KR101180167B1 - 강하 분진량 추정 방법, 강하 분진량 추정 장치 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 - Google Patents

Abstract

강하 분진량 추정 방법은 풍향 및 풍속의 소정 기간에 있어서의 시계열 계측치를 취득하고, 상기 시계열 계측치를 바탕으로, 풍향 및 풍속의 범위를, 각각 ｍ,ｎ개의 분할 범위로 분할하고, 풍속의 상기 분할 범위마다 풍속 대표치를 설정하고, 각각의 상기 분할 범위에 포함되는 상기 시계열 계측치의 상기 소정 기간에서의 빈도를 구함으로써 ｍ×ｎ 행렬의 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 작성하고, 상기 풍속 대표치 및 상기 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 풍향ㆍ풍속 정보로 하는 풍향ㆍ풍속 정보 입력 공정과, 분진의 발진원의 정보를 입력하는 발진원 정보 입력 공정과, 상기 풍향ㆍ풍속 정보와, 상기 발진원의 정보를 사용하여, 임의의 좌표점에 있어서의 분진 농도 c를 계산하는 분진 농도 계산 공정과, 상기 분진 농도 c에 기초하여, 임의의 강하 지점에 있어서의 강하 분진량을 계산하는 강하 분진량 계산 공정을 구비한다.

Description

강하 분진량 추정 방법, 강하 분진량 추정 장치 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체{METHOD FOR ESTIMATING AMOUNT OF DUSTFALL, DEVICE FOR ESTIMATING AMOUNT OF DUSTFALL, AND COMPUTER READABLE RECORDING MEDIUM}

본 발명은, 대기중의 분진의 이류(移流)ㆍ확산 거동의 계산 결과에 기초한 강하 분진량의 추정 방법, 장치 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.

본원은, 2008년 7월 1일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2008-172501호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

공장의 굴뚝 등의 발진원(분진ㆍ매진의 발생원)으로부터 방출되는 분진 입자의 바람에 의한 비산 거동을 계산하고, 강하 분진량을 추정하는 것은, 강하 분진이 지역 주민에 미치는 영향을 평가할 때에 지극히 중요해진다.

비특허 문헌 1에서는, 이하의 방법이 제안되어 있다 : 강하 분진량은, 발진원과 강하점의 1차원 거리에 의존한다고 가정한다 ; 발진원과 강하점간의 거리, 분진의 발생 속도, 분진의 입도 분포와 분진의 밀도, 유효 발진 높이 및 풍향과 풍속의 빈도 분포를 입력치로 하여, 아래의 수학식 4의 계산을 행한다 ; 수학식 4의 계산 결과에 풍향ㆍ풍속의 빈도 분포를 곱하여, 강하 분진량을 추정한다.

또한, 실험식 또는 경험식에 기초해 강하 분진량을 추정하는 장치 및 방법이 제안되어 있다(특허 문헌 1 참조).

Q는 발진 강도(분진의 발생 속도), He는 유효 발진 높이, w는 입자 직경으로 결정되는 종말침강속도, x는 발진원과 강하점의 풍하 거리, u는 풍속, Γ는 감마 함수, C(x)는 강하 분진량을 나타낸다.

한편, 비산 물질이 반송 기체의 밀도와 동일하다고 간주해도 좋은 경우에는, 3차원의 가우시안 플룸 모델이 제안되어 있다. 이 경우, 아래의 수학식 5에 의해, 임의의 공간 위치(x, y, z)에 있어서의 비산 물질 농도를 계산할 수 있다(비특허 문헌 2 참조).

x는 발진원으로부터 하류 방향의 좌표축(x축) 상의 임의의 점, y는 x축과 수평 평면상에서 수직으로 교차하는 좌표축(y축) 상의 임의의 점, z는 x축과 y축으로 형성되는 수평 평면에 대해 연직 방향의 좌표축(z축) 상의 임의의 점, c(x, y, z)는, 임의의 좌표점(x, y, z)에 있어서의 분진 농도, u는 풍속, Q는 발진 강도, σ_y, σ_z는, 각각, y축, z축 방향의 보이는 연기의 확산, He는 유효 발진 높이, y0은 발진원이 존재하는 y축 상의 좌표점을 나타낸다. 또한, 발진원이 존재하는 x축 상의 좌표점은 0으로 하고 있다.

일본 특허 출원 공개 제2005-128691호 공보

C. H. Bosanquet et al., Proc Inst Mech Engrs, Vol. 162, p355 (1950) 바람의 기상학, 다께우찌 기요히데, 동경 대학 출판 화학 공학 편람 개정 4판 Briggs G. A. Plume rise, U.S. AEC (1969)

그러나, 비특허 문헌 1에 개시되어 있는 추정 방법에서는, 강하 분진량이, 발진원과 강하점간의 풍하 방향의 1차원 거리에 의존한다고 가정하고 있다. 이로 인해, 도 1에 도시한 바와 같이, 하나의 강하점에 대해, 발진원과 강하점의 거리, 발진 강도, 분진의 입도 분포와 분진의 밀도 및 유효 발진 높이가 모두 동등한 발진원 1과 발진원 2가 존재하는 경우는, 발진원 1과 발진원 2의 기여는 동일하다고 추정된다. 그러나, 실제는, 분진 입자는 3차원 방향으로 난류 확산한다. 이로 인해, 강하점으로부터의 거리가 가까운 발진원 2의 기여가, 발진원 1보다 커진다고 하는 사실을 기술할 수 없다고 하는 문제가 있었다. 또한, 수학식 4는 Bosanquet가 1950년에 발표한 실험식이기 때문에, 수학식의 정밀도는, 실험식을 도출했을 때의 실험의 환경에 의존하고, 일반성이 결여되어 있다고 하는 문제가 있었다.

한편, 비특허 문헌 2에 개시되어 있는 추정 방법에서는, 비산 물질이 반송 기체의 밀도와 동일하다고 하는 가정이 필요했다. 분진 입자의 경우에는, 이 가정이 만족되지 않으므로, 이 추정 방법은, 분진 입자의 거동을 고정밀도로 추정할 수 없다.

본 발명은 전술한 바와 같은 점에 감안하여 이루어진 것이며, 종래의 실험식과 비교하여, 실제 현상의 원리 원칙에 충실하고 또한 정확한 추정을 행할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 각 형태는, 이하의 수단을 채용했다.

(1) 본 발명은, 풍향 및 풍속의 소정 기간에 있어서의 시계열 계측치를 취득하고, 상기 시계열 계측치를 바탕으로, 풍향 및 풍속의 범위를, 각각 ｍ, ｎ개의 분할 범위로 분할하고, 풍속의 상기 분할 범위마다 풍속 대표치를 설정하고, 각각의 상기 분할 범위에 포함되는 상기 시계열 계측치의 상기 소정 기간에서의 빈도를 구함으로써 ｍ×ｎ행렬의 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 작성하고, 상기 풍속 대표치 및 상기 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 풍향ㆍ풍속 정보로 하는 풍향ㆍ풍속 정보 입력 공정과, 분진의 발진원의 정보를 입력하는 발진원 정보 입력 공정과, 상기 풍향ㆍ풍속 정보와, 상기 발진원의 정보를 사용하여, 임의의 좌표점에 있어서의 분진 농도 c를 계산하는 분진 농도 계산 공정과, 상기 분진 농도 c에 기초하여, 임의의 강하 지점에 있어서의 강하 분진량을 계산하는 강하 분진량 계산 공정을 구비하는 강하 분진량 추정 방법이다.

(2) 상기 (1)에 기재된 강하 분진량 추정 방법에 있어서, 상기 분진 농도 계산 공정은, 상기 분진의 지표에서의 반사율 β를 더 사용하여 분진 농도 c를 계산해도 좋다.

(3) 상기 (2)에 기재된 강하 분진량 추정 방법에 있어서, 상기 발진원 정보 입력 공정에서는, 상기 발진원의 3차원 공간상에서의 좌표와, 상기 발진원의 발진 강도 Q와, 상기 분진의 입자 직경과, 상기 분진의 밀도와, 상기 발진원으로부터의 유효 발진 높이 He가 입력되어도 좋다.

(4) 상기 (3)에 기재된 강하 분진량 추정 방법에 있어서, 상기 분진 농도 계산 공정은, 3차원 좌표축 상의 점(x, y, z)에 있어서의 분진 농도 c(x, y, z)를 수학식 1을 사용하여 계산하고,

u는 풍속이며, K_y, K_z는, 각각, y축, z축 방향의 난류 확산 계수이고, w는 입자의 종말침강속도이며, 상기 발진원의 x 좌표는 0이고, 상기 발진원의 y 좌표는 y0 이어도 좋다.

(5) 상기 (2)에 기재된 강하 분진량 추정 방법에 있어서, 상기 강하 분진량 계산 공정은, 수학식 2 또는 수학식 3을 사용하여 강하 분진량을 계산하고,

c(x, y, z)는, 3차원 좌표축 상의 점(x, y, z)에 있어서의 분진 농도이며, C는 강하 분진량이고, K_z는 z축 방향의 난류 확산 계수이어도 좋다.

(6) 또한, 본 발명은, 풍향 및 풍속의 소정 기간에 있어서의 시계열 계측치를 취득하고, 상기 시계열 계측치를 바탕으로, 풍향 및 풍속의 범위를, 각각 ｍ, ｎ개의 분할 범위로 분할하고, 풍속의 상기 분할 범위마다 풍속 대표치를 설정하고, 각각의 상기 분할 범위에 포함되는 상기 시계열 계측치의 상기 소정 기간에서의 빈도를 구함으로써 ｍ×ｎ 행렬의 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 작성하고, 상기 풍속 대표치 및 상기 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 풍향ㆍ풍속 정보로 하는 풍향ㆍ풍속 정보 입력부와, 분진의 발진원의 정보가 입력되는 발진원 정보 입력부와, 상기 풍향ㆍ풍속 정보와, 상기 발진원의 정보를 사용하여, 임의의 좌표점에 있어서의 분진 농도 c를 계산하는 분진 농도 계산부와, 상기 분진 농도 c에 기초하여, 임의의 강하 지점에 있어서의 강하 분진량을 계산하는 강하 분진량 계산부를 구비하는 강하 분진량 추정 장치이다.

(7) 또한, 본 발명은, 풍향 및 풍속의 소정 기간에 있어서의 시계열 계측치를 취득하고, 상기 시계열 계측치를 바탕으로, 풍향 및 풍속의 범위를, 각각 ｍ, ｎ개의 분할 범위로 분할하고, 풍속의 상기 분할 범위마다 풍속 대표치를 설정하고, 각각의 상기 분할 범위에 포함되는 상기 시계열 계측치의 상기 소정 기간에서의 빈도를 구함으로써 ｍ×ｎ 행렬의 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 작성하고, 상기 풍속 대표치 및 상기 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 풍향ㆍ풍속 정보로 하는 풍향ㆍ풍속 정보 입력 수순과, 분진의 발진원의 정보를 입력하는 발진원 정보 입력 수순과, 상기 풍향ㆍ풍속 정보와, 상기 발진원의 정보를 사용하여, 임의의 좌표점에 있어서의 분진 농도 c를 계산하는 분진 농도 계산 수순과, 상기 분진 농도 c에 기초하여, 임의의 강하 지점에 있어서의 강하 분진량을 계산하는 강하 분진량 계산 수순을 컴퓨터에 실행시키는 강하 분진량 추정 프로그램이다.

(8) 또한, 본 발명은, 상기 (7)에 기재된 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체이다.

상기 (1)의 발명에 따르면, 종래의 실험식과 비교하여, 실제 현상의 원리 원칙에 충실하고 또한 정확하게 분진 거동의 추정을 할 수 있다. 이에 의해, 발진원으로부터 발생한 분진이, 강하 분진량으로서 시가지에 어느 정도 영향을 미칠지의 정량적인 평가를 할 수 있다. 이와 함께, 집진기 등의 발진 억제 대책 설비의 최적의 규모를 어림잡을 때의 설비 설계 지표가 얻어진다. 특히, 영역 내의 풍향ㆍ풍속이 일률적이지 않은 경우라도, 실측한 풍향ㆍ풍속에 따라 정확하게 분진 거동의 추정을 할 수 있다. 또한, 풍향ㆍ풍속을 특정한 수의 분할 범위로 분할하여 계산을 행하므로, 계산량의 절약이 가능하다. 이로 인해, 복잡한 계에 대해서도 계산이 실현 가능하여, 유의한 추정 결과를 얻을 수 있다.

상기 (2)의 발명에 따르면, 분진의 입경 등의 조건에 따라, 상기 분진의 지표에서의 반사 및 침착의 효과를 무시할 수 없는 경우라도, 정확하게 분진 거동의 추정을 할 수 있다.

상기 (3)의 발명에 따르면, 발진원의 상세한 특성을 측정할 수 있는 경우, 이 특성에 따라, 정확하게 분진 거동의 추정을 할 수 있다.

상기 (4)의 발명에 따르면, 3차원적인 난류 확산계 모델을 사용하여, 측정한 풍속, 난류 확산 계수, 분진 입자의 종말침강속도 등의 특성에 따라서, 정확하게 분진 거동의 추정을 할 수 있다.

상기 (5)의 발명에 따르면, 분진의 입경이 큰 경우나, 분진의 밀도가 높은 경우 등, 중력에 의한 침강을 무시할 수 없는 경우라도, 정확하게 분진 거동의 추정을 할 수 있다.

도 1은 강하점과 2개의 발진원의 위치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 발진원으로부터의 분진 비산 거동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 분진 농도 및 강하 매진량을 계산하기 위한 제1 흐름도이다.
도 4는 분진 농도 및 강하 매진량을 계산하기 위한 제2 흐름도이다.
도 5a는 Pasquill-Gifford에 의한 연기의 확산을 결정하기 위한 도면이다.
도 5b는 Pasquill-Gifford에 의한 연기의 확산을 결정하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 관한 방법으로 계산한 분진 비산의 농도 분포의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은 가우시안 플룸 모델로 계산한 분진 비산의 농도 분포의 일례를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 관한 방법으로 계산한 강하 매진량 분포의 일례를 도시하는 도면이다.
도 9는 비특허 문헌 1의 Bosanquet식으로 계산한 강하 매진 농도 분포의 일례를 도시하는 도면이다.
도 10은 강하 매진량의 디포지트 게이지에 의한 실측치의 일례를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 관한 장치 구성의 개요를 도시하는 도면이다.
도 12는 분진 농도 및 강하 매진량 추정 장치로서 기능하는 컴퓨터 시스템의 하드웨어 구성예를 도시하는 도면이다.

본 발명은, 발진원으로부터 강하점으로의 바람에 의한 3차원 방향의 이류ㆍ확산에 의한 비산 거동을, 분진의 물질 수지에 기초하여, 이론적으로 구하여, 강하 분진량을 추정한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 설명한다.

본 실시 형태에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 발진원의 일례로서, 공장의 굴뚝으로부터의 분진 입자의 비산을 생각한다. 분진 입자는, He의 유효 발진 높이로부터 풍하 방향에 설정한 x축을 중심축으로서 비산한다. 발진원은 x＝0의 위치에 존재하는 것으로 하여, 연직 방향을 z축으로, x축과 교차하는 수평면의 축을 y축으로 한다.

발진원으로부터 바람에 의해 비산하는 분진 입자의 농도를 c(x, y, z)로 한다. 농도 c(x, y, z)에 대해서, 물질 수지는, 아래의 수학식 6으로 기술할 수 있다.

수학식 6에 있어서, u는 풍속을 나타내고, 상술한 바와 같이 x축은 풍향의 중심에 설정하고, 바람은 x축 방향으로만 분다고 가정한다.

수학식 6의 좌변 제1항은, 분진 입자가 바람의 이류에 의해 비산하는 양을 나타낸다.

수학식 6의 우변 제1항은, 분진 입자가 난류 확산에 의해 y축 방향으로 비산하는 양을 나타낸다. 수학식 6의 우변 제2항은, 분진 입자가 난류 확산에 의해 z축 방향으로 비산하는 양을 나타낸다. 수학식 6의 우변 제3항은, 분진 입자가 중력에 의해 침강하는 양을 나타낸다. 여기서, 분진 입자가 난류 확산으로 x축 방향으로 비산하는 양은, 바람의 이류에 의해 x축 방향으로 비산하는 양과 비교하여 작기 때문에, 무시할 수 있다고 가정했다. K_y , K_z는, 각각, y축 방향과 z축 방향의 난류 확산 계수를 나타낸다.

아래의 수학식 7은, 발진원에 있어서의 분진 입자의 경계 조건의 설정에 관한 식이다. Qㆍδ(y-y₀, z-He)는 x＝0, y＝y₀, z＝He의 위치로부터 발진 강도 Q로 분진 입자가 발생되어 있는 것을 나타낸다. δ은 델타 함수이다. 여기서, 델타 함수는, 수학식 8의 조건을 만족하는 실 초함수이다. 여기서, 발진 강도 Q는, 로우 볼륨 샘플러 등의 수단에 의해 구할 수 있다.

아래의 수학식 9는, 지표에 있어서의 분진 입자의 경계 조건의 설정에 관한 식이다. β는 분진 입자의 지표에서의 반사율을 나타내고, β＝0에서 완전 침착, β＝1에서 완전 반사를 나타낸다. β는 분진 입자의 크기에 의존하는 계수이다. 통상의 계산에서는, 지표면에 도달해 침착하는 분진 입자가 계산 대상으로 되는 것이 대부분이므로, β＝0에서 근사해도 문제없다. 정확하게 β의 값을 설정하고 싶은 경우에는, 분진의 발생 속도, 유효 발진 높이 및 분진의 입자 직경 분포가 기지의 굴뚝 등의 발진원으로부터의 강하 매진량을, 디포지트 게이지 등의 수단으로 계측한다. 그리고, 각 입자 직경마다, 강하 매진의 계산치가 강하 매진의 실측치에 대응하도록, β에 적절한 값을 설정한다.

수학식 6을, 수학식 7과 수학식 9의 경계 조건하에 해석적으로 풀면, 수학식 1을 도출할 수 있다.

[수학식 1]

강하점에 있어서의 강하 매진량 C(x, y)는, 지표 z＝0에 있어서의 임의의 평면 좌표점(x, y)에서의 분진 농도 c(x, y, z＝0)의 수학식 9로 산출한 계산치에, 분진 입자의 종말침강속도 w를 곱한 이하의 수학식 2에 의해 계산할 수 있다.

[수학식 2]

공기중에서 분진이 중력 낙하할 때, 분진의 중력과 부력이 밸런스가 취해진 결과, 시간이 지나면 속도가 일정해진다. 이것을 종말침강속도라고 하고, 수학식 10으로 계산할 수 있다.

여기서, ρ_S는 분진 입자의 밀도, ρ_a는 대기의 밀도, d_k는 유형 빈도 k에 상당하는 분진 입자의 직경, μ는 대기의 점성 계수를 나타낸다.

또한, 강하점에 있어서의 강하 매진량 C(x, y)는, 지표 z＝0에 있어서의 임의의 평면 좌표점(x, y)에서의 분진 농도 c(x, y, z＝0)의 z 미분치를 수학식 9를 바탕으로 계산하고, K_z와 (1-β)를 곱한 수학식 3으로도 계산할 수 있다.

[수학식 3]

여기서 K_y는 z축 방향의 난류 확산 계수, β는 입자의 지표에서의 반사율을 나타낸다.

이하, 수학식 1 및 수학식 2를 사용하여, 강하 매진량을 계산하는 수순의 일례에 대해서, 도 3 및 도 4의 흐름도를 참조하면서 설명한다. 우선, 풍속, 풍력 정보의 입력 스텝에 대해 설명한다. 최초의 스텝 S01에 있어서, 풍향, 풍속의 빈도 분포를 산출한다. 일정 기간의 풍향, 풍속의 계측치를 바탕으로, 풍향, 풍속 데이터를 풍향에 대해서 ｍ개, 풍속에 대해서 ｎ개의 카테고리로 분류한다. 풍속 i, 풍향 j의 카테고리에 속하는 데이터의 빈도 b_ij를 산출하고, ｎ행 ｍ열의 행렬을 작성한다. 이때, 이 행렬의 각 요소 b_ij의 총합이 100％가 되도록 조절한다.

통상, 풍향 데이터의 분류는, 1방위 이상의 몇 방위라도 계산할 수 있고, 입수할 수 있는 방위 데이터에 감안하여 설정하면 좋다. 바람직하게는 기상청의 아메다스(일본 기상청의 기상 정보) 데이터에 대응시켜, 16방위를 채용하여, ｍ＝16으로 한다.

풍속 데이터의 분류는, 풍속의 실측치를 직접 사용하여 계산할 수 있다. 바람직하게는, 설정 기간의 최소 풍속과 최대 풍속의 사이 구간을, (미풍, 약풍, 통상풍, 강풍), 또는, (미풍, 약풍, 통상풍, 강풍, 초강풍) 등의 분류로 4 또는 5분할하고, ｎ＝4 또는 ｎ＝5로 하면 좋다. ｎ이 6 이상이라도 계산할 수 있지만, 경우에 따라서는 계산이 번잡해진다. 분할된 풍속 범위의 각각에 있어서, 풍속의 대표치를 선정한다. 대표치 선정 시에는, 각 분할 구간에 속하는 풍속 데이터 중, 발생 빈도가 가장 큰 풍속치를 채용해도 좋고, 분할 구간에 속하는 풍속 데이터의 평균치를 채용해도 좋다.

또한, 풍향계와 풍속계는, 주위에 있는 건물 등의 장해물의 영향을 받지 않는 위치에 설치하는 것이 바람직하다. 기상청이 근방에 있는 경우는, 아메다스 등의 기상청 관측 데이터를 사용해도 좋다.

또한, 풍향과 풍속을 계측하는 기간의 설정은, 강하 매진량의 계산 기간과 동일하게 설정한다. 그리고, 설정한 기간에 있어서, 풍속, 풍향의 빈도 분포의 통계량을 결정할 수 있도록, 풍속, 풍향의 샘플링 주기를 결정한다. 예를 들어, ｍ＝16, ｎ＝4의 경우에 있어서, 1개월간의 기간을 설정하는 경우는, 1시간 주기의 풍속, 풍향 데이터를 채취하면 충분하다.

스텝 S02에 있어서, 강하 매진의 초기치를 제로로 설정한다.

다음에, 발진 정보의 입력 스텝에 대해 설명한다. 스텝 S03에 있어서, 발진원의 정보를 입력한다. 구체적으로는, 발진원의 x-y 좌표 (x＝0, y＝y₀), 굴뚝 높이 H, 발진 강도 Q, 분진 입자 직경 d, 분진 입자 밀도 ρ, 배기 가스 풍량 W, 배기 가스 풍속 V 등을 입력한다.

다음에, 강하 지점 정보의 입력 스텝에 대해 설명한다. 스텝 S04에 있어서, 강하 지점의 정보를 입력한다. 구체적으로는, 강하 매진량을 추정하는 강하 지점의 좌표(x, y)를 입력한다.

또한, 상술한, 풍향, 풍속 정보의 입력 스텝, 발진 정보의 입력 스텝, 강하 지점 정보의 입력 스텝은, 입력의 순서는 상관없고, 바꾸어도 상관없다.

다음에, 도 4에 도시하는 분진 농도 계산 스텝 S100에 들어간다. 본 스텝에서는, 상기 각 스텝에서 입력된 정보를 사용하여, 강하점에 있어서의 분진 농도를 계산한다.

스텝 S05에 있어서, 풍향ㆍ풍속의 각 빈도 분포 b_ij에 있어서의 풍속 ui(대표 풍속치)를, 이후의 스텝에서의 계산에 사용하는 풍속 u로 정의한다. 풍속 u는, 후술하는 수학식 11을 사용한 유효 발진 높이의 계산과, 수학식 1을 사용한 강하점에 있어서의 분진 농도 계산에 사용된다.

스텝 S06에 있어서, 분진이 공장 굴뚝 등, 주위의 공기보다 고온으로 배출되는 경우는, 스텝 S03에서 입력한 굴뚝 높이 H, 배기 가스 풍량 W, 배기 가스 풍속 V를 바탕으로, 유효 발진 높이 He를, 예를 들어 수학식 11에 의해 계산한다.

여기서, H는 굴뚝 높이, Q_{e _ gas}는 배기 가스 유량, T₁은 대기 온도, ΔT는 배기 가스 온도와 T₁의 차, g는 중력 가속도, dθ／dz는 대기의 온도 구배(보통 0.03을 사용함), w는 입자의 종말침강속도, u는 풍속을 나타낸다.

한편, 분진이, 바람에 의해 비산하는 경우는, 카메라 등의 장치로 발진 상황을 기록하고, 분진이 최대 농도인 높이를 색의 농도로부터 식별 판정하고, 발진 높이를 결정한다. 이 발진 높이를, 유효 발진 높이 He로서 설정한다.

분진 입자 직경에 대해서는, 로우 볼륨 샘플러로 채취한 분진 입자 샘플을, 입자 직경 분포 측정 장치에 투입하고, 입도 분포를 계측한다. 계측된 입도 분포를 바탕으로, 최대 빈도 직경 등의 정의를 사용하여, 대표 입자 직경을 결정한다.

또한, 입자 직경의 계측 범위를 분할하고, 분할된 각각의 범위에 있어서의 대표 입자 직경을, 분진 입자 직경으로서 사용해도 좋다. 이 경우에는, 분할된 입자 직경의 범위에 존재하는 분진 입자의 중량비를 미리 구해 둔다. 그리고, 중량의 총합이 100％가 되도록, 각 평균 입자 직경마다 빈도 분포를 계산한다. 그리고, 각 평균 입자 직경마다의 강하 매진량에, 상기한 각 평균 입자 직경마다 계산한 빈도 분포를 곱하여, 강하 매진량의 총량을 구한다. 입자 직경 분포 측정 장치는, 침강법, 광투과식 등의 방법이 있다. (예를 들어, 비특허 문헌 4, 참조)

스텝 S07에 있어서, 스텝 S03에서 입력한 분진 입자의 입자 직경 d, 밀도 ρ를 바탕으로, 종말침강속도 w를, 전술한 수학식 10에 의해 계산한다.

스텝 S08에 있어서, 난류 확산 계수 K_y, K_z를 결정한다. K_y 및 K_z는, 도 5a, 5b에 도시하는 Pasquill-Gifford가 미국의 초원에서 트레이서 실험을 행해 관측한 연기의 확산 σy, σz의 실험치를 바탕으로, 하기의 수학식 12에 기초해 환산한 값을 설정한다. (예를 들어, 비특허 문헌 4를 참조)

여기서, 도 5a, 5b의 기호 A, B, C, D, E, F는 대기 안정도를 나타내고, A가 매우 불안정, B가 불안정, C가 약간 불안정, D가 중립, E가 안정, F가 매우 안정한 상태에 상당한다. 대기 안정도는, 난류 확산 계수 K_y, K_z의 크기에 관계되고, 도 5a, 5b로부터 대기 안정도가 안정됨에 따라, 난류 확산 계수 K_y, K_z는 작아진다. 스텝 S09에 있어서, 반사율 β를 입력한다.

스텝 S010에 있어서, 전술한 수학식 1에 의해, z＝0에 있어서의 강하점의 좌표 위치 (x, y)에 있어서의 분진 입자의 농도 c(x, y, z＝0)를 계산한다.

다음에, 강하 매진량 계산 스텝 S200에 들어간다. 스텝 S011에 있어서, 스텝 S010에서 계산한 분진 입자의 농도 c(x, y, z＝0)와 스텝 S07에서 계산한 분진 입자의 종말침강속도 w를 사용하고, 전술한 수학식 2에 의해, 강하 매진량을 계산한다. 이 강하 매진량을, ΔC(x, y)로 정의한다.

스텝 S012에서는, 강하 매진량 C(x, y)에, 스텝 S011에서 계산한 각 풍향ㆍ풍속의 빈도 분포 b_ij에 상당하는 강하 매진량의 계산치 ΔC(x, y)를 가산한다.

스텝 S013에서는, i＜ｎ, j＜ｍ의 조건을 만족하고 있으면, 스텝 S014의 루프를 실행하고, 스텝 S05 내지 스텝 S012의 계산을 반복함으로써, 강하 매진량 C(x, y)를 구할 수 있다. 스텝 014의 루프는, 우선, j의 값을 1개씩 갱신하여, j＝ｍ에 도달할 때까지, 스텝 S05로부터 스텝 S012의 계산을 되풀이하고, j＝ｍ이 되면, i의 값을 마찬가지로, 1개씩 갱신하여, i＝ｎ에 도달할 때까지, 스텝 S05 내지 스텝 S012의 계산을 되풀이하는 것을 나타낸다.

S013에 있어서, i＝ｎ 및 j＝ｍ이 되면, End로 이행하고, 계산을 종료한다.

상술한 방법은, 분진이 바람에 의해 비산할 때의, 분진의 거동을, 물리 현상의 원리 원칙을 따르도록 기술한 것이며, 매진 등의 공장으로부터 배기되는 분진, 자동차의 배기 가스 중에 포함되는 분진, 화분증의 원인이 되는 화분, 황사 및 사막의 모래 등의 비산 현상에 적용할 수 있다.

상술한 방법에 의해 얻어진 분진의 거동 추정 결과에 기초하여, 예를 들어, 굴뚝 등의 발진원의 수나 설치 위치, 발진 강도 등을 적절하게 설계한 후에 발진원을 설치할 수 있다. 또한, 집진기 등의 발진 억제 대책 설비를 최적으로 배치할 수 있다. 이에 의해, 분진의 비산에 의한 환경에의 영향 등을 적절하게 제어할 수 있다.

(실시예)

본 발명에 의한 분진 농도의 계산 결과를 도 6에 도시한다. 계산의 전제 조건은, 유효 발진 높이 He＝50ｍ, 입자 직경 60㎛의 분진 입자의 종말침강속도 w＝0.1ｍ／sec, 발진 강도 Q＝10g／s, 풍속 u＝6ｍ／sec, 반사율 β＝0.0이며, y＝0의 x축-z축 단면의 분진 입자의 농도 분포를 나타낸다. 해석 대상이 되는 분진의 입자 직경은, 30㎛ 내지 90㎛의 범위에 분포되어 있고, 그 평균치인 60㎛를 채용했다. x를 발진원으로부터 풍하 방향의 거리(ｍ)로 하면, 난류 확산 계수 K_y, K_z는 각각, 1004.7／x(ｍ²／sec), 3909.6／x(ｍ²／sec)이다.

비교예로서, 도 7에, 가우시안 플룸 모델로서 알려져 있는 수학식 13에 의해 계산한, 상기와 동일 조건에서의 계산 결과를 도시한다. 수학식 13에서는 입자의 중력 침강의 효과가 고려되어 있지 않으므로, 도 6의 경우와 상이하고, 분진 농도의 윤곽선의 하방 감쇠 효과를 관찰할 수 없다. 또한, 입자는 완전 반사하는 것을 가정하고 있으므로, 지표에 있어서의 분진 입자의 농도 구배가 도 6의 결과와 다르게 되어 있는 것을 알 수 있다.

도 8 내지 도 10은, 지표에 있어서의 강하 매진량 분포의 윤곽도이며, 각각, 본 실시예의 방법, Bosanquet식의 방법, 디포지트 게이지에 의한 실측치에 기초하여 묘화되어 있다. 종축은 x축, 횡축은 y축이다. 도면 중의 농도가 높을수록 강하 매진량이 많은 것을 나타낸다.

도 8은, 본 방법을 사용하여 계산한 강하 매진량의 계산 결과를 도시한다. 풍향은 16방위를 채용하여, ｍ＝16으로 했다. 풍속은, 1년간의 최소 풍속 0.1ｍ／s, 최대 풍속 9ｍ／s의 사이를, 미풍, 약풍, 통상풍, 강풍의 분류에 대응시키기 위해 4분할하고, ｎ＝4로 했다. 구체적으로는, 당해 영역에서의 과거의 풍속의 발생 빈도를 바탕으로, 각각, 0.1 내지 1.5ｍ／s, 1.5 내지 3ｍ／s, 3 내지 6ｍ／s, 6 내지 9ｍ／s의 구간으로 분할했다. 각 구간의 대표 풍속으로서, 1ｍ／s, 2ｍ／s, 4.5ｍ／s, 7ｍ／s를 계산에 채용했다.

풍향, 풍속 데이터는, 기상청의 아메다스 데이터를 사용하고, 관측 데이터 간격 1시간의 1개월간의 데이터로부터 풍향, 풍속의 빈도 분포를 산출했다. 표 1에, 계산에 사용한 풍향, 풍속의 빈도 분포를 나타낸다.

대상으로 하는 입자 직경이 30㎛ 이상으로 비교적 크기 때문에, 입자의 지면에서의 반사율로서는, 입자의 완전 침착 조건인 β＝0을 채용했다.

도 9는, 비교예로서, 문헌 1에 있는 수학식 1로 계산한 강하 매진량의 계산 결과를 도시한다.

도 10은, 강하 매진량의 실측치를 바탕으로 그린 윤곽도이다. 당해 영역을 거의 균등하게 80분할하고, 각각의 분할 영역의 중심에 1대의 디포지트 게이지를 설치했다. 총계 80대의 디포지트 게이지에 10일간 퇴적된 매진의 중량을 계측하여, 강하 매진량을 구했다. 도 8은, 도 9와 비교하여, 실측치인 도 10과 윤곽 형상이 보다 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있다.

도 11에, 본 발명에 의한 분진 농도 및 강하 매진량 추정 장치(100)의 개요를 도시한다. 장치(100)는, 분진 농도 계산 수단(14)과 강하 매진량 계산 수단(15)을 구비하고, 소정의 강하 지점에 있어서 지표로 강하해 침착하는 분진량을 강하 매진량으로서 추정한다. 분진 농도 계산 수단(14)에는, 풍향ㆍ풍속 정보 입력 수단(11)과, 발진원 정보 입력 수단(12)과, 강하 지점 정보 입력 수단(13)으로부터 정보가 입력되고, 또한 분진 지표 반사율 β가 입력된다.

풍향ㆍ풍속 정보 입력 수단(11)은, 풍향 및 풍속의 소정 기간에 있어서의 시계열 계측치를 바탕으로, 풍향과 풍속의 범위를, 각각 ｍ, ｎ개의 분할 범위로 분할한다. 또한, 분할한 ｎ개의 풍속의 분할 범위마다 대표치를 설정한다. 또한, 각각의 풍향ㆍ풍속의 분할 범위에 포함되는 시계열 계측치의 수가, 상기 소정 기간의 전체 계측치 수에 차지하는 빈도를 구하여, ｍ×ｎ의 빈도 분포 행렬을 설정한다. 또한, 구한 풍향, 풍속의 빈도 분포의 값을 풍향, 풍속 정보로서, 분진 농도 계산 수단(14)에 입력한다.

발진원 정보 입력 수단(12)에, 발진원의 3차원 공간상에서의 좌표를 지정하고, 발진원의 발진 강도(분진의 발생 속도), 상기 분진의 입자 직경 및 상기 분진의 밀도를 입력한다. 또한, 계산 또는 실측에 의해 산출된 상기 발진원으로부터의 유효 발진 높이를 분진 농도 계산 수단(14)에 입력한다.

강하 지점 정보 입력 수단(13)은, 지표에 있어서의 분진 농도를 평가하기 위한 강하 지점의 2차원 공간에 있어서의 좌표를 지정하고, 이 좌표를 분진 농도 계산 수단(14)에 입력한다.

분진 농도 계산 수단(14)은, 풍향ㆍ풍속 정보 입력 수단(11), 발진원 정보 입력 수단(12) 및 강하 지점 정보 입력 수단(13)에 의해 입력된 전체 입력 정보와, 또한 입력되는 분진의 지표에서의 반사율 β 등의 입력치를 바탕으로, 발진원으로부터 바람에 의해 주위로 이류 및 확산되는 분진에 대해서, 3차원 공간에 있어서의 임의의 좌표점 (x, y, z)에 있어서의 분진 농도 c(x, y, z)를, 수학식 1에 의해 계산한다.

강하 매진량 계산 수단(15)에서는, 상기 분진 농도 계산 수단(14)에 있어서 계산한 임의의 좌표점 중 z＝0의 강하 지점에 있어서 지표로 강하하여, 침착하는 분진량을 계산한다. 이때, C를 강하 매진량으로서 수학식 2를 사용해도 좋다. 또는, K_y를 z축 방향의 난류 확산 계수로 하고, β를 입자의 지표에서의 반사율로 하여 수학식 3을 사용해도 좋다.

도 12에는, 분진 농도 및 강하 매진량 추정 장치(100)로서 기능하는 컴퓨터 시스템의 하드웨어 구성예를 도시한다. 강하 매진량 추정 장치(100)는, CPU(20)와, 입력 장치(21)와, 표시 장치(22)와, 기록 장치(23)를 포함하고, 각 부는 버스(24)를 통해 접속된다.

입력 장치(21)에는, 강하 매진량의 추정에 필요한 풍향ㆍ풍속 정보, 발진 정보, 강하 지점 정보, 반사율 β가 입력된다. CPU(20)는, 입력 장치(21)에 입력된 정보를 바탕으로, 유효 발진 높이 He, 분진 입자의 종말침강속도, 난류 확산 계수 K_y, K_z를 결정하고, 강하 지점에 있어서의 강하 매진량을 계산한다.

표시 장치(22)는, CPU(20)에서 계산된 복수의 강하 지점에 있어서의 강하 매진량의 계산치를 바탕으로, 강하 매진량의 윤곽도를 표시한다.

기록 장치(23)는, 입력 장치(21)에 입력된 전체 정보 및 CPU(20)에서 계산된 각 강하 지점에 있어서의 강하 매진량을 기록한다. 기록 장치(23)는 ROM, RAM, HD 등에 의해 구성되어 있다. 기록 장치(23)에는, 전술한 강하 매진량 추정 장치(100)로서의 동작을 제어하는 컴퓨터 프로그램도 저장된다.

CPU(20)가 이 컴퓨터 프로그램을 실행함으로써 강하 매진량 추정 장치(100)의 기능 또는 처리를 실현한다. 또한, 기록 장치(23)에 데이터 베이스가 저장된다.

또한, 본 발명의 강하 매진량 추정 장치는, 복수의 기기로부터 구성되는 시스템에 적용해도, 하나의 기기로 이루어지는 장치에 적용해도 좋다.

또한, 본 발명의 목적은, 전술한 기능을 실현하는 컴퓨터 프로그램을 시스템 혹은 장치에 공급하고, 그 시스템 혹은 장치의 컴퓨터(CPU 혹은 MPU)를 실행하는 것에 의해서도 달성되며, 이 경우, 컴퓨터 프로그램 자체가 본 발명을 구성하게 된다. 이상, 본 발명을 다양한 실시 형태와 함께 설명했지만, 본 발명은 이들의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 범위 내에서 변경 등이 가능하다.

본 발명에 따르면, 종래의 실험식과 비교하여, 실제 현상의 원리 원칙에 충실하고 또한 정확하게 분진 거동의 추정을 할 수 있다. 이에 의해, 발진원으로부터 발생한 분진이, 강하 매진량으로서 시가지에 어느 정도 영향을 미칠지의 정량적인 평가를 할 수 있다. 이와 함께, 집진기 등의 발진 억제 대책 설비의 최적인 규모를 어림잡을 때의 설비 설계 지표가 얻어진다.

20 : CPU
21 : 입력 장치
22 : 표시 장치
23 : 기록 장치
100 : 강하 매진량 추정 장치

Claims (8)

1. 풍향 및 풍속의 소정 기간에 있어서의 시계열 계측치를 취득하고, 상기 시계열 계측치를 바탕으로, 풍향 및 풍속의 범위를, 각각 ｍ, ｎ개의 분할 범위로 분할하고, 풍속의 상기 분할 범위마다 풍속 대표치를 설정하고, 각각의 상기 분할 범위에 포함되는 상기 시계열 계측치의 상기 소정 기간에서의 빈도를 구함으로써 ｍ×ｎ 행렬의 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 작성하고, 상기 풍속 대표치 및 상기 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 풍향ㆍ풍속 정보로 하는 풍향ㆍ풍속 정보 입력 공정과, 분진의 발진원의 정보를 입력하는 발진원 정보 입력 공정과,
   상기 풍향ㆍ풍속 정보와, 상기 발진원의 정보를 사용하여, 임의의 좌표점에 있어서의 분진 농도 c를 계산하는 분진 농도 계산 공정과,
   상기 분진 농도 c에 기초하여, 임의의 강하 지점에 있어서의 강하 분진량을 계산하는 강하 분진량 계산 공정을 구비하고,
   상기 분진 농도 계산 공정은, 상기 분진의 지표에서의 반사율 β를 더 사용하여 상기 분진 농도 c를 계산하는 것을 특징으로 하는, 강하 분진량 추정 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 발진원 정보 입력 공정에서는, 상기 발진원의 3차원 공간상에서의 좌표와, 상기 발진원의 발진 강도 Q와, 상기 분진의 입자 직경과, 상기 분진의 밀도와, 상기 발진원으로부터의 유효 발진 높이 He가 입력되는 것을 특징으로 하는, 강하 분진량 추정 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 분진 농도 계산 공정은, 3차원 좌표축 상의 점(x, y, z)에 있어서의 분진 농도 c(x, y, z)를 수학식 1을 사용하여 계산하고,
   [수학식 1]
   

   

   
   u은 풍속이며, K_y, K_z는, 각각, y축, z축 방향의 난류 확산 계수이고, w는 입자의 종말침강속도이며, 상기 발진원의 x 좌표는 0이고, 상기 발진원의 y 좌표는 y0인 것을 특징으로 하는, 강하 분진량 추정 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 강하 분진량 계산 공정은, 수학식 2 또는 수학식 3을 사용하여 강하 분진량을 계산하고,
   [수학식 2]
   

   

   
   [수학식 3]
   

   

   
   c(x, y, z)는, 3차원 좌표축 상의 점 (x, y, z)에 있어서의 분진 농도이며,
   C는 강하 분진량이고,
   K_z는 z축 방향의 난류 확산 계수인 것을 특징으로 하는, 강하 분진량 추정 방법.
6. 풍향 및 풍속의 소정 기간에 있어서의 시계열 계측치를 취득하고, 상기 시계열 계측치를 바탕으로, 풍향 및 풍속의 범위를, 각각 ｍ, ｎ개의 분할 범위로 분할하고, 풍속의 상기 분할 범위마다 풍속 대표치를 설정하고, 각각의 상기 분할 범위에 포함되는 상기 시계열 계측치의 상기 소정 기간에서의 빈도를 구함으로써 ｍ×ｎ 행렬의 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 작성하고, 상기 풍속 대표치 및 상기 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 풍향ㆍ풍속 정보로 하는 풍향ㆍ풍속 정보 입력부와,
   분진의 발진원의 정보가 입력되는 발진원 정보 입력부와,
   상기 풍향ㆍ풍속 정보와, 상기 발진원의 정보를 사용하여, 임의의 좌표점에 있어서의 분진 농도 c를 계산하는 분진 농도 계산부와,
   상기 분진 농도 c에 기초하여, 임의의 강하 지점에 있어서의 강하 분진량을 계산하는 강하 분진량 계산부를 구비하고,
   상기 분진 농도 계산부는, 상기 분진의 지표에서의 반사율 β를 더 사용하여 상기 분진 농도 c를 계산하는 것을 특징으로 하는, 강하 분진량 추정 장치.
7. 풍향 및 풍속의 소정 기간에 있어서의 시계열 계측치를 취득하고, 상기 시계열 계측치를 바탕으로, 풍향 및 풍속의 범위를, 각각 ｍ, ｎ개의 분할 범위로 분할하고, 풍속의 상기 분할 범위마다 풍속 대표치를 설정하고, 각각의 상기 분할 범위에 포함되는 상기 시계열 계측치의 상기 소정 기간에서의 빈도를 구함으로써 ｍ×ｎ 행렬의 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 작성하고, 상기 풍속 대표치 및 상기 풍향ㆍ풍속 빈도 분포를 풍향ㆍ풍속 정보로 하는 풍향ㆍ풍속 정보 입력 수순과,
   분진의 발진원의 정보를 입력하는 발진원 정보 입력 수순과,
   상기 풍향ㆍ풍속 정보와, 상기 발진원의 정보를 사용하여, 임의의 좌표점에 있어서의 분진 농도 c를 계산하는 분진 농도 계산 수순과,
   상기 분진 농도 c에 기초하여, 임의의 강하 지점에 있어서의 강하 분진량을 계산하는 강하 분진량 계산 수순을 구비하고,
   상기 분진 농도 계산 수순은, 상기 분진의 지표에서의 반사율 β를 더 사용하여 상기 분진 농도 c를 계산하는 것을 특징으로 하는, 강하 분진량 추정 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
8. 삭제

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