Stanisław Hławiczka*, Czesław Kliś**, Marian Cenowski**, Ewa
advertisement
Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 47, 2011 r. Stanisław Hławiczka*, Czesław Kliś**, Marian Cenowski**, Ewa Strzelecka-Jastrząb**, Jacek Długosz**, Joachim Bronder** NOWE PODEJŚCIE DO OCENY NISKIEJ EMISJI Z OGRZEWANIA MIESZKAŃ W KSZTAŁTOWANIU STĘŻEŃ PYŁU NA OBSZARZE GMINY. I. INWENTARYZACJA ŹRÓDEŁ EMISJI I MODELOWANIE EMISJI NEW APPROACH TO THE IMPACT ASSESSMENT OF DUST EMISSION FROM HOME HEATING PROCESSES ON THE AIR POLLUTANT CONCENTRATION OF A SINGLE MUNICIPALITY. I. EMISSION SOURCES INVENTORY AND EMISSION MODELLING Słowa kluczowe: emisja pyłu, zanieczyszczenie powietrza, PM10, PM2.5, emisja niska, ogrzewanie mieszkań, inwentaryzacja emisji, modelowanie emisji. Key words: dust emission, air pollution, PM10, PM 2.5, low emission, home heating, emission inventory, emission modelling. Particulate matter emission from the processes of home heating usually has a significant impact on the level of dust concentration in the air of a single municipality. Issues relating to methodology for the determination of particulate matter emissions from such sources are presented in the article. Applied methods allowed for a more accurate identification of areas within the analysed communities where processes of heating at houses are associated with combustion processes generating dust emissions. The CORINE Land Cover maps and orthophotos made from aerial photographs were used for the areas selection. * Prof. dr inż. Stanisław Hławiczka – Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych, ul. Kossutha 6, 40-844 Katowice; tel.: 32 254 60 31; e-mail: [email protected]; Wydział Inżynierii i Ochrony Środowiska, Politechnika Częstochowska, ul. Dąbrowskiego 73, 42-200 Częstochowa; tel.: 34 325 04 62; e-mail: [email protected] ** Dr Czesław Kliś, mgr inż. Marian Cenowski, mgr inż. Ewa Strzelecka-Jastrząb, mgr inż. Jacek Długosz, Joachim Bronder – Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych, ul. Kossutha 6, 40-844 Katowice; tel.: 32 254 60 31; e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] 22 Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... For calculation of dust emission associated with home heating processes the state of insulation of buildings were also considered. Buildings were assigned to three categories: homes with small, medium and large heat losses. The used indicators of heat demand, were respectively: 1.1 W/m2K, W/m2K 1.6 W/m2K and 2.5 W/m2K. It was shown that in the investigated area (241 municipalities) there is about 80% of dwellings based on their own small heating sources generating so called low emissions. In determining heat demand real air temperature outside buildings were taken into account. It was shown that heat demand depends on the location of the municipality (much higher in municipalities in the mountain areas). 1. WPROWADZENIE Emisje zanieczyszczeń powietrza ze źródeł ciepła małej mocy stanowią istotną część tzw. niskiej emisji, która – w powszechnym jej rozumieniu – obejmuje emisję pochodzącą z lokalnych kotłowni węglowych i domowych pieców grzewczych oraz ze źródeł komunikacyjnych. Najważniejszą przyczyną emisji pyłu z tej grupy źródeł jest spalanie węgla, prowadzone w tych źródłach grzewczych w sposób mało efektywny, w których często używany jest węgiel o złej charakterystyce energetycznej. W polskich realiach zagrożenie niską emisją jest bardzo duże i dotyczy prawie każdego miasta i gminy w Polsce. Problem wynika ze stosowania w mieszkalnictwie komunalnym i indywidualnym niskosprawnych urządzeń grzewczych oraz spalania węgla znacznie zasiarczonego i zapopielonego. Jako paliwo stosowane są również muły węglowe, a także odpady z gospodarstw domowych. Charakterystyczną cechą źródeł energetycznych niskiej mocy jest to, że emisje pochodzą z dużej ilości emitorów, wprowadzających zanieczyszczenia z kominów o niewielkiej wysokości. Powoduje to, że efekty tej emisji są bardzo uciążliwe, ponieważ zanieczyszczenia gromadzą się wokół miejsca powstawania, a są to najczęściej obszary o zwartej zabudowie mieszkaniowej. Emisje te są szczególnie uciążliwe w tzw. sezonie grzewczym, silnie kreując wysokie poziomy stężeń, zwłaszcza podczas epizodów o charakterze smogowym [Ośródka i in. 2006, Cichoń, Hławiczka 2010]. Pyły mają istotny udział w ogólnym ładunku emisji zanieczyszczeń do powietrza emitowanym z palenisk domowych. Bilans emisji pyłu do powietrza w Polsce wskazuje, że procesy, o których mowa, zajmują znaczącą pozycję w krajowym ładunku tych zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery. Spośród wszystkich krajowych źródeł generujących emisje pyłu do atmosfery (energetyka, przemysł, komunikacja, spalanie odpadów), spalanie paliw w komunalnych źródłach ciepła i indywidualnych paleniskach domowych stanowiło w roku 2008 aż 41% krajowej emisji pyłu ogółem, w tym emisje PM10 stanowiły ok. 50%, a pyłu PM2.5 ok. 45% [Dębski i in. 2009]. Miernikiem mało efektywnych procesów spalania węgla w tych źródłach grzewczych mogą być wskaźniki emisji pyłu, z któ- 23 Stanisław Hławiczka i in. rych wynika, że spalanie węgla w paleniskach domowych przyczynia się do zanieczyszczenia powietrza w stopniu 8-krotnie większym w porównaniu z sytuacją, w której proces spalania węgla jest prowadzony w dużych obiektach energetycznych [Konieczyński, Pasoń-Konieczyńska 1999]. Głównym źródłem emisji metali ciężkich do powietrza w Polsce jest również sektor komunalny wraz z emisjami z indywidualnych palenisk domowych [Hławiczka 2008]. Nie jest prawdziwy dosyć powszechny pogląd, że frakcje pyłu emitowanego ze źródeł niskiej mocy tworzą przede wszystkim pyły grube, słabo penetrujące układ oddechowy. Uzyskane wyniki badań składu frakcyjnego pyłów wskazują na znaczny udział frakcji drobnych w pyle emitowanym z palenisk domowych. W emisjach pyłu z rozpatrywanych źródeł spalania udział pyłu zawieszonego w ogólnej ilości emitowanego pyłu wynosi od około 55% do 85% [Hławiczka i in. 2001]. Dosyć duża rozpiętość udziału pyłu w poszczególnych zakresach frakcji emitowanego pyłu ma silny związek z rodzajem paleniska oraz sposobem jego użytkowania. Na podstawie danych przedstawionych w przywołanej wyżej pracy można przyjąć, że średni udział pyłu PM10 może stanowić około 75% ogólnej masy pyłu emitowanego z palenisk domowych. Porównanie morfologii pyłów emitowanych z palenisk domowych i pyłów ze spalania węgla w elektrociepłowni zaskakuje zwłaszcza dużą ilością bardzo drobnych struktur morfologicznych, o rozmiarach pojedynczych mikronów lub ułamków mikrona. Ziarna pyłów z palenisk domowych są najczęściej nieregularne, o rozwiniętej powierzchni, co sprzyja sorpcji i kondensacji zanieczyszczeń typu węglowodory. Ułatwiona jest też na takich powierzchniach kondensacja metali ciężkich, w tym rtęci gazowej [Hławiczka i in. 2003]. Problem niekorzystnej roli procesów spalania prowadzonych w źródłach ciepła małej mocy jest istotny, ponieważ w 2008 r. zużyto w nich 304 460 TJ węgla kamiennego i ta znaczna ilość spalanego w tych źródłach węgla utrzymuje się od wielu lat [Dębski i in. 2009]. Wskazuje to, że emisje pyłu, metali i innych zanieczyszczeń towarzyszących procesom spalania węgla w źródłach ciepła małej mocy długo jeszcze będą istotną pozycją w krajowym bilansie emisji zanieczyszczeń do powietrza. Brak jest dotychczas wiarygodnych danych o udziale emisji pyłu pochodzącego z procesów spalania paliw w celu ogrzewania mieszkań, w kształtowaniu stężeń tego zanieczyszczenia na obszarze wielkości pojedynczej gminy. Emisje te mają cechy emisji rozproszonych, a więc trudnych do ilościowego oszacowania wielkości emitowanego ładunku. Problemom tym poświęcony jest niniejszy artykuł. Autorzy przedstawiają w tym artykule własne metody i wyniki uzyskane w ramach projektu badawczego (zwanego dalej Projektem Czechy-Polska), realizowanego ze środków Unii Europejskiej [Projekt badawczy... 2008]. Obszarem zainteresowania w Projekcie po polskiej stronie granicy był obszar 241 gmin, położonych w rejonie przygranicznym województw: śląskiego, opolskiego i dolnośląskiego. 24 Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... 2. INWENTARYZACJA ŹRÓDEŁ EMISJI PYŁU ZWIĄZANYCH Z OGRZEWANIEM MIESZKAŃ 2.1. Wyznaczanie obszarów emisji zanieczyszczeń ze spalania paliw na potrzeby ogrzewania mieszkań W odniesieniu do emisji obszarowych, na które składają się emisje zanieczyszczeń do powietrza z małych emitorów, dołączonych do domowych instalacji grzewczych, nie dysponuje się, tak jak to ma miejsce w przypadku energetycznych źródeł punktowych, szczegółową informacją zarówno na temat technicznej charakterystyki emitorów, jak i wielkości emitowanych ładunków zanieczyszczeń. Inwentaryzacja poszczególnych źródeł emisji z indywidualnych budynków mieszkalnych jest trudna do wykonania nawet w odniesieniu do najmniejszego obszaru administracyjnego, jakim jest obszar gminy. Dlatego zamiast wyznaczać wielkość emisji bezpośrednio z poszczególnych domowych instalacji grzewczych, można stosować tzw. emitory zastępcze, którymi są obszary zabudowy mieszkaniowej w obrębie poszczególnych gmin. Rys.1. Mapa CLC 2000 fragmentu obszaru woj. dolnośląskiego objętego analizą Fig.1. Map CLC 2000 of Dolny Śląsk voivodeship (fragment of the area) under analysis W przedstawianej pracy przyjęto założenie, że do ustalenia zasięgu obszarów zabudowy mieszkaniowej wykorzystywane będą powszechnie dostępne dane numeryczne. Źródłem tych danych były: numeryczna mapa granic gmin pozyskana z Państwowego Rejestru Granic i Powierzchni Jednostek Podziałów Terytorialnych Kraju oraz numeryczna mapa użytkowania ziemi CORINE Land Cover 2000 (CLC), wersja 2007, wczytana z serwera da- 25 Stanisław Hławiczka i in. nych Europejskiej Agencji Ochrony Środowiska (http://www.eea.europa.eu/themes/landuse). Zastosowano także opracowaną w Instytucie Ekologii Terenów Uprzemysłowionych warstwę informacyjną zabudowy mieszkaniowej oraz dane numeryczne dostępne przez serwisy geoportal.gov.pl oraz Google Earth. Fragment obszaru objętego Projektem Czechy-Polska, którego dotyczy przedstawiona w pracy metodyka wyznaczania obszarów emisji pyłu z procesów ogrzewania mieszkań, przedstawiono na rysunku 1. Pierwszym krokiem w wyznaczaniu obszarów emisji pochodzących ze spalania paliw na potrzeby ogrzewania mieszkań była analiza rodzajów użytkowania ziemi pod kątem dokonania wyboru tych typów użytkowania powierzchni ziemi, które mogą być miejscami lokalizacji emitorów zastępczych, czyli powierzchniami, w których ma miejsce omawiana emisja. W celu wydzielenia obszarów emisji uwzględniono następujące typy użytkowania ziemi: zabudowę zwartą, zabudowę rozproszoną, złożone układy uprawowe, tereny zieleni miejskiej, przemysł lub usługi, obiekty sportowe i wypoczynkowe, łąki naturalne, budowy, obszary generalnie rolnicze, drogi kołowe i koleje. Wyodrębnienia z tych typów użytkowania ziemi pod obszar zabudowy mieszkaniowej dokonano na podstawie danych zawartych w numerycznej mapie CORINE Land Cover 2000, wersja 7. W tym celu obliczono całkowitą powierzchnię zabudowy mieszkaniowej w danym typie użytkowania ziemi (na potrzeby niniejszej pracy analizę wykonano dla obszaru województwa śląskiego) oraz wyznaczono stosunek powierzchni zabudowy mieszkaniowej w danym typie użytkowania do całkowitej powierzchni danego typu użytkowania ziemi. W tabeli 1 przedstawiono wynik tej analizy. Tabela 1. Rozkład powierzchni zabudowy mieszkaniowej w typach użytkowania ziemi CLC 2000 (na przykładzie obszaru województwa śląskiego) Table 1. Types of land use and residential area according to CLC2000 map (silesia province as an example) Analizowane typy użytkowania ziemi Zabudowa zwarta Zabudowa rozproszona Złożone układy uprawowe Tereny zieleni miejskiej Przemysł lub usługi Obiekty sportowe i wypoczynkowe Łąki naturalne Budowy Obszary generalnie rolnicze Drogi kołowe i koleje 26 Powierzchnia zabudowy Udział powierzchni zabudowy w całej w danym typie powierzchni typu użytkowania [%] użytkowania [m2] 2 372 504 281 075 141 112 890 028 1 781 291 7 113 727 1 526 624 3954 238 082 8 494 196 227 714 38 28 10 5 3 3 2 2 2 1 Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... Z danych w tabeli 1 wynika, że w analizowanym obszarze trzy typy użytkowania ziemi zaznaczone na mapie CORINE LANDCOVER cechuje zdecydowanie większy udział powierzchni zabudowy mieszkaniowej w obrębie całej powierzchni danego typu użytkowania ziemi. Są to obszary zabudowy zwartej, zabudowy rozproszonej oraz niektóre obszary upraw z rozbudowaną infrastrukturą budowlaną. Uznano więc, że te 3 rodzaje typów użytkowania ziemi są na terenie gminy najbardziej odpowiednim typem obszarów do zlokalizowania emitorów zastępczych, z których pochodzą emisje zanieczyszczeń generowanych w paleniskach domowych. Kolejnym krokiem w wyznaczaniu obszarów emisji z procesów ogrzewania mieszkań było przypisanie trzem wymienionym obszarom użytkowania ziemi konkretnej lokalizacji na europejskiej mapie CLC 2000, obejmującej analizowany obszar (rys.1) oraz dokonanie przecięcia tak otrzymanej mapy numerycznej mapą granic jednostek administracyjnych. W efekcie otrzymano nowe wypełnienie mapy wielobokami zabudowy mieszkaniowej w poszczególnych gminach analizowanego obszaru (rys.2). Rys.2. Mapa obszarów emisji z domowych instalacji grzewczych analizowanego fragmentu województwa dolnośląskiego Fig.2. Map of the areas of emissions from domestic heating systems within the analyzed fragment of Dolny Śląsk voivodship Zdecydowano, że tym właśnie wielobokom zostaną w dalszej części pracy przyporządkowane wartości emisji odpowiadające trzem typom gęstości zabudowy: zwartej, luźnej i rozproszonej. Podobną analizą objęto pozostałe rozpatrywane obszary przygraniczne województw śląskiego i opolskiego, będące przedmiotem zainteresowania w Projekcie Czechy-Polska. Uzyskany rozkład typów zabudowy mieszkaniowej, w podziale na analizowane fragmenty trzech województw, przedstawiono w tabeli 2. 27 Stanisław Hławiczka i in. Tabela 2. Rozkład powierzchni trzech typów zabudowy mieszkaniowej w trzech analizowanych fragmentach województw Table 2. Area of three types of residential area in the 3 provinces under analysis Typ zabudowy Jednostka Zwarta Luźna Rozproszona Suma zabudowy Zwarta Luźna Rozproszona Suma zabudowy Powierzchnia objęta analizą Odsetek powierzchni zabudowanej (3 typy) km2 km2 km2 km2 % % % % km2 % Woj. dolnośląskie 6,1 256,9 634,5 897,5 0,7 28,6 70,7 100 10 367,7 8,7 Woj. opolskie 1,3 387,9 339,6 728,9 0,2 53,2 46,6 100 9399,7 7,7 Woj. śląskie 0,3 340,1 590,9 931,3 0,03 36,5 63,4 100 4171,5 22,3 Z danych w tabeli 2 wynika, że na analizowanym obszarze trzech fragmentów województw dominują obszary emisji reprezentujące przede wszystkim tereny zabudowy rozproszonej i luźnej. Największym obszarem objętym zwartą zabudową jest, co zaskakuje, analizowany fragment województwa dolnośląskiego. Największy odsetek terenów zabudowanych znajduje się w obrębie analizowanego fragmentu województwa śląskiego, a najmniejszy w analizowanej części województwa opolskiego. 2.2. Ocena stanu termicznej izolacyjności mieszkań Ocena stanu termicznej izolacyjności mieszkań była elementem analizy, której celem nadrzędnym było wyznaczenie ładunków pyłu będącego rezultatem procesu spalania paliw na potrzeby ogrzewania mieszkań. Jednym z elementów niezbędnych do określenia zapotrzebowania na ciepło budynku mieszkalnego jest ustalenie stopnia wyposażenia tego budynku w izolację termiczną. Istnienie bowiem tej izolacji oraz jej jakość decyduje o wysokości strat ciepła z danego budynku. Decydujące znaczenie ma tutaj zarówno rok budowy budynku (głównie ze względu na zmieniające się na przestrzeni lat stosowane w budownictwie materiały budowlane i izolacyjne), jak też prace modernizacyjne polepszające jego izolację termiczną (np. ocieplenie ścian, ocieplenie dachu, wymiana stolarki budowlanej). W celu określenia izolacji termicznej budynków wykorzystano istniejące dane statystyczne Głównego Urzędu Statystycznego, dostępne w Banku Danych Regionalnych [Bank Danych Regionalnych, GUS 2009]. W ramach omawianego projektu zebrano dane pozwalające na opis stanu budynków w 241 gminach objętych Projektem Czechy-Polska. W pierwszym kroku, w celu ustalenia struktury wiekowej budynków w analizowanych gminach, pobrano z zasobów GUS dane dotyczące powierzchni użytkowej mieszkań w poszczególnych 28 Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... gminach, w podziale na następujące okresy ich budowy: przed 1918 rokiem oraz w okresach lat: 1918 – 1944, 1945 – 1970, 1971 – 1978, 1979 – 1988, 1989 – 2002, 2003 – 2006 i w 2007 roku. Były to jedyne dostępne dane statystyczne, które można było wykorzystać wprost w przeprowadzanej analizie. Wyniki analiz struktury wiekowej budynków, w podziale na analizowane fragmenty trzech województw, przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3.Procentowe udziały powierzchni użytkowej mieszkań według struktury wiekowej budynków (stan na rok 2007) Fig. 3. Percentage structure of usable area of flats according to buildings age structure (data for 2007) Pozostałe dostępne dane statystyczne przed zastosowaniem ich do analizy izolacyjności mieszkań poddano szeregom przekształceń, obliczeń i oszacowań. Wynika to z tego, że dane na temat prac remontowych i modernizacyjnych w opisie krajowego zasobu mieszkaniowego podawane są przez GUS według struktury form własności mieszkań (a nie ich struktury wiekowej) i liczby mieszkań (a nie ich powierzchni użytkowej) oraz, co istotne, są dostępne – poza zasobem mieszkań komunalnych – jedynie na poziomie powiatów, a nie na poziomie poszczególnych gmin. Dane te są gromadzone przez GUS jedynie w wybranych latach, co powoduje, że brak jest pełnej serii czasowej tych danych. Wobec tych uwarunkowań, w drugim kroku oceny stanu termicznej izolacyjności mieszkań, zebrano dane pozwalające na powiązanie liczby mieszkań z ich powierzchnią użytkową. W tym celu zebrano dane na temat liczby mieszkań i ich powierzchni użytkowej w poszczególnych gminach, według form własności mieszkań, uwzględniając: mieszkania komunalne, mieszkania osób fizycznych, mieszkania spółdzielcze, mieszkania TBS, mieszkania zakładowe oraz pozostałe. Na tej podstawie wyznaczono średnią powierzchnię mieszkania oddzielnie dla każdej gminy i każdej grupy formy własności. 29 Stanisław Hławiczka i in. Następnie z zasobów GUS zebrano wszystkie dostępne dane dotyczące prac remontowych i modernizacyjnych zasobu mieszkaniowego, a więc dotyczące: ● robót remontowych i remontów kapitalnych mieszkań komunalnych (poziom gmin, lata 1996 – 2001); ● ociepleń mieszkań komunalnych (poziom gmin, lata: 2003, 2005 i 2007); ● wymiany stolarki budowlanej w mieszkaniach komunalnych (poziom gmin, lata: 2003, 2005 i 2007); ● ociepleń mieszkań według form własności (poziom powiatów, lata 2003, 2005 i 2007); ● wymiany stolarki budowlanej w mieszkaniach według form własności (poziom powiatów, lata 2003, 2005 i 2007). Na podstawie tych danych oszacowano całkowitą liczbę mieszkań ocieplonych oraz całkowitą liczbę mieszkań z wymienioną stolarką budowlaną w latach 1996 – 2007, w podziale na poszczególne formy ich własności. Założono, że przed 1996 rokiem tego rodzaju prace mające związek ze zwiększeniem izolacyjności budynków były wykonywane sporadycznie i ich ilość w wykonanym szacunku jest do pominięcia. Na podstawie danych dotyczących poziomu powiatów oszacowano liczbę mieszkań ocieplonych oraz liczbę mieszkań z wymienioną stolarką budowlaną, w odniesieniu do poszczególnych gmin danego powiatu, zachowując strukturę danych odnoszącą się do formy własności mieszkań. Następnie, wykorzystując wyznaczone wcześniej średnie powierzchnie mieszkań w każdej gminie i w każdej grupie własności, wykonano obliczenia pozwalające na przejście z liczby mieszkań na ich powierzchnię użytkową. W końcowym etapie analiz dane dotyczące powierzchni użytkowej mieszkań ocieplonych i mieszkań z wymienioną stolarką budowlaną przeliczono według form ich własności na powierzchnię użytkową mieszkań ocieplonych i mieszkań z wymienioną stolarką według okresu ich budowy. Istotnym przy tym założeniem było uwzględnienie przesłanki, że wszystkie budynki wybudowane po 2002 r. spełniają aktualnie obowiązujące standardy cieplne i nie wymagają prac remontowo-ociepleniowych. W związku z tym założono również, że prace polegające na wymianie stolarki budowlanej, wykonane w latach 1996 – 2007, obejmowały jedynie budynki wybudowane przed rokiem 2003 oraz, że prace ociepleniowe wykonane w latach 1996 – 2007 obejmowały jedynie budynki wybudowane w latach 1918 – 2003. Wyłączenie w tym ostatnim założeniu budynków wybudowanych przed rokiem 1918 było spowodowane tym, że w większości, zwłaszcza na terenach miejskich, są to budynki zabytkowe, objęte ochroną konserwatorską, posiadające ozdobne fasady, na których wykonanie ocieplenia (obłożenie ich styropianem) nie jest możliwe. Otrzymana w ten sposób, wynikowa baza danych obejmowała: ● całkowitą powierzchnię użytkową mieszkań w poszczególnych gminach w podziale na 8 okresów ich budowy (począwszy od mieszkań wybudowanych przed rokiem 1918 na mieszkaniach wybudowanych w 2007 roku skończywszy); 30 Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... ● powierzchnię użytkową mieszkań ocieplonych w podziale na 8 okresów ich budowy; ● powierzchnię użytkową mieszkań z wymienioną stolarką budowlaną w podziale na 8 okresów ich budowy. Tak zinwentaryzowane powierzchnie użytkowe mieszkań, w zależności od okresu ich budowy oraz ich wyposażenia, przypisano do trzech kategorii mieszkań: o małych, średnich oraz dużych stratach ciepła. Przyjęto, że odpowiadające tym trzem kategoriom mieszkań wskaźniki zapotrzebowania na ciepło wynoszą odpowiednio: 1,1 W/m2K, 1,6 W/m2K oraz 2,5W /m2K. Otrzymane wyniki przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4.Struktura procentowa powierzchni użytkowej mieszkań według stopnia izolacji termicznej (stan na rok 2007) Fig. 4. Percentage structure of usable area of buildings according to buildings insulation state (data for 2007) Z danych przedstawionych na rysunkach 3 i 4 wynika, że analizowane obszary trzech województw wykazują istotne różnice w strukturze substancji mieszkaniowej w kontekście stanu jej izolacyjności termicznej. Spośród analizowanych gmin najgorszą sytuację stwierdzono w gminach położonych na terenie województwa dolnośląskiego, gdzie mieszkania stare, zbudowane przed rokiem 1945, stanowią 57% ogółu mieszkań, w tym mieszkania o dużych stratach ciepła stanowią 51% ogółu mieszkań, a mieszkania nowe (wybudowane po roku 2002), zbudowane zgodnie z obowiązującymi obecnie standardami cieplnymi, stanowią tylko 7%. Najkorzystniejszą strukturę wiekową zasobu mieszkaniowego legitymują się gminy położone w województwie śląskim, gdzie mieszkania zbudowane przed rokiem 1945 stanowią tylko 15% ogółu mieszkań, a mieszkania zbudowane po roku 2002 stanowią 13% zasobu. Najkorzystniejszą natomiast strukturę mieszkań według stopnia ich izolacji termicznej stwierdzono w gminach województwa opolskiego, gdzie jest największy odsetek mieszkań o małych stratach ciepła (45%) oraz jednocześnie najmniejszy odsetek mieszkań o dużych stratach ciepła (35%). 31 Stanisław Hławiczka i in. 2.3. Inwentaryzacja obszarów emisji i stosowanych rodzajów paliw będących źródłem emisji pyłu Główne źródło emisji pyłów na obszarach zabudowy mieszkaniowej stanowią procesy spalania paliw w celu wytworzenia ciepła do ogrzania pomieszczeń mieszkalnych. Produkcja ciepła do celów grzewczych może odbywać się poza miejscem zamieszkania (np. w ciepłowni miejskiej) lub na miejscu – w lokalnej kotłowni albo w mieszkaniu, z zastosowaniem tzw. indywidualnych źródeł ciepła. Takimi źródłami mogą być kotły, piece oraz inne źródła mobilne. W każdym z tych rodzajów źródeł stosowane są różne rozwiązania konstrukcyjne oraz rozmaite paliwa. Dominującym paliwem stosowanym do produkcji ciepła w Polsce jest węgiel kamienny i jego pochodne. W mniejszych ilościach stosowane są paliwa gazowe (gaz ziemny, gaz płynny LPG) i ciekłe (nafta, oleje opałowe). W źródłach, w których podstawowym paliwem jest węgiel kamienny, dodaje się do węgla często drewno oraz różne rodzaje odpadów stałych. Ponadto pojawiają się źródła ciepła na tzw. biomasę (drewno, pelety, słoma, trociny itp.). Bardzo rzadko do ogrzewania mieszkań stosuje się inne, tzw. alternatywne rodzaje energii (energia słoneczna, geotermalna, wiatrowa, pompy ciepła). Mieszkańcy wytwarzający ciepło do ogrzewania mieszkań nie mają obowiązku wykazywania ilości zużywanych paliw, a tym bardziej ilości zanieczyszczeń powstających w wyniku ich spalania. Wielkość emitowanych zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego jest więc nieznana. Określenie ilości emitowanych zanieczyszczeń powietrza, w tym pyłu, jest możliwe jedynie w wyniku szacowania poprzez odpowiednie wskaźniki emisji, odniesione do ilości spalanego paliwa. To z kolei jest uzależnione od ilości ciepła potrzebnego do osiągnięcia wymaganej temperatury w pomieszczeniach. Zapotrzebowanie ciepła ma ścisły związek z temperaturą zewnętrzną oraz izolacyjnością ścian zewnętrznych i okien. Im lepiej są zaizolowane ściany i bardziej energooszczędne okna, tym mniejsze są straty ciepła i mniejsza ilość zużywanych paliw oraz generowanych zanieczyszczeń powietrza. Proces szacowania emisji z procesu produkcji ciepła potrzebnego do ogrzewania zabudowy mieszkaniowej jest więc wieloetapowym procesem, który rozpoczyna się od szczegółowej inwentaryzacji zabudowy, poprzez określenie struktury rodzajowej stosowanych źródeł ciepła i nośników energii (paliw), określenie warunków wpływających na zapotrzebowanie na ciepło oraz dobór najbardziej adekwatnych wskaźników emisji reprezentatywnych dla poszczególnych rodzajów źródeł produkcji ciepła i stosowanych w nich paliw. Zastosowane wskaźniki emisji powinny w maksymalny sposób uwzględniać warunki rzeczywiste, często bardzo różne od tych, w jakich testowane są urządzenia grzewcze przez producentów oraz instytucje badawcze, w celu wydania tzw. atestów. W warunkach rzeczywistych źródła ciepła są często zasilane paliwami gorszej jakości, mają mniejszą wydajność ze względu na zużycie wynikające z wieku urządzenia grzewczego, złej eksploatacji i konserwacji oraz ze względu na pracę z obciążeniem mniejszym od nominalnego. 32 Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... Dobrym źródłem danych o wartościach wskaźników emisji ze źródeł małej mocy są wytyczne EMEP/EEA [2009], opracowane przez międzynarodowy zespół ekspertów, wykorzystywane do krajowych inwentaryzacji emisji zanieczyszczeń powietrza w Europie. Podstawą wykonania obliczeń emisji pyłu z małych źródeł ciepła są dane o powierzchni ogrzewanych mieszkań i strukturze systemu grzewczego. Do określenia powierzchni ogrzewanych mieszkań na obszarze analizowanej jednostki administracyjnej (np. gminy) powinny być wykorzystywane dane statystyczne GUS [Bank Danych... GUS 2009]. Wykorzystane w niniejszej pracy dane GUS o sposobach ogrzewania i rodzajach paliw pochodzą z Narodowego Spisu Powszechnego Ludności i Mieszkań, przeprowadzonego w 2002 r. Charakterystyka zabudowy mieszkaniowej w części dotyczącej ogrzewania pomieszczeń, stosowana przez GUS, uwzględnia następujące typy ogrzewania : ● mieszkania ogrzewane centralnie z sieci; ● mieszkania ogrzewane centralnie z kotłowni obsługującej budynek wielomieszkaniowy; ● mieszkania ogrzewane z indywidualnej kotłowni; ● mieszkania ogrzewane piecami; ● mieszkania ogrzewane przez inne (mobilne) źródła (np. grzejniki na naftę lub LPG). Z danych przedstawionych w tabeli 3, charakteryzujących obszar przygraniczny woj. śląskiego objęty Projektem Czechy-Polska, wynika, że w obszarze tym dominują mieszkania wyposażone w małe indywidualne źródła ciepła, a jedynie 2% mieszkań korzysta z kotłowni obsługującej budynek wielomieszkaniowy. Łącznie 80% powierzchni mieszkań bazuje na własnych, małych źródłach, generujących niską emisję. Tabela 3. Udział typów ogrzewania w obrębie zabudowy mieszkaniowej (na przykładzie obszaru woj. śląskiego) Table 3. Type of heating share in residential area (silesia province as an example) Analizowane typy ogrzewania Ogrzewanie centralne z sieci Kotłownia obsługująca budynek wielomieszkaniowy Kotłownia indywidualna Ogrzewanie piecami Inne (mobilne) źródła Razem Powierzchnia mieszkań objęta danym Udział typu ogrzewania typem ogrzewania [tys.m2] w całkowitej pow. mieszkań [%] 21 950 20,0 2135 1,9 66 239 18 637 812 109 775 60,3 17,0 0,7 Źródło: Bank Danych Regionalnych, GUS 2009 Przeprowadzona analiza danych GUS [Bank Danych... GUS 2009] wykazała (tab. 4), że w obszarze woj. śląskiego objętego Projektem Czechy-Polska stosowanym paliwem w indywidualnych kotłowniach są zwłaszcza paliwa stałe, które stanowią czynnik grzewczy dla 79% powierzchni mieszkań. Z paliwa gazowego korzysta około 15% powierzchni mieszkań wyposażonych w kotłownie indywidualnie. Zaledwie 6% powierzchni mieszkań korzy- 33 Stanisław Hławiczka i in. sta z innych rodzajów paliw (paliw ciekłych, energii elektrycznej, systemów dwupaliwowych i innych). Tabela 4. Struktura rodzajów ogrzewania w zabudowie mieszkaniowej w obszarze woj. śląskiego objętego Projektem Czechy-Polska Table 4. Type of heating structure in residential area on the part of Silesia Province under the Czech-Polish Project investigation Analizowane typy ogrzewania Paliwa stałe Paliwa gazowe Paliwa ciekłe Energia elektryczna Systemy dwupaliwowe Inne paliwa (w tym biomasa) Razem Powierzchnia zabudowy bazująca na danym typie paliwa [tys. m2] 52 320 10 085 1353 1206 1211 63 66 239 Udział typu paliwa w całkowitej pow. mieszkań [%] 79,0 15,2 2,0 1,8 1,8 0,1 Źródło: Bank Danych Regionalnych, GUS 2009 W identyczny sposób, w jaki dokonano charakterystyki obszaru woj. śląskiego (tab. 3 i 4), przeprowadzono analizę danych odnoszących się do pozostałej części obszaru objętego Projektem Czechy-Polska. Z uzyskanych danych wynika, że blisko połowa powierzchni mieszkań na analizowanym obszarze posiada źródło ciepła w postaci indywidualnej kotłowni na paliwo stałe, a więc na węgiel kamienny (czasem z dodatkiem drewna). Te źródła ciepła decydują o wielkości ładunków emitowanego pyłu i powinny być poddane bardziej szczegółowej analizie. Tę grupę urządzeń charakteryzuje bardzo duże zróżnicowanie pod względem konstrukcji i wielkości emisji. Nowoczesne kotły węglowe emitują znacznie mniej pyłów w porównaniu z tradycyjnymi kotłami. Dlatego w dalszych analizach szczegółowych wyodrębniono 3 typy kotłów węglowych: ● kotły komorowe starego typu, ● kotły komorowe nowego typu oraz ● kotły automatyczne. Kotły komorowe są kotłami z ręcznym załadunkiem paliwa, wyposażonymi w palenisko rusztowe. Nowe konstrukcje tych kotłów posiadają wbudowany zasobnik paliwa i system dopalania spalin, co pozwala znacznie ograniczyć emisję zanieczyszczeń do powietrza. Kotły automatyczne to kotły wyposażone w podajnik paliwa i system sterowania parametrami spalania, co pozwala na optymalizację procesu wytwarzania ciepła. Do tej grupy zalicza się automatyczne kotły miałowe, wyposażone w podajnik tłokowy, oraz kotły retortowe, na tzw. ekogroszek. Kotły retortowe posiadają palenisko retortowe oraz podajnik ślimakowy, dostarczający węgiel z zewnętrznego zbiornika. Kotły automatyczne, a w szczególności kotły 34 Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... retortowe, uważane są za stosunkowo mało uciążliwe dla powietrza i w wielu regionach zachęca się do ich zastosowania w miejsce starych kotłów komorowych. Oczywiście nie likwiduje to całkowicie emisji pyłów, ale kilkukrotnie ją zmniejsza, nawet przy wykorzystaniu najbardziej dostępnego i najtańszego paliwa, jakim jest węgiel kamienny. Do oszacowania emisji pyłów niezbędne okazały się informacje o udziale poszczególnych typów kotłów węglowych w strukturze aktualnie eksploatowanych źródeł ciepła. Nie istnieją jednak na ten temat żadne dane statystyczne. Dlatego na potrzeby Projektu Czechy-Polska określono strukturę rodzajową kotłów węglowych, analizując kilkanaście gminnych Programów Ograniczenia Niskiej Emisji, biorąc pod uwagę dane ankietowe o wieku kotłów. Na tej podstawie przyjęto, że 70% kotłów eksploatowanych w okresie 2006 – 2007 to kotły starego typu, a pozostałe 30% stanowią kotły nowego typu – komorowe i automatyczne. Po analizie danych przedstawionych w raporcie z programu pilotażowego dla wybranych gmin Górnego Śląska [Kubica i in. 2008] przyjęto, że w grupie kotłów nowych 2/3 stanowią kotły automatyczne. Przeprowadzony w ramach Projektu Czechy-Polska eksperyment pomiarowy wykazał [Horak, Branc 2010], że wskaźniki emisji pyłu PM10 i PM 2.5 dla kotłów komorowych nowego typu i automatycznych są zbliżone. Wyniki analiz opisanych w tym rozdziale, dotyczących stosowanych w rozpatrywanym obszarze sposobów ogrzewania mieszkań i rodzajów stosowanych paliw, wskazywały, że obliczenia emisji pyłów powinny być wykonywane dla następujących grup źródeł ciepła: ● piece na paliwo stałe (kaflowe, żeliwne, kuchenne, kominki itp.), ● manualne kotłownie węglowe starego typu, ● manualne kotłownie węglowe nowego typu, ● automatyczne kotłownie węglowe, ● urządzenia grzewcze gazowe (kotły, piece. kominki, grzejniki na gaz płynny LPG), ● urządzenia grzewcze olejowe (kotły, grzejniki na naftę), ● kotłownie na biomasę. Pominięto ogrzewanie centralne z sieci i ogrzewanie elektryczne, ponieważ – co oczywiste – te typy urządzeń grzewczych nie generują emisji zanieczyszczeń do powietrza bezpośrednio w miejscu ich użytkowania. 3. MODELOWANIE EMISJI PYŁÓW DO ATMOSFERY Z PROCESÓW OGRZEWANIA MIESZKAŃ 3.1. Metodyka szacowania emisji Do oszacowania emisji pyłów z procesów ogrzewania mieszkań konieczne jest wykonanie kilku kolejnych kroków obliczeniowych. Pierwszy krok polega na określeniu sumarycznego zapotrzebowania na ciepło grzewcze na obszarze analizowanej jednostki admi- 35 Stanisław Hławiczka i in. nistracyjnej (np. gminy). W kolejnym kroku określane jest zapotrzebowanie na ciepło z poszczególnych rodzajów źródeł, a następnie, wykorzystując dane o sprawności źródeł ciepła, określa się zużycie paliw. Ostatni krok to wyznaczenie emisji pyłów PM10 i PM2.5, za pomocą odpowiednich wskaźników emisji. Czynności te, które szerzej opisano w dalszej części tego rozdziału, zostały zautomatyzowane dzięki zastosowaniu narzędzia opracowanego w ramach Projektu Czechy-Polska, jakim jest tzw. kalkulator emisji. Obliczenie zapotrzebowania na ciepło grzewcze. Każdy obiekt budowlany ochładza się w wyniku ucieczki ciepła przez ściany, sufity, okna i drzwi oraz przez wietrzenie (wentylację). Straty ciepła pokrywane są: pracą urządzenia grzewczego, ciepłem słonecznym oraz innymi źródłami ciepła w budynku. Nowoczesne budynki mają, w porównaniu z budownictwem tradycyjnym, znacznie mniejsze (2-, 3-krotnie) zapotrzebowanie na ciepło. Na wielkość zapotrzebowania na ciepło wpływ ma także rodzaj zabudowy. Jest ono większe przy zabudowie jednorodzinnej, ponieważ wszystkie ściany zewnętrzne znajdują się w kontakcie z powietrzem zewnętrznym i straty przenikania są większe. Nie jest to jednak regułą, ponieważ budynki jednorodzinne są często lepiej zaizolowane, a system ogrzewania bardziej elastyczny i lepiej dopasowany do indywidualnych potrzeb. Do oceny zapotrzebowania na ciepło większego obszaru, np. gminy, mogą być wykorzystane uśrednione wskaźniki zapotrzebowania na ciepło odniesione do różnych typów budynków, zależne od ich konstrukcji i stopnia zaizolowania. W Polsce najczęściej stosowany jest podział budynków według kryterium zapotrzebowania na ciepło odniesionego do jednostkowej powierzchni ogrzewanej [kWh/m²·rok]. Przyjęte do obliczeń jednostkowe roczne zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych, według danych Krajowej Agencji Poszanowania Energii [KAPE] przedstawiono w tabeli 5. Tabela 5. Wskaźniki rocznego zapotrzebowania na ciepło grzewcze w zależności od konstrukcji i wieku budynku Table 5. Indicators of annual heating demand depending on type of building construction and age Typowa konstrukcja budynku Stare nieocieplone budynki Bloki z wielkiej płyty Budynki z cegły z izolacją 10cm Budynki z cegły z izolacją 12cm Budynki z cegły z izolacją 15cm Rok budowy 1966 i wcześniej 1967 – 1985 1986 – 1992 1993 – 1997 1987 i później Wskaźnik zapotrzebowania na ciepło [kWh/m²·rok] > 350 240 – 350 160 – 240 120 – 160 90 – 120 Dostosowując wskaźniki zapotrzebowania ciepła do zastosowanej w Projekcie Czechy-Polska metodyki oceny termicznej izolacyjności mieszkań, gdzie wydzielono trzy typy budynków w zależności od oceny stopnia ich zaizolowania, przyjęto następująco wielkości rocznego zapotrzebowanie na ciepło: 36 Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... ● mieszkania o niskich stratach ciepła – 110 kWh/m²·rok, ● mieszkania o średnich stratach ciepła – 160 kWh/m²·rok, ● mieszkania o dużych stratach ciepła – 250 kWh/m²·rok. Podane w ten sposób wielkości zapotrzebowania na ciepło są określone dla typowych warunków występujących na obszarze Polski. Nie uwzględniają zróżnicowania warunków temperaturowych w obrębie analizowanego obszaru i w zależności od okresu analizy. W niższych temperaturach powietrza na zewnątrz budynku wzrasta przecież zapotrzebowanie na ciepło do ogrzania wnętrza budynku. W celu precyzyjniejszego określenia zapotrzebowania na ciepło w poszczególnych gminach, wielkości jednostkowego zapotrzebowania na ciepło wyrażono w W/m2·K. Wielkości te wyznaczono z rocznego zapotrzebowania na ciepło [kWh/m²] i średniej dla obszaru Polski liczby tzw. stopnio-godzin, wynoszącej w analizowanym okresie 100 800 stopnio-godzin (4200 stopnio-dni). Uzyskano następujący zestaw wskaźników: ● mieszkania o niskich stratach ciepła – 1,1 W/m2·K, ● mieszkania o średnich stratach ciepła– 1,6 W/m2·K, ● mieszkania o dużych stratach ciepła – 2,5 W/m2·K. Zastosowanie powyższych wskaźników pozwoliło na wyznaczenie zapotrzebowania na ciepło w zależności od rzeczywistych temperatur zewnętrznych występujących w sezonie grzewczym, które były zróżnicowane w zależności od okresu analizy (analizowano lata 2006 i 2007), jak i lokalizacji gminy (w gminach zlokalizowanych na obszarach górskich temperatura w sezonie grzewczym jest wyraźnie niższa, a przez to liczba stopnio-godzin większa). Obliczenia zapotrzebowania na ciepło wykonano za pomocą kalkulatora obliczeniowego, powiązanego z bazą danych meteorologicznych. Zapotrzebowania na ciepło grzewcze na obszarze jednostki administracyjnej wynika ze wskaźników zapotrzebowania na ciepło W/m2·K, powierzchni ogrzewanych mieszkań (z podziałem na 3 typy budynków ze względu na wielkość strat ciepła) oraz wysokości temperatur zewnętrznych w czasie trwania sezonu grzewczego. Przykładowo, roczne zapotrzebowanie na ciepło w zabudowie mieszkalnej o powierzchni 60 000 m² – w warunkach średnich strat ciepła na obszarze, gdzie liczba stopnio-godzin wynosi 100 800 hK, wyniosłoby: Q = 1,6 W/m2 K · 60 000 m² · 100 800 hK = 9 676 800 kWh = 9,7 GWh = 34 920 GJ Ponieważ proces modelowania stężeń pyłu jest realizowany z krokiem jednogodzinnym, wymagane jest określenie godzinowych wielkości emisji. Powoduje to, że wielkości zapotrzebowania na ciepło muszą być wyznaczone dla każdej godziny sezonu grzewczego. W tym celu w powyższym wzorze w miejsce liczby stopnio-godzin określonych dla całego roku, wprowadza się liczbę stopni stanowiącą różnicę pomiędzy temperaturą komfortu cieplnego i średnią temperaturą zewnętrzną w danej godzinie. 37 Stanisław Hławiczka i in. Zapotrzebowanie na ciepło dla poszczególnych rodzajów źródeł określono, biorąc pod uwagę udziały (ui) poszczególnych rodzajów źródeł ciepła w powierzchni zabudowy mieszkaniowej, ze wzoru: Qi = Q·ui Obliczenie zapotrzebowania na paliwo. Do pokrycia obliczonego zapotrzebowania na ciepło grzewcze niezbędna jest odpowiednia ilość paliwa, zależna od sprawności cieplnej źródła. Sprawność cieplna źródła ηi, to stosunek ilości wyprodukowanej energii Qi do energii wprowadzonej w paliwie Bi: ηi = Qi/Bi Znając zapotrzebowanie na ciepło Qi i sprawność cieplną urządzenia grzewczego moż- liwe jest określenie zapotrzebowanie na energię paliwa z tego źródła według wzoru: Bi = Qi/ηi gdzie: Bi – ilość paliwa dla danego rodzaju źródeł ciepła[GJ/rok], Qi – zapotrzebowanie na ciepło z danego rodzaju źródeł ciepła [GJ/rok], ηi – sprawność cieplna dla danego rodzaju źródeł ciepła. Typowe sprawności cieplne dla różnych rodzajów urządzeń grzewczych według rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej [Rozporządzenie... 2008] wynoszą: ● piec na paliwo stałe – 30 – 70% (przyjęto 50%), ● kocioł węglowy tradycyjny (komorowy) starego typu – 50 – 65% (przyjęto 55%), ● kocioł węglowy tradycyjny (komorowy) nowego typu – 75%, ● kocioł węglowy automatyczny (retortowy) – 82%, ● kocioł gazowy – 92%, ● kocioł olejowy – 87%, ● kocioł na biomasę – 72%. W celu określenia zapotrzebowania na paliwo, wyrażonego w jednostkach masy lub objętości, należy uwzględnić średnią wartość opałową paliwa. Do obliczeń przyjęto następujące wartości opałowe: ● węgiel do kotłów komorowych (starego i nowego typu) – 20 MJ/kg, ● węgiel do kotłów retortowych – 26 MJ/kg, ● gaz ziemny – 35 MJ/kg, ● gaz ciekły LPG – 47 MJ/kg, ● olej opałowy – 42 MJ/kg, ● biomasa (drewno, pelety) – 15 MJ/kg. 38 Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... Wskaźniki emisji pyłu. Jedyną możliwą metodą oszacowania emisji zanieczyszczeń emitowanych z małych źródeł ciepła stosowanych do ogrzewania mieszkań jest metoda wskaźnikowa. Wskaźniki emisji są odniesione najczęściej do ilości spalonego paliwa, wyrażonej w jednostkach energii (GJ). Wskaźnik emisji pyłu PM10 lub PM2.5, to ilość emitowanego pyłu w gramach, przypadająca na GJ spalanego paliwa. Wartości wskaźników zależą od rodzaju paleniska, typu paliwa i jego charakterystyki (zawartość popiołu), stanu technicznego paleniska, obciążenia cieplnego źródła, ciągu kominowego oraz sposobu obsługi (dotyczy głównie palenisk na paliwo stałe z obsługą manualną). Ze względu na taką liczbę różnych czynników wpływających na proces spalania wielkości wskaźników emisji mogą zmieniać się w dość szerokim zakresie, nawet w obrębie jednego typu urządzeń grzewczych. Dlatego też na potrzeby inwentaryzacji emisji z obszaru gmin, obejmującego często tysiące pojedynczych urządzeń grzewczych, należało dobrać uśrednione wartości wskaźników, najbardziej reprezentatywne dla poszczególnych typów źródeł ciepła. W tym celu oparto się na wytycznych EMEP/EEA [EMEP/EEA... 2009], wykorzystywanych na potrzeby inwentaryzacji krajowych w Polsce i w innych krajach europejskich. Dodatkowo wzięto pod uwagę wyniki eksperymentu pomiarowego przeprowadzonego w ramach Projektu Czechy-Polska. Wskaźniki emisji pyłu zastosowane do oszacowania emisji w gminach leżących na analizowanym obszarze zestawiono w tabeli 6. Tabela 6. Zastosowane wskaźniki emisji pyłu z procesów spalania w małych źródłach ciepła Table 6. The used particulate emission factors for small heat production sources Węgiel kamienny kotły kotły Zanieczyszczenie Jedn. manualne manualne kotły piece starego nowego automatyczne typu typu PM10 g/GJ 460 130 70 450 PM2.5 g/GJ 448 121 61 448 Paliwa gazowe płynne 0,5 0,5 3 2,7 Biomasa 109 103 Mając określone zapotrzebowanie na paliwo przez dany rodzaj źródeł ciepła i odpowiednie wskaźniki emisji pyłu PM10 i PM2.5, obliczano emisję [g/rok] poszczególnych frakcji pyłu z danej grupy źródeł, z zależności: EPM10i = WEPM10i · Bi EPM2_5i = WEPM2_5i · Bi gdzie: EPM10i EPM2_5i – emisja pyłu PM10 z danej grupy źródeł [g/rok], – emisja pyłu PM2.5 z danej grupy źródeł [g/rok], WEPM10i – wskaźnik emisji pyłu PM10 z danej grupy źródeł [g/GJ], 39 Stanisław Hławiczka i in. WEPM2_5i– wskaźnik emisji pyłu PM2.5 z danej grupy źródeł [g/GJ], Bi – zużycie paliwa w danej grupie źródeł [GJ/rok]. W sytuacji, w której na obszarze gminy występuje więcej obszarów z zabudową mieszkaniową, tworzone były tzw. emitory zastępcze. Proces dezagregacji emisji gminnej na te obszary był realizowany zgodnie z metodyką opisaną w rozdziale 2.1. 3.2. Metodyka modelowania emisji pyłów Obliczanie emisji pyłów PM10 i PM2.5. Na potrzeby Projektu Czechy-Polska został opracowany tzw. kalkulator emisji, który wykonuje wszystkie opisane wcześniej kroki obliczeniowe, prowadzące do wyznaczenia ładunków pyłu PM10 i PM2.5 emitowanego z obszaru rozpatrywanych gmin. Model zostaje na wstępie zasilony danymi o powierzchni zabudowy, o strukturze źródeł ciepła, danymi meteorologicznymi oraz wskaźnikami emisji. Wyniki obliczeń emisji pyłów PM10 i PM2.5 w gminach są więc sumami emisji z wszystkich analizowanych rodzajów źródeł ciepła. Kalkulator emisji umożliwia przyjęcie dowolnych parametrów obliczeniowych dla poszczególnych typów urządzeń grzewczych, w tym wskaźników emisji pyłu. Pozwala to na dostosowanie kalkulatora zarówno do warunków lokalnych, jak i do preferencji użytkownika, w takim znaczeniu, że jest możliwe przeanalizowanie różnych wariantów stosowanych paliw, urządzeń grzewczych oraz rozwiązań dotyczących izolacyji budynków. Wyniki obliczeń emisji pyłów PM10 i PM2.5 z procesów ogrzewania mieszkań w analizowanych gminach w 2007 r., zagregowane do poziomu województw, zestawiono w tabeli 7. Tabela 7. Wyniki obliczeń emisji pyłów PM10 i PM2.5 z procesów ogrzewania mieszkań Table 7. The calculated PM10 and PM2.5 emissions from processes of home heating Obszar analizowanych gmin Woj. dolnośląskie Powierzchnia [km2] Liczba mieszkańców [tys.] Powierzchnia obszaru zabudowanego [tys.m2] Emisja PM10 [Mg/rok] Emisja PM2.5 [Mg/rok] 10 371,03 1304,8 896 870 8058,2 7825,2 Woj. opolskie 9411,67 1031,6 728 457 5068,6 4920,2 Woj. śląskie 4177,23 1396,6 930 592 7079,5 6870,7 Porównanie powierzchni poszczególnych województw, uwidoczni stosunkowo dużą emisję pyłów na analizowanym obszarze zabudowanym województwa dolnośląskiego, pomimo mniejszej liczby zamieszkującej tam ludności w porównaniu z obszarem należącym do województwa śląskiego. Wynika to z mniej korzystnej struktury źródeł ciepła, jak i stopnia zaizolowania budynków. 40 Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... Wyniki obliczeń emisji pyłów PM10 oraz PM2.5 wykorzystano do wyliczenia wskaźników charakteryzujących narażenie na emisję pyłów w poszczególnych gminach, w celu wytypowania gmin najbardziej zagrożonych i wymagających działań ograniczających emisję pyłu. Wskaźniki te zostały odniesione do liczby mieszkańców oraz powierzchni obszaru zabudowanego. Analizę zmienności tych wskaźników na analizowanym obszarze przedstawiono w tabeli 8. Tabela 8. Obliczone wskaźniki charakteryzujące narażenie na emisję pyłów PM10 i PM2.5 w gminach Table 8. Calculated factors characterizing exposure on PM10 and PM2.5 emission in the analysed municipalities Emisja PM10 [g/m2 zabudowy] MIN 3,2 Woj. MAX 45,7 Dolnośląskie ŚREDNIA 9,7 MIN 2,7 Woj. MAX 13,6 Opolskie ŚREDNIA 6,8 MIN 2,0 Woj. MAX 15,0 Śląskie ŚREDNIA 7,7 Obszar Wartość Emisja PM2.5 [g/m2 zabudowy] 3,1 44,4 9,4 2,7 13,2 6,6 2,0 14,5 7,5 Emisja PM10 [kg/mieszkańca] 2,2 11,6 7,3 1,8 9,7 5,9 2,5 13,5 6,4 Emisja PM2.5 [kg/mieszkańca] 2,1 11,3 7,1 1,8 9,4 5,8 2,4 13,1 6,2 Analiza obliczonych wskaźników narażenia na emisję pyłów wskazuje także w tym wypadku na województwo dolnośląskie jako najbardziej zagrożone, co uwidacznia się zwłaszcza w wartości wskaźników odniesionych do powierzchni obszaru zabudowanego. Maksymalna wartość tego wskaźnika w województwie dolnośląskim jest 3-krotnie większa niż w dwóch pozostałych województwach. Jest to spowodowane, poza poziomem emisji, dużą koncentracją zabudowy mieszkaniowej w gminach na tym obszarze. Przykład obliczenia emisji pyłów z obszaru gminy. Metodykę szacowania emisji pyłów przedstawiono na przykładzie wybranej gminy Jelenia Góra. Z przeprowadzonej inwentaryzacji zabudowy mieszkaniowej i analizy działań termomodernizacyjnych uzyskano dane o powierzchniach zabudowy mieszkaniowej, o różnej wielkości zapotrzebowania na ciepło. Dane te przedstawiono w tabeli 9. Tabela 9. Podział powierzchni mieszkań w Jeleniej Górze ze względu na straty ciepła Table 9. Structure of home areas in Jelenia Góra according to heat loss Rodzaj mieszkania Mieszkania o małych stratach ciepła Mieszkania o średnich stratach ciepła Mieszkania o dużych stratach ciepła Ogółem Powierzchnia mieszkań [m2] 560 271 685 563 879 293 2 125 127 41 Stanisław Hławiczka i in. Na podstawie analizy danych meteorologicznych dotyczących roku 2007, kalkulator emisji dla receptora Jelenia Góra określił ilość stopnio-godzin (patrz rozdz. 3.1.) na poziomie 113 263 [hK]. Dla takiej ilości stopnio-godzin obliczone zostało roczne zapotrzebowanie na ciepło w poszczególnych typach mieszkań. Wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 10. Tabela 10.Obliczenie całkowitego zapotrzebowania na ciepło w zabudowie mieszkalnej Jeleniej Góry Table 10. The calculated heat demand in residential area in Jelenia Góra Rodzaj mieszkania Mieszkania o małych stratach ciepła Mieszkania o średnich stratach ciepła Mieszkania o dużych stratach ciepła Ogółem Wskaźnik Liczba zapotrzebowanie stopnio-godzin na ciepło [W/m2 K] [h K] Jednostkowe zapotrzebowanie na ciepło [GJ/m2] Całkowite zapotrzebowanie na ciepło [GJ] 1,10 113 263 0,45 251 294 1,60 113 263 0,65 447 258 2,50 113 263 1,02 896 322 0,75 1 594 874 Całkowite zapotrzebowanie na ciepło, w ilości 1 594 874 GJ, rozkłada się na poszczególne typy źródeł ciepła w zależności od ich udziału w powierzchni ogrzewanych mieszkań. Następnie określa się wielkości zużycia paliw w GJ, niezbędne do pokrycia oszacowanego zapotrzebowania na ciepło (nie uwzględniano tutaj ogrzewania centralnego z sieci i ogrzewania elektrycznego, ponieważ zarówno spalanie paliwa, jak i emisja pyłu występują w miejscu wytwarzania energii, a więc w ciepłowni lub elektrowni). Zapotrzebowanie na ciepło i wymagane ilości paliw w podziale na typy ogrzewania przedstawiono w tabeli 11. Tabela 11.Zapotrzebowanie ciepła i zużycie paliw w podziale na typy ogrzewania w Jeleniej Górze Table 11. Heat demand and fuel consumption according to type of heating in Jelenia Góra Rodzaj ogrzewania mieszkania Ogrzewanie centralne z sieci Piece węglowe (kaflowe, żeliwne, kuchenne itp.) Tradycyjne kotłownie węglowe starego typu Tradycyjne kotłownie węglowe nowego typu Kotłownie węglowe z automatycznym sterowaniem Urządzenia grzewcze na paliwa gazowe Kotłownie olejowe Kotłownie spalające biomasę Elektryczne urządzenia grzewcze Ogółem 42 718 566 Udział w powierzchni ogrzewanej [%] 33,88 402 578 Powierzchnia ogrzewana [m2] ZapotrzeboZużycie paliwanie wa [GJ] na ciepło [GJ] 540 316 0 18,98 302 713 604 257 276 714 37 359 13,05 1,76 208 071 28 092 377 581 37 383 98 527 4,65 74 086 90 174 486 040 7972 389 92 878 2 121 023 22,92 0,38 0,02 4,38 365 471 5994 293 69 838 1 594 874 396 484 6877 405 0 1 513 161 Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... Mając określone zużycie paliw przez poszczególne rodzaje źródeł ciepła i stosując podane wcześniej wartości wskaźników emisji PM10 i PM2.5, obliczono ładunki pyłów wyemitowanych do powietrza w ciągu roku (kg/rok). Wyniki obliczeń dla gminy Jelenia Góra zawiera tabela 12. Tabela 12.Obliczone emisje pyłu PM10 i PM2.5 z procesów ogrzewania mieszkań w Jeleniej Górze Table 12. Calculated PM10 and PM2.5 emissions from home heating processes in Jelenia Góra Wskaźnik Wskaźnik emisji emisji Emisja PM10 Emisja PM2.5 Rodzaj ogrzewania mieszkania PM10 PM2.5 [kg/r] [kg/r] [g/GJ] [g/GJ] Ogrzewanie centralne z sieci 0 0 0 0 Piece węglowe (kaflowe, żeliwne, kuchenne itp.) 450 448 271 915 264 664 Tradycyjne kotłownie węglowe starego typu 460 448 173 687 169 156 Tradycyjne kotłownie węglowe nowego typu 130 121 4860 4523 Kotłownie węglowe z automatycznym sterowaniem 70 61 6312 5501 Urządzenia grzewcze na paliwa gazowe 0,5 0,5 198 198 Kotłownie olejowe 3 3 21 19 Kotłownie spalające biomasę 109 103 44 42 Elektryczne urządzenia grzewcze 0 0 0 0 Ogółem 457 038 444 103 Według metody opisanej na przykładzie Jeleniej Góry obliczono emisję pyłu PM10 i PM2,5 z obszaru wszystkich gmin objętych Projektem Czechy-Polska. Wyznaczone wielkości emisji pyłu były podstawą do obliczeń stężeń pyłu na obszarze tych gmin, z wykorzystaniem modelu CALPUFF [Scire i in. 2000]. Uzyskane wyniki obliczeń stężeń pyłu stanowić będą treść części II niniejszego artykułu. 4. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Świadomość istotnych uciążliwości emisji pyłów ze źródeł ciepła małej mocy jest dosyć duża. Zwykle jednak na etapie ogólnych szacunków pozostaje wyznaczenie udziału emisji z procesów spalania paliw w mieszkalnictwie, w kształtowaniu lokalnych stężeń pyłu w obszarach wielkości pojedynczej gminy. Jedną z przyczyn jest duża pracochłonność inwentaryzacji indywidualnych źródeł ciepła w budynkach mieszkalnych. Wykonanie takiej inwentaryzacji jest niezbędne, ponieważ emisje pyłu z takich źródeł mają ścisły związek z powierzchnią mieszkań, stopniem izolacyjności budynków i rodzajem paliw stosowanych do celów grzewczych. Zabudową mieszkalną, której ogrzewanie jest źródłem emisji zanieczyszczeń powietrza, są przede wszystkim mieszkalne dzielnice miasta-gminy lub osiedla, ale również pojedyncze budynki zlokalizowane na obszarach zabudowy rozproszonej. 43 Stanisław Hławiczka i in. Emisje mające związek z ogrzewaniem mieszkań mają cechy emisji rozproszonych, zwanych też emisjami obszarowymi. Metodyce wyznaczania emisji pyłu z tak rozumianych źródeł obszarowych poświęcony jest prezentowany artykuł. Przedstawione w pracy rozwiązania metodyczne pozwoliły na uzyskanie dużej dokładności wskazania obszarów emisji pyłu w obrębie rozpatrywanych gmin, czyli zidentyfikowaniu rzeczywistej lokalizacji obszarów zabudowy mieszkalnej, w których ogrzewanie mieszkań wiąże się z procesami spalania generującymi emisje pyłu. W tym celu wykorzystano podkłady mapowe z zasobów CORINE Land Cover oraz ortofotomapy wykonane na podstawie zdjęć lotniczych. Wykorzystano też dane gminne o istniejących systemach przesyłu ciepła oraz systemach przesyłu paliw gazowych. Znajomość zasięgu linii przesyłu ciepła i gazu pozwoliła wyłączyć obszary zabudowy ogrzewane ciepłem z sieci lub gazem z obszarów potencjalnej emisji pyłu wynikającej z procesów ogrzewania mieszkań. Wykorzystanie szczegółowej informacji o formach użytkowania terenu pozwoliło też na uwzględnienie zróżnicowania gęstości zabudowy mieszkalnej, co umożliwiło przypisanie tym obszarom zróżnicowanego natężenia emisji pyłów. Oryginalnym rozwiązaniem metodycznym było skojarzenie wielkości emisji pyłu związanej z ogrzewaniem mieszkań ze stanem izolacyjności budynków. Wykorzystano do tego celu dane dotyczące wieku budynków, uzyskane na podstawie Narodowego Spisu Powszechnego Ludności i Mieszkań. Na tej podstawie możliwe było zinwentaryzowanie powierzchni użytkowej mieszkań, w zależności od stanu technicznego budynku i wyposażenia mieszkań. Budynki przypisano do trzech kategorii mieszkań: mieszkania o małych, średnich oraz dużych stratach ciepła. Przyjęto, że odpowiadające tym trzem kategoriom mieszkań wskaźniki zapotrzebowania na ciepło wynoszą odpowiednio: 1,1 W/m2K, 1,6 W/m2K oraz 2,5W /m2 K. Przeprowadzona analiza pozwoliła stwierdzić, że w obszarze objętym badaniami dominują mieszkania wyposażone w małe indywidualne źródła ciepła, a jedynie 2% mieszkań korzysta z kotłowni obsługującej budynek wielomieszkaniowy. Łącznie 80% powierzchni mieszkań bazuje na własnych małych źródłach, generujących tzw. emisję niską. Oryginalnym podejściem metodycznym w ocenie precyzyjnego zapotrzebowania na ciepło grzewcze było wykorzystanie liczby tzw. stopnio-godzin, wynoszącej w analizowanym okresie 100 800 stopnio-godzin (4200 stopnio-dni). Pozwoliło to na wyznaczenie zapotrzebowania na ciepło w zależności od rzeczywistych temperatur zewnętrznych występujących w analizowanym w pracy sezonie grzewczym. Wykazano, że okresy zapotrzebowania na ciepło były znacznie zróżnicowane i zależały też od lokalizacji gminy (np. gminy w obszarze górskim). Stosunkowo duża emisja pyłów na rozpatrywanym w pracy fragmencie obszaru województwa dolnośląskiego, pomimo mniejszej liczby zamieszkującej tam ludności, w porównaniu z obszarem należącym do województwa śląskiego, wynika z mniej korzystnej w tym województwie struktury typów źródeł ciepła, a zwłaszcza stopnia termicznego zaizolowania budynków. Wpływ różnic w wielkości emisji pyłu w obrębie analizowanych gmin na poziomy stężeń pyłu przedstawione będą w części II artykułu. 44 Nowe podejście do oceny niskiej emisji z ogrzewania mieszkań w kształtowaniu stężeń pyłu... Praca została wykonana w ramach Projektu "Polepszenie jakości powietrza w rejonie przygranicznym Czechy-Polska" (Program Operacyjny Współpracy Transgranicznej 2007 – 2013, Republika Czeska – Rzeczpospolita Polska). PIŚMIENNICTWO I AKTY PRAWNE CICHOŃ D., HŁAWICZKA S. 2010. Epizody wysokich stężeń dwutlenku siarki, pyłu i tlenku węgla w powietrzu Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego w okresie lat 1994 – 2007. Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów 4: 133 –142. Projekt badawczy „Polepszenie jakości powietrza w regionie przygranicznym Czechy-Polska”. Program Operacyjny Współpracy Transgranicznej Republika Czeska – Rzeczpospolita Polska 2007 – 2013. Uniwersytet Techniczny Ostrawa/IETU Katowice. 2008, CLEANBORDER. DĘBSKI B., OLENDRZYŃSKI A., CIEŚLIŃSKA J., KARGULEWICZ I., SKOŚKIEWICZ J., OLECKA A., KANIA K. 2009. Inwentaryzacja emisji do powietrza SO2, NOx, CO, NH3, pyłów, metali ciężkich, NMLZO i TZO w Polsce za rok 2008. Raport IOŚ, Warszawa. EMEP/EEA air pollutant emission inventory guidebook. European Environment Agency, Copenhagen 2009. Bank Danych Regionalnych. Dane o liczbie i powierzchni mieszkań zamieszkanych, wg sposobu ogrzewania i rodzaju stosowanego paliwa i energii; dane NSP 2002. GUS, Warszawa 2009. HŁAWICZKA S., KUBICA K., ZIELONKA U. 2003. Partitioning factor of mercury during coal combustion in low capacity domestic heating units. The Science of the Total Environment 312: 261–265. HŁAWICZKA S., KUBICA K., ZIELONKA U., WILKOSZ K. 2001. Właściwości emisji pyłu i metali ciężkich w procesie spalania węgla w paleniskach domowych. Archiwum Ochrony Środowiska 2: 29–45. HŁAWICZKA S. 2008. Ocena emisji ośmiu metali ciężkich z obszaru Polski do atmosfery w latach 1980–2005. W: Metale ciężkie w środowisku – prace Instytutu Ekologii Terenów Uprzemysłowionych. Praca zbiorowa pod redakcją S. Hławiczki (ISBN 978-8388771-96-5). Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko. Białystok: 48 – 73. 45 Stanisław Hławiczka i in. HORAK J., BRANC M. 2010. Emisni factory TZL, PM10 a PM2.5 pri spalovani ruznych tuhych paliv w ruznych typech spalovacich zarizeni. Technicka Univerzita Ostrava. Ostrava. KAPE (Krajowa Agencja Poszanowania Energii), http://www.kape.gov.pl KONIECZYŃSKI J., PASOŃ-KONIECZYŃSKA A. 1999. Scalony wskaźnik emisji substancji zanieczyszczających powietrze w procesie spalania węgla. Archiwum Ochrony Środowiska 1: 29–40. KUBICA K., PASIERB. S.A., SZL��������������������������������������������������� Ę�������������������������������������������������� K A., KUBICA R., BOGUSZ A. 2008. Nie emituj zanieczyszczeń – chroń zdrowie. Ogrzewnictwo indywidualne a środowisko i zdrowie człowieka – program pilotażowy dla wybranych gmin Górnego Śląska: Czysta energia dla mojego domu. Katowice. OŚRÓDKA L., KLEJNOWSKI K., WOJTYLAK M., KRAJNY E. 2006. Analiza epizodów smogowych w sezonie zimowym na Górnym Śląsku. W: Ochrona powietrza w teorii i praktyce – praca zbiorowa pod red. J. Konieczyńskiego. IPIŚ PAN, Zabrze. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r., w sprawie metodologii obliczania charakterystyki energetycznej (Dz.U. nr 201, poz. 1240). SCIRE J.S., STRIMAITIS D.G., YAMARTINO R. J. 2000. A User’s Guide for the CALPUFF Disperssion Model (Version 5). Earth Tech, Inc. 196 Baker Avenue, Concord, MA 01742. 46
