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AODM (Austrian Odour Dispersion Model)

Kurzbeschreibung

Die Modellberechnungen wurden einerseits mit der ursprünglich vorliegenden (Schauberger et al., 2000), andererseits mit der im Rahmen des gegenständlichen Projekts neu adaptierten Version  des Austrian Odour Dispersion Model AODM durchgeführt. Das AODM besteht aus drei Modulen: das erste berechnet die Geruchsemission des Tierhaltungsbetriebs, das zweite die Ausbreitung der Emissionen in seiner Umgebung, der dritte die für die Geruchswahrnehmung relevante kurzfristige Spitzenbelastung.


Abb. 1:        Schematische Darstellung des dreistufigen Aufbaus der AODM

Im folgenden werden die Eigenschaften des Ausbreitungsmodells in einem kurzen Abriss beschrieben.

Emissionsmodul

Die Berechnung des Volumenstroms der Stallabluft basiert auf einem quasi-stationären Bilanzmodell (CIGR, 1984; Schauberger und Piringer 1999 und Schauberger und Piringer 2000) der sensiblen Wärmeströme, das die Wärmeabgabe der Tiere, die Transmissionsverluste durch die Bauteile und den Wärmestrom durch die lüftungstechnische Anlage berücksichtigt. Für die Wärmeabgabe der Tiere wird die zirkadiane Variation berücksichtigt. Da lüftungstechnische Anlage in Stallungen einen variablen Volumenstrom haben, dessen Regelgröße die Stalltemperatur ist, liefert das Modell in Abhängigkeit von der Außentemperatur den geförderten Volumenstrom (siehe Abb. 2).

Abb. 2:        Regelcharakteristik der lüftungstechnischen Anlage eines Stalles. Bei variablen Volumenstromanlagen wird der geförderte Volumenstrom für ein Mastschwein mit einer Lebendmasse von 60kg (Stellgröße ist die Versorgungsspannung der Ventilatoren) in Abhängigkeit von der Stalltemperatur (Regelgröße) verändert. Die Regelung hat zwei Parameter: Sollwert Tc und Proportionalbereich DTC. Der minimale und der maximale Volumenstrom Vmin und Vmax ergeben sich aus der Auslegungsberechnung der lüftungstechnischen Anlage.

Die Geruchsfreisetzung durch die Tiere sowie Gülle und Futter wird durch einfaches Modell beschrieben, das den gleichen Tagesgang wie die sensible Wärme hat (Martinec et al. 1997; Oldenburg 1989).

Da die meteorologischen Eingangsdaten des Modells in Halbstundenwerten vorliegen, sind auch die Ausgangsparameter des Emissionsmoduls (Geruchsstrom, Austrittsgeschwindigkeit, Austrittstemperatur, Geruchskonzentration und Massenstrom) Halbstundenwerte.

Der jahreszeitliche Verlauf der Geruchskonzentration der Abluft und damit der Emission ist vor allem durch die variable Volumenstromanlage bedingt. Bei geringen Außentemperaturen werden durch möglichst geringen Volumenstrom die auftretenden Wärmeverluste minimiert, bei hohen Außentemperaturen wird ein hoher Volumenstrom angestrebt, um die sensible Wärmelast des Stalles (Wärmeabgabe der Tiere) abzuführen. Die Geruchskonzentration der Abluft verhält sich umgekehrt proportional zum Volumenstrom. Somit sind im Sommer und tagsüber die Geruchskonzentrationen im allgemeinen deutlich geringer als im Winter und nachts.

Das Ausbreitungsmodell

Das im AODM verwendete Ausbreitungsmodell ist das in Österreich für Begutachtungen eingesetzte Gauß’sche Ausbreitungsmodell der ÖNorm M 9440 (1992/96), das von Kolb (1981) ausführlich beschrieben wurde. Bei dem Modell handelt es sich um ein Gauß’sches Fahnenmodell für Schornsteinemissionen und Entfernungen bis 15 km. Die Schornsteinüberhöhung im Modell wird aus einer Kombination von Formeln von Carson und Moses (1969) und Briggs (1975) bestimmt. Die Ausbreitungsklassen werden unter Verwendung von Streuungsparametern nach Reuter (1970) als Funktion der halbstündigen mittleren Windgeschwindigkeit und einer Kombination aus Sonnenhöhe und Bedeckungsgrad berechnet.

Eine Evaluierung des Gauß-Modells erfolgte anhand internationaler Musterdatensätze aus Kincaid, USA (Pechinger und Petz, 1995) und Kopenhagen und Lillestrøm (Pechinger und Petz, 1997) mit einem Statistikpaket von Olesen (1994) und Hanna et al. (1991). Der Vergleich mit den Datensätzen aus Kincaid und Kopenhagen ergab eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten bzw. eine Überschätzung der Messergebnisse um den Faktor 2. Die Bedingungen in Lillestrøm (winterliche Inversionswetterlage mit Schneedecke und schwachem Wind) waren zu komplex, um mit Gaußmodellen korrekt erfasst werden zu können.

Das Ausbreitungsmodell liefert Halbstundenmittelwerte der Geruchskonzentrationen in ebenem oder leicht orographisch modifiziertem Gelände, wobei gemäß der zitierten Ö Norm windschwache Lagen, Temperatur - Inversionen sowie nach Kolb (1981) die orographische Modifikation berücksichtigt werden.

Abschätzung der Geruchskonzentrationsmaxima

Für die Geruchsrezeption durch den Menschen sind nicht Halbstundenmittelwerte von Geruchskonzentrationen, sondern kurzfristig - im Bereich von wenigen Sekunden - auftretende Spitzenwerte von Bedeutung. Das Problem ist in Abb. 3 anschaulich dargestellt. Die Parameterisierung des Verhältnisses von Spitzen- zu Mittelwert ("peak-to-mean") erfolgt im AODM in Abhängigkeit von den meteorologischen Bedingungen (Schauberger et al., 2000) und geht damit über einfachere, aber weit verbreitete Ansätze (z.B. Faktor 10 - Modell der TA-Luft, Jost, 1999, Teil 11, Kapitel 6) hinaus. Diese Parameterisierung ergibt im Nahbereich der betrachteten Anlage die erwarteten hohen Momentankonzentrationen.

a

b

Abb. 3:     Schematischer Verlauf der Konzentration der Geruchsimmission über einen Zeitraum von 5 Minuten. (a) Zusammenhang zwischen dem Mittelwert und der Wahrnehmungsschwelle. (b) Auftreten von Geruchsereignissen obwohl der Mittelwert unterhalb der Wahrnehmungsschwelle liegt.

Das peak-to-mean - Verhältnis, also das Verhältnis von Konzentrationsmittelwert über ein vorgegebenes Integrationsintervall zu dem Maximalwerten, wird mathematisch wie folgt beschrieben (Smith, 1973):

                                                                          (1)

Dabei ist Cm die mittlere Konzentration über die Integrationszeit tm (Mittelwert z. B. über eine halbe Stunde), Cp der Momentanwert über eine Integrationszeit tp, z. B. einzelner Atemzug (5 Sekunden). Der Exponent u ist nach Smith (1973) in folgender Weise von der atmosphärischen Stabilität (Ausbreitungsklassen; Ö Norm M 9440, 1992/96) abhängig: 0.35 (Klasse 4), 0.52 (Klasse 3) and 0.65 (Klasse 2). Mit tm = 1800 s (Halbstundenmittelwert) and tp = 5 s (Dauer eines einzelnen Atemzugs) erhält man mittels quadratischer Funktion die folgenden peak-to-mean Faktoren in Abhängigkeit von den Ausbreitungsklassen (Schauberger et al., 2000b): 43.25 (Klasse 2), 20.12 (Klasse 3), 9.36 (Klasse 4), 4.36 (Klasse 5), 1.00 (Klasse 6) und 1.00 (Klasse 7).

Die somit erhaltenen peak-to-mean - Verhältnisse gelten für den Nahbereich um die Emissionsquelle; mit zunehmender Entfernung von der Quelle nehmen sie wegen der turbulenten Durchmischung der Atmosphäre ab. Im AODM wird diese Abnahme nach einem Ansatz von Mylne und Mason (1991) mit Hilfe einer exponentiellen Abklingfunktion T/tL parametrisiert, mit der Reisezeit T = x/u als Quotient der Weglänge x und der Windgeschwindigkeit u und tL als Maß für den Lagrange’schen Zeitscale (Mylne, 1992):

                                                               (2)

mit ψ0 als peak-to-mean Faktor aus Gleichung (1).

Der Zeitscale tL wird gleich σ/ε gesetzt, wobei  die Varianz der Windgeschwindigkeit als Mittel über die drei Windkomponenten u, v, and w ist. Für ε, die Dissipationsrate der turbulenten kinetischen Energie, gilt

                                                                                              (3)

mit k=0.4 als von Karman - Konstante und z = 2 m als Rezeptorhöhe, der menschlichen Nase. Tabelle 4.1 enthält das Verhältnis der Varianzen der Windkomponenten zur horizontalen Windgeschwindigkeit u in Abhängigkeit von den Ausbreitungsklassen. Für die Klassen 6 und 7 ist das peak – to – mean – Verhältnis 1. Für / u and / u werden Werte von Robins (1979) ohne Stabilitätsabhängigkeit verwendet. / u wird stabilitätsabhängig angesetzt, wobei aufgrund unserer langjährigen Erfahrung mit Sodar-Messungen eine zunehmende Bedeutung von  im Vergleich zu u bei instabilen Bedingungen angenommen wurde. Die Werte in Tabelle 1 werden im gegenständlichen Projekt anhand von Ultraschallanemometer – Daten zu überprüft.

Tabelle 1: Quotient aus der Varianz der drei Komponenten des Windes u, v and w und der Windgeschwindigkeit als Funktion der Ausbreitungsklasse

Ausbreitungs-
klasse

/ u

/ u

/ u

2

0.2

0.2

0.3

3

0.2

0.2

0.2

4

0.2

0.2

0.1

5

0.2

0.2

0.1

 

Die Momentankonzentration Cp wird schließlich mittels Gleichung 4.4 berechnet:

                                                                                                  (4)

Diese Vorgangsweise führt zu einer allmählichen Abnahme des peak to mean – Verhältnisses mit zunehmender Entfernung, Windgeschwindigkeit und Ausbreitungsklasse, wie die Abbildung 4 zeigt. Für die Klassen 2 und 3 nimmt ψ in Quellnähe und für niedrige Geschwindigkeiten sehr hohe Werte an, um mit zunehmender Windgeschwindigkeit und Distanz rasch auf Werte gegen 1 abzufallen. Dies ist in Übereinstimmung mit der gängigen Vorstellung, dass vertikale Durchmischung bei schwachem Wind lokal zu kurzen Perioden mit erhöhten Bodenkonzentrationen bei insgesamt niedrigen Umgebungswerten führen kann. Für Klasse 4 ist die Abnahme des peak to mean – Verhältnisses mit zunehmender Windgeschwindigkeit und Entfernung geringer, weil die vertikale Durchmischung reduziert ist und die horizontale Diffusion den Ausbreitungsprozess dominiert. Dies ist für Klasse 5 noch stärker ausgeprägt, wo das peak to mean – Verhältnis den Wert 2 nicht überschreitet.

ab

cd

Abb. 4:        Abklingfunktion ψ des peak to mean - Verhältnisses mit der Entfernung für Ausbreitungsklasse 2 (a), 3 (b), 4 (c) and 5 (d) und in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit

Pubklikationen zum AODM 

 


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