provoz, údržba a opravy silničních vozidel

Transkript

PROVOZ, ÚDRŽBA A OPRAVY SILNIČNÍCH
VOZIDEL
ČÁST II
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:
Provoz a údržba silničních vozidel – část II - 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
Dopúravní prostředky – silniční vozidla, Dopravní
fakulta Jana Pernera
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: 978-80-248-3279-1
VŠB-TU Ostrava, Univerzita Pardubice
2
POKYNY KE STUDIU
Provoz, údržba a opravy silničních vozidel
ČÁST II
Hluk z dopravy a stanovení koncentrací znečišťujících látek v ovzduší
Pro uvedený předmět, studovaný v 5. Semestru bakalářského studia oboru Dopravní
prostředky – silniční vozidla jste obdrželi studijní balík obsahující:
• integrované skriptum pro kombinované studium obsahující i pokyny ke studiu,
Prerekvizity
Pro studium této opory se předpokládá znalost na úrovni absolventa předmětu
Konstrukce silničních vozidel I a II .
Cílem učební opory
Cílem studijní opory je zvýšení kvality, flexibility a atraktivnosti vzdělávání v oblasti
technických předmětů za účelem zvýšení konkurenceschopnosti absolventů na trhu práce.
Účelem je poskytnout studentům specifickou nabídku základních znalostí z technických
předmětů zaměřených na oblast dopravy. Na předkládaný základ mají studenti jednodušší
navázání svých budoucích teoretických, tak i praktických znalostí. Takto lze tedy klasifikovat
studijní oporu jako jeden z možných kroků pro zkvalitnění teoretických znalostí absolventů
technicky zaměřených vysokých škol.
Pro koho je předmět určen
Modul je zařazen do bakalářského studia oboru Dopravní prostředky – silniční vozidla
studijního programu Dopravní technologie a spoje, ale může jej studovat i zájemce z
kteréhokoliv jiného oboru.
Skriptum se dělí na části, kapitoly, které odpovídají logickému dělení studované látky,
ale nejsou stejně obsáhlé. Předpokládaná doba ke studiu kapitoly se může výrazně lišit, proto
jsou velké kapitoly děleny dále na číslované podkapitoly a těm odpovídá níže popsaná
struktura.
3
Při studiu každé kapitoly se můžete setkat s následujícími informačními
symboly:
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: Informuje o tom, co je nejpodstatnější v dané části a co nového Vám
studium přinese.
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.
Úlohy k řešení
Bude zadána úloha k samostatnému řešení, která Vám umožní lépe pochopit podstatu
studovaného problému.
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.
4
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/ .
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
5
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 (CO 2 ) ...................................................................... 39
•
Stanovení uhlovodíků (HC) ................................................................................ 39
• Stanovení uhlovodíků jiných než methan (NMHC) (jen pro plynové motory
na NG) ......................................................................................................................... 39
2.1.3
2.2
•
Stanovení oxidů dusíku (NO x ) ............................................................................ 39
•
Stanovení částic.................................................................................................... 39
•
Stanovení opacity (kouřivosti) ............................................................................ 41
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
6
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 SO 2 analyzátor s adaptérem pro stanovení H 2 S (TRS) ..... 50
•
Chemiluminescenční NO-NO 2 -NO x analyzátor ............................................... 51
•
IR CO analyzátor s korelačním filtrem ............................................................. 51
•
UV absorpční analyzátor ozónu ......................................................................... 52
•
Analyzátor s FID pro stanovení VOC (THC, CH 4 , nMHC)............................ 52
• GC/PID analyzátor pro stanovení benzenu, toluenu, ethylbenzenu a xylenů
(BTEX) ........................................................................................................................ 53
•
2.4
Beta prachoměr ................................................................................................... 53
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
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 L den , 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 L dvn (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
8
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.
9
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.
10
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.
11
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
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 L Aeq (tedy v časově integrovaných
hodnotách hluku) a dalších kritérií ve vazbě na způsob využití území, druhy zdrojů hluku atd.
12
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 L Aeq,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 – L Aeq,16h = ekvivalentní hladina akustického tlaku stanovená pro
celou denní dobu (délka 16 hodin, od 6 do 22 hodin).
-
Noční doba – L Aeq,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:
L Aeq,16h = 70 dB pro denní dobu (6.00 - 22.00 hod).
L Aeq,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:
-
V chráněném venkovním prostoru staveb pro hluk z dopravy na pozemních
komunikacích, s výjimkou účelových komunikací:
Pro hluk z drážní dopravy jsou stanoveny následovně:
13
-
V chráněném venkovním prostoru v ochranném pásmu drah 60 m:
-
V chráněném venkovním prostoru mimo ochranné pásmo drah:
Pro hluk ze stacionárních zdrojů (průmyslové objekty) v chráněném venkovním
prostoru staveb:
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
14
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).
L Aeq - (equivalent continuous A-weighted sound pressure level) - ekvivalentní hladina
akustického tlaku LAeq (vážená filtrem typu A). L Aeq,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
Popsat provádění měření hluku v mimopracovním prostředí.
Definovat podmínky měření.
Vysvětlit význam pojmu hladiny hlukové expozice.
15
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.
16
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 Obrázku 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.
17
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
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 -
18
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
19
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 Obrázku 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
20
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
21
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 L veh . Pro účely výpočtu celkového výsledného indexu o akustickém
provedení povrchu vozovky se L veh 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),
22
-
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
23
přívěs (otevřený, uzavřený) tažený za jiným vozidlem, který je osazen speciálními
pneumatikami. Rozmístění měřících mikrofonů je vyobrazeno na Obrázku 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 L tr 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.
24
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
25
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.
26
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
27
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 Obrázku 1.15), což umožňuje vyhodnotit hlučnost povrchu vozovky v terénu
v celé její předmětné délce. Na Obrázku 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 Obrázku 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 Obrázku 1.15
dle odchylek tepoty ze spodní části Obrázku 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
28
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,
29
-
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 Obrázku 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).
30
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 Obrázku 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.
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?
31
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 – L Aeq,16h a noční doba – L Aeq,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 L Aeq,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.
32
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.
33
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/
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 (NO x ), 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 (CO 2 ), metan (CH 4 ), oxid
dusný (N 2 O). 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).
35
2.1 Měření emisí motorových vozidel
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, NO x ,
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 NO x 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
36
porovnají s hodnotami vypočtenými z režimů zkušebního cyklu, které zahrnují vybrané
zkušební body. Kontrolou NO x 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, CO 2 , NO x 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, NO x , celkové uhlovodíky (HC) u vznětových a plynových motorů
uhlovodíky jiné než methan, u plynových motorů methan a u vznětových motorů PM.
37
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 NO x a HC za cyklus se určí integrací signálu
analyzátoru. Koncentrace CO, CO 2 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 Obrázku. 2.2.
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).
38
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 NO 2 /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
39
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.
40
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,
41
-
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:
-
C 3 H 8 (propan) a čištěný syntetický vzduch;
-
CO a čištěný dusík;
-
NO x a čištěný dusík (množství NO 2 obsažené v tomto kalibračním plynu nesmí
překračovat 5 % obsahu NO);
-
CO 2 a čištěný dusík;
-
CH 4 (methan) a čištěný syntetický vzduch;
-
C 2 H 6 (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 N 2 nebo čištěným syntetickým vzduchem. Přesnost
směšovacího zařízení musí být taková, aby koncentrace zředěných kalibračních plynů mohly
být určeny s přesností ± 2 %.
42
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
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.
43
Tab. 2.2 - Přehled metod měření jednotlivých škodlivin používaných v ČR (zdroj:
ČHMU, upraveno) (ČHMU, 2011).
Škodlivina
SO 2
NO 2
NO x
PM 10 , PM 2.5
CO
O3
NH 3
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
44
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, PM 10 , PM 2,5 ,
PM 1 , > 0,1 mg
Technika Quartz
crystal
microbalance
Měření masy částic
v čase, které je
založeno na změně
frekvence vibrací.
TSP, PM 10 , PM 2,5 ,
PM 1
TEOM
Měření masy částic
v čase, které je
založeno na změně
frekvence oscilujícího
kuželovitého nosiče.
TSP, PM 10 , PM 2,5 ,
PM 1
Kaskádový
impaktor
Měření distribuce
částic na základě
velikosti
(aerodynamického
průměru).
0,1 – > 10 µm
Elektrický
nízkotlaký
impaktor
Měření distribuce
částic na základě
velikosti
(aerodynamického
průměru) v čase.
0,1 – > 10 µm
SMPS (Scanning
Měření nabitých částic 0,01 – 1 µm
Poznámka
Legislativně
doporučované
(referenční metoda),
jednoduché, využití
vzorku pro další
chemické analýzy.
Omezení použití pro
měření větších částic ve
vyšších koncentracích.
Podhodnocuje celkovou
masu v důsledku ztrát
semi-volatilních látek,
obtíže při vyšších
koncentracích částic,
nevhodné pro sledování
prudkých změn.
Běžně používaná
metoda pro stanovení
distribuce na základě
velikosti částic, vhodné
pro další chemické
analýzy.
Metoda založená na
nabití částic a
následném měření el.
proudu částic
odebraných v každé
frakci.
Nejpoužívanější metoda
45
Přístroj/technika Princip
mobility particle v el. poli v čase.
sizer)
Měření změn
Záchyt β-záření
v důsledku záchytu βčásticemi
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
Poznámka
pro stanovení distribuce
počtu částic.
TSP, PM 10 , PM 2,5 ,
PM 1
Nejpoužívanější metoda
pro měření částic v čase
TSP, PM 10 , PM 2,5 ,
PM 1
Běžně používaná
metoda, menší citlivost
k částicím nad 2 µm.
0,003 – 3 µm
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 (SO 2 ) v ovzduší, která je zároveň referenční metodou a také nejběžněji používanou.
Analyzovaný vzorek je ozařován UV lampou a tím dochází k energetické excitaci molekuly
SO 2 . 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 SO 2 a NO 2 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, NO 2 a NO x 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 NO 2 redukuje na NO, je
výsledkem měření chemiluminiscence celková koncentrace NO x . Z rozdílu koncentrací NO a
NO x se pak počítá koncentrace NO 2 . 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 SO 2 , kdy se oxid siřičitý zachycuje do roztoku
tetrachlorortuťnatanu sodného (TCM) s přídavkem Chelatonu III. Vzniklá sloučenina dává
46
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 (NH 3 ) v ovzduší. Plynný NH 3 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 NO 2 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
47
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 (Tab. 2.4).
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
založen na hygroskopických vlastnostech lidských vlasů, které mění svou délku v závislosti
48
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.
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
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 (PM 1 ,
PM 2.5 , PM 10 ), dále pak jako vzorkovací zařízení pro odběr těchto částic k dalším analýzám.
Na zachycených částicích se provádí po extrakci organickými rozpouštědly stanovení
organických látek, jako jsou polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), polychlorované
49
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 SO 2
v ovzduší. Zařízení pracuje na principu UV fluorescence, kdy molekuly SO 2 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 SO 2 .
UV fluorescenční SO2 analyzátor s adaptérem pro stanovení H2S (TRS)
Se používá pro stanovení plynného SO 2 v ovzduší. Zařízení pracuje na principu UV
fluorescence, kdy molekuly SO 2 se ozářením UV zářením přivádějí do excitovaného stavu a
následně emitují fluorescenční záření. Vysokoteplotní křemenný katalytický konvertor
oxiduje sulfidy za přístupu vzduchu na SO 2 . 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 H 2 S a SO 2 ,
vyjádřená jako SO 2 . Koncentrace H 2 S se vypočte z rozdílu celkové koncentrace a
koncentrace SO 2 , změřené bez adaptéru.
50
Obrázek 2.4- Schéma UV fluorescenčního analyzátor pro stanovení SO 2 s konvertorem.
Chemiluminescenční NO-NO2-NOx analyzátor
Standardem měření NO je chemiluminescenční metoda. Při ní se plynný NO ze vzorku
mísí s ozónem (O 3 ), generovaným v přístroji, za vzniku NO 2 , z části v excitovaném stavu
(NO 2 *), podle rovnice NO + O 3 -> NO 2 * + O 2 . Při návratu do základního stavu se uvolňuje
foton, který se detekuje fotonásobičem. Množství fotonů je přímo úměrné množství NO
(Obrázek 2.5). Stanovení NO 2 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).
51
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 O 3 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 (CH 4 ) a
nemethanových uhlovodíků (nMHC). Princip měření spočívá v měření proudu generovaného
ionizací organických sloučenin v plamenu vodíku (Obrázek 2.8).
52
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.
53
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.
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
Popsat tři metody receptorového modelování.
Sestavit datovou matici pro receptorové modelování.
Porozumět interpretaci publikovaných výsledků receptorového modelování.
54
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 X 19
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
λ jk
(1)
faktorová váha (zátěž) k-tého společného faktoru příslušná k j-té veličině
a k-tému faktoru, k = 1, …, P,
55
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 F np a E nm jsou nekorelované,
,
2
2
var(E nm ) = Ψ mm =diag {u 1 , …, u m } (tj. náhodné odchylky jsou nekorelované),
var(F np ) = I pp , kde I pp je jednotková matice řádu p (tj. faktory jsou nekorelované a
mají jednotkové rozptyly).
-
E(F np ) = 0,
E(E nm ) = 0.
Dále:
Z těchto předpokladů můžeme odvodit základní faktorovou rovnici:
.
(7)
Počet faktorů odhadujeme např. podle Kaiserova kritéria - za p zvolíme počet těch
vlastních čísel korelační matice R mm , 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,
57
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 PM 2,5 ; PM 10
(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:
58
-
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 s ij 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.
59
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 x ij =0:
(10)
maticí převodních koeficientů K mp 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
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.
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?
61
Klíč k řešení
O 2.1.1 ............................................................................................................................... str. 43
Měří se CO, NO x , 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 Tab. 2.4.
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
62
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.
63
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
64
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
65

provoz, údržba a opravy silničních vozidel

Transkript

Podobné dokumenty

Pracovní listy LabQuest - Verniér 2

Návod na obsluhu (30. května 2016 / 6,71 MB)

Problematika hlučnosti povrchů vozovek

ČAS 2014 - Czech Aerosol Society

transsexualismu male to female