Gebouwinvloed en pluimstijging

Versie: 
14-01-2020

1 Inleiding

In AERIUS Calculator 2019A kan het effect van een gebouw op de depositie berekend worden. Dit wordt in de context van luchtkwaliteit en depositie onderzoek gebouwinvloed genoemd. Dit is een nieuwe functionaliteit ten opzichte van Calculator 2019.0.  Daarnaast kan in AERIUS Calculator de pluimstijging ten gevolge van de uittreedimpuls berekend worden. Het toepassingsbereik van AERIUS Calculator is hiermee verruimd t.o.v. Calculator 2019.0[1].Dit factsheet beschrijft het fenomeen gebouwinvloed (H2.1) , wanneer hier sprake van is (H2.2), hoe AERIUS gebouwinvloed berekent (H2.3) en voor welke situaties gebouwinvloed met AERIUS Calculator in rekening kan worden gebracht (H2.4). In hoofdstuk 3 wordt op analoge wijze de pluimstijging beschreven. Dit factsheet is bedoeld als toelichting op de wetenschappelijke en technische beschrijving van de gebouwinvloed in AERIUS [1]. De vertaling naar gebruik in de praktijk wordt vervolgens beschreven in de instructie “Addendum instructie gegevensinvoer AERIUS Calculator”[2].

 

[1] https://www.aerius.nl/files/media/release_notes_aerius_calculator_2019_def.pdf

2 Gebouwinvloed

2.1 Wat is gebouwinvloed ?

Een gebouw heeft invloed op de depositie omdat het een obstakel vormt in het windveld. Hierdoor ontstaan wervelingen in de stroming rondom het gebouw.  Figuur 1 geeft het gebouweffect - op vereenvoudigde wijze -  weer. Deze wervelingen beïnvloeden de verspreiding van emissies die vrijkomen op of in de nabijheid van het gebouw en hebben daarmee effect op de bijdrage aan de concentratie en de depositie.

Figuur 1 : Vereenvoudigde weergave van het effect van een gebouw op het windveld. Rondom het gebouw ontstaat (versterkte) turbulente werveling.

2.2 Wanneer is er sprake van gebouwinvloed ?

Er is sprake van gebouwinvloed als het gebouw een relatief groot obstakel vormt in zijn omgeving en er in de nabijheid van het gebouw emissie vrij komt. In de “Addendum instructie gegevensinvoer AERIUS Calculator” [2] is in detail beschreven in welke situaties de gebouwinvloed van toepassing is.

2.3 Hoe wordt gebouwinvloed in AERIUS berekend ?

De depositie (D) wordt berekend door een (standaard) OPS berekening te combineren met ISL3a berekeningen, respectievelijk met en zonder gebouwinvloed. ISL3a is een implementatie van het Nieuw Nationaal Model [3]. Hiervoor geldt de volgende formule.

D = D_OPS * C_ISL3a (met gebouw) / C_ISL3a (zonder gebouw)                                                                                     (1)

Met :

D_OPS  : De depositiebijdrage, berekend met OPS
C_ISL3a (met gebouw)  :      De concentratiebijdrage, met gebouwinvloed, berekend met ISL3a
C_ISL3a (zonder gebouw)  : De concentratiebijdrage, zonder gebouwinvloed, berekend met ISL3a

De waardes van C_ISL3a - toegepast in formule (1) - zijn vooraf voor een aantal gebouwconfiguratieklassen berekend en opgeslagen in een tabel. De gebouwconfiguratie wordt beschreven met de variabelen gegeven in Tabel 1. Wanneer in AERIUS Calculator een gebouwconfiguratie wordt ingevoerd, dan volgt de waarde van C_ISL3a die gebruikt wordt in (1) uit een lineaire interpolatie tussen de twee meest nabij gelegen configuratieklassen. De methode voor het bepalen van de gebouwinvloed, inclusief de uitgangspunten en de grenzen van deze configuratieklassen worden beschreven in [1,3].

Het gebouweffect wordt tot 3000 meter afstand van het gebouw meegenomen in de AERIUS berekening. In C19.0 vielen berekeningen binnen 3000 meter van een gebouw met gebouwinvloed buiten het toepassingsbereik. 
Verder is het gebouweffect tot op 70 meter afstand van het midden van het gebouw constant en gelijk aan het gebouweffect op 70 meter afstand[1].  Hier is voor gekozen omdat de berekende gebouweffecten dichtbij het gebouw steeds onzekerder worden

 

Tabel 1 : Variabelen die de gebouwinvloed bepalen

Variabele

Bronhoogte

Uittreeddiameter

Uittreedsnelheid

Gebouw Hoogte

Gebouw Breedte/Lengte verhouding [-]

Gebouw Lengte

Gebouw Oriëntatie

 

Toelichting op Tabel 1 :

  • De bronhoogte is de hoogte waarop de emissie vrij komt, ten opzichte van het maaiveld.
  • Uittreeddiameter is de diameter van de schoorsteen of uitlaat.
  • Uittreedsnelheid : de snelheid waarmee de emissie uitgestoten wordt.
  • De hoogte van het gebouw : de representatieve[2] hoogte van het gebouw boven het maaiveld.
  • De breedte/lengte verhouding van het gebouw : de representatieve breedte gedeeld door de representatieve lengte van het gebouw.
  • De lengte van het gebouw : de representatieve lengte  van het gebouw boven het maaiveld.
  • Gebouworiëntatie is van belang omdat deze het frontaal oppervlak van het gebouw ten opzichte van de windrichting bepaalt. De getalswaarde wordt gegeven door de hoek tussen de lange zijde van het gebouw en de west-oost lijn (x-as). In Figuur 3 is een voorbeeld gegeven.

Figuur 3 : De gebouworiëntatie wordt voorgeschreven door de hoek tussen de langste zijde van het gebouw en de west- oost lijn (x-as). De pijl geeft deze hoek -van ongeveer 30 graden -aan.

 

[1] Binnen 70 m van (het midden van) het gebouw is de correctiefactor constant en gelijk gesteld aan de correctiefactor op 70m. De reden hiervoor is dat de hier gevolgde benadering om de ratio van concentraties met en zonder gebouw te nemen, de berekening heel onzeker maakt. Dichtbij het gebouw is de pluim nog in de wervel, waarvoor de gebouwmodule beperkt geschikt is. In de situatie zonder gebouw is de pluim in de meeste situaties nog grotendeels boven de grond, wat de berekening nog eens extra onzeker maakt.

[2] Een representatieve gebouw lengte, breedte of hoogte zal meestal goed bepaald kunnen worden door het gemiddelde.

2.4 Wanneer kan gebouwinvloed in AERIUS worden berekend ?

2.4.1 Geldigheid van de gebouwmodule NNM

De gebouwinvloed in AERIUS is bepaald op basis van NNM berekeningen. Het modelbereik van AERIUS, waarbinnen gebouwinvloed kan worden berekend is dus begrensd door het geldigheidsdomein van de NNM gebouwmodule. Dit is gegeven in hoofdstuk 7 van [5]. Eén van de voorwaarden is dat het gebouw geïsoleerd in een verder ongestoorde omgeving staat. In de praktijk van luchtkwaliteitsonderzoek wordt pragmatisch omgegaan met deze strikte voorwaarde. Zie bijvoorbeeld [6,7,8] Hier volgen we deze praktijk, beschreven in het addendum bij het instructiedocument [2].

2.4.2 Modelbereik gebouwinvloed AERIUS

2.4.2.1Minimale en maximale afmeting gebouw

In AERIUS kan gebouwinvloed worden berekend, wanneer de gebouwconfiguratie en de kenmerken van het emissiepunt kunnen worden beschreven met de variabelen gegeven in Tabel 2. De gebruiker kan elke waarde tussen het minimum en maximum opgeven.

 

Tabel 2 : minimale en maximale waarden van de variabelen die gebouwinvloed bepalen.

Variabele

Minimum

Maximum

Eenheid

Bronhoogte

0

20

m

Uittreeddiameter

0,01

5

m

Uittreedsnelheid

0,0

8,4

m/s

Gebouw Hoogte

0

20

m

Gebouw Breedte/Lengte verhouding

0,15

1,0

-

Gebouw Lengte

10,0

105,0

m

Gebouw Oriëntatie

0,0

180,0

graden

Warmte-inhoud

0,0

0,0

MW

Temperatuur emissie

11,85

11,85

oC

 

Toelichting op Tabel 2:

  • Voor de breedte/lengte verhouding van een gebouw bestaat een minimale en maximale waarde. Dit betekent dat de minimale en maximale breedte afhangen van de lengte van het gebouw.
  • De gebouwinvloed kan alleen berekend worden voor bronnen zonder warmte-inhoud.  Wanneer met gebouwinvloed wordt gerekend, dan wordt de warmte-inhoud op de default waarde van 0 MW gezet. Evenzo zal de emissietemperatuur op 11,85 oC -de gemiddelde buitenluchttemperatuur in Nederland- blijven staan.
  • Om gebouwinvloed in rekening te brengen, geeft de gebruiker voor de variabelen in Tabel 1 een waarde op. Valt een waarde buiten het minimum of maximum, zoals gegeven in Tabel 2, dan krijgt de gebruiker een waarschuwing. De berekening wordt vervolgens uitgevoerd met de dichtst bij gelegen minimale of maximale waarde.
  • In situaties dat de bron- en/of gebouwhoogte buiten de minimale/maximale waarden van Tabel 2 vallen, zal in veel gevallen geen sprake zijn van gebouwinvloed, omdat dan de bronhoogte ook 2,5 maal groter is dan de gebouwhoogte.
  • Wanneer de schoorsteen lager is dan 2,5 maal de gebouwhoogte, maar het gebouw is niet te beschrijven met Tabel 2, dan kan de ISL3a handreiking [9] worden gevolgd.

 

2.4.2.2 Positie van de bron ten opzichte van het gebouw

De correctiefactoren voor gebouwinvloed In AERIUS Calculator zijn gebaseerd op situaties waarbij de bron zich op het midden van het gebouw bevindt. Deze correctiefactoren zijn ook toepasbaar in andere situaties:

  • De bron bevindt zich op het gebouw, maar niet precies in het midden.
  • De bron bevindt zich op de gevel, zoals bij een luchtwasser van een stal.

Deze twee situaties zijn onderzocht in [1].

Voor overige situaties is het advies om de handreiking bijzondere gebouwen toe te passen [9]. Wanneer de bron zich op een grotere afstand dan 10 maal de grootste gebouwmaat van het gebouw bevindt, dan is de invloed in veel gevallen te verwaarlozen.

3 Pluimstijging

3.1 Wat is pluimstijging ?

De depositie ten gevolge van geëmitteerd rookgas wordt mede bepaald door de hoogte waarop de emissie plaatsvindt. Pluimstijging is de extra hoogte die de emissie kan winnen, nadat het is geëmitteerd. In modelberekeningen wordt gerekend met een effectieve uittreedhoogte, gelijk aan de uittreedhoogte plus de pluimstijging. Pluimstijging kan het gevolg zijn van warmte-inhoud van het rookgas. Hiervan is sprake van wanneer het rookgas, bij het verlaten van het emissiepunt, een hogere temperatuur heeft dan zijn omgeving. Dit wordt thermische pluimstijging genoemd. Daarnaast kan er ook sprake zijn van impulsstijging. Dit is het gevolg van de verticale snelheid die het rookgas meekrijgt wanneer het uitgestoten wordt.  Figuur 4 toont een voorbeeld van rookgasemissie uit een schoorsteen waarbij sprake is van pluimstijging. In de praktijk zal de pluimstijging vaak minder duidelijk zichtbaar zijn. Tot en met AERIUS Calculator 2019.0 werd in de berekeningen alleen met thermische pluimstijging rekening gehouden. Vanaf AERIUS Calculator 2019A wordt ook de impuls pluimstijging berekend. Deze factsheet geeft een beschrijving van dit fenomeen, wanneer het voorkomt, hoe dit wordt berekend en wanneer het in AERIUS kan worden berekend.

Figuur 4 : Indicatie van de pluimstijging, aangegeven met de pijl. De emissie vindt plaats ter hoogte van de bovenkant van de schoorsteen. De emissie stijgt echter op ten gevolge van de pluimstijging. De effectieve uittreedhoogte ligt hierdoor ter hoogte van de bovenkant van de pijl.

3.2 Wanneer is er sprake van pluimstijging ?

Pluimstijging treedt op wanneer het geëmitteerde rookgas :

  • In verticale richting geforceerd wordt uitgestoten en al dan niet warmte-inhoud heeft ; zoals bijvoorbeeld Figuur 4.
  • Natuurlijk geventileerd ofwel ongeforceerd uitgestoten wordt en een bepaalde warmte-inhoud heeft. Dit kan bij ventilatie roosters, open deuren en -luiken.
  • In horizontale richting geforceerd wordt uitgestoten en tevens warmte-inhoud heeft. Deze situatie kan onder andere voorkomen bij een uitblaasopening op de gevel van een gebouw.

 

Bronnen met een warmte-inhoud zijn doorgaans industriële bronnen en schepen. Bronnen die een uittreedsnelheid kennen door impuls zijn bijv. luchtwassers en ook industriële bronnen.  Voor wegverkeer, berekend met Standaard Rekenmethode 2 (SRM2), is pluimstijging niet relevant.

3.3 Hoe wordt pluimstijging in AERIUS berekend ?

De pluimstijging wordt berekend in het OPS model. De berekening in OPS vindt plaats in de volgende stappen :

  1. De pluimstijging door impuls wordt berekend.
  2. De thermische pluimstijging wordt berekend.
  3. De uiteindelijke pluimstijging is gelijk aan het maximum van 1 en 2.

Hierbij wordt benadrukt dat de pluimstijging ten gevolge van impuls niet wordt opgeteld bij de thermische pluimstijging. De uiteindelijke pluimstijging is gelijk aan het maximum van deze afzonderlijk waarden. Bij horizontale richting is alleen sprake van thermische pluimstijging.

Voor industriële bronnen is de thermische pluimstijging in de meeste gevallen dominant boven pluimstijging door impuls.

 

De berekening van de impuls pluimstijging vindt plaats volgens de formulering van Briggs [10] en van Turner [11]. Deze berekening komt overeen met de berekening in het Nieuw Nationaal Model (NNM)[1] [3]. De berekening van de thermische pluimstijging is beschreven in de handleiding van OPS [12].

 

3.4 Wanneer kan pluimstijging in AERIUS worden berekend ?

Wanneer er geen sprake is van gebouwinvloed, dan kunnen alle puntbronnen met warmte-inhoud, al dan niet met geforceerde of ongeforceerde emissie worden doorgerekend. De maximale waarde voor de warmte-inhoud is 999 MW en de maximale waarde voor de temperatuur 2000 oC. De gebruiker geeft of de warmte-inhoud of de temperatuur op.

Wanneer er wel sprake is van gebouwinvloed, dan wordt de warmte-inhoud op de default waarde van 0 MW gezet. Evenzo zal de emissie temperatuur op 11,85 oC -de gemiddelde omgevingstemperatuur-  blijven staan. Voor bronnen met warmte-inhoud èn gebouwinvloed kan de BIJ12 handreiking [9] worden gevolgd.

 

[1] Onder andere formule 74 in de beschrijving van het NNM is niet overgenomen in OPS. Hier is de formule uit referentie 1 overgenomen.

 

4  Referenties

  1. Sauter F, van Ratingen S. (2019)  Simulating the effect of a building in OPS , https://www.rivm.nl/documenten/building-effectops, RIVM.
  2. BIJ12 (2020). Addendum instructie gegevensinvoer AERIUS Calculator https://www.bij12.nl/wp-content/uploads/2020/01/Addendum-instructie-gegevensinvoer-AERIUS-Calculator.pdf
  3. https://www.infomil.nl/onderwerpen/lucht-water/luchtkwaliteit/regelgeving/wet-milieubeheer/beoordelen/koppeling/nieuw-nationaal/paarse-boekje/
  4. Sauter F, van Ratingen S.  (2019) Gebouwinvloed in het OPS model,  https://www.rivm.nl/documenten/opsgebouweffecttabel, RIVM.
  5. https://www.infomil.nl/publish/pages/67563/pb30.pdf
  6. https://www.infomil.nl/onderwerpen/lucht-water/luchtkwaliteit/regelgeving/wet-milieubeheer/beoordelen/koppeling/nieuw-nationaal/handreiking-nieuw/handreiking-nieuw-0/5_1_samenvatting/
  7. https://www.infomil.nl/onderwerpen/lucht-water/luchtkwaliteit/regelgeving/wet-milieubeheer/beoordelen/koppeling/nieuw-nationaal/handreiking-nieuw/handreiking-nieuw-0/10-3-keuze-invoer/5-3-1/
  8. https://www.infomil.nl/onderwerpen/lucht-water/luchtkwaliteit/slag/isl3a/
  9. Rudrum D. en van Bommel R. (2019) Handreiking bijzondere gebouwen gebouw invloed in AERIUS, BIJ12
  10. Briggs G.A. (1969) Plume Rise. U.S. Atomic Energy Commission Critical Review Series, TID-25075. Air Resources Atmospheric Turbulence and Diffusion Laboratory, Environmental Science Services Administration, Oak Ridge, Tennessee.
  11. Turner DB, Chico T , Catalano JA (1986). Tupos, a multiple source gaussian dispersion algorithm using on-site turbulence data. Contract No. EPA 68-02-3750. Atmospheric sciences research laboratory, office of research and development, US Environmental protection agency, Research Triangle park, NC.
  12. Handleiding OPS 4.6.x.x (nog niet gepubliceerd) : https://www.rivm.nl/operationele-prioritaire-stoffen-model/documentatie

Factsheet

Factsheet
742-4120
Voor
  • Calculator
  • Scenario
  • Connect
Type
Methodiek
Versie
  • 14-01-2020