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Methode zur Bilanzierung von Luftverunreinigungen anhand von Vertikal- und Horizontalprofilmessungen
(2010) Vogt, Ulrich; Baumbach, Günter (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Ziel dieser Arbeit ist es, eine Methode zu beschreiben, mit deren Hilfe die in einem Untersu-chungsgebiet freigesetzten Emissionen von Luftverunreinigungen durch Messungen in der Außenluft bestimmt werden können. Mit Hilfe von Vertikal- und Horizontalprofilmessungen konnten die Konzentrationsverteilungen im Luv und Lee von Emissionsquellen bestimmt werden. Die Messergebnisse wurden verwendet, um aus den Konzentrationsdifferenzen zu-sammen mit Messergebnissen von meteorologischen Parametern die Massenströme der be-trachteten Luftverunreinigungen zu berechnen und eine Massenbilanz für ein Untersuchungs-gebiet aufzustellen. Auf diese Weise konnten die in den Untersuchungsgebieten freigesetzten Emissionen messtechnisch bestimmt und gleichzeitig durchgeführte Emissionsmodellrech-nungen validiert werden. Die Validierung ist wichtig, da Emissionsmodellierungen in der Luftreinhaltung immer häufiger eingesetzt werden. Einerseits gehen die modellierten Emissi-onen als Eingangsdaten in die immer häufiger verwendeten Ausbreitungsmodellierungen ein, andererseits werden sie auch für Emissionsminderungsszenarien verwendet. Aufgrund der sehr weitreichenden politischen und finanziellen Folgen der Verwendung dieser Emissionsda-ten, ist eine Überprüfung der Richtigkeit der berechneten Emissionen unumgänglich. In dieser Arbeit wurden die Ergebnisse von zwei Experimenten zur Beschreibung der Bilan-zierungsmethode herangezogen. Im ersten Projekt wurde erstmals die Bilanzierung aller frei-gesetzten Luftverunreinigungen einer ganzen Stadt durchgeführt. Es wurden über mehrere Monate Konzentrationsmessungen in und um Augsburg vorgenommen. Die vertikale und ho-rizontale Verteilung der Luftverunreinigungen und der meteorologischen Parameter wurden im Luv und Lee der Stadt mit Hilfe von drei Fesselballonmesssystemen, einem ferngesteuer-ten Luftschiff, zwei Messflugzeugen und weiterer Messtechnik bestimmt. Für den gleichen Zeitraum wurde ein zeitlich, räumlich und stofflich hochaufgelöstes Emissionskataster für die Stadt erstellt. Anschließend wurden die gemessenen und bilanzierten Emissionen mit den mo-dellierten Emissionen verglichen und somit das Emissionsmodell validiert. Die Fesselballon- und Luftschiffmessungen wurden vom IFK bzw. mit Unterstützung des IFK durchgeführt. Die großen Vorteile von Fesselballon- und Luftschiffmessungen haben sich auch bei diesem Experiment bewährt. Allerdings hat sich im Projekt EVA auch herausgestellt, dass eine Stadt wie Augsburg mit ihren ca. 255.000 Einwohnern eine horizontal sehr ausgedehnte Abgasfahne besitzt, die es gilt messtechnisch möglichst komplett zu erfassen. Für eine Stadt dieser Größe reichten die Fesselballon- und Luftschiffmessungen alleine nicht aus, um die ca. 9 km breite Abgasfahne in ausreichender Messdichte zu erfassen. Die Kombination dieser beiden Messsysteme mit Flugzeugmessungen hat sich jedoch zur Erfassung der gesamten Abluftfahne sehr gut bewährt. Der Vergleich der messtechnisch bestimmten mit den model-lierten NOx-Emissionen ergab für die meisten Daten, die sich für eine Auswertung eigneten, eine Übereinstimmung, wenn auch die modellierten Emissionen stets über den auf Messungen beruhenden lagen. Allerdings waren die Unsicherheiten, die sowohl bei den Messungen als auch bei den Berechnungsmethoden und den Emissionsmodellierungen anzusetzen waren, teilweise hoch. Im zweiten Projekt fanden intensive Messungen und Untersuchungen an einer Autobahn statt. Der Vergleich der über die Vertikalprofilmessungen bestimmten NOx-Emissionsfaktoren mit den NOx-Emissionsfaktoren, die über das Emissionsmodell bestimmt wurden, ergab deutliche Abweichungen. Besonders für den Schwerverkehr (HDV) lagen die gemessenen Emissions-faktoren zwischen 20 und fast 100 % über den modellierten Emissionsfaktoren, die auf dem Handbuch für Emissionsfaktoren (HBEFA Version 1.2) basierten. Aufgrund dieser Erkennt-nisse wurden die Emissionsfaktoren für den Schwerverkehr (HDV) angepasst und liegen nun in der aktuellen Version 2.1 entsprechend höher. Der Vergleich der VOC-Emissionsfaktoren ergab sehr gute Übereinstimmung für die Komponenten BTX – Benzol, Toluol, Xylole - da für diese Komponenten den Emissionsmodellen genügend Messdaten zugrunde liegen. Für weitere VOC-Komponenten traten teilweise sehr große Abweichungen zwischen den gemes-senen und den modellierten Emissionsfaktoren auf, wobei die gemessenen Emissionsfaktoren grundsätzlich höher ausfielen als die modellierten. Die Abweichungen lagen für manche Komponenten im Bereich von Faktor sechs bis 20! Der Grund ist in der dünnen Datenlage für die für die Emissionsmodellierung zur Verfügung stehenden VOC-Emissionsfaktoren zu su-chen. Alle Partikel-Emissionsfaktoren, die im Projekt BAB II bestimmt wurden, lagen in der gleichen Größenordnung wie die zum Vergleich verfügbaren Literaturwerte. Für die aktive Partikeloberfläche lagen die im Projekt BAB II ermittelten Werte etwas über den Literatur-werten, für alle anderen berechneten und verglichenen Partikelparameter lagen die im Projekt BAB II ermittelten Emissionsfaktoren innerhalb der maximalen und minimalen Vergleichs-werte. Der Vergleich der Emissionsfaktoren von Rußpartikeln ergab eine sehr gute Übereinstimmung sowohl im direkten Vergleich der Messergebnisse mit den Ergebnissen der Emissions-modellierung im Projekt BAB II als auch im Vergleich mit Literaturwerten.
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Methoden der Qualitätssicherung bei der Messung von Luftverunreinigungen bei Feldexperimenten
(2001) Glaser, Konrad; Baumbach, Günter (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Für ein verbessertes Verständnis der Vorgänge und Zusammenhänge in der Atmosphäre und für unsere Fähigkeit, kurzfristige und langfristige Vorhersagen über deren Zustand zu machen, werden unter anderem experimentelle Untersuchungen benötigt. Bei solchen Feldexperimenten werden für die Messung von Luftverunreinigungen im allgemeinen eine Vielzahl von unterschiedlichen Meßsystemen eingesetzt, deren Meßdaten nach dem Experiment in einem gemeinsamen Datenpool zusammengeführt werden. Für eine wissenschaftliche Auswertung muß die Qualität der in den gemeinsamen Pool eingebrachten Daten bekannt sein. In der vorliegenden Arbeit werden Methoden zur Qualitätssicherung bei Feldexperimenten vorgestellt, die in eine quantifizierbare Angabe der Qualität von Meßergebnissen münden. Die eindeutigste und universellste Information über die Qualität von Meßergebnissen ist die Angabe der Meßunsicherheit entsprechend den gültigen internationalen Vereinbarungen. Die grundsätzlichen Empfehlungen und die konkreten Beispiele der vorliegenden Arbeit zielen daher stets auf die Angabe der Unsicherheit von Messungen ab. Besonders zu beachten ist, daß die Angabe der Meßunsicherheit und deren Überprüfung im Rahmen des Feldexperiments stets unter Feldbedingungen erfolgen sollten. Die vorliegende Arbeit richtet sich an alle, die Feldmeßkampagnen planen und organisieren sowie an alle, die an solchen Vorhaben als Experimentatoren teilnehmen. Sowohl im allgemeinen Teil der Arbeit als auch bei der Umsetzung an konkreten Beispielen kann sich darüber hinaus jeder Anregungen holen, der Umweltanalysen durchführt, vor allem dann, wenn es sich bei den eigenen Meß- und Analysenverfahren um wenig etablierte (nicht-Routine-) Meßverfahren handelt. Die hier vorgestellten Methoden stellen den Versuch einer bestmöglichen Synthese aus den theoretischen Anforderungen der Qualitätssicherung und deren praktischer Realisierbarkeit bei Feldexperimenten dar.
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Numerische Simulation und messtechnische Evaluierung der Schadstoffemissionen aus Stückholzfeuerungen
(2012) Schütz, David; Baumbach, Günter (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Strömungssimulation (CFD) der Stückholzverbrennung in klassischen Kaminöfen im häuslichen Bereich (< 25 kW). Zur Evaluierung des Modells wurden umfangreiche Messungen innerhalb der Brennkammer und im Rauchgas einer Stückholzfeuerung durchgeführt. Das evaluierte Modell stellt eine wertvolle Unterstützung zur schnellen und wirtschaftlichen Entwicklung neuer, emissionsarmer Holzfeuerungen dar. Charakteristisch für den Verbrennungsprozess in einem Kaminofen ist die von der turbulenten Strömung dominierte Vermischung zwischen den Entgasungsprodukten des Holzes und der Luft bei relativ tiefen Verbrennungstemperaturen. Zur Beschreibung der turbulenten, reaktiven Strömung in der Brennkammer wurde im Rahmen der CFD-Modellierung das RNG k-eps; Turbulenzmodell verwendet, wodurch in Kopplung mit dem Eddy Dissipation Concept und einem globalen Reaktionsmechanismus die Verbrennung in der Gasphase abgebildet werden kann. Die Modellierung der Strahlung erfolgte über die Discrete-Ordinates-Methode; die Rußpartikel wurden über das Modell nach Tesner und Magnussen berücksichtigt. Durch die Implementierung der Materialdaten der Brennkammer konnten die Verluste über die Oberflächen berücksichtigt werden. Mit Hilfe der Laserabsorptionsspektroskopie wurden die Konzentrationen der an der Verbrennung maßgeblich beteiligten Spezies lokal in der Flamme ermittelt. Dadurch konnte das verwendete Brenngasfreisetzungsmodell, welches die Zusammensetzung der aus dem Holz unter Verbrennungsbedingungen entweichenden Gase beschreibt, validiert werden. Zusätzlich wurde der modellierte CO-Ausbrand innerhalb der Brennkammer anhand der Messergebnisse bestätigt. Ebenfalls stimmt die berechnete Temperaturverteilung in der Brennkammer mit den Messungen überein. Durch Variation der Luftzahl, der Position der Sekundärluftzuführung und des Primär- zu Sekundärluftverhältnisses ließen sich in der verwendeten Stückholzfeuerung verschiedene Verbrennungszustände realisieren. Das Emissionsverhalten der Feuerung wurde mit den Modellberechnungen qualitativ verglichen. Es zeigte sich, dass die über das CFD-Modell berechneten Emissionen an CO2, O2 und CO gut mit den Messungen übereinstimmten. Die Modellierung der TVOC-Emissionen erfordert dagegen detailliertere Reaktionsmechanismen. Die Rußemissionen konnten nicht plausibel über das verwendete Modell beschrieben werden. Zwar konnte das Rußmodell so angepasst werden, dass es korrekte Ergebnisse für einen stationären Betriebszustand lieferte, eine zuverlässige Vorhersage der Emissionen für eine große Bandbreite an Verbrennungszuständen erfordert dagegen die Entwicklung von genaueren Rußmodellen speziell für Holzfeuerungen.