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DIEF Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari” Università di Modena e Reggio-Emilia
Modelli e strumenti per lo studio della qualità dell’aria presso il Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari”
Applicazione dei modelli SPRAY e Micro – SWIFT – SPRAY per la dispersione degli inquinanti in atmosfera
Ing. Marco Zaccanti [email protected]
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DIEF Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari” Università di Modena e Reggio-Emilia
Caso di studio e obiettivi della ricerca
Azienda AUSL di Modena “Policlinico” nuovo impianto di trigenerazione.
Trigenerazione: energia elettrica + termica + frigorifera
miglioramento efficienza energetica complesso ospedaliero.
Abbinamento con caldaie ausiliarie e generatori di vapore copertura fabbisogno energetico nei periodi di picco.
Simulazione della dispersione degli inquinanti (NOx):
Confronto tra scenari emissivi (impianto esistente e in progetto).
Analisi della correlazione tra dati simulati e misure sperimentali.
Valutazione dell’impatto dovuto all’impianto con altre sorgenti d’inquinamento atmosferico.
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Il contesto spaziale
Prima periferia di Modena, bacino padano, altezza s.l.m. 34 m:
Area urbana densamente popolata, recettori sensibili (ospedale).
Sorgenti basse, altezza camini 10 – 15 m; possibili fenomeni di accumulo nei canyon urbani.
Co-presenza di sorgenti emissive ad elevato impatto ambientale:
riscaldamenti domestici, traffico veicolare, impianti industriali.
Condizioni atmosferiche favorevoli all’accumulo degli inquinanti: debole ventosità, inversioni termiche, isola di calore urbana.
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Simulazione a scala locale
Valutazione dell’area interessata dagli impatti.
Confronto tra scenari emissivi (impianto esistente e in progetto).
Dominio di simulazione:
Dimensioni orizzontali: 40 km x 40 km.
Dimensioni griglia: celle di 250 m x 250 m.
Struttura verticale: 30 livelli, prog. logaritmica.
Top dominio: 1800 m dal suolo.
Dati orografici da elaborati da supporto DEM. (processore RELIEF, Arianet s.r.l.)
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Simulazione a micro scala urbana
Dispersione in presenza di edifici → accumuli nei canyon urbani.
Dominio di simulazione:
Dimensioni orizzontali: 500 m x 500 m.
Dimensioni griglia: celle di 2 m x 2 m.
Struttura verticale: 30 livelli, prog. logaritmica.
Top dominio: 200 m dal suolo.
Topografia urbana elaborata in ambiente GIS.
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Simulazione a scala locale
Elaborazioni preliminari alla simulazione dei processi dispersivi
Suite modellistica Aria INDUSTRY (Arianet s.r.l.):
MINERVE
processore meteo diagnostico; campi 3D di vento e temperatura.
SURFPRO processore di turbolenza per il PBL;
campi 2D per L, u*, Hmix, w*.
Dati meteorologici in input: misure sperimentali, (DEXTER).
www.arpa.emr.it/sim/?osservazioni_e_dati/dexter
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Simulazione a scala locale
Il modello SPRAY (Arianet s.r.l.)
Modello lagrangiano a particelle
Orografia complessa, calme di vento, inversioni termiche
Schema di turbolenza del PBL;
dati in input: L, u*, Hmix, w*.
Velocità delle particelle: • parte media: campo 3D vento, output da processore MINERVE;
• parte stocastica: equazioni di Langevin, schema di Thompson (1987).
Plume rise dinamico, schema di Anfossi (1993).
Trattamento deposizione secca e umida particolato.
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Simulazione a micro scala urbana
Micro - SWIFT - SPRAY
Micro - SWIFT
campi 3D di vento e turbolenza in presenza di edifici.
Micro – SPRAY
campo 3D di concentrazione all’interno del tessuto urbano
Turbolenza locale: edifici tensore di diffusione Kx,y,z
+
Turbolenza di sottofondo: atmosfera serie temporale per L, u*, Hmix, w*.
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Simulazione a micro scala urbana
Ricostruzione del dominio urbano e del campo di flusso
Ambiente GIS, shape file; geometria a blocchi degli edifici: altezza e coordinate vertici in pianta
↓ Zone di perturbazione campo di vento
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Esempi
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Simulazione a scala locale
Impianto ESISTENTE, Ospedale «Policlinico» di Modena.
Caldaie (3): climatizzazione invernale;
Potenza: 4600 kWth , Hstack= 11 m.
Generatori di vapore (2): usi sanitari; Potenza: 3400 kWth , Hstack= 11 m.
Combustione CH4:
emissioni di NOx, PM10, CO.
Conc. NOx: valori limite D.lgs. 152/06.
Scenario: inverno 2010; emissioni elevate, atmosfera stabile.
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Simulazione a scala locale
Impianto IN PROGETTO, Ospedale «Policlinico» di Modena.
Trigeneratore (1): Hstack= 15 m. Potenze: 3349 kWel, 3098 kWth.
Caldaie (3): climatizzazione invernale; Potenza = 5200 kWth , Hstack= 10 m.
Generatori di vapore (2): usi sanitari; Potenza = 2081 kWth , Hstack= 10 m.
Emissioni: NOx, PM10, CO.
modulazione oraria, piano gestionale. Scenario: inverno 2010.
Conc. NOx: D.lgs. 152/06.
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Simulazione a scala locale
Impianto IN PROGETTO, analisi dei contributi separati.
Trigeneratore Caldaie + gen. vapore
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Simulazione a scala locale
Impianto IN PROGETTO, profili verticali concentrazione NOx: differente risalita dei pennacchi → impatti diversi al suolo e in quota.
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Simulazione a micro scala urbana
Scenari meteorologici diversi a confronto
14 gennaio 2010 (sx):
vento debole, condizioni stabili.
6 febbraio 2010 (dx): vento moderato.
Effetto canyon → concentrazioni rilevanti in regime di maggiore ventosità.
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Simulazione a micro scala urbana
Canyon urbano, analisi di dettaglio
Profilo di concentrazione NOx interpolato su punti 1 – 19 (rosso); punti 1, 2, 3 posizione sorgenti (blu).
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Conclusioni e sviluppi futuri
Analisi impatto ambientale impianto di trigenerazione.
Simulazione a scala locale. Processori MINERVE e SURFPRO, modello a particelle SPRAY:
• individuazione dell’area interessata dagli impatti; • confronto tra scenari emissivi (impianto esistente e in progetto).
Simulazione a micro scala urbana.
Processore Micro – SWIFT - SPRAY: • ruolo della topografia urbana, individuazione fenomeni di canyon.
Sviluppi futuri:
• Contributo impianto a confronto con altre sorgenti urbane (traffico veicolare). • Validazione risultati: buona correlazione statistica (coeff. Pearson: 0,70 – 0,90)
tra dati simulati e misure sperimentali di qualità dell’aria (stazioni ARPA locali).
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Riferimenti
• Anfossi D., Ferrero E., Brusasca G., Marzorati A. and Tinarelli G. (1993) ‘A simple way of computing buoyant plume rise in Lagrangian stochastic dispersion models’, Atmospheric Environment, Vol. 27A, pp.1443-1451.
• Arianet (2010) SPRAY5 - General Description and User’s Guide, ARIANET R2010.08.
• Aria Tech. (2010) SWIFT Wind Field Model, General Design Manual.
• Deserti M., Savoia, E., Cacciamani, C., Golinelli, M., Kerschbaumer, A., Leoncini, G., Selvini, A., Paccagnella, T. and Tibaldi, S. (2001) ‘Operational meteorological pre-processing at Emilia Romagna ARPA Meteorological Service as a part of a decision support system for Air Quality Management’, International Journal of Environment and Pollution, Vol.16, pp.571-582.
• Ghermandi G., Teggi S., Fabbi S., Bigi A., Zaccanti M. M.(2014) ’Tri-generation power plant and conventional boilers: pollutant flow rate and atmospheric impact of stack emissions’, International Journal of Environmental Science and Technology, DOI 10.1007/s13762-013-0463-1, on line January 27th 2014, pp.1-12.
• Ghermandi G., Teggi S., Fabbi S., Bigi A., Zaccanti M. M. (2013) ‘From local-scale to micro-scale assessment of the atmospheric impact of the pollutant plume emitted from a power-plant stack’, Proc. of 15th International Conference on Harmonisation within Atmospheric Dispersion Modelling for Regulatory Purposes, Madrid, 6-9 May 2013.
• Thomson, D. J. (1987) ‘Criteria for the selection of stochastic models of particle trajectories in the turbulent flows’, Journal of Fluid Mechanics., Vol.180, pp.529-556.
• Tinarelli G. «SPRAY 3.1 – General Description and User’s guide», Arianet R2007.08.
• Vardoulakis S., Fischer B. E. A., Pericleous K., Gonzales-Flesca N.(2003) ’Modelling air quality in street canyons: a review’, Atmospheric Environment, Vol. 37, pp.155–182.
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DIEF Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari” Università di Modena e Reggio-Emilia
Grazie dell’attenzione!
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DIEF Dipartimento di Ingegneria “Enzo Ferrari” Università di Modena e Reggio-Emilia
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Applicazione dei modelli SPRAY e Micro – SWIFT – SPRAY per la dispersione degli inquinanti in atmosfera
Ing. Marco Zaccanti [email protected]
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