hodinová noční intenzita silniční dopravy určuje pomocí přepočtových koeficientů uvedených v Technických podmínkách TP č. 189 - „Stanovení intenzit dopravy na pozemních komunikacích (II. doplněné vydání)“, které byly schváleny Ministerstvem dopravy dne 5. června 2012 s účinností od 6. června 2012. Z těchto hodnot následně lze provést výpočet hluku pro tyto intenzity silniční dopravy v softwaru modelově pro měřenou vzdálenost od osy vozovky. Tento výpočet je nejpřesnějším odhadem dlouhodobé hladiny hluku v měřeném místě.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

16


Hluk z dopravy Křivánek, V. Nejistoty jsou popsány v dokumentu Metodiky měření hluku silniční dopravy in Novela metodiky pro výpočet hluku ze silniční dopravy, (příloha Zpravodaje MŽP č.3, březen 1996 a Metodickém návodu MZ ČR č.j. HEM-300-11.12.01-34065, metodický návod pro měření a hodnocení hluku v mimopracovním prostředí). Odhad nejistoty měření je v kompetenci zkušební laboratoře, nejde v principu o konstantní číslo, protože je závislé na více faktorech, mezi jinými i na chování zdroje hluku v čase. Hodnoty, uvedené v metodickém návodu jsou tedy pouze obecné odhady. Hodnota nejistoty musí být taková, aby se další měření nelišilo od původního o více než nejistoty měření, přesněji, aby intervalové odhady nejistot obou měření měly společný průnik. V případě železničního hluku se používá metoda měření hladiny hlukové expozice SEL. Hladina hlukové expozice (Sound Exposure Level - SEL) je hodnota ekvivalentní hladiny přepočtená na dobu 1 s. Výhodou SEL vyjádření je, že pro popis každého jednotlivého případu dostačuje jediný údaj místo udávání ekvivalentní trvalé hladiny spolu s odpovídající dobou působení. Moderní digitalizované zvukoměry udávají hodnotu SEL přímo a okamžitě jako výsledek sledovaného případu. Hlavní výhodou potom je zejména naměření pouze vybraných průjezdů určitých typů vlaků a dopočítání ekvivalentní hladiny hluku z počtu průjezdů těchto jednotlivých typů vlaků za časovou jednotku. To vše je realizováno pro denní i noční dobu. Princip výpočtu tedy spočívá v naměření hodnoty SEL pro hlavní druhy vlaků a dále zjištění počtu těchto vlaků během dne a noci. Měření hluku vyzařovaného kolejovými vozidly je podrobně popsáno v normě ČSN EN ISO 3095, kde je uveden i popis dalších možných měření na železnici. Osa mikrofonu při měření hluku kolejových vozidel musí být vodorovná a směřovat kolmo ke koleji. Použitelné polohy mikrofonů jsou uvedeny na Obrázek 1.5. Není nezbytné měřit ve všech znázorněných polohách, ale zvolené polohy mikrofonů musí odpovídat jedné nebo více z definovaných poloh.

Obrázek 1.5 - Příčné polohy mikrofonů při měření hluku kolejových vozidel.

CD-ROM Ukázka z terénu - měření silničního hluku dle ČSN ISO 1996-1, ČSN ISO 1996-2.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

17


Hluk z dopravy Křivánek, V.

Shrnutí pojmů 1.3. ČSN ISO 1996, Metodický v mimopracovním prostředí, SEL.

návod

pro

měření

a

hodnocení

hluku

Otázky 1.3. 5. Jaké musí být zachovány podmínky pro měření hluku? 6. Proč se v případě měření železničního hluku využívá metoda měření hladiny hlukové expozice? 7. V jakých vzdálenostech se provádí typicky měření hluku ze silniční a železniční dopravy?

1.4 Metody používané k měření hlučnosti vozovek Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět Popsat metody pro měření styku pneumatika/vozovka. Definovat jednotlivé složky hluku ze silniční dopravy. Vysvětlit způsoby provádění jednotlivých měření hlučnosti.

Výklad Zásadním zdrojem nadlimitního hluku v České republice je silniční doprava. I v jiných vyspělých státech představuje silniční doprava hlavní zdroj hlukové zátěže. Mezi zdroje automobilového hluku patří především následující části: -

hnací jednotka vozidla (motor, chladič, převodová soustava, výfuk),

-

pneumatiky vozidla (odvalování pneumatik po povrchu vozovky),

-

aerodynamika vozidla (obtékání vzduchu kolem vozidla),

-

brzdy vozidla,

-

karoserie vozidla (její „drnčení“),

-

náklad vozidla.

Při nízkých rychlostech (cca do 40 km/h u osobních vozidel a cca do 60 km/h u nákladních vozidel) je u vozidel vybavených spalovacím motorem dominantním zdrojem hluku hnací jednotka (Schuganin, 2006). Při vyšších rychlostech začíná převládat hluk od pneumatik, způsobený jejich odvalováním po vozovce, který je dominantní přibližně až do rychlosti 200 km/h. Při ještě vyšších rychlostech se stává dominantním zdrojem hluku -

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

18


Hluk z dopravy Křivánek, V. aerodynamický hluk, zapříčiněný obtékáním vzduchu kolem vozidla (Leeuwen et. al., 2007). Vyobrazení závislosti mezi převažujícím hlukem a rychlostí je na Obrázek 1.6.

Obrázek 1.6 - Vliv rychlosti na hladinu akustického tlaku. V rámci většiny hlavních komunikací a povolených rychlostních limitů, tak převládající složkou hluku je styk pneumatiky s vozovkou. Snižování hluku, vznikajícího mezi pneumatikou a vozovkou, prostřednictvím hluk snižující povrchové vrstvy vozovky představuje reálné opatření na straně zdroje (Ahammed, Tighe, 2008). Proto velmi důležitou úlohu ve snižování dopravního hluku hrají povrchy vozovek se sníženou hlučností, jelikož k efektu tiššího povrchu vozovky dochází okamžitě po pokládce. Následně emise hluku, které při styku pneumatika/vozovka nevznikají, nemusí být nákladně snižovány dalšími protihlukovými opatřeními. Tento trend v současnosti představuje moderní dopravně inženýrské řešení v silniční dopravě. Hluk pneumatika/vozovka je způsoben kombinací různých fyzikálních procesů, které rozdělujeme do několika hlavních skupin (Morgan, 2008): -

nárazy a otřesy způsobené změnami interakčních sil mezi běhounem pneumatiky i povrchem vozovky,

-

aerodynamické procesy mezi běhounem pneumatiky a vozovkou i v běhounu pneumatiky,

-

adheze a drobné pohyby (micro-movement) pryžového běhounu na povrchu vozovky,

-

vibrace pneumatiky (Bernhard, Wayson, 2005).

Podíl jednotlivých mechanismů na celkovém hluku pneumatika/vozovka se liší podle typu vozidla (osobní, nákladní, motocykl) a pneumatiky. Navíc je třeba odlišovat hluk vnitřní (uvnitř vozidla) a vnější (hluk od vozidla). Oba jsou tvořeny odlišnými způsoby a projevují se u nich jiné vlastnosti pneumatiky a automobilu jako celku. Realizace spolehlivých akustických měření je nezbytnou podmínkou pro korektní vyhodnocení vlivu povrchů vozovek na dopravní hluk. Žádná z používaných metod však není vhodná resp. praktická pro všechny aplikace a je tedy používáno vícero metod. Pro měření VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

19


Hluk z dopravy Křivánek, V. silničního hluku, který vzniká odvalováním pneumatiky po vozovce, se v terénu při běžném provozu používají následující metody SPB (statistická metoda při průjezdu) a CPX (metoda malé vzdálenosti) – v USA se využívá metoda OBSI (On Board Sound Intensity), ovšem existují i další specializované metody CP (Coast-By), CPB (Controlled Pass-By), které se používají na specializovaných drahách. Přehled je uveden v Tab. 1.1. Tab. 1.1 - Metody používané pro měření akustických vlastností vozovek. Název metody SPB (Statistical Pass-By) CPB (Controlled Pass-By) CB (Coast-By) CPX (CloseProXimity) OBSI (On Board Sound Intensity)

Princip metody Vozidla v dopravním proudu míjejí postranní mikrofon. Zjišťuje se typ vozidla, jeho rychlost a maximální hladina hluku. Za použití více než 100 osobních a 80 nákladních vozidel a následné regrese se počítá normalizovaná hladina hluku pro 50, 80 a 110 km/h (osobní vozidla), 50, 70 a 85 km/h (těžká vozidla). Podle rychlostí rozeznává 3 kategorie silničních komunikací: nízká (45-64 km/h), střední (65-99 km/h), vysoká (100 a více km/h). Výsledkem je Statistical Pass-By Index (SPBI). Vybrané automobily s vybranými pneumatikami míjejí mikrofon se zapnutým motorem. Měří se maximální hladina hluku, dále se počítá průměrná hodnota pro konkrétní rychlosti Testovací automobil s testovanými pneumatikami míjí mikrofon s vypnutým motorem při různých rychlostech. Obvykle se měří maximální hladina hluku, pomocí regrese se zjišťuje hladina hluku pro referenční rychlosti (80 km/h pro osobní, 70 km/h pro nákladní). Referenční pneumatika osazená na měřicím přívěsu taženém za automobilem (případně namontovaná na měřicím automobilu) se nechá odvalovat po testované dráze s mikrofony připevněnými v její blízkosti. Pro referenční rychlosti je zaznamenávána průměrná hladina akustického tlaku pro každý segment silniční komunikace, výsledkem je index CPXI. Podobná CPX metodě, používá však místo mikrofonů sondy akustické intenzity tj. není citlivá na okolní hluk, nepotřebuje speciální přívěs.

1.4.1 Měření metodou SPB Tato metoda je podrobně popsána v normě ISO 11819-1 - Acoustics - Method for measuring the influence of road surfaces on traffic noise - Part 1: The statistical pass-by method (česká verze: ČSN ISO 11819-1, 2000). Metoda je použitelná pro neomezovaný dopravní proud, pohybující se konstantní rychlostí, při povolených rychlostech 50 km/h a vyšších. Pro jiné jízdní podmínky, kdy dopravní proud je omezován, např. na křižovatkách a při dopravních kongescích, je však povrch vozovky méně významný. ČSN ISO 11819-1 popisuje SPB jako metodu porovnávání dopravního hluku na různých površích vozovek pro různé složení silniční dopravy sloužící k vyhodnocení různých typů povrchů vozovek. Určitému povrchu vozovky se přiřadí hladiny akustického tlaku, reprezentující lehká nebo těžká vozidla jedoucí zvolenými rychlostmi. Principem je současné měření maximální hladiny akustického tlaku A statisticky významného počtu jednotlivých vozidel (jsou rozděleny do 3 kategorií) při průjezdu na určeném místě vozovky spolu s jejich rychlostí – ukázka je na Obrázek 1.7 (a dále pak video ukázka měření metodou SPB z terénu viz níže). Měří se pouze taková jednotlivá projíždějící vozidla, která lze jasně akusticky odlišit od ostatního silničního provozu na komunikaci. Přičemž korektních VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

20


Hluk z dopravy Křivánek, V. měření jednotlivých průjezdů vozidel musí minimálně být 100 pro osobní vozidla, 30 pro dvounápravová těžká vozidla a 30 pro vícenápravová těžká vozidla, avšak celkem těžkých nákladních vozidel (obě kategorie dohromady) musí být změřeno nejméně 80.

Obrázek 1.7 - Měření metodou SPB (mikrofon a dopplerovský radar). Horizontální vzdálenost mikrofonu od osy pruhu, v němž se měřené vozidlo pohybuje, musí být 7,5 ± 0,1 m, vertikální vzdálenost nad rovinou jízdního pruhu musí být 1,2 ± 0,1 m, viz Obrázek 1.8.

Obrázek 1.8 - Poloha měřícího mikrofonu při metodě SPB (ČSN ISO 11819-1). Z každé zaznamenané hladiny při průjezdu a příslušné rychlosti vozidla se vypočte regresní přímka závislosti maximální hladiny akustického tlaku A na logaritmu rychlosti pro VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

21


Hluk z dopravy Křivánek, V. každou kategorii vozidel. Z této přímky se určí průměrná maximální hladina akustického tlaku A pro referenční rychlost, viz Obrázek 1.9. Tato hladina se nazývá hladina akustického tlaku vozidla a značí se Lveh. Pro účely výpočtu celkového výsledného indexu o akustickém provedení povrchu vozovky se Lveh pro osobní vozidla, dvounápravová těžká vozidla a vícenápravová těžká vozidla výkonově sečtou, za předpokladu určitého poměru těchto kategorií vozidel. Tento index se nazývá statistický index při průjezdu (SPBI) a lze ho použít pro porovnání povrchu vozovek, viz Obrázek 1.10.

Obrázek 1.9 - Regresní přímka závislosti maximální hladiny akustického tlaku A na logaritmu rychlosti pro cementobetonový povrch vozovky (Cholava, 2010.) Výhody SPB: -

poměrně velmi přesná metoda,

-

bere v úvahu nejenom hluk způsobený odvalováním pneumatiky, ale i další vlivy (např. absorpci hluku motoru vozovkou),

-

dobře zahrnuje vliv všech typů vozidel (lehkých i těžkých).

Nevýhody SPB: -

pouze bodová metoda,

-

velmi náročná na volbu měřícího místa,

-

při měření se zaznamená maximální hladina hluku při průjezdu vozidla – i náhodná událost může způsobit maximální hladinu hluku (zejména u nákladních vozidel),

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

22


Hluk z dopravy Křivánek, V. -

skladba dopravního proudu nemusí být vždy konstantní (může být závislá na čase a místě – např. u velkých průmyslových závodů či staveb může být více zastoupen jistý druh nákladních vozů),

-

v některých státech se používají jiné pneumatiky v létě a v zimě – rozdílné výsledky v zimě a v létě,

-

v budoucnosti se nemusí používat stále stejné pneumatiky (proto např. stejný dopravní proud může dát jiné výsledky v roce v roce 2007 a 2015); podle výzkumů však tato změna nebyla v minulosti velká a nepředpokládá se to ani v blízké budoucnosti.

Obrázek 1.10 - Srovnání hlučnosti asfaltových povrchů různého stáří metodou SPB.

CD-ROM Ukázka z terénu - měření hluku styku pneumatika/vozovka metodou SPB. 1.4.2 Měření metodou CPX CPX metoda je podrobně popsána v návrhu normy (ISO/CD 11819-2, 2000) Acoustics – Method for measuring the influence of road surfaces on traffic noise – Part 2: The Close Proximity Metod. Finální verze normy zatím nebyla vydána. Princip měření je založen na zaznamenávání hladiny akustického tlaku A emitované jednou nebo dvěma testovacími referenčními pneumatikami na testovaném úseku společně s rychlostí testovaného vozidla. Hladiny akustického tlaku snímá pětice mikrofonů u každého kola (Cholava, 2010). Pro měření je používáno speciální vozidlo s vlastním pohonem nebo VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

23


Hluk z dopravy Křivánek, V. přívěs (otevřený, uzavřený) tažený za jiným vozidlem, který je osazen speciálními pneumatikami. Rozmístění měřících mikrofonů je vyobrazeno na Obrázek 1.11.

Obrázek 1.11 - Rozmístění pěti měřících mikrofonů kolem referenční pneumatiky pro metodu CPX (ISO/CD 11819-2). Měření jsou prováděna se záměrem určení hladiny hluku pneumatika/vozovka Ltr na jedné nebo více z referenčních rychlostí (starý návrh normy 50, 80 a 110 km/h, nový návrh normy 40, 50, 80 a 100 km/h). To se může provést měřením při rychlosti blízké referenční rychlosti nebo měřením v širším rychlostním rozsahu a použitím vhodného normalizačního přepočtu pro rychlostní odchylky. Při měření jsou tedy spolu s rychlostí vozidla zaznamenávány průměrné hladiny hluku, které odpovídají konkrétnímu povrchu. Společnost Centrum dopravního výzkumu, v. v. i. navrhla a sestrojila, na základě poznatků ze zahraničí, vlastní přívěs pro měření pomocí metody CPX – jediné tažené zařízení v rámci ČR na měření hluku pomocí metody CPX (Cholava, 2010), viz Obrázek 1.12. VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

24


Hluk z dopravy Křivánek, V.

Obrázek 1.12 - Měřící přívěs CPX vyvinutý v CDV. Největší nejistotu měření metodou CPX představuje vliv zvolené měřící pneumatiky, protože doposud se především uplatňovala strategie používání několika druhů pneumatik, které představují celkový národní nebo mezinárodní průřez pneumatikami užívaných obyvatelstvem, aby se omezil vliv tohoto možného aspektu. Avšak uvedený způsob se jeví jako nepříliš efektivní, zvláště z pohledu možnosti srovnání výsledků získaných v jednotlivých státech (Fehrl, 2008) i s ohledem na příliš častou změnu návrhů vhodných měřících pneumatik

Obrázek 1.13 - Referenční pneumatiky: a) Uniroyal Tiger paw225/60-R16, b) Avon AV4 195R14C. Zatím poslední doporučení, které uvádí rozsáhlý program měření uskutečněný zejména v Nizozemsku, doplněný o měření v Polsku popisuje výběr jednotné referenční pneumatiky. Jako jednotná referenční pneumatika by se měla používat Uniroyal Tigerpaw 225/60-R16 (SRTT). Z ekonomických i praktických důvodů není používána pneumatika pro VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

25


Hluk z dopravy Křivánek, V. nákladní vozidla, ale podle stejného doporučení je možné používat pneumatiku Avon AV4 195-R14C. Dezén těchto pneumatik vyobrazuje Obrázek 1.13. U metody CPX (obdobně jako u metody SPB) je nutné dodržet meteorologické podmínky, aby bylo měření možné zahájit. V době měření jsou monitorována a zaznamenávána data o teplotě vzduchu, rychlosti větru, barometrickém tlaku, relativní vlhkosti a oblačnost. Průběžně je vyhodnocováno, zda směrodatná data leží v mezích požadovaných pro regulérní podmínky měření dopravního hluku, pokud nejsou splněny meteorologické podmínky, jsou získaná data považována za neplatná. Měření je možné provádět pouze na zcela suchých komunikacích, ať z důvodu požadovaných příslušnou normou nebo ekonomických, kdy v případě mokré vozovky hrozí poškození měřících mikrofonů, které jsou umístěny v minimální výšce od vozovky (10 a 20 cm). Měření může proběhnout v době, kdy dva dny před měřením na dané lokalitě nepršelo a je suchá vozovka, zároveň rychlost větru nepřesahuje 5 m/s a teplota vzduchu je vyšší než 5 °C, avšak toto omezení není tak značné jako u metody SPB. Vlastní měřící proceduru lze stručně popsat asi následujícím způsobem. Před prováděním každého měření je nutné provést rutinní údržbu měřícího přívěsu. V prvé řadě je potřebné zkontrolovat tlak v měřících pneumatikách a tlak v pérování vzduchových vaků. Po připojení přívěsu k tažnému vozidlu je možné provést další úkony, které zkrátí čas nutný k přípravě vlastního měření na dané komunikaci. Dalším krokem je nachystání kabeláže pro mikrofony. Kabely jsou z jedné strany zapojeny do vstupních modulů měřícího systému, kdy nepotřebná délka kabelu je smotána a uchycena montážními páskami a druhý konec kabelu je veden průchodkou ve dveřích ven z měřící dodávky. Kabely jsou vedeny do výrazné oranžové trubice, která je právě určena pro rozvod kabeláže po měřícím přívěsu. Stěna trubice je opatřena několika otvory pro vyvedení kabelů k jednotlivým snímačům hladiny akustického tlaku a jsou zde vytvořeny výřezy pro lepší manipulaci při protahování kabelů k měřícím mikrofonům. Jednotlivé průchody mají z důvodu ochrany kabelů před poškrábáním a následným poškozením gumové vložky. Při převozu je potřebná délka kabeláže pro připojení mikrofonů k analyzátoru uložena v rozvodné trubici a uchycena montážními páskami. Před měřícím úsekem na vhodném místě – nejčastěji parkoviště je provedena závěrečná fáze příprav na vlastní měření, kdy jednotlivé mikrofony jsou ustaveny do požadovaných přesných poloh pro provedení měření. Následně jsou utaženy jednotlivé úchytné svorky, přítažná matice mikrofonů, aby při měření nedošlo ke změně jejich polohy. Kabely jsou připojeny k jednotlivým mikrofonům a na několika místech se připevňují montážními páskami. Mikrofony se opatří ochrannými krytkami, které se taktéž pevně uchycují pomocí kousků pružného obinadla, jenž přidržuje ochranné čepičky mikrofonů při měření na svých místech, bez toho aniž by došlo k ovlivnění snímané akustické situace. Vstupní moduly měřícího systému umístěné v úložném prostoru měřící dodávky se propojí s mikrofony, jež jsou umístěny na měřícím přívěsu v okolí referenční pneumatiky, dalšími pomocnými přístroji, které sledují ostatní parametry měření mimo hluk (teplota v okolí měřeného místa za jízdy, poloha vozidla, rychlost vozidla), viz Obrázek 1.14, a s řídícím notebookem, jenž je v řídící kabině vozidla, z kterého se ovládá celý průběh měření.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

26


Hluk z dopravy Křivánek, V.

Obrázek 1.14 - Měřící vybavení umístěné na přívěsu CPX (v předu mikrofony, vlevo nahoře GPS anténa, ve středu infračervené teplotní čidlo v dodávce vlastní multianalyzátor propojený na notebook). Po provedení závěrečných úprav se může s vozidlem vyrazit k úseku, který má být proměřován. Samotné přístroje zaznamenávající průběh měření jsou spuštěny ještě před měřícím úsekem, tak jako s měřící dodávkou je dosaženo požadované rychlosti, při níž se bude měřit a je spuštěn tempomat. Měřené komunikace se pojíždí za běžného provozu. Měřící mikrofony jsou směrové a umístěné ve velmi malé vzdálenosti od měřené pneumatiky, která emituje velký hluk, jenž je snímán. I proto je vliv okolní dopravy na akustickou situaci snímanou mikrofony, jejíž zdroje jsou minimálně v desetkrát větší vzdálenosti, zanedbatelný – odstup jednotlivých zdrojů hluku je dostatečně velký (Cho, Mun, 2008). Přesto je vhodné volit takové okamžiky pro měření, kdy je hustota dopravy co nejnižší, a to především z důvodu udržení konstantní rychlosti po celou dobu měření v daném jízdním pruhu. Pro zpřesnění měření je připojen další (šestý) mikrofon sloužící k nahrání zvukového záznamu nebo se využije vkládání různých pomocných značek v softwarové aplikaci v průběhu měření ve vlastním notebooku. Jelikož tento mikrofon slouží pouze pro poznámky při měření, nejsou jejich parametry pro vlastní vyhodnocení kritické. Po dosažení požadované rychlosti vozidla a najetí na daný úsek je obsluhou spuštěno vlastní měření všemi pěti mikrofony. Začátek analyzovaného úseku, případně dosažení požadované rychlosti, pokud se neshoduje se začátkem měření, označí obsluha slovně pomocí přídavného mikrofonu nebo VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

27


Hluk z dopravy Křivánek, V. pomocí vložené značky do záznamu z měření ve vlastním notebooku. Takto lze měřit i těsně navazující úseky. Z měření v terénu se ukládá surový signál, však je možné ukládat i analyzované veličiny (např. třetino - oktávové charakteristiky, průběh hladin). Pro hluk styku pneumatika/vozovka nás především zajímá závislost hluku na čase (první část Obrázek 1.15), což umožňuje vyhodnotit hlučnost povrchu vozovky v terénu v celé její předmětné délce. Na Obrázek 1.15 je znázorněno měření dvou přibližně stejně dlouhých navazujících úseků (v relativní časové ose se jedná o 40 – 120 s a 200 – 280 s záznamu vybraného dílčího úseku surového signálu) při rychlosti 50 km/h (střední část Obrázek 1.15) a teplotě cca 23 – 26°C (třetí – spodní část Obrázek 1.15). Pro obyčejné porovnávání, v kterých místech komunikace je povrch hlučnější, vzhledem k dodržení referenční rychlosti měření 50 km/h v celých délkách měřených úseků a k nízkému rozptylu teploty povrchů v daných místech není bezpodmínečně nutné provádět teplotní korekci, avšak pokud mají výsledky sloužit pro porovnávání hlučnosti povrchů různých typů, různých vlastností a z různých míst je případně nutné ještě provést korekci vrchní části Obrázek 1.15 dle odchylek tepoty ze spodní části Obrázek 1.15, tak aby ekvivalentní hladina hluku odpovídala na referenční teplotě 20°C.

Obrázek 1.15 - Průběh rychlosti, hladiny akustického tlaku, teploty povrchu na měřeném úseku v čase. Jelikož se jedná o měření, která mají vliv na lidský organizmus, jsou všechna měření upravována váhovým filtrem A. V souladu s normou IEC 61260 a ISO/CD 11819-2 je měření VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

28


Hluk z dopravy Křivánek, V. resp. analýza prováděna ve třetino-oktávovém frekvenčním intervalu minimálně do 5 kHz. Zprůměrňováním všech změřených hodnot na všech měřících mikrofonech dostaneme odpovídající hodnotu ekvivalentní hladiny akustického tlaku a třetino-oktávovou charakteristiku akustického tlaku při použití filtru A daného úseku měřeného povrchu komunikace, viz Obrázek 1.16.

Obrázek 1.16 - Výsledky měření metodou CPX – korigovaná ekvivalentní hladina akustického tlaku styku kolo/vozovka na referenční podmínky a její třetino-oktávová frekvenční charakteristika. Výhody CPX: -

dynamická rychlá metoda umožňující měřit dlouhé úseky komunikací,

-

nezávislá na skladbě dopravního proudu,

-

může být použita k provedení akustického posouzení vozovky krátce po jejím zprovoznění - testování hlučnosti a konfrontace s požadavky uvedenými v zadávací dokumentaci,

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

29


Hluk z dopravy Křivánek, V. -

snadno lze aplikovat k monitorování akustického chování vozovky v průběhu několika let používání,

-

na rozdíl od statických metod měření hlukové zátěže z dopravy není tak náročná na požadavky okolí měřené komunikace.

Nevýhody CPX: -

zaznamenává pouze hluk pneumatika/vozovka,

-

hůře postihuje vliv těžkých nákladních vozidel,

-

je třeba větší minimální délka měřeného zkušebního úseku na rozdíl od statických metod měření hlukové zátěže z dopravy.

CD-ROM Ukázka z terénu - měření hluku styku pneumatika/vozovka metodou CPX. 1.4.3 Měření metodou OBSI Měření metodou OBSI je do jisté míry podobné CPX metodě. Intenzitní sondy jsou namontovány v blízkosti kontaktu pneumatiky s vozovkou, typická konkrétní ukázka je uvedena na Obrázek 1.17. Pro měření intenzity není potřebné odstiňovat sondu, měření lze realizovat při jízdě v dopravním proudu běžnými dopravními rychlostmi. OBSI měření, obdobně jako CPX měření, umožňují rychle realizovat rozsáhlá měření pro vyhodnocení změn povrchů vozovek a jejich stavu z hlediska akustických vlastností (Trevino, Dossey, 2009). Je to metoda, s jejíž aplikací jsou rozsáhlé zkušenosti především v USA (Donavan, Lodico, 2009; Rasmussen, 2007).

Obrázek 1.17 - Ukázka realizace měření Metodou OBSI (On Board Sound Intensity) (Hanson, Waller, 2006).

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

30


Hluk z dopravy Křivánek, V. 1.4.4 Měření hluku pneumatik Hlučnost pneumatiky lze rozdělit na vnitřní a vnější hlučnost. Tento přístroj se využívá při řešení vnitřního hluku pneumatiky. Jednou ze složek ovlivňující vnitřní hluk jsou rezonanční frekvence pneumatiky a jednou z možností jak je zjistit je použití laserového vibrometru. Schéma zařízení je na Obrázek 1.17.

Obrázek 1.18 - Uspořádání laserového vibrometru (Polytec, 2003). Fyzikálním principem měření u laserových dopplerovských vibrometrů je sledování změny frekvence odraženého světla od pohybujícího se měřeného objektu. Optický svazek, který vychází z laseru, viz Obrázek 1.17, je pomocí děliče rozdělen na dva svazky. První tzv. předmětový svazek, dopadá na měřený vibrující objekt a odráží se od něj zpět, kde je jeho chod usměrňován pomocí děličů svazků a dopadá na detektor. Druhý svazek tzv. referenční svazek je přes odrazný hranol přiveden do frekvenčního modulátoru, ze kterého poté vychází frekvenčně posunutý svazek. Posunutý svazek následně dopadá na detektor optického záření, kde interferuje s předmětovým svazkem (Polytec, 2003). Frekvenčně modulovaný analogový interferenční signál z detektoru je poté zpracován pomocí digitálního signálového procesoru.

Shrnutí pojmů 1.4. SPB, CPX, OBSI, laserový vibrometr.

Otázky 1.4. 8. Při jakých rychlostech silničního provozu je dominantním zdrojem hluku z dopravy styk kolo – vozovka? 9. Které z uvedených metod umožňují provádění dynamického měření hlučnosti ve větších délkách a které statické měření hlučnosti v konkrétním bodě? 10. Kolik měření pro které typy vozidel je nutné provést pro statistickou analýzu v rámci metody SPB? 11. Jaké meteorologické podmínky musí být splněny pro zahájení měření metodou SPB a CPX? 12. Jaká měření se provádí u metody CPX? VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

31


Hluk z dopravy Křivánek, V.

Klíč k řešení O 1.1.1 ............................................................................................................................... str. 12 Viz Obrázek 1.1. O 1.1.2 ............................................................................................................................... str. 12 Viz Obrázek 1.2. O 1.2.3 ............................................................................................................................... str. 15 Denní doba – LAeq,16h a noční doba – LAeq,8h. Hygienické limity dle NV č. 272/2011 Sb. O 1.2.4 ............................................................................................................................... str. 15 Nejistota se vždy odečítá od naměřené hodnoty a ta se porovnává s limitem. O 1.3.5 ............................................................................................................................... str. 17 Musí být volné zvukové pole a nelze měřit za nepříznivých meteorologických podmínek. O 1.3.6 ............................................................................................................................... str. 18 Naměření vybraných průjezdů určitých typů vlaků a LAeq,T z počtu průjezdů. O 1.3.7 ............................................................................................................................... str. 18 Mikrofon bývá typicky umístěn do vzdálenosti 7,5 m od středu jízdního pruhu komunikace či středu kolejnice O 1.4.8 ............................................................................................................................... str. 31 Styk kolo/vozovka převládá přibližně od rychlostí 40 (60) km/h do rychlosti 200 km/h. O 1.4.9 ............................................................................................................................... str. 31 Dynamické metody - CPX, OBSI. Statické metody - SPB, CB, CPB. O 1.4.10 ............................................................................................................................. str. 31 Počet měření: 100 osobní vozidla, 30 dvounápravová těžká vozidla, 30 vícenápravová těžká vozidla, celkem těžkých nákladních vozidel 80. O 1.4.11 ............................................................................................................................. str. 31 Rychlost větru do 5 m/s, teplota vzduchu více než 5 °C, měření na suché vozovce. O 1.4.12 ............................................................................................................................. str. 31 Viz Obrázek 1.16.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

32


Hluk z dopravy Křivánek, V.

Další zdroje Použitá literatura v kapitole 1: AHAMMED, M. A., TIGHE, S., L., 2008. Quiet Pavements: A Sustainable and Environmental Friendly Choice. In University of Waterloo, Ontario, Canada, 2008. ČSN EN ISO 3095 - Železniční aplikace - Akustika - Měření hluku vyzařovaného kolejovými vozidly, Český normalizační institut, 2006. ČSN ISO 1996-2 Akustika, Popis, měření a posuzování hluku prostředí - Část 2: Určování hladin hluku prostředí. Český normalizační institut, 2009. ČSN ISO 11819-1 - Akustika - Měření vlivu povrchů vozovek na dopravní hluk Část 1: Statistická metoda při průjezdu. Český normalizační institut, 2000. ISO/CD 11819-2 Acoustics — Measurement of the influence of road surfaces on traffic noise — Part 2: The close-proximity Metod, 2000. BERNHARD, R., J., WAYSONA, R., L., 2005. An Introduction to Tire/Pavement Noise. Final Research Report Number: SQDH 2005-1, Purdue University, USA, 2005 DE VOS, P., VAN BEEKA, A., 2011. Environmental noise, In: Encyklopedia of Environmental Health, 2011, ps. 476–488, Elsevier. DONAVAN, P., R., LODICO, D., M. 2009 Estimation of Vehicle Pass-By Noise Emission Levels from Onboard Sound Intensity Levels of Tire-Pavement Noise. In Transportation Research Record, iss. 2123, pp. 137 – 144, 2009, ISSN: 0361-1981. European Commission, 1996. Green Paper on Future Noise Policy. COM (96) 540. Brussels; 1996. FEHRL, 2008. Report on state-of-the-art of test methods, Seventh Framework Programme, FP7-217920, Netherlands, 2008. FRIČ, J. a kol., 2010. Silniční doprava, Akademické nakladatelství Cerm, s.r.o. Brno, Brno 2010, vydání první, 158 s. ISBN 978-80-7204-728-4. HANSON, D., I., JAMES, R., S., NESMITH, CH., 2004. Tire/Pavement Noise Study. In NCAT Report 04-02, National Center for Asphalt Technology, Auburn, USA, 2004. HELLMUTH, T., 2012. Věcný záměr zákona o hluku z pohledu regulace hluku z dopravy. In V. Česko-slovenská konference „Doprava zdraví a životní prostředí“. Blansko, 31. 10. – 2. 11. 2012. Brno: Centrum dopravního výzkumu, v.v.i., 2012, 77 84 s. ISBN 978-80-86502-41-0. CHOLAVA, R. a kol., 2010. Optimalizace technických opatření pro snížení hlukové zátěže v okolí pozemních komunikací. Průběžná zpráva, Brno, Centrum dopravního výzkumu, v.v.i., 2010. 104 s. CHO, D., S., MUN, S., 2008. Study to analyze the effects of vehicles and pavement surface types on noise. In Applied Acoustics, vol. 69, iss. 9, pp. 833 – 843, 2008, ISSN: 0003-682X. VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

33


Hluk z dopravy Křivánek, V. LEEUWEN, H., KOK, A., REUBSEAET, J., 2007, The uncertainty of acoustical measurements on road surfaces using the CPX-Method. In Inter-Noise 2007, Istanbul, Turkey, 2007. Metodický návod pro měření a hodnocení hluku v mimopracovním prostředí, ze dne 11. 12. 2001 vydaný pod č.j. HEM–300–11.12.01–34065. Measurement solution, 2003. Made possible by laser vibrometry. Polytec LM INFO Special, Issue 1/2003, Polytec GmbH.,Waldbronn. MORGAN, P., 2008. Guidance Manual for the Implementation of Low-Noise Road Surfaces, SILVIA Project Report, FEHRL, 2006, Brussels, Belgium, ISSN 1362-6019. Accessed December 2008, available from: http://www.trl.co.uk/silvia. Nařízení vlády č.148/2006 Sb. o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací. Nařízení vlády č.272/2011 Sb. o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací. RASMUSSEN, R., O., 2007. The Little Book of Quieter Pavements. In Report No. FHWA-IF-08-004, The Transtec Group, Inc., Austin, Texas, USA, 2007 HANSON, D., I., WALLER, B., 2006. Colorado DOT Tire/Pavement Noise Study. In Report No. CDOT-2006-18, 2006. SCHGUANIN, G., 2006. Nové rámcové podmínky pro sanaci silničního hluku ve Švýcarsku. In Strasse und Verkehr, č. 1-2/06, pp. 6 – 11, Německo 2006. SMETANA, a kol., 1998. Hluk a vibrace - měření a hodnocení, Sdělovací technika, Praha 1998. Systém monitorování zdravotního stavu obyvatelstva České republiky ve vztahu životnímu prostředí. Souhrnná zpráva za rok 2004. Praha: SZÚ, 2005. ŠLACHTOVÁ, H., MICHALÍK, J., VOLF, O., 2007. Zpráva o zpracování Strategické hlukové mapy ČR. Zdravotní ústav se sídlem v Ostravě, 2007, 60 s. TREVINO, M., DOSSEY, T., 2009. On-board sound intensity testing of PFC pavements in Texas. In Noise Control Engineering Journal, vol. 57, iss. 2, pp. 94 – 103, 2009, ISSN: 0736-2501.

Další doporučená literatura ke kapitole 1, webové stránky: Strategické hlukové mapy: http://www.mzcr.cz/Verejne/obsah/strategicke-hlukovemapy_1070_5.html Akční hlukové plány: http://www.mdcr.cz/cs/Strategie/Akcni_plany/akcni_plany.htm Národní referenční laboratoř pro komunální hluk: http://www.nrl.cz/

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

34


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

2

STANOVENÍ V OVZDUŠÍ

KONCENTRACÍ

ZNEČIŠŤUJÍCÍCH

LÁTEK

Doprava byla vždy neoddělitelnou součástí života společnosti. Bez neustálé přepravy surovin, výrobků a informaci by moderní společnost nemohla existovat. Stejně tak i lidé v moderní společnosti neustále cestují. Ať už za prací, za nákupy či odpočinkem, nebo proto, že se chtějí setkat s jinými lidmi. Doprava tak naplňuje potřeby lidi a plní významnou společenskou a ekonomickou funkci. Vytváří pouto mezi lidmi, a v tomto smyslu je zdrojem lidské solidarity. Na straně druhé se také doprava stala významným faktorem ovlivňujícím nepříznivě životni prostředí a zdraví člověka. Největší podíl v tomto směru náleží dopravě silniční, jejíž negativní vliv se projevuje především v produkci emisí znečišťujících ovzduší. Příčinou emisí škodlivin z motorů vozidel do volného ovzduší jsou zejména výfukové plyny, vznikající při spalování pohonných hmot. Jsou to komplexní směsi obsahující stovky chemických látek v různých koncentracích, často s toxickými, mutagenními a karcinogenními vlastnostmi. Nejvýznamnější škodliviny znečišťující ovzduší z dopravy je možné rozdělit na látky limitované, na které se vztahují emisní limity, a látky nelimitované. Mezi limitované škodliviny jsou řazeny oxid uhelnatý (CO), oxidy dusíku (NOx), těkavé organické látky (VOC) a pevné částice pro dieselová vozidla (PM). U nových vozidel dochází sice v důsledku přísnějších limitů, daných normami EURO, k jejich poklesu, ale vzhledem ke zvyšujícímu se objemu dopravy, zejména nákladní, však dochází k celkovému růstu emisí. Nelimitované škodliviny mají často závažnější dopady na zdraví člověka, ale pro nedostatek informaci o látkách samotných a vzhledem k daleko vyšším nárokům na měřici techniku není v současné době jejich produkce monitorována. Do této skupiny řadíme látky přispívající k dlouhodobému oteplování atmosféry, tj. oxid uhličitý (CO2), metan (CH4), oxid dusný (N2O). Dále pak škodliviny nebezpečné pro zdraví člověka, vznikající zejména při nedokonalém spalování pohonných hmot, jako jsou polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU), fenoly, ketony, aldehydy, 1,3-butadien a benzen, toluen, etylbenzen a xyleny (BTEX). Při spalování pohonných hmot mohou vznikat rovněž polychlorované dibenzodioxiny/furany (PCDD/F) a polychlorované bifenyly (PCB) v případě přítomnosti chlóru ve spalovacím systému. Emisní měření se provádí na vybraných zdrojích znečištění jednorázově, kontinuálně nebo poloautomaticky. Výsledky emisních měření jsou zpracovávány a ukládány v registru emisí a zdrojů znečišťování ovzduší, běžně označovaném REZZO. Měření imisí se provádí kontinuálně nebo v pravidelných intervalech v místech pevně stanovených oblastních měřicích sítí, a to buď ve stacionárních měřicích stanicích, nebo mobilními měřicími jednotkami. Měřená data jsou registrována v imisním informačním systému (IIS), který provozuje Český hydrometeorologický ústav, a který je součástí Informačního systému kvality ovzduší (ISKO).

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

35


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

2.1 Měření emisí motorových vozidel Čas ke studiu: 3 hodiny Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět Popsat zkušební cykly při měření emisí. Definovat podmínky pro stanovení jednotlivých emisí. Vyjmenovat používané kalibrační plyny pro stanovení plynných emisí

Výklad Emise motorových vozidel jsou regulovány směrnicí evropského parlamentu a rady (2005/55/ES). Směrnice se vztahuje na emise plynných znečišťujících látek a znečišťujících částic ze všech motorových vozidel vybavených vznětovými motory a na emise plynných znečišťujících látek ze všech motorových vozidel vybavených zážehovými motory pracujícími se zemním plynem (NG) nebo zkapalněným ropným plynem (LG). Další upřesnění a výjimky jsou uvedeny v této směrnici. Směrnice stanoví podmínky, za kterých motory vyhovují předepsaným emisním zkouškám. Ke zkouškám se motor namontuje na zkušební stav a připojí se k dynamometru. Musí se přitom použít referenční palivo, definované směrnicí. Emise znečišťujících látek z výfuku motoru, které se měří podle citované směrnice (2005/55/ES), obsahují plynné složky, částice a kouř. Kromě toho se oxid uhelnatý často používá jako indikační plyn ke stanovení poměru ředění u systémů s ředěním části toku a systémů s ředěním plného toku. Osvědčená technická praxe doporučuje, aby se obecně měřil i oxid uhličitý jako výborný prostředek k rozpoznání problémů měření v průběhu zkoušky. 2.1.1 Zkušební cykly: Zkouška ESC Zkušební cyklus skládající se z 13 režimů ustáleného stavu. Měří se CO, NOx, u vznětových motorů celkové uhlovodíky a PM (Obrázek 2.1). V průběhu předepsaného sledu provozních stavů zahřátého motoru se kontinuálně analyzují emise z výfuku na vzorku surových výfukových plynů. Zkušební cyklus se skládá z většího počtu režimů otáček a výkonu, které odpovídají typickému provoznímu rozsahu vznětových motorů. V průběhu každého režimu se měří koncentrace všech plynných znečišťujících látek, průtok výfukových plynů a výkon a změřené hodnoty se zváží. Vzorek částic se zředí stabilizovaným okolním vzduchem. V průběhu celého postupu zkoušky se odebere jeden vzorek a zachytí se na vhodných filtrech. Pro každou znečišťující látku se vypočtou emitované gramy na kilowatthodinu. Kromě toho se změří NOx ve třech zkušebních bodech v oblasti kontroly, které vybere technická zkušebna (zkušební body musí být vybrány za použití schválených statistických metod náhodného výběru), a změřené hodnoty se VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

36


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. porovnají s hodnotami vypočtenými z režimů zkušebního cyklu, které zahrnují vybrané zkušební body. Kontrolou NOx se zajišťuje účinnost zařízení motoru k omezení emisí v typickém provozním rozsahu motoru.

Obrázek 2.1 - Schéma systému pro analýzu surového výfukového plynu pro CO, CO2, NOx a HC, platí jen pro zkoušku ESC. Zkouška ELR Zkušební cyklus skládající se ze sledu stupňů zatížení při konstantních otáčkách motoru. Tyto stupně jsou integrální částí postupu zkoušky a provádějí se postupně za sebou. V průběhu předepsané zatěžovací zkoušky se určuje kouř zahřátého motoru opacimetrem. Zkouška se skládá ze zatěžování motoru při konstantních otáčkách z 10 % na 100 % zatížení, a to při třech různých otáčkách motoru. Kromě toho se provede čtvrtý zatěžovací stupeň vybraný technickou zkušebnou (zkušební body musí být vybrány za použití schválených statistických metod náhodného výběru) a hodnota se porovná s hodnotami předcházejících zatěžovacích stupňů. Nejvyšší hodnota kouře se určí průměrovacím algoritmem. Zkouška ETC Zkušební cyklus skládající se z 1 800 neustálených režimů, které se střídají každou sekundu. Měří se CO, NOx, celkové uhlovodíky (HC) u vznětových a plynových motorů uhlovodíky jiné než methan, u plynových motorů methan a u vznětových motorů PM.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

37


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. S motorem zahřátým na provozní teplotu se v průběhu předepsaného neustáleného cyklu, který vystihuje s velmi dobrou přibližností silniční jízdní režimy specifické pro motory velkého výkonu instalované v nákladních automobilech a autobusech, analyzují výše uvedené znečišťující látky po zředění celkového množství výfukových plynů stabilizovaným okolním vzduchem. S použitím signálů zpětné vazby pro točivý moment a otáčky motoru přicházejících z dynamometru se integruje výkon v čase trvání cyklu a výsledkem je práce vykonaná motorem za cyklus. Koncentrace NOx a HC za cyklus se určí integrací signálu analyzátoru. Koncentrace CO, CO2 a NMHC se může určit integrací signálu analyzátoru nebo odběrem vzorku do vaku. Pokud jde o částice, zachytí se proporcionální vzorek na vhodných filtrech. K výpočtu hodnot hmotnosti emisí znečišťujících látek se určí průtok zředěných výfukových plynů za cyklus. Z hodnot hmotnosti emisí ve vztahu k práci motoru se určí gramy každé znečišťující látky emitované na kilowatthodinu. Průběh zkoušky na dynamometru je popsán na Chyba! Nenalezen zdroj odkazů..

Obrázek 2.2 - Plán průběhu zkoušky ETC na dynamometru. 2.1.2 Analyzátory Plyny, které je nutno měřit, se musí analyzovat dále uvedenými přístroji. Pro nelineární analyzátory je přípustné použít linearizační obvody. Stanovení oxidu uhelnatého (CO) Analyzátor oxidu uhelnatého musí být nedisperzní s absorpcí v infračerveném pásmu (NDIR).

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

38


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. Stanovení oxidu uhličitého (CO2) Analyzátor oxidu uhličitého musí být nedisperzní s absorpcí v infračerveném pásmu (NDIR). Stanovení uhlovodíků (HC) Analyzátor uhlovodíků pro vznětové motory a motory na LPG musí být druhu „vyhřívaný plamenoionizační detektor“ (HFID) s detektorem, ventily, potrubím atd., vyhřívaný tak, aby se teplota plynu udržovala na hodnotě 463 K ± 10 K (190 °C ± 10 °C). V závislosti na použité metodě může být pro plynové motory na NG analyzátor uhlovodíků druhu „nevyhřívaný plamenoionizační detektor“ (FID). Stanovení uhlovodíků jiných než methan (NMHC) (jen pro plynové motory na NG) Uhlovodíky jiné než methan se určují jednou z následujících metod: a) Metoda plynové chromatografie (GC) Uhlovodíky jiné než methan se určují tak, že od celkových uhlovodíků se odečte methan stanovený plynovým chromatografem. b) Metoda separátoru uhlovodíků jiných než methan (NMC) Určování frakce jiné než methan se provádí vyhřívaným separátorem zapojeným v řadě se zařízením FID a odečtením methanu od celkových uhlovodíků. Stanovení oxidů dusíku (NOx) Analyzátor oxidů dusíku musí být druhu „chemiluminiscenční detektor“ (CLD) nebo „vyhřívaný chemiluminiscenční detektor“ (HCLD) s konvertorem NO2/NO, jestliže se měří suchý stav. Jestliže se měří vlhký stav, musí se použít HCLD udržovaný na teplotě nad 328 K (55 °C) za předpokladu vyhovujícího výsledku zkoušky rušivých vlivů vodní páry. Stanovení částic Pro určení částic je nutno použít ředicí systém. Ředit je možné systémem s ředěním části toku (jen u zkoušky ESC) nebo systémem s ředěním plného toku (povinný u zkoušky ETC). Průtok ředicím systémem musí být dostatečně velký, aby se zcela vyloučila kondenzace vody v ředicím i odběrném systému a aby se teplota zředěného výfukového plynu udržovala na hodnotě 325 K (52 °C) nebo pod touto hodnotou bezprostředně před nosiči filtrů. Vysušení ředicího vzduchu před vstupem do ředicího systému je přípustné a je zvláště užitečné, jestliže ředicí vzduch má velkou vlhkost. Ředicí vzduch musí mít teplotu 298 K ± 5 K (25 °C ± 5 °C). Jestliže okolní teplota je nižší než 293 K (20 °C), doporučuje se předehřát ředicí vzduch nad horní mez teploty 303 K (30 °C). Teplota ředicího vzduchu před zavedením výfukových plynů do ředicího tunelu však nesmí překročit 325 K (52 °C). Systém s ředěním části toku musí být konstruován tak, aby dělil proud výfukových plynů na dva díly, menší z nich se ředí vzduchem a následně se použije k měření částic. K tomuto účelu je podstatné, aby byl ředicí poměr určen velmi přesně. Je možné použít různé

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

39


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. metody k dělení toku, přičemž druh použitého dělení významným způsobem určuje, jaké odběrné zařízení a postupy musí být použity. Odběrná sonda částic musí být namontována v bezprostřední blízkosti odběrné sondy plynných emisí. K určení hmotnosti částic jsou nutné: -

systém k odběru vzorků částic,

-

filtry k odběru vzorků částic,

-

mikrogramové váhy

-

vážicí komora s řízenou teplotou a vlhkostí.

K odběru vzorků částic se musí použít metoda jediného filtru, která pracuje s jednou dvojicí filtrů v průběhu celého zkušebního cyklu. U zkoušky ESC se musí věnovat velká pozornost dobám odběru vzorků a průtokům v průběhu fáze zkoušky, v které se odebírají vzorky. Požadují se filtry ze skelných vláken pokrytých fluorkarbonem nebo z fluorkarbonových membrán. Všechny druhy filtrů musí mít účinnost zachycování 0,3 μm DOP (dioktylftalátů) nejméně 95 % při rychlosti, kterou plyn proudí na filtr, mezi 35 a 80 cm/s. Filtry částic musí mít průměr nejméně 47 mm (účinný průměr 37 mm). Přípustné jsou filtry větších průměrů. Zředěný výfukový plyn se v průběhu sledu zkoušky odebírá dvojicí filtrů umístěných za sebou (jeden primární filtr a jeden koncový filtr). Koncový filtr musí být umístěn nejvýše 100 mm za primárním filtrem a nesmí se ho dotýkat. Filtry mohou být váženy jednotlivě nebo jako dvojice s činnými stranami obrácenými k sobě. Doporučené zatížení filtru na jeho činné části musí být nejméně 0,5 mg/1075 mm2. Tyto hodnoty jsou pro nejobvyklejší velikosti filtrů uvedeny v Tab. 2.1. Tab. 2.1 - Doporučené zatížení filtrů. Průměr filtru [mm] 47 70 90 110

Doporučený průměr činné plochy [mm] 37 60 80 100

Doporučené minimální zatížení filtru [mg] 0,5 1,3 2,3 3,6

Teplota v komoře (nebo místnosti), ve které se filtry částic stabilizují a váží, se musí v celé době stabilizování a vážení udržovat na hodnotě 295 K ± 3 K (22 °C ± 3 °C). Vlhkost se musí udržovat na rosném bodu 282,5 K ± 3 K (9,5 °C ± 3 °C) a na relativní vlhkosti 45 % ± 8 %. Prostředí komory (nebo místnosti) musí být prosté jakéhokoli okolního znečištění (jako je prach), které by se mohlo usazovat na filtrech částic v průběhu jejich stabilizace. Odchylky od požadavků na vážicí komory jsou přípustné, jestliže doba trvání odchylek nepřekročí 30 minut. Vážicí místnost musí splňovat požadavky před vstupem obsluhy. Nejméně dva nepoužité referenční filtry nebo dvojice referenčních filtrů musí být zváženy pokud možno současně s vážením filtrů (dvojice) pro odběr vzorků, avšak nejpozději čtyři hodiny po vážení těchto filtrů. Filtry musí mít stejnou velikost a být z téhož materiálu jako filtry pro odběr vzorků. VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

40


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. Jestliže se střední hmotnost referenčních filtrů (dvojic referenčních filtrů) mezi váženími filtrů pro odběr vzorků změní o více než ±5 % (±7,5 % u dvojice filtrů) doporučeného minimálního zatížení filtrů, musí se všechny filtry pro odběr vzorků vyřadit a zkouška emisí se musí opakovat. Jestliže nejsou splněna kritéria stability vážicí komory, avšak vážení referenčních filtrů (dvojic) splňují výše uvedená kritéria, má výrobce motoru možnost volby buď souhlasit se zjištěnými hmotnostmi filtrů se vzorky, nebo požadovat prohlášení zkoušek za neplatné; ve druhém případě je nutné seřízení řídicího systému vážicí místnosti a opakování zkoušky. Analytické váhy k určení hmotností všech filtrů musí mít přesnost (směrodatnou odchylku) 20 μg a rozlišovací schopnost 10 μg (jednotka stupnice = 10 μg). U filtrů s průměrem menším než 70 mm musí být přesnost 2 μg a rozlišovací schopnost 1 μg. Všechny části ředicího systému a systému odběru vzorků z výfukového potrubí až po nosič filtru, které jsou ve styku se surovým a se zředěným výfukovým plynem, musí být konstruovány tak, aby úsady nebo změny vlastností částic byly co nejmenší. Všechny části musí být vyrobeny z elektricky vodivých materiálů, které nereagují se složkami Stanovení opacity (kouřivosti) Tento bod stanoví požadavky na požadované a volitelné zkušební zařízení, které se použije pro zkoušku ELR. Kouř se musí měřit opacimetrem, který má zařízení k indikaci kouře a koeficientu absorpce světla. Režim indikace opacity se smí používat jen pro kalibrování a kontrolu opacimetru. Hodnoty kouře ve zkušebním cyklu se musí měřit v režimu indikace koeficientu absorpce světla. Vzhledem k rušivým vlivům v oblasti vysokých frekvencí vykazuje obvykle křivka nezpracovaného signálu opacity velký rozptyl. Pro odstranění těchto rušení při vysokých frekvencích se pro zkoušku ELR požaduje Besselův filtr. Sám Besselův filtr je rekurzivní dolní propust druhého řádu, který zaručuje nejrychlejší nárůst signálu bez překmitnutí. Za předpokladu sloupce surového výfukového plynu v reálném čase ve výfukové trubce udává každý opacimetr křivku opacity s časovým zpožděním a různě změřenou. Zpoždění a průběh změřené křivky opacity závisí primárně na geometrii měřicí komory opacimetru, včetně odběrných potrubí výfukového plynu, a na čase potřebném ke zpracování signálu v elektronice opacimetru. Hodnoty, které charakterizují tyto dva vlivy, se nazývají doba fyzikální a elektrické odezvy, odezvy představují individuální filtr pro každý typ opacimetru. Cílem použití Besselova filtru je zaručit jednotnou celkovou filtrační charakteristiku celého systému opacimetru U zkoušky ELR se požaduje použití systému k měření kouře a zpracování dat, který obsahuje tři funkční jednotky. Tyto jednotky mohou být sloučeny v jediné konstrukční části nebo mohou být systémem mezi sebou spojených konstrukčních částí. Tyto funkční jednotky jsou: -

opacimetr,

-

jednotka ke zpracování dat,

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

41


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. -

registrační přístroj nebo elektronické zařízení k ukládání dat, které zaznamenávají a dávají na výstupu hodnoty kouře.

Linearita musí být v rozmezí ± 2 % opacity, posun nuly v průběhu jedné hodiny nesmí překročit ± 1 % opacity. Indikace opacity musí mít rozsah 0–100 % opacity a rozlišitelnost 0,1 % opacity. Indikace koeficientu absorpce světla musí mít rozsah 0–30 m-1 koeficientu absorpce světla a rozlišitelnost 0,01 m-1 koeficientu absorpce světla. Doba fyzikální odezvy opacimetru nesmí překročit 0,2 s (doba fyzikální odezvy je časový rozdíl mezi okamžiky, kdy výstup snímače s rychlou odezvou dosáhne 10 % a 90 % plné výchylky indikátoru, když se opacita měřeného plynu změní za dobu kratší než 0,1 s). Doba elektrické odezvy opacimetru nesmí překročit 0,05 s (|doba elektrické odezvy je časový rozdíl mezi okamžiky, kdy výstup opacimetru dosáhne 10 % a 90 % plné výchylky indikátoru, když se zdroj světla přeruší nebo úplně zhasne za dobu kratší než 0,01 s). Každý neutrální filtr použitý ke kalibrování opacimetru, k měřením linearity nebo k nastavování měřicího rozsahu musí mít svou hodnotu známou s přesností 1 % opacity. Přesnost jmenovité hodnoty filtru se musí kontrolovat nejméně jednou ročně s použitím referenčního filtru splňujícího vnitrostátní nebo mezinárodní normu. Neutrální filtry jsou přesná zařízení a mohou se při používání snadno poškodit. Mělo by se s nimi co nejméně manipulovat, a pokud je to nezbytné, mělo by se tak dít s opatrností, aby nedošlo k poškrábání nebo znečištění filtru. 2.1.3 Kalibrační plyny K dispozici musí být směsi plynů s tímto chemickým složením: -

C3H8 (propan) a čištěný syntetický vzduch;

-

CO a čištěný dusík;

-

NOx a čištěný dusík (množství NO2 obsažené v tomto kalibračním plynu nesmí překračovat 5 % obsahu NO);

-

CO2 a čištěný dusík;

-

CH4 (methan) a čištěný syntetický vzduch;

-

C2H6 (ethylen) a čištěný syntetický vzduch.

Přípustné jsou i jiné kombinace plynů za předpokladu, že vzájemně nereagují. Skutečná koncentrace kalibračních plynů se smí lišit od jmenovité hodnoty v rozmezí ± 2 %. Všechny koncentrace kalibračního plynu se musí udávat v objemových jednotkách (objemová % nebo objemové ppm). Plyny použité ke kalibraci a ke kalibraci rozpětí se mohou také získat použitím oddělovače plynů a ředěním čištěným N2 nebo čištěným syntetickým vzduchem. Přesnost směšovacího zařízení musí být taková, aby koncentrace zředěných kalibračních plynů mohly být určeny s přesností ± 2 %.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

42


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

Shrnutí pojmů 2.1. Emise znečišťujících látek, zkušební cyklus, analyzátor, opacita, Besselův filtr.

Otázky 2.1. 1. Co se měří při zkoušce ESC? 2. Které tři režimy jízdy jsou součástí zkoušky ETC? 3. Jaké jsou podmínky pro prostředí komory nebo místnosti pro vážení filtrů při stanovení koncentrace částic? 4. Jaký je cíl použití Besselova filtru? 5. V jakých jednotkách se udávají koncentrace kalibračních plynů? 6. Ve kterém předpisu najdete podrobný popis měření emisí motorových vozidel?

2.2 Metody a principy měření kvality ovzduší Čas ke studiu: 2,5 hodiny Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět Popsat metody a principy měření kvality ovzduší používané v ČR. Vyjmenovat referenční metody pro stanovení měřených škodlivin. Popsat meteorologické veličiny potřebné k monitoringu čistoty ovzduší

Výklad Působením člověka neustále dochází ke snižování kvality jednotlivých složek životního prostředí, přičemž jedním z negativních faktorů jsou nejrůznější druhy dopravy. Jedním z nejzávažnějších problémů dopravy, a to zejména v důsledku významného rizika pro zdraví člověka, je znečištění ovzduší emisemi. V rámci hodnocení úrovně znečištění ovzduší je sledován vztah naměřených koncentrací různých škodlivin k příslušným imisním limitům (Zákon 201/2012, Vyhláška 330/2012, Vyhláška 415/2012). K vlastním měřením se využívají nejrůznější typy přístrojů, čidel či analyzátorů v závislosti na charakteru měřené škodliviny. Stručný přehled metod měření koncentrací vybraných škodlivin v rámci monitorovací sítě kvality ovzduší v ČR uvádí Tab. 2.2. Symbol R značí referenční metodu, symbol A automatizovanou metodu a symbol M manuální metodu. Referenční metody jsou legislativou stanovené metody, automatizované metody jsou kontinuální metody s automatickým záznamem hodnot koncentrací v závislosti na čase, manuální metody jsou laboratorní metody prováděné po odběru vzorku mimo lokalitu monitoringu.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

43


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. Tab. 2.2 - Přehled metod měření jednotlivých škodlivin používaných v ČR (zdroj: ČHMU, upraveno) (ČHMU, 2011). Škodlivina

SO2

NO2 NOx

PM10, PM2.5 CO O3 NH3 BTX

těžké kovy

benzen PAH EC (elementární uhlík) OC (organický uhlík)

Metoda měření ultrafialová fluorescence R/A spektrofotometrie s TCM a fuchsinem (West-Gaekova) iontová chromatografie elektrochemický palivový článek coulometrie coulometrie chemiluminiscence R/A elektrochemický palivový článek guajakolová (modif. Jakobs-Hochheiserova) spektrofotometrie triethanolaminová spektrofotometrie gravimetrie R/M radiometrie oscilační mikrováhy IR-korelační absorpční spektrometrie R/A ultrafialová absorpční fotometrie R/A chemiluminiscence plynová chromatografie s plamenoionizační detekcí R/A plynová chromatografie s fotoionizační detekcí R/A atomová absorpční spektrometrie R/M polarografie atomová emisní spektrometrie s indukčně vázanou plazmou rtg-fluorescence hmotnostní spektrometrie s indukčně vázanou plazmou R/M nízkoteplotní plynová atomová fluorescenční spektrometrie atomová absopční spektrofotometrie AMA na stanovení Hg pasivní dosimetrie plynová chromatografie s hmotnostně selektivní detekcí vysokotlaká kapalinová chromatografie tepelný rozklad FID tepelný rozklad FID

2.2.1 Měření koncentrací pevných částic K hlavním problémům kvality ovzduší v ČR patří znečištění pevnými částicemi (PM), které i nadále překračují stanovené imisní limity a to na různých lokalitách (MŽP, 2011). K měření koncentrací PM v ovzduší se využívají tři hlavní metodologické přístupy. Gravimetrické stanovení je referenční metodou pro měření koncentrací této škodliviny spočívající v určení rozdílu hmotností filtru před a po expozici po příslušnou dobu na lokalitě. Vzorek je odebírán spojitou filtrací venkovního ovzduší přes vybraný filtrační materiál (membránové filtry z derivátů celulózy či teflonu s odpovídající velikostí pórů nebo ze skleněných vláken s účinností záchytu > 99,5 %). Druhou metodou je použití oscilačních mikrovah (TEOM), které měří hmotnostní množství vzorku zachyceného na výměnném filtru podle změny frekvence oscilujícího kuželovitého nosiče. Vzorek vzduchu prochází filtrem, kde se zachytávají částice prachu, a pokračuje dutým kuželovitým prvkem přes elektronické VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

44


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. ovládání průtoku do vývěvy. Třetí metodou je pak radiometrie založená na absorpci beta záření ve vzorku zachyceném na filtračním materiálu. Z rozdílu absorpce beta záření mezi exponovaným a neexponovaným filtračním materiálem, který je úměrný hmotnosti zachycených částic, je určena koncentrace částic. Následné zjištění chemického složení PM je prováděno s využitím běžných laboratorních analytických metod, jako např. plynová chromatografie s hmotnostní detekcí (GC-MS) pro stanovení koncentrací aromatických a polycyklických aromatických uhlovodíků (PAH) vázaných na částice nebo hmotnostní spektrometrie s indukčně vázanou plazmou (ICP-MS) či atomová absorpční spektrometrie (AAS) k určení obsahů anorganických škodlivin. K měřením koncentrací a odběrům vzorků PM je možné využít i další postupy, které se však používají spíše pro krátkodobá a doplňující měření k dlouhodobému monitoringu. Celkový přehled metod využitelných pro stanovení koncentrací PM je uveden v Tab. 2.3. Tab. 2.3 - Přehled metod pro měření koncentrací PM v ovzduší a jejich odběr pro další analýzy. Přístroj/technika Princip

Měřitelná velikost

Záchyt na filtr / gravimetrická analýza

Měření změny hmotnosti filtru před a po expozici filtru.

TSP, PM10, PM2,5, PM1, 0,1 mg

Technika Quartz crystal microbalance

Měření masy částic v čase, které je založeno na změně frekvence vibrací.

Omezení použití pro TSP, PM10, PM2,5, PM1 měření větších částic ve vyšších koncentracích.

TEOM

Kaskádový impaktor

Elektrický nízkotlaký impaktor SMPS (Scanning

Poznámka Legislativně doporučované (referenční metoda), jednoduché, využití vzorku pro další chemické analýzy.

Podhodnocuje celkovou Měření masy částic masu v důsledku ztrát v čase, které je semi-volatilních látek, založeno na změně TSP, PM10, PM2,5, PM1 obtíže při vyšších frekvence oscilujícího koncentracích částic, kuželovitého nosiče. nevhodné pro sledování prudkých změn. Běžně používaná Měření distribuce metoda pro stanovení částic na základě distribuce na základě velikosti 0,1 – 10 m velikosti částic, vhodné (aerodynamického pro další chemické průměru). analýzy. Metoda založená na Měření distribuce nabití částic a částic na základě následném měření el. velikosti 0,1 – 10 m proudu částic (aerodynamického odebraných v každé průměru) v čase. frakci. Měření nabitých částic 0,01 – 1 m Nejpoužívanější metoda

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

45


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

Přístroj/technika Princip mobility particle v el. poli v čase. sizer) Měření změn Záchyt -záření v důsledku záchytu částicemi záření částicemi na filtru v čase. Měření rozptýleného Optický laserového paprsku nefelometr pod nejrůznějšími úhly v čase. Čítač Měření částic v čase, kondenzačních optická metoda. částic

Měřitelná velikost

TSP, PM10, PM2,5, PM1

Poznámka pro stanovení distribuce počtu částic. Nejpoužívanější metoda pro měření částic v čase

Běžně používaná TSP, PM10, PM2,5, PM1 metoda, menší citlivost k částicím nad 2 m. 0,003 – 3 m

Používán nejčastěji ke sledování velmi jemných částic.

2.2.2 Měření chemického znečištění ovzduší Některé metody jsou využívány pouze pro stanovení určité chemické škodliviny. Příkladem takové metody je ultrafialová fluorescence pro stanovení koncentrací oxidu siřičitého (SO2) v ovzduší, která je zároveň referenční metodou a také nejběžněji používanou. Analyzovaný vzorek je ozařován UV lampou a tím dochází k energetické excitaci molekuly SO2. Při zpětném přechodu molekuly do základního energetického stavu dochází k uvolnění energie ve formě fluorescenčního záření, které je úměrné koncentraci oxidu siřičitého a je následně detekováno fotonásobičem. Většinu metod je ale možné s určitou úpravou využít pro měření většího počtu škodlivin v ovzduší. K měření koncentrací SO2 a NO2 se používá coulometrie, elektroanalytická metoda založena na měření elektrického náboje potřebného k elektrochemické přeměně určované látky při její oxidaci nebo redukci. Měří se elektrolytický proud úměrný koncentraci plynu podle Faradayova zákona. Referenční metodou pro měření koncentrací NO, NO2 a NOx je chemiluminiscence založená na excitaci molekul oxidu dusnatého ozonem. Při přechodu molekul z excitovaného do základního energetického stavu dochází k uvolnění žlutozeleného chemiluminiscenčního záření, které je detekováno fotonásobičem. Takto lze měřit přímo koncentrace NO. Pokud se vede vzorek plynu přes molybdenový konvertor, ve kterém se NO2 redukuje na NO, je výsledkem měření chemiluminiscence celková koncentrace NOx. Z rozdílu koncentrací NO a NOx se pak počítá koncentrace NO2. Metoda umožňuje stanovení okamžitých koncentrací oxidů dusíku v ovzduší, je vysoce selektivní, neboť ostatní složky ovzduší nedávají chemiluminiscenci při této vlnové délce. Intenzita záření je lineární funkcí koncentrace v širokém rozmezí několika řádů. Klasickým příkladem široce využitelných metod pro stanovení koncentrací vybraných škodlivin v ovzduší i dalších médiích jsou fyzikálně chemické analytické metody, např. spektrofotometrie, plynová chromatografie a další, které se využívají jako konečný analytický postup po předchozím speciálním odběru a přípravě vzorků. West-Gaekova spektrofotometrie se používá pro stanovení koncentrací SO2, kdy se oxid siřičitý zachycuje do roztoku tetrachlorortuťnatanu sodného (TCM) s přídavkem Chelatonu III. Vzniklá sloučenina dává VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

46


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. v kyselém prostředí s fuchsinem a formaldehydem červenofialové zbarvení, které se měří spektrofotometricky. Jiná modifikace spektrofotometrie – průtoková injekční analýza – je využívána k měření koncentrace amoniaku (NH3) v ovzduší. Plynný NH3 se absorbuje na filtru impregnovaném kyselinou citronovou v metanolu, po výluhu filtrů demineralizovanou vodou se stanovuje NH 4 metodou Bertholetovy reakce, kde NH 4 reaguje s alkalickým roztokem fenolu a s chlornanem při 60 °C a vzniklý indofenol se měří spektrofotometricky na průtokovém analyzátoru FIA. Stejný postup jako ve výluhu je využíván pro stanovení NH 4 ve srážkách. Koncentrace NO2 je možné rovněž stanovovat spektrofotometricky po speciální úpravě a odběru vzorků tzv. guajakolovou (modif. Jakobs-Hochheiserovou) spektrofotometrií nebo triethanolaminovou spektrofotometrií. Další metodou používanou pro širokou škálu látek je iontová chromatografie využívaná pro stanovení aniontů ve srážkách a ve vnějším ovzduší. Vzorek srážky se analyzuje přímo, vzorek ovzduší se filtruje pro zachycení částic síranů a dusičnanů. Na dalším filtru impregnovaném hydroxidem se zachytí oxid siřičitý a plynná kyselina dusičná. Exponované filtry se vyluhují deionizovanou vodou a síranový a dusičnanový iont se stanoví iontovou chromatografií. Dusičnany a plynná kyselina dusičná se stanovují jako suma dusičnanového iontu. Principem iontové chromatografie je rozdělení aniontů na koloně naplněné stacionární fází (anexem) a jejich postupné vymytí elučním činidlem s následnou detekcí. Podobnou metodou je plynová chromatografie, která je referenční metodu pro měření těkavých organických látek (VOC) a benzenu, toluenu, ethylbenzenu a xylenů (BTEX), jejichž původ ve vnějším ovzduší je možné vztáhnout převážně k dopravě. Plynová chromatografie s fotoionizační detekcí pracující na principu měření elektrického proudu vzniklého při ionizaci měřeného plynu se využívá ke kontinuálnímu měření aromatických uhlovodíků (benzenu, toluenu, etylbenzenu a xylenů), stejně jako plynová chromatografie s plamenoionizační detekcí, kde je vzorek nejdříve spalován plamenem vzniklým hořením nejčastěji vodíku v syntetickém vzduchu, při kterém se tvoří ionty a volné elektrony. Nabité částice v nosném plynu vytvářejí měřitelný tok proudu v prostoru mezi dvěma elektrodami detektoru. Výsledný tok proudu má větší intenzitu než tok proudu vzniklého při průtoku pouze čistého nosného plynu a vodíku. Rozdíl změřeného signálu podává přesnou informaci o vzorku, protože proud je přímo úměrný ionizaci, která závisí na složení vzorku. Plynová chromatografie s hmotnostně selektivní detekcí se používá pro stanovení koncentrací perzistentních organických polutantů (POP). Jejich vzorky se odebírají velkoobjemovým čerpadlem na filtr z polyuretanové pěny s předřazeným filtrem ze skelných vláken, které se po expozici extrahují dichlormethanem, poté přečišťují, zkoncentrují a následně analyzují. Specifické postavení mezi metodami vzorkování kvality ovzduší má pasivní dozimetrie, kdy se vzorek samovolnou difuzí zachytává na záchytné medium (většinou chemicky impregnovaný filtr nebo trubička se sorbentem). Při záchytu dochází buď k chemické reakci škodliviny s impregnačním činidlem, nebo k fyzikální sorpci škodliviny na sorbentu. V laboratoři se zachycená škodlivina vyextrahuje nebo vytěsní ze sorbentu a stanoví se vhodným analytickým postupem. Z analyticky zjištěné koncentrace a délky expozice se pomocí experimentálně stanovených koeficientů vypočítá průměrná koncentrace škodliviny VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

47


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. ve zkoumaném ovzduší za exponované období. Expoziční doba je většinou 1–2 týdny. Tato metoda se využívá zejména pro screeningová měření pro orientační posouzení úrovně znečištění v dané oblasti. 2.2.3 Měření meteorologických údajů Nedílnou součástí při měření koncentrací škodlivin v ovzduší jsou měření meteorologických podmínek, kde se rovněž využívají nejrůznější typy čidel (Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.). Tab. 2.4 - Přehled metod měření doprovodných meteorologických podmínek (zdroj: ČHMU, upraveno) (ČHMU, 2011). Veličina směr a rychlost větru globální sluneční záření atmosférický tlak relativní vlhkost vzduchu teplota radioaktivita

Metoda měření optoelektronicky ultrazvukový anemometr metoda teplotní diference měření atmosférického tlaku kapacitní čidlo vlasový vlhkoměr odporová metoda dosimetr

K měření směru a rychlosti větru se nejčastěji využívá optoelektronická metoda nebo ultrazvukový anemometr. Optoelektronická metoda pracuje na snímání pomocí větrné korouhve a anemometru. Poloha větrné korouhve se snímá optoelektronickými elementy nebo je pomocí kruhového potenciometru převáděna na elektrické napětí. Rychlost otáčení čidla anemometru se stanoví optoelektronicky nebo je pomocí tachodynama převáděna na elektrické napětí. Ultrazvukový anemometr porovnává časové intervaly, za které urazí ultrazvukový impuls dráhu mezi ultrazvukovými měniči. Pro měření energie slunečního záření (GLRD) ve W.m-2 se používá metoda teplotní diference, kdy se měří rozdíl teplot černě a bíle zbarvených segmentů povrchu čidla, které mají různou odrazivost pro krátkovlnné sluneční záření. Atmosférický tlak je měřen v meteorologii nejčastěji pomocí rtuťových tlakoměrů, aneroidů a barografů. Rtuťovými tlakoměr udává tlak výšky rtuťového sloupce ve vzduchoprázdné skleněné trubici, která je nahoře uzavřena a dole ponořena do nádoby se rtutí. Hmotnost rtuti vytlačené do trubice je v rovnováze s hmotností atmosféry, která působí na hladinu rtuti v nádobce. Dále může být tlak měřen aneroidem, který ukazuje současný stav tlaku. Principem je deformace tenkostěnné kovové krabičky, uvnitř vzduchoprázdné, působením atmosférického tlaku. Velikost deformace je přenášena na ručičku ukazující velikost tlaku na stupnici. Několik spojených aneroidů a ručička s perem kreslící na pomalu se otáčející válec průběh atmosférického tlaku za určitý časový úsek se nazývá barograf. Relativní vlhkost vzduchu je měřena buď kapacitním čidlem, nebo vlasovým vlhkoměrem. Kapacitní senzory vlhkosti využívají absorpci vody v polymerních materiálech. Sledovanou veličinou je u nich změna kapacity kondenzátoru, který je umístěn v děrované elektrodě, umožňující okolnímu vzduchu kontakt s tímto materiálem. Vlasový vlhkoměr je VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

48


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. založen na hygroskopických vlastnostech lidských vlasů, které mění svou délku v závislosti na vlhkosti. Základem přístroje je několik odmaštěných vlasů, které jsou v přístroji napnuty tak, aby k nim měl přístup vzduch, jehož vlhkost měříme. Změna délky vlasů, je přes pákový převod zobrazována ručičkou přístroje. V současné době se používají v těchto typech vlhkoměrů syntetické vlasy. Teplota je měřena pomocí odporového snímače. Využívá se přitom změny elektrického odporu zvláště kovových materiálů v závislosti na změně své teploty.

Shrnutí pojmů 2.2. Kvalita ovzduší, monitoring kvality ovzduší, meteorologické podmínky.

Otázky 2.2. 7. Která škodlivina patří k hlavním problémům kvality ovzduší v ČR? 8. Která metoda je referenční pro stanovení koncentrací pevných částic? 9. Která metoda je referenční pro stanovení BTX? 10. Které meteorologické veličiny se měří při monitoringu čistoty ovzduší?

2.3 Přístroje používané pro měření kvality ovzduší Čas ke studiu: 1,5 hodiny Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět Popsat činnost nejběžněji používaných přístrojů pro měření kvality ovzduší Definovat pojmy z oblasti měření kvality ovzduší.

Výklad Na trhu se vyskytuje řada analyzátorů vhodných pro kontinuální automatizovaná i manuální stanovení látek znečišťujících ovzduší V této kapitole jsou uvedeny příklady možného použití přístrojů s jejich zjednodušenými schématy a popisy činnosti. Další podrobnosti je možné nalézt v literatuře (ČHMÚ, 2012) nebo na stránkách výrobců jednotlivých přístrojů a zařízení. Vzorkovač ovzduší (nízko-, středně-, vysokoobjemový) Používá se jednak ke gravimetrickému stanovení pevných částic v ovzduší (PM1, PM2.5, PM10), dále pak jako vzorkovací zařízení pro odběr těchto částic k dalším analýzám. Na zachycených částicích se provádí po extrakci organickými rozpouštědly stanovení VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

49


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. organických látek, jako jsou polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), polychlorované dibenzodioxiny / polychlorované dibenzofurany (PCDD/F), polychlorované bifenyly (PCB) a některé další netěkavé nebo málo těkavé látky, a to buď plynovou, nebo kapalinovou chromatografií (GC/MS, HPLC/MS), většinou ve spojení s detekcí hmotnostní spektrometrií. Dále se provádí po rozložení filtrů se zachycenými částicemi minerálními kyselinami stanovení jednotlivých prvků metodou indukčně vázaného plazmatu s detekcí hmotnostní spektrometrií (ICP/MS). Kromě toho je možné speciálními laboratorními postupy stanovovat v zachycených částicích sulfáty, nitráty, amonné soli, elementární uhlík, organický uhlík. Analytické mikrováhy Slouží ke gravimetrickému stanovení PM z rozdílu hmotností filtrů, používaných k záchytu částic, po jejich expozici a před expozicí. Váhy musí pro dosažení správnosti výsledků pracovat v prostředí s konstantní vlhkostí a teplotou. UV fluorescenční SO2 analyzátor Analyzátor s použitím ultrafialové (UV) lampy s kontinuálním sledováním UV energie a kontinuálním odstraňováním interferujících uhlovodíků pro stanovení plynného SO2 v ovzduší. Zařízení pracuje na principu UV fluorescence, kdy molekuly SO2 se ozářením UV zářením přivádějí do excitovaného stavu a následně emitují fluorescenční záření (Obrázek 2.3).

Obrázek 2.3 - Schéma UV fluorescenčního analyzátor pro stanovení SO2. UV fluorescenční SO2 analyzátor s adaptérem pro stanovení H2S (TRS) Se používá pro stanovení plynného SO2 v ovzduší. Zařízení pracuje na principu UV fluorescence, kdy molekuly SO2 se ozářením UV zářením přivádějí do excitovaného stavu a následně emitují fluorescenční záření. Vysokoteplotní křemenný katalytický konvertor oxiduje sulfidy za přístupu vzduchu na SO2. Interní vakuová pumpa je určena k nasávání jak vzorku, tak i okolního vzduchu do konvertoru. Konvertovaný plyn je transportován do fluorescenční komory, kde je exponován ultrafialovým zářením. Fluorescenční emise je detekována citlivým fotonásobičem (PMT) a signál je dále zesílen a předáván prostřednictvím analogového výstupu (Obrázek 2.4). Výsledkem analýzy je koncentrace H2S a SO2, vyjádřená jako SO2. Koncentrace H2S se vypočte z rozdílu celkové koncentrace a koncentrace SO2, změřené bez adaptéru.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

50


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

Obrázek 2.4- Schéma UV fluorescenčního analyzátor pro stanovení SO2 s konvertorem. Chemiluminescenční NO-NO2-NOx analyzátor Standardem měření NO je chemiluminescenční metoda. Při ní se plynný NO ze vzorku mísí s ozónem (O3), generovaným v přístroji, za vzniku NO2, z části v excitovaném stavu (NO2*), podle rovnice NO + O3 -> NO2* + O2. Při návratu do základního stavu se uvolňuje foton, který se detekuje fotonásobičem. Množství fotonů je přímo úměrné množství NO (Obrázek 2.5). Stanovení NO2 probíhá stejným způsobem po jeho redukci v konvertoru na NO. Náplně konvertorů pracují za zvýšené teploty a obsahují buď molybden, nebo uhlík.

Obrázek 2.5 - Schéma chemiluminiscenčního analyzátoru pro stanovení oxidů dusíku. IR CO analyzátor s korelačním filtrem Je založen na absorpci infračerveného světla (IR). Využívá v systému měření referenční kyvetu s 25% koncentrací měřené složky. Metoda GFC (Gas Filter Correlation) byla vyvinuta pro zdokonalení infračervené absorpční metody měření s tím, že na rozdíl od nedisperzní infračervené metody slouží optický filtr na výběr referenční vlnové délky a je nahrazen korelačním kolečkem (Obrázek 2.6).

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

51


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

Obrázek 2.6 - Schéma IR analyzátoru s korelačním filtrem. UV absorpční analyzátor ozónu Zařízení pracuje na principu UV absorpce. Analyzátor využívá vyhřívaný deozonátor pro výrobu referenčního plynu rozkladem O3 ve vzorku. To přináší omezení interference a vyšší odolnost vůči přítomnosti vlhkosti ve vzorku (Obrázek 2.7).

Obrázek 2.7 - Schéma analyzátoru ozónu. Analyzátor s FID pro stanovení VOC (THC, CH4, nMHC) Využívá technologii plamenově-ionizačního detektoru (FID) ke kontinuálnímu měření celkového obsahu uhlovodíků (THC), těkavých uhlovodíků (VOC), methanu (CH4) a nemethanových uhlovodíků (nMHC). Princip měření spočívá v měření proudu generovaného ionizací organických sloučenin v plamenu vodíku (Obrázek 2.8).

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

52


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

Obrázek 2.8 - Schéma analyzátoru s FID. GC/PID analyzátor pro stanovení benzenu, toluenu, ethylbenzenu a xylenů (BTEX) Vzorek ovzduší je odebírán střídavě pomocí dvou trubic obsahujících selektivní sorbent. Odebíraný plyn je veden do 1. odběrné trubice, současně je 2. trubice zahřáta a je vyplachována přiváděným dusíkem o konstantním tlaku. Tím je zajištěn transfer do rekoncentrační trubice. Odebírané těkavé látky jsou při rekoncentraci resorbovány ve velmi malém množství sorbentu. Pak je vzorek veden na kolonu plynového chromatografu (GC), kde dojde k separaci jednotlivých složek vzorku. Na výstupu kolony jsou měřené látky detekovány fotoionizačním detektorem (PID), jak ukazuje Obrázek 2.9.

Obrázek 2.9 - Schéma analyzátoru BTEX. Beta prachoměr Prachoměr měří koncentraci prachu v jednotkách mg prachu v krychlovém metru vlhkého plynu. Aby mohla být stanovena koncentrace prachu, musí být měřen proteklý objem plynu a musí být stanoveno množství prachu v něm obsažené (Obrázek 2.10). Množství prachu usazené na filtru ze skelné tkaniny se stanovuje na základě zeslabení záření uhlíku 14C, měřeného Geiger-Mullerovým čítačem, usazenou vrstvou prachu. Radiometrická metoda měření je všeobecně použitelná, protože stanoví množství prachu v širokých mezních hodnotách bez ohledu na chemické a fyzikální vlastnosti prachu a nosného plynu.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

53


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

Obrázek 2.10 - Schéma prachoměru beta Uvedené přístroje jsou obvykle umisťovány ve stanicích automatizovaného imisního monitoringu (AIM) a jsou dodávány do informačního systému kvality ovzduší (ISKO), spravovaného Českým hydrometeorologickým ústavem (ČHMÚ).

CD-ROM Měření znečištění ovzduší mobilní technikou. Zpracování odebraných vzorků a jejich příprava k analýze. Laboratorní stanovení polycyklických aromatických uhlovodíků metodou GC/MS.

Shrnutí pojmů 2.3. Gravimetrické stanovení, ultrafialové záření, infračervené záření, plynová chromatografie, radiometrie.

Otázky 2.3. 11. Které přístroje jsou potřebné ke gravimetrickému stanovení koncentrace pevných látek v ovzduší? 12. Jakým způsobem je obvykle organizováno měření znečištění ovzduší?

2.4 Metody odhadu podílu dopravy na znečištění ovzduší Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl: Po prostudování tohoto odstavce budete umět Popsat tři metody receptorového modelování. Sestavit datovou matici pro receptorové modelování. Porozumět interpretaci publikovaných výsledků receptorového modelování.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

54


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

Výklad Původ znečištění ovzduší podle jednotlivých zdrojů je možný stanovit postupy, které se nazývají receptorové modelování. Tyto metody jsou založené na postupech faktorové analýzy (FA). Analyzují se přitom datové matice s uvedením jednotlivých naměřených škodlivin ve sloupcích a příslušných měřených případů (vzorků) v řádcích, jak ukazuje Tab. 2.5. V prvním řádku obvykle jsou umístěny identifikátory měřených látek, v prvním sloupci identifikátory jednotlivých měření. Pro maticové zápisy je v následujících rovnicích použita symbolika, ve které indexy tučně vyznačených symbolů pro matice znamenají postupně počty jejich řádků a sloupců. Metody receptorového modelování vyžadují od jejich uživatelů základní znalosti lineární algebry a postupů vícerozměrné statistické analýzy. Tab. 2.5 - Příklad datové matice X19 uhlovodíků ve vzduchu Datum čas 1.1.2011 00:01 1.1.2011 00:16 1.1.2011 00:31 1.1.2011 00:46 1.1.2011 01:01 1.1.2011 01:16 1.1.2011 01:31 1.1.2011 01:46 1.1.2011 02:01 1.1.2011 02:16 1.1.2011 02:31 1.1.2011 02:46 1.1.2011 03:01 1.1.2011 03:16 1.1.2011 03:31 1.1.2011 03:46 1.1.2011 04:01 1.1.2011 04:16 1.1.2011 04:31

benzen 4,23 4,81 3,94 3,94 4,23 3,65 3,56 3,65 4,13 3,65 3,56 3,56 3,46 3,37 3,17 3,37 3,37 3,46 3,56

toluen 7,62 7,92 7,42 7,62 7,62 7,12 7,42 7,42 7,42 7,52 7,22 7,42 7,32 7,32 7,02 7,02 7,12 7,12 7,02

5

pro měření koncentrací aromatických

ethylbenzen 1,38 1,63 1,63 1,38 1,63 1,50 1,38 1,50 1,50 1,63 1,63 1,63 1,63 1,44 1,25 1,75 1,50 1,25 1,50

m-+p-xylen 4,53 5,16 4,74 4,53 4,74 4,63 5,05 5,26 4,53 5,16 5,05 4,84 5,05 4,84 4,63 5,05 4,95 4,63 4,42

o-xylen 1,75 2,13 2,50 1,88 2,38 2,25 2,25 2,13 1,63 2,25 2,25 2,38 2,13 2,13 2,13 1,63 2,00 2,06 2,13

Základní princip FA spočívá v tom, že každá z pozorovaných náhodných veličin (sloupcových vektorů)

(j = 1, …, M) může být vyjádřena jako součet lineární

kombinace menšího počtu P nepozorovatelných (hypotetických) náhodných veličin (k = 1, …, P) - tzv. společných faktorů (M>P) a dalšího zdroje variability

(j = 1, …,

M) - tzv. specifické (reziduální) složky. Tj. přepokládáme, že platí model: , kde

jk

(1)

faktorová váha (zátěž) k-tého společného faktoru příslušná k j-té veličině a k-tému faktoru, k = 1, …, P,

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

55


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

56

k-tý společný faktor, je náhodná odchylka od přesného modelu příslušná k j-té veličině, j = 1, …, M. Předpokládáme, že náhodné veličiny

jsou standardizované, tj. , …, mají nulovou střední hodnotu a jednotkový rozptyl. Standardizací se eliminuje vliv jednotek. Při N realizacích (pozorováních, měřeních) dostáváme rovnici (1) pro i-tou realizaci a j-tou veličinu ve tvaru: (2)

, kde standardizované veličiny mají tvar: ,

(3)

sloupcové průměry a směrodatné odchylky mají tvar: a

(4)

a vztahy (5) mají pak strukturu:

,

,

, (5)

Model faktorové analýzy je v maticové formě definován vztahem: (6)

. se nazývá matice faktorových zátěží a je maticí transponovanou k matici

Matice

.

Dále předpokládáme, že -

náhodné vektory Fnp a Enm jsou nekorelované, , 2 2 var(Enm) = Ψmm=diag {u1 , …, um } (tj. náhodné odchylky jsou nekorelované), var(Fnp) = Ipp, kde Ipp je jednotková matice řádu p (tj. faktory jsou nekorelované a mají jednotkové rozptyly).

-

E(Fnp) = 0, E(Enm) = 0.

Dále:

Z těchto předpokladů můžeme odvodit základní faktorovou rovnici:

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

.

(7)

Počet faktorů odhadujeme např. podle Kaiserova kritéria - za p zvolíme počet těch vlastních čísel korelační matice Rmm, která jsou větší než 1. Existuje řada dalších kritérií popsaných v literatuře (citát). Je-li formulován faktorový model, je zapotřebí pro dané M odhadnout faktorovou matici

. Z celé řady metod odhadu

je v současné době

nejběžnější metoda hlavních faktorů. Vychází se z korelační matice dané rovnicí (6) a jejího spektrálního rozkladu. Dále se odhadnou hodnoty faktorového skóre, např. Bartlettovou metodou vážených nejmenších čtverců, která spočívá v minimalizaci výrazu: (8) vzhledem k neznámé faktorové matici s tím, že místo neznámých zátěží a specifických rozptylů se použije jejich odhad. Potom váženou metodou nejmenších čtverců dostáváme odhad matice faktorů

jako: .

(9)

Pro získání výsledků fyzikálně interpretovatelných se s maticemi faktorových zátěží a faktorů (faktorových skóre) provádí další matematická operace, nazývaná rotace. Jedná se o transformační proces maximalizace rozptylu faktorů do směrů jednotlivých faktorových os. Nejběžněji používanou ortogonální rotací, tj transformací, zachovávající kolmost jednotlivých os, je rotace Varimax. Faktorová analýza je součástí řady statistických softwarových aplikací, ať se jedná o komerční produkty, jako je např. STATISTICA, S-plus, NCSS, nebo freewarové produkty R (R Core Team, 2012), nebo OPStat (PYTELA, O., 2012). Nejběžnější jsou tři postupy receptorového modelování, jejichž zkratky názvů jsou odvozeny z angličtiny. 2.4.1 Chemical Mass Balance - CMB Receptorové modelování používá chemické a fyzikální vlastností plynů a aerosolových částic, které jsou změřeny pro emisní zdroje a receptory (v českém prostředí používáme slovo imisní charakteristiky místa), pro identifikaci a kvantifikaci příspěvku jednotlivých zdrojů na jednotlivých imisních (odběrových) místech. Z matematického hlediska zpracování emisních a imisních dat zahrnuje: a) chemickou hmotnostní bilanci, b) faktorovou analýzu datové matice, c) vícenásobnou lineární regresi. Základním požadavkem pro toto receptorové modelování je: a) stabilita emisních zdrojů v monitorovaném období,

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

57


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. b) nalezení všech významných k charakterizaci imisních míst.

emisních

zdrojů,

které

přispívají

Model vyžaduje pro získání vstupních údajů sběr emisních dat (tzv. podpisů zdroje) a relevantních imisních dat z reprezentativních kampaní. Výsledkem receptorového modelování je určení míry korelace mezi experimentálně získanými emisními a imisními daty, které umožní identifikovat majoritní původce znečištění pro danou skupinu znečišťujících látek, případně průmyslové odvětví nejvíce se podílející na daném znečištění. Model Chemical Mass Balance, CMB 8.2 (dále jen CMB), je jedním z matematických modelů sloužících k receptorovému modelování. CMB lze stáhnout s poměrně rozsáhlou průvodní dokumentací a příkladovými vstupními daty na internetových stránkách U.S. Environmental Protection Agency (www.epa.gov). Receptorové modelování používá fyzikální a chemické charakteristiky plynů a tuhých částic změřené na zdroji znečišťování a v místě příjemce (receptoru) k identifikaci a kvantifikaci příspěvku konkrétního zdroje nebo zdrojového typu ke koncentraci znečišťující látky v místě příjemce (imisní odběrové místo). Výsledky receptorového modelování mohou být porovnávány s výsledky disperzních modelů (rozptylové studie), které používají emisní parametry zdroje, meteorologická data a popis mechanismů chemické transformace k odhadu příspěvku každého emisního zdroje znečišťování ke koncentraci dané znečišťující látky v místě příjemce. Základními požadavky pro uskutečnění receptorového modelování s dobrými výsledky je: a) stabilita emisních zdrojů v monitorovaném období, b) nalezení všech významných emisních zdrojů, které přispívají k charakterizaci imisních míst, c) chemické látky spolu nereagují, sčítají se lineárně, d) počet zdrojů (kategorií zdrojů) je menší nebo roven počtu znečišťujících látek, e) nejistoty měření jsou náhodné, není mezi nimi korelace a jsou normálně rozložené. Účelem receptorového modelování je „přidělit“ imisní koncentrace PM2,5; PM10 (případně jiné skupiny polutantů – PAH, VOC apod.) emisním zdrojům, tedy na základě imisního monitoringu identifikovat příspěvek emisního původce k danému znečištění. CMB model vyjadřuje všechny měřené koncentrace znečišťujících látek jako lineární součet produktů zdrojových profilů a příspěvků zdrojů a následně řeší sadu lineárních rovnic. Vstupní informace do modelu obsahují: -

zdrojové profily znečišťujících látek (source profile) obsahující normalizovaná množství znečišťujících látek,

-

koncentrace znečišťujících látek zjištěné v místě receptoru (příjemce) – tedy údaje o imisních koncentracích,

-

reálné nejistoty pro zdrojové a receptorové hodnoty pro každou znečišťující látku, každý den imisního monitoringu a každý emisní zdroj.

Výstupní informace z modelu obsahují:

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

58


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. -

příspěvek každého zdrojového profilu k imisnímu zatížení.

CMB vyžaduje jako vstupní údaje databázi denních imisních koncentrací sledovaných znečišťujících látek (doplněnou příslušnými nejistotami) a databázi emisních podpisů jednotlivých typových zdrojů, u kterých je předpoklad, že se na znečištění ovzduší v rámci řešené lokality podílejí nebo mohou podílet. Na základě rešeršní části řešení musí být vždy vytipovány potencionální zdroje znečištění v dané lokalitě, na kterých je následně realizováno měření zaměřené na získání emisního podpisu zdroje. Pro účely aplikace v receptorovém modelu CMB je rovněž možno využít databází emisních zdrojů, kterými disponují některé firmy, které se touto problematikou zabývají (např. TESO Praha). 2.4.2 Pozitivní maticová faktorizace - PMF Pozitivní maticová faktorizace (Positive Matrix Factorisation – PMF) je variantou faktorové analýzy (FA) (Comero et al., 2009). Tato metoda, na rozdíl od CMB, nevyžaduje detailní znalost koncentračních profilů zdrojů. Na rozdíl od tradičního přístupu k FA, který provádí rozklad datové matice založený na korelační matici, PMF řeší faktorovou rovnici (6) iterativním postupem výpočtů matic

a

cestou minimalizace vztahu

(10) , kde z rovnice (2):

(11) a sij směrodatná odchylka spojená s každým datovým bodem (Paatero and Tapper, 1994; Paatero, 1997). PMF předpokládá positivní výsledky, a proto splňuje podmínku nezápornosti nutnou pro realistické přidělení zdrojů modelu. PMF je v podstatě metodou vážených nejmenších čtverců. Paatero a Tapper zdokonalili dřívější postupy, založené na střídavém udržování jedné z matic

a

na konstantní hodnotě při odhadu druhé z nich, zavedením třetího kroku

spočívajícího v současném odhadování obou matic. Podmínka nezápornosti je přitom zajištěna nastavením negativních prvků na nulu a maximalizací penalizační funkce pro každý takový datový bod (Paatero and Tapper, 1994). Důležitou vlastností metody PMF je, že je schopna řešit datové matice obsahující odlehlé hodnoty, hodnoty pod mezí detekce a chybějící hodnoty. Algoritmy používané při výpočtech se nazývají PMF2, PMF3 a ME-2. Analýzou funkce Q je možné zjistit optimální počet faktorů, které reprezentují jednotlivé zdroje.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

59


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

60

Na internetových stránkách U.S. Environmental Protection Agency (EPA PMF, 2012) je volně dostupná aplikace EPA PMF 3.0, včetně dokumentace, která je založena na algoritmu Multilinear Engine, ME-2. Vstupem pro metodu PMF je matice dat popsaná v úvodu kapitoly 2.4 a matice nejistot, kde každá nejistota odpovídá každému bodu datové matice. Pokud nejsou známy všechny nejistoty, je vstupem místo matice nejistot stejných rozměrů jako matice dat matice, kde na prvním řádku jsou uvedeny detekční limity jednotlivých látek a ve druhém řádku relativní nejistoty stanovení v procentech. Výstupem metody PMF je matice koncentračních profilů zdrojů a matice příspěvků těchto zdrojů ke znečištění ovzduší. Příspěvky jsou počítány pro každé měření a dále, pokud je k dispozici odpovídající množství dat, jako souhrny pro pracovní dny a víkendy, pro jednotlivá roční období a pro jednotlivé roky. Podíl dopravy na znečištění ovzduší je možné vypočíst převedením příslušných příspěvků za sledované období na procentický podíl zdrojů charakteristických pro dopravu. 2.4.3 Absolutní komponentní skóre - APCS Metoda absolutních komponentních skóre (Absolute Principal Component Scores – APCS) vychází z faktorové analýzy (odkaz). Její používání předpokládá znalosti metod vícerozměrné statistické analýzy. Metodika je dostupná na webových stránkách Ministerstva životního prostředí (Huzlík et al., 2010), kde je uveden i kód skriptu v jazyce R (R Core Team, 2012) pro výpočty APCS. Pro odhad příspěvku jednotlivých zdrojů škodlivin se používá metody APCS ve spojení s vícerozměrnou regresní analýzou – MRA. Výsledků faktorové analýzy se použije v dalším kroku výpočtů, který spočívá v předpokladu, že fyzikální smysl mají kladná faktorová skóre. To je proto, že naměřené koncentrace znečištění ovzduší, ze kterých se vychází při výpočtech, mohou mít pouze nezáporné velikosti. Transformace na absolutní komponentní skóre (APCS) spočívá ve vynásobení vektoru aditivních členů z rovnice (3), tj. pro xij=0: (10) maticí převodních koeficientů Kmp získaných z rovnice (9) po vynásobení maticí rotace

,

čili: (11) a odečtení získaných hodnot od faktorových skóre získaných z faktorové analýzy. Dalším krokem výpočtu je výpočet koeficientů vícerozměrné regrese koncentrací škodliviny, jejíž původ zjišťujeme, s APCS. Průměrné příspěvky jednotlivých identifikovaných zdrojů k celkovému znečištění ovzduší se spočtou ze získaných regresních koeficientů jejich vynásobením průměrnou hodnotou ACPS pro každý společný faktor jako absolutní příspěvek, který se z celkové koncentrace škodliviny přepočte na procentické VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. příspěvky zdrojů. Pokud je absolutní člen vypočtený z regrese statisticky významný, je považován za absolutní příspěvek neidentifikovaných zdrojů znečištění. Příspěvek dopravy k celkovému znečištění se zjišťuje tak, že na základě markerů dopravy, tj. škodlivin, které jsou pro dopravu charakteristické a tvoří podstatnou část faktoru, se identifikuje faktor nebo skupina faktorů reprezentujících dopravu. Typickými markery dopravního znečištění jsou např. oxidy dusíku, benzen, elementární uhlík, organický uhlík, koronen apod. Příspěvek takto identifikovaných faktorů je považován za příspěvek dopravy.

Shrnutí pojmů 2.4. Faktorová analýza, faktorová zátěž, faktorové skóre, Chemical Mass Balance, koncentrační profil zdroje, Positive Matrix Factorisation, vícerozměrná regresní analýza, absolutní komponentní skóre.

Otázky 2.4. 13. Jak jsou uspořádána data pro receptorové modelování? 14. Co je principem faktorové analýzy? 15. Jak se standardizují data pro faktorovou analýzu? 16. Co je základním požadavkem pro modelování s dobrými výsledky metodou CMB? 17. Co je vstupem pro metodu PMF? 18. Které škodliviny jsou typickými markery dopravy?

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

61


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

Klíč k řešení O 2.1.1 ............................................................................................................................... str. 43 Měří se CO, NOx, u vznětových motorů celkové uhlovodíky a PM. O 2.1.2 ............................................................................................................................... str. 43 Viz Obrázek 2.2. O 2.1.3 ............................................................................................................................... str. 43 Teplota v komoře (nebo místnosti) se musí v celé době stabilizování a vážení udržovat na hodnotě 22 °C ± 3 °C. Vlhkost se musí udržovat na rosném bodu 9,5 °C ± 3 °C a na relativní vlhkosti 45 % ± 8 %. Prostředí komory (nebo místnosti) musí být prosté jakéhokoli okolního znečištění (prachu). O 2.1.4 ............................................................................................................................... str. 43 Zaručit jednotnou celkovou filtrační charakteristiku celého systému opacimetru. O 2.1.5 ............................................................................................................................... str. 43 V objemových jednotkách (objemová % nebo objemové ppm). O 2.1.6 ............................................................................................................................... str. 43 Směrnice evropského parlamentu a rady 2005/55/ES. O 2.2.7 ............................................................................................................................... str. 49 Pevné částice. O 2.2.8 ............................................................................................................................... str. 49 Gravimetrická metoda. O 2.2.9 ............................................................................................................................... str. 49 Plynová chromatografie s plamenoionizační detekcí a s fotoionizační detekcí. O 2.2.10 ............................................................................................................................. str. 49 Viz Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. O 2.3.11 ............................................................................................................................. str. 54 Vzorkovač ovzduší a analytické mikrováhy. O 2.3.12 ............................................................................................................................. str. 54 Přístroje jsou obvykle umisťovány ve stanicích AIM a jsou dodávány do ISKO, spravovaného ČHMÚ. O 2.4.13 ............................................................................................................................. str. 61 Viz Tab. 2.5. O 2.4.14 ............................................................................................................................. str. 61

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

62


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. Každá z pozorovaných náhodných veličin (sloupcových vektorů) může být vyjádřena jako součet lineární kombinace menšího počtu nepozorovatelných (hypotetických) náhodných veličin. O 2.4.15 ............................................................................................................................. str. 61 Od každého prvku matice se odečte příslušný sloupcový průměr a výsledek se vydělí příslušnou sloupcovou směrodatnou odchylkou. O 2.4.16 ............................................................................................................................. str. 61 Stabilita emisních zdrojů v monitorovaném období, nalezení všech významných emisních zdrojů, které přispívají k charakterizaci imisních míst, chemické látky spolu nereagují, sčítají se lineárně, počet zdrojů (kategorií zdrojů) je menší nebo roven počtu znečišťujících látek, nejistoty měření jsou náhodné, není mezi nimi korelace a jsou normálně rozložené. O 2.4.17 ............................................................................................................................. str. 61 Matice dat a matice nejistot, kde každá nejistota odpovídá každému bodu datové matice. Pokud nejsou známy všechny nejistoty, je vstupem místo matice nejistot stejných rozměrů jako matice dat matice, kde na prvním řádku jsou uvedeny detekční limity jednotlivých látek a ve druhém řádku relativní nejistoty stanovení v procentech. O 2.4.18 ............................................................................................................................. str. 61 Např. oxidy dusíku, benzen, elementární uhlík, organický uhlík, koronen.

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

63


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V.

Další zdroje Použitá literatura v kapitole 2: COMERO, S., CAPITANI, L., GAWLIK, B. M.. 2009. Positive Matrix Factorisation (PMF). An introduction to the chemometric evaluation of environmental monitoring data using PMF. JRC Scientific and Technical Report EUR 23946 EN - 2009. ISSN 1018-5593 ISBN 978-92-79-12954-4. URL http://ies.jrc.ec.europa.eu/uploads/fileadmin/Documentation/Reports/RWER/EUR_23 946_EN.pdf ČHMU, 2011. Souhrnný tabelární přehled 2011, URL http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/isko/tab_roc/2011_enh/cze/index_CZ.html ČHMÚ, 2012. Metody stanovení jednotlivých http://old.chmi.cz/PL/ooco/metody.htm

škodlivin

v ovzduší.

URL

EPA PMF 3.0 Software, 2012. URL http://www.epa.gov/heasd/products/pmf/pmf.html. HUZLÍK, J., LIČBINSKÝ, R., ADAMEC, V. MIKUŠKA, P., VOJTĚŠEK, M., 2010. Metodika identifikace zdrojů pevných částic a pouličního prachu statistickými metodami, Brno: Centrum dopravního výzkumu, v.v.i.,. URL http://www.mzp.cz/cz/identifikace_zdroju_metodika. MŽP, 2011. Statistická ročenka životního prostředí České republiky 2011. Ministerstvo životního prostředí ČR. Praha, 717 s. URL http://www.cenia.cz/__C12571B20041E945.nsf/$pid/CENAXGA53MMQ PAATERO P., 1997. Least square formulation of robust non-negative factor analysis. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 37, 23–35. PAATERO P., TAPPER U., 1994. Positive Matrix Factorization: a non-negative factor model with optimal utilization of error estimates of data values. Environmetrics, 5, 111–126. PYTELA, O., 2012. Program OPStat. URL http://pytela.upce.cz/OPgm/ R Core Team, 2012. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. ISBN 3-900051-07-0, URL http://www.R-project.org/. Směrnice evropského parlamentu a rady 2005/55/ES, O sbližování právních předpisů členských států týkajících se opatření proti emisím plynných znečišťujících látek a znečišťujících částic ze vznětových motorů vozidel a emisím plynných znečišťujících látek ze zážehových motorů vozidel poháněných zemním plynem nebo zkapalněným ropným plynem. Vyhláška 330/2012 Sb. o způsobu posuzování a vyhodnocení úrovně znečištění, rozsahu informování veřejnosti o úrovni znečištění a při smogových situacích VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

64


Stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší Huzlík, J., Křivánek, V. Vyhláška 415/2012 Sb. o přípustné úrovni znečišťování a jejím zjišťování a o provedení některých dalších ustanovení zákona o ochraně ovzduší Zákon 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší

VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice

65

M22 krivanek huzlik final