Untersuchung der Ausbreitung von Verbrennungsprodukten in der Nachbarschaft von Kaminen häuslicher und gewerblicher Gasfeuerungen im Hinblick auf die Luftreinhaltung PDF
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FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN Nr. 2920/Fachgruppe Umwelt/Verkehr Herausgegeben yom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Dr. -Ing. Riidiger Haupt Dipl. -Ing. Jochem Hoitz Prof. Dr. -Ing. Hans Kremer Gaswarme-Institut e. V. Essen Untersuchung der Ausbreitung von Verbrennungsprodukten in der Nachbarschaft von Kaminen hauslicher und gewerblicher Gasfeuerungen im Hinblick auf die Luftreinhaltung Westdeutscher Verlag 1980 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Haupt. RUdiger: Untersuchung der Ausbreitung von Verbrennungs produkten in der Nachbarschaft von Kaminen hauslicher und gewerblicher Gasfeuerungen im Hinblick auf die Luftreinhaltung / RUdiger Haupt ; Jochem Hoitz ; Hans Kremer. - Opladen : Westdeutscher Verlag, 1980. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 2920 Fachgruppe Umwelt, Verkehr) ISBN-13: 978-3-531-02920-7 e-ISBN-13: 978-3-322-88477-0 DOl: 10.1007/978-3-322-88477-0 NE: Hoitz, Jochem:; Kremer, 'Hans: © 1980 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag ISBN-13: 978-3-531-02920-7 Inhalt 1. Einleitung 2. Problemstellung und Zielsetzung 2 3. Literaturlibersicht 4 3.1 Grundlagen 4 3.2 Bisher ige Untersuchungen 18 4. Experimentelle Untersuchungen 20 4.1 Versuchseinrichtungen und Versuchsdurchflihrung 20 4.1.1 Aufbau der Versuchsanlage 20 4. 1 . 2 MeBverfahren 22 4.2 Ermittlung und Darstellung der experimentellen 25 Ergebnisse 4.2.1 Simulation der atmospharischen Grenzschicht 25 im Windkanal 4.2.2 Die zur Untersuchung simulierten Profile 34 4.2.3 Beschreibung der untersuchten Modellkonfigura- 36 tionen und der Versuchsbedingungen 4.2.4 Einflihrung des bezogenen Konzentrationskoeffi- 38 zienten K 4.3 Immissionsraten am alleinstehenden Gebaude 39 mit stromaufwarts angeordneter Quelle (Konfiguration I) 4.3.1 ReynoldszahleinfluB - diffusionskritische 39 Reynoldszahl 4.3.2 EinfluB des vertikalen Geschwindigkeitsprofils 42 auf die Immissionsraten am Gebaude 4.3.3 EinfluB der Turbulenzintensitat auf die 43 Immissionsraten am Gebaude 4.3.4 Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse 44 - IV - 4.4 Verteilung der Immissionsraten im Nachlauf 47 eines Geb~udes mit Punktquelle uber dem Dach (Konfiguration II) 4.4.1 EinfluB der Turbulenzintensit~t 47 4.4.2 ElnfluB des Geschwlndlgkeitsprofl1s 49 4.4.3 EinfluB der Hahe der Quelle uber dem Dach 50 4.4.4 Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse 51 4.5 Zwei Einzelgeb~ude mit elner Quelle auf dem 53 luvseitlgen Geb~ude (Konfiguration III) 4.5.1 Die Modellanordnungen und die Darstellung 55 der Ergebnisse 4.5.2 Vorversuche zur Schornsteinhahe 58 4.5.3 Der EinfluB des Geb~udeabstandes auf die 60 Immissionsbelastungen an den Geb~udew~nden 4.5.4 Der EinfluB der Hahe des zwelten, leeseltigen 64 Modelles 4.5.5 Der ElnfluB der Schornsteinhahe 67 4.5.6 Der EinfluB des Turbulenzgrades der Anstramung 69 4.5.7 Zusammenfassung der wichtlgsten Ergebnisse 70 fur Konflguration III 5. Zusammenfassung 72 6. Schrifttum 77 7. Verzeichnls der Bilder und Tafeln 82 8. Bl1d- und Tafelanhang 88 - v - Bezeichnungen B Gebaudebreite Ernissionskonzentration des Spurengases, Irnrnissions konzentration des Spurengases d Stangendurchrnesser des Stangengi tters nach Cowdrey [30] o - ce/ci Verdtinnung FE Austrittsquerschnitt der Ernissions6ffnung Fr' rnodifizierte Froudezahl Gr Grashofzahl H Gebaudeh6he, Windkanalh6he Hl Gebaudeh6he des ersten Modells bei der Konfiguration III h Karninh6he (tiber Dach oder vorn Boden aus) , Stangenabstand vorn Boden (Stangengitter nach Cowdrey [30] i Irnpulsstrorndichteverhaltnis K Konzentrationskoeffizient Druckabfallkoeffizient bei der Berechnung des Stangengitters [30] L charakteristisches LangenrnaB bei turbulenten Strornungen, Bezugslange, Abstand der Stangen irn Stangengitter nach Cowdrey [30] n = l/a Exponent irn Berechnungsverfahren nach Cowdrey [30] p = ~/~ MaBstabsfaktor Re Reynoldszahl ReGr diffusionskritischer Grenzwert der Reynoldszahl t Zeit T Gebaudetiefe Ta' Te Ternperaturen der ungestorten Anstr6rnung, des heiBen Abgases am Schornsteinaustritt - VI - Tu Turbulenzgrad Tu , Tu , Tu Turbulenzintensitat in x-, y-, z-Richtung x Y z Tu Turbulenzintensitat in x-Richtung der unge 00 st6rten Str6mung u Bezugsgeschwindigkeit u Geschwindigkeitskomponente in x-Richtung u Bezugsgeschwindigkeit in der H6he Zo 0 uE Abgasaustrittsgeschwindigkeit aus dem Schornstein uG Gradientgeschwindigkeit uH Bezugsgeschwindigkeit in der H6he H (Modellh6he) uK Bezugsgeschwindigkeit in H6he der KaminmUndung Uz Windgeschwindigkeit in der H6he z u Schubspannungsgeschwindigkeit T v Geschwindigkeitskomponente in y-Richtung VE Abgasaustrittsvolumenstrom w Geschwindigkeitskomponente in z-Richtung x } kartesische Koordinaten in Str6mungsrichtung, y quer dazu, z in der H6he z Abstand der Spaltmitte vom Boden [30) Gradienth6he, Rauhigkeitsh6he, Kaminh6he (Konfiguration II) Zo Bezugsh6he des bezogenen Anstr6mprofils a Exponent des Potenzansatzes fUr das simulierte Geschwindigkeitsprofil ~ von Karmansche Konstante A charakteristische Lange der kleinen Turbulenzelemente einer Str6mung v kinematische Zahigkeit der Str6mung p Dichte des Fluids PE Dichte des Abgases im Austrittsquerschnitt des Kamins T Schubspannung - 1 - 1. Einleitung Die Verwendung der in der Gaswirtschaft verfligbaren Brenngase, vor allem Erdgas wegen seiner schadstoffarmen Verbrennung, ist hervorragend geeignet, in Ballungsraumen zur Luftreinhaltung beizutragen. Es finden sich jedoch auch in den Abgasen von Gasfeuerungen noch geringe Mengen von Schadstoffen, die unter Umstanden bei unglinstigen Verhaltnissen zu einer Beeintrachti gung der Umwelt flihren konnen. Es ist daher von groBem Interesse zu wissen, wie die aus 6ff nungen und sonstigen Abgasauslassen austretenden Abgase sich in Abhangigkeit von der lokalen Bebauung und Topographie mit der Umgebungsluft vermischen und welche Immissionskonzentra tionen dabei an Oberflachen und in Bodennahe sowie an Gebauden selbst auftreten konnen. Bislang ist man im allgemeinen darauf angewiesen, im Bedarfs fall, z.B. im Rahmen von Gutachten, nach der Bauausflihrung entsprechende zeit- und kostenaufwendige Messungen durchzuflih ren, urn gegebenenfalls storende oder schadliche Immissionen durch ~nderung der Emittenten zu beeinflussen. Aus diesem Grunde ist die Notwendigkeit gegeben, die zu erwartenden Immissionsraten eines konkreten Vorhabens bereits vor der Bau ausflihrung zu kennen, urn erforderliche ~nderungen noch im Pla nungsstadium durchflihren zu konnen. Flir das Problem der Bestimmung der Immissionsraten in groBen Entfernungen von Schadstoffquellen und in groBeren Hohen ober halb des Nahbereiches von Gebauden stehen analytische Berech nungsverfahren bereit, die haufig eine ausreichende Genauig keit der Voraussage gestatten. Die vereinfachenden Annahmen, die bei dieser so~enannten Fern ausbreitung zur mathematischen Losung flihren, konnen jedoch im sogenannten Nahbereich von Quellen und Gebauden, infolge von komplizierten Kopplungen der Stromungsfelder mit den Diffusi onsfeldern sowie durch die lokalen Storungen durch die Gebau de selbst, nicht mehr getroffen werden, so daB analytische Lo- - 2 - sungen des Ausbreitungsvorganges fUr diesen Bereich nicht in Frage kommen. Auch numerische Verfahren fUr den allgemeinen dreidimensionalen, instationaren Fall sind bislang nicht be kannt geworden. Urn jedoch in naher Zukunft zu Vorhersagen Uber Immissionsraten zu kommen, mUssen empirische Methoden angewendet werden. Diese Methoden in Form systematischer experimenteller Untersuchungen bieten zur Zeit die einzig absehbare M6glichkeit, allgemeine Abhangigkeiten der lokalen Konzentrationen im Nahbereich von Gebauden, sowohl hinsichtlich der geometrischen als auch der str6mungsmechanischen EinflUsse zu erfassen. 2. Problemstellung und Zielsetzung FUr experimentelle Untersuchungen stehen grundsatzlich zwei M6glichkeiten zur VerfUgung: Zum einen k6nnen die Messungen direkt an ausgefUhrten Gebaudekomplexen durchgefUhrt werden, zum anderen k6nnen die erforderlichen Daten aus Messungen an maBstablichen Modellen im Windkanal gewonnen werden. Systematische Messungen an GroBausfUhrungen, sogenannte Feld messungen sind mit erheblichem Aufwand verbunden und aus Zeit und KostengrUnden im erforderlichen Umfang nicht durchfUhrbar. Urn also zu Erkenntnissen Uber die Ausbreitung von Schadstoffen in Gebaudenahe zu kommen, verbleiben daher nur Modellmessun gen, deren Daten dann auf die GroBausfUhrung mit Hilfe von ~hnlichkeitsgesetzen Ubertragen werden k6nnen. Derartige ~hn lichkeitsgesetze k6nnen dabei entweder aus den Differential gleichungen, die den gesamten Vorgang beschreiben, gewonnen werden oder aus Dimensionsbetrachtungen. Grundsatzlich gilt, daB neben der geometrischen auch kinematische, dynamische und thermische ~hnlichkeit zwischen GroBausfUhrung und Modell vor liegen muB. Die daraus resultierenden ~hnlichkeitsgesetze sind jedoch wegen gegenlaufiger Tendenzen so beschaffen, daB eine gleichzeitige ErfUllung im Modell im allgemeinen nicht zu er reichen ist. Hinzu kommt, daB die Turbulenz der Str6mung eine - 3 - ausschlaggebende Rolle bei der Schadstoffausbreitung hat. FUr Modellmessungen mUBten also auch die Turbulenzverhaltnisse der GroBausfUhrung genau simuliert werden, und zwar sowohl in der Mikro- als auch in der Makrostruktur, d.h. im gesamten Fre quenzspektrurn der turbulenten Bewegungen. Da jedoch die Turbulenzverhaltnisse in der Stromung urn GroB ausfUhrungen nicht genau bekannt sind, kann die Simulation der Turbulenz nur teilweise gelingen. Als wesentliche dynamische Ahnlichkeitsforderungen bei Modell untersuchungen zur Schadstoffausbreitung haben sich die Rey noldsche Ahnlichkeit und die Froudesche Ahnlichkeit herauskri stallisiert, wobei der Reynoldschen Ahnlichkeit im Nahbereich groBere Bedeutung zukommt als der Froudeschen Ahnlichkeit, die die Auftriebseigenschaften der emittierten Gase berUcksichtigt. Die kinematische Ahnlichkeitsforderung verlangt, daB die ver tikale Profilform, d.h. die Ausbildung der atmospharischen Grenzschicht im Windkanal nachgebildet werden muB. Durch die Moglichkeit, eine Anzahl von Gebauden beliebig zu einander anzuordnen, ergeben sich fUr systematische Modellun tersuchungen ebenfalls beliebig viele geometrische Parameter. Hierdurch scheint eine Losung des Problems von vornherein aus sichtslos, da die Ubertragbarkeit von Ergebnissen aus einer Konfiguration auf eine andere, selbst bei Einhaltung aller Ahnlichkeitsgesetze, generell nicht moglich ist. Komplizierte Geometrien lassen sich jedoch aus simplen Grundkonzepten zu sammengesetzt denken. Oft sind bei Ausbreitungsvorgangen in nerhalb von Gebaudekomplexen die Quellen so angeordnet, daB lediglich unmittelbar benachbarte Gebaude direkten Immissionen ausgesetzt sind, wahrend sich etwas weiter entfernt gelegene Gebaude im Nachlauf vorangehender Gebaude befinden, so daB die Gesamtkonfiguration des Gebaudekomplexes einen nicht mehr so wichtigen EinfluB auf die Immission hat. Ziel dieser Untersuchungen war es daher, fUr geometrisch ein fache Konstellationen von Emittent und Gebaude Immissionsbela- - 4 - stungen festzustellen. Das Schwergewicht sollte dabei auf die Ubertragbarkeit der Modelluntersuchungen gelegt werden. Hier zu sollte der prinzipielle EinfluB der Turbulenz und des Ge schwindigkeitsprofils der Anstromung auf die Immissionsrate an freistehenden Gebauden geklart werden. Die Ergebnisse 501- len dazu dienen, in Zukunft der Praxis zuverlassige Informa tionen und Unterlagen zur Beurteilung von Immissionskonzentra tionen flir bebaute Gebiete, in denen hausliche und gewerbliche Feuerungsanlagen installiert sind oder installiert werden 501- len, an die Hand geben zu konnen. 3. Literaturlibersicht 3.1 Grundlagen Der natlirliche Wind Die Bewegung des naturlichen Windes liber der Erdoberflache wird hauptsachlich durch drei Krafte bestimmt [1). Diese drei Krafte sind Druckkrafte, die von unterschiedlichen, durch Son nenerwarmung erzeugten Druckgradienten herrlihren, Krafte, die infolge Erddrehung und Krlimmung der Erdoberflache frei werden (Corioliskrafte), sowie Reibungskrafte in Bodennahe. In groBerer Hohe (etwa oberhalb 500 m), wo der EinfluB der Reibung an der Oberflache vernachlassigbar ist, verlauft die Windbewegung annahernd parallel zu den Isobaren im geostro phischen Gleichgewicht zwischen Druckkraften und Corioliskraf ten. (Eine Ableitung dieser Beziehung ist z.B. unter [2), S. 128-131 zu finden.) Man nennt diesen Wind Gradientenwind oder geostrophischen Wind und die Windgeschwindigkeit Gradientgeschwindigkeit. Unterhalb dieser Hohe von etwa 300 - 600 m (Gradienthohe) macht sich der EinfluB der Reibungskrafte bemerkbar. Es kommt zur Ausbildung einer Grenzschicht, die sich in eine Ubergangsschicht mit kontinuierlich zunehmender Schubspannung
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