RU2816093C1 - Способ определения эмиссии диоксида углерода - Google Patents

Способ определения эмиссии диоксида углерода Download PDF

Info

Publication number
RU2816093C1
RU2816093C1 RU2023119704A RU2023119704A RU2816093C1 RU 2816093 C1 RU2816093 C1 RU 2816093C1 RU 2023119704 A RU2023119704 A RU 2023119704A RU 2023119704 A RU2023119704 A RU 2023119704A RU 2816093 C1 RU2816093 C1 RU 2816093C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
carbon dioxide
array
measurement
concentration
measurement times
Prior art date
Application number
RU2023119704A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Васильевич Каленский
Александр Андреевич Звеков
Анастасия Павловна Боровикова
Алексей Владимирович Иванов
Елена Владимировна Галкина
Павел Олегович Винодиктов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кемеровский государственный университет"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кемеровский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кемеровский государственный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2816093C1 publication Critical patent/RU2816093C1/ru

Links

Abstract

Изобретение относится к мониторингу качества воздуха. Раскрыт способ определения эмиссии диоксида углерода, включающий определение направления ветра на исследуемой территории, измерение концентрации диоксида углерода на входе и выходе исследуемой территории по направлению скорости ветра, измерение скорости ветра с такой же частотой, как и концентрации диоксида углерода, измерение температуры воздуха с одинаковой концентрацией диоксида углерода частотой, определение средней высоты области перемешивания воздуха, расчет скорости эмиссии диоксида углерода по формулам для промежутка времени от t1 до t2 в случае отсутствия измерений за этот промежуток и для промежутка времени от t1 до t2 в случае наличия выполненных замеров за этот промежуток. Изобретение позволяет без дополнительного оборудования, кроме стандартных воздушных датчиков концентрации СО2, атмосферного термометра, хронометра, анемометра, без дополнительных трудозатрат и применения специализированного программного обеспечения определить на исследуемой территории эмиссию диоксида углерода. 3 ил., 3 табл., 2 пр.

Description

Изобретение относится к области определения эмиссии диоксида углерода в системе мониторинга качества воздуха.
Мониторинг качества воздуха включает в себя систематические количественные измерения концентраций загрязняющих веществ в атмосфере. Чистый воздух относится к категориям, определяющим качество жизни людей. В России принят к реализации Федеральный проект «Чистый воздух» (в рамках национального проекта «Экология»), направленный на улучшение экологической обстановки и снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, оказывающих наиболее негативное влияние на здоровье людей. На концентрацию загрязняющих веществ в атмосфере в первую очередь влияет эмиссия вредных веществ [Панарин В.М., Маелова А.А., Гришаков К.В., Гришакова О.В., Логунов Д.А. Обзор станций автоматического мониторинга загрязнения атмосферного воздуха// Известия ТулГУ. Технические науки. 2022. Вып.7, с. 69-75]. Вследствие этого отмечаются дневные, сезонные и годичные колебания концентраций загрязняющих веществ. Диоксид углерода образуется в массовом количестве в целой серии процессов, происходящих на территории компактного проживания людей: в процессе промышленного производства, отопления, генерации электро- и тепловой энергии, движения автотранспорта и т.д. Повышение концентрации этого газа способствует повышению температуры на Земле с пока до конца непонятными последствиями. В нашу речь входят новые понятия: углеродный след, декарбонизация, напрямую связанные с негативным изменением климата и желанием человечества как минимум замедлить, а максимум повернуть назад нежелательные для Земли тенденции.
Поэтому создание методики мониторинга качества воздуха на основе перманентного измерения концентрации диоксида углерода с возможностью количественной оценки его эмиссии является актуальной на национальном уровне задачей.
Существующие концепции мониторинга качества воздуха базируются на измерении концентраций загрязняющих веществ в атмосфере по методу случайной выборки [Панарин В.М., Маслова А.А., Гришаков К.В., Гришакова О.В., Логунов Д.А. Обзор станций автоматического мониторинга загрязнения атмосферного воздуха// Известия ТулГУ. Технические науки. 2022. Вып.7, с.69-75]. По разработанному в нашей стране ГОСТ Р 56276-2014 /ISO/TS 14067:2013 созданы методы определения выбросов углекислого газа в различных процессах на основе приведенных затрат. Так в [Лаптева А. В. Методика определения сквозной эмиссии диоксида углерода на основе анализа входных данных процесса ЛП-В / А. В. Лаптева, В.Г. Лисиенко, Ю.Н. Чесноков // Творческое наследие В. Е. Грум-Гржимайло: история, современное состояние, будущее: сборник докладов III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, посвященной 150-летию со дня рождения Владимира Ефимовича Грум-Гржимайло (Екатеринбург, 27-29 марта 2014 г.). - Екатеринбург: УрФУ, 2014. - Ч. 2. - С.225-228] описан способ оценки эмиссии диоксида углерода на предприятии черной металлургии по количеству сгоревшего угля и природного газа. Аналогично оцениваются выбросы в данной точке трассы от автомобильного транспорта через оценку количества единиц отдельных видов транспорта с учетом дифференциального расхода топлива. Недостатками данных методик является большая трудоемкость, приближенность оценок и отсутствие прогностических перспектив.
В способе комплексного мониторинга окружающей среды региона [3 - патент RU 2778495, МПК G01W 1/00, опубл. 22.08.2022, Бюл. №24] при прогнозировании изменений характеристик окружающей среды региона используют комплексную модель содержания углекислого газа и его изменения в атмосфере региона. Недостатком способа является то, что для получения интегрального вклада в эмиссию диоксида углерода выделяют и проводят классификацию объектов окружающей среды как объектов кругооборота углекислого газа. Такая дифференциация требует значительных временных затрат.
Известен способ расчета прямых пожарных эмиссий углерода с учетом пороговой классификации интенсивности пожара растительности по спутниковым съемкам в ИК диапазоне [патент RU 2755936, МПК A01G 23/00, G06T 7/11, опубл. 23.09.2021, Бюл. №27], согласно которому проводят классификацию всей площади пожара по мощности тепловыделения (Fire Radiative Power- FRP) и определяют категории интенсивности отдельных участков пожара. Суммарное значение прямых пожарных эмиссий определяют по соотношению С = Ai(FRPi) × βi(FRPi) × Bi(FRPi)) × СЕ, где С - прямые эмиссии углерода (г); А - площадь, пройденная огнем (м2), представленная в виде суммы площадей всех зафиксированных фаз пожара с учетом категории интенсивности горения - Ai(FRPi); β - коэффициент полноты сгорания, учитывающий категорию интенсивности βi(FRPi); Bi(FRPi) - сгорающий запас растительных горючих материалов, учитывающий категорию интенсивности (кг/м2); СЕ - коэффициент, определяющий долю углерода в сгорающей биомассе (г/кг). Способ подразумевает анализ спутниковой ИК-съемки, что требует дополнительного программного обеспечения.
Целью настоящего изобретения является создание принципиально нового способа определения эмиссии диоксида углерода на основе перманентного измерения его концентрации с возможностью количественной оценки эмиссии.
На фиг.1 показана модель для оценки эмиссии диоксида углерода с территории сечения L. Высота h определяет область интенсивного перемешивания воздуха.
Ро и P1 - измеряемые концентрации CO2 на входе и выходе оцениваемой загрязняющей территории (по направлению скорости ветра).
h - средняя высота застройки или деревьев, определяющая область перемешивания воздуха по высоте.
V - текущая измеряемая скорость ветра в м/с.
L - сечение загрязняющей территории в перпендикулярном скорости ветра направлении в м.
На фиг.2 приведен график кинетической зависимости замеренной концентрации диоксида углерода с 21 по 26 февраля 2023 г.
На фиг.3 представлена рассчитанная кинетическая зависимость скорости эмиссии диоксида углерода при h=10 м, L=50 м.
Для определения эмиссии диоксида углерода с заданной загрязняющей территории (центр города, промышленное предприятие и др.) необходимо:
1. Определить направление ветра на исследуемой территории.
2. Измерить концентрацию CO2 на входе (Р0) и выходе (P1) исследуемой загрязняющей территории по направлению скорости ветра. Измерение концентрации CO2 проводят в автоматическом режиме с сохранением данных в цифровом виде.
3. Измерить скорость ветра (V) с такой же скважностью, как и концентрацию CO2. Скорость ветра так же замеряют в автоматическом режиме с сохранением данных в цифровом виде.
4. Измерить температуру воздуха (Т) в автоматическом режиме с одинаковой с концентрацией диоксида углерода скважностью с сохранением данных в цифровом виде.
5. Оценить среднюю высоту области перемешивания воздуха (h).
6. Для определения скорости эмиссии диоксида углерода воспользоваться формулой (1) по модели (фиг.1):
где Мг=0,044 кг/моль - молярная масса диоксида углерода; Vm=22,4 л - молярный объем при нормальных условиях (Т0=273 K и давление 1 атм). Учет изменения давления в ходе мониторинга определяет ошибку в 2% и пока не учитывается.
Замеряемые величины представляют собой массив данных. В таблице 1 приведен фрагмент такого массива для проведенного мониторинга центра г. Кемерово с 21 по 26 февраля 2023 г.
Время между измерениями Δt=10 мин (600 с), следовательно, частота измерений составляет 1 измерение в 10 минут. Температура в нашем случае измеряется в градусах Цельсия с точностью 0,01 градуса, хотя достаточной точностью будет 1 градус. Четвертый и пятый столбцы - результаты измерения концентрации диоксида углерода в штуках на миллион (ppm) на входе и выходе оцениваемой загрязняющей территории, соответственно.
Самой изменяемой величиной в выражении (1) является P1 (измеряемые концентрации CO2 на выходе исследуемой загрязняющей территории). Результаты измерения концентрации CO2 за период с 21 по 26 февраля 2023 г. представлены на фиг.2. По оси абсцисс откладываем моменты времени измерения концентрации CO2, формирующие массив Тв. По оси ординат откладываем измеренные значения концентрации CO2, формирующие массив P1. Вертикальными линиями показаны моменты смены времени суток. Предпраздничные дни (21 и 22 февраля) характеризуется утренним повышением концентрации до 630 ppm с уменьшением к утру следующего дня до 365 ppm. Следующий день праздничный и максимальное повышение концентрации CO2 всего до 430 ppm. Нерабочие в 2023 году пятница 24, суббота 25 и воскресенье 26 февраля типичны для праздничных дней с умеренным повышением концентрации CO2 до 430 - 420 ppm.
По выражению (1) рассчитали кинетическую зависимость скорости эмиссии диоксида углерода при h=10 м, L=50 м (фиг.3). При этом измеряемая температура Т переводится в шкалу Кельвин.
Для определения эмиссии диоксида углерода за актуальный промежуток времени от t1 до t2 в общем случае интегрируем полученную кинетическую зависимость (2):
На практике интеграл мы заменяем на сумму в виду дискретности полученных величин.
1. Если промежуток времени (t2 - t1) достаточно мал и в интервал от t1 до t2 не попадает ни одного измерения, находим ближайший к t2 момент времени из полученного ранее массива в котором произошло измерение концентрации CO2, температуры, скорости ветра, входящих в выражение (1).
Для этого вначале находим минимум Q массива из таблицы 1 (3):
Для следующего действия нам необходим порядковый номер (к) минимума Q, определяющий номер строчки № в массиве Таблицы 1 значений измеренных скоростей эмиссии диоксида углерода:
а выражение (2) примет вид, где разность t2 - t1 переведена в секунды:
2. Если промежуток времени от t2 до t1 достаточно большой, и в этот интервал попадает как минимум одно измерение, алгоритм нахождения эмиссии углекислого газа следующий.
Вначале находим ближайшие к t1 и t2 моменты времени из полученного ранее массива Для этого определяем максимальное значение момента времени из массивакоторое меньше Этот момент времени характеризуются тем, что он еще меньше t1, а уже следующий момент времени больше, чем t1. То есть t1 находится между k1 и k1+1 элементами массива Аналогичный алгоритм применяем для нахождения k2 - номера элемента массива который определяется тем, что момент времени t2 находится между k2 и следующим элементом k2+1.
Рассчитываем эмиссию диоксида углерода (2) по выражению (6):
где разности переведены в секунды.
Пример 1
Определим эмиссию углекислого газа в промежуток времени от 21:06 до 21:10 22 февраля 2023 г по данным таблицы 1. Примем значения параметров h=10 м и L=50 м.
Так как в интервале от 21:06 до 21:10 нет измерений, он относительно мал, мы используем выражения (1), (3) и (5) и соответствующий алгоритм. Определяем номер строки массива который наиболее близок к началу интервала t1=21:06, используя выше описанный алгоритм получаем k=39, что соответствует Тв (к)=21:05. В таблице 2 первые 6 столбцов заполнены измеренными величинами (таблица 1). Далее переводим соответствующую температуру Т в Кельвины =249,54 K. Используя это значение в формуле (1), полученное значение скорости эмиссии CO2 G=0,67. Для определения эмиссии CO2 в актуальный промежуток времени Δt=t2 - t1=4 мин = 240 с. По выражению (5) из скорости эмиссии G и длительности временного интервала Δt получаем значение эмиссии CO2 МСО2=160 кг. Это значение и будет искомым в данный промежуток времени.
Пример 2
Определим эмиссию CO2 в промежуток времени от 21:06 до 22:55 22 февраля 2023 г. Значения исходных параметров соответствуют таблице 1, примем h=10 м и L=50 м. Результаты представим в виде таблицы 3.
Так как в интервале от 21:06 до 22:55 есть множество измерений, то используем выражениями (1), (3) и (6) и описанный выше алгоритм.
Определяем номер строки массива который наиболее близок к началу интервала t1=21:06, используя выше описанный алгоритм, получаем k1=39, что соответствует - это значение времени раньше начала интервала (21:06), а - значение времени позже начала интервала. Окончание интервала 22:55 соответствует k2=50, поэтому третье слагаемое выражения (6) будет равно 0. В таблице 3 первые 6 столбцов берутся из таблицы 1. Далее переводим температуру Т в Кельвины и помещаем в столбец 7, используя это значение в формуле (1), получаем значение скорости эмиссии G=0,67 кг/с и помещаем его в столбец 8. Для определения эмиссии углекислого газа определяем в первом слагаемом выражения (6) значение временного интервала мин = 540 с и помещаем в 9 столбец первой строки таблицы 3. Далее рассчитываем значение первого слагаемого выражения (6), умножая значение скорости эмиссии (8 столбец) на длительность временного интервала (9 столбец), помещая результат в 10 столбец первой строки. В 11 столбец помещаем величину эмиссии диоксида углерода за весь промежуток наблюдения. Для первой строки значения столбцов 10 и 11 будут совпадать. Результаты расчета, представленные в столбцах 10 и 11, округлены до целого значения. Далее рассчитываем второе слагаемое выражения (6) - сумму от k1+1 до k2, помещая результаты расчетов в соответствующие ячейки таблицы 3. Значение временного интервала в этом случае будет одинаковым Δt = полученное значение 10 мин переводим в секунды (600 с) и помещаем в 9 столбец следующих строк. Для определения суммарного результата значение эмиссии диоксида углерода за время At складываем (в соответствии с выражением (6)) с достигнутой за предыдущий временной интервал величиной эмиссии газа из предыдущей строки 11 столбца. Таким образом, величина эмиссии углекислого газа в столбце 11 данной строки получается сложением результата эмиссии за данный промежуток времени (столбец 10 со значением эмиссии за предыдущий временной интервал (столбец 11, строка на одну выше данной). Полученное в последней строке 11 столбца значение эмиссии газа и будет искомым в актуальный промежуток времени.
Таким образом, предложенный способ определения эмиссии диоксида углерода позволяет простым способом, без дополнительного оборудования, кроме стандартных воздушных датчиков концентрации CO2, атмосферного термометра, хронометра, анемометра, без дополнительных трудозатрат и применения специализированного программного обеспечения, определить с исследуемой территории эмиссию диоксида углерода.

Claims (1)

  1. Способ определения эмиссии диоксида углерода, включающий определение направления ветра на исследуемой территории, измерение концентрации диоксида углерода на входе P0 и выходе P1 исследуемой территории по направлению скорости ветра, измерение скорости ветра V с такой же частотой, как и концентрации диоксида углерода, измерение температуры воздуха Т с одинаковой с концентрацией диоксида углерода частотой, определение средней высоты области перемешивания воздуха h, расчет скорости эмиссии диоксида углерода по выражению = Mr⋅(P1-P0)⋅h⋅V⋅L⋅T0/(T⋅Vm)⋅10-3, где Mr=0,044 кг/моль – молярная масса диоксида углерода, P0 и P1 – концентрации диоксида углерода на входе и выходе исследуемой территории соответственно, h – средняя высота застройки или деревьев, V – текущая измеряемая скорость ветра в м/с, L – сечение загрязняющей территории в перпендикулярном скорости ветра направлении в м, T0=273 K, T – температура воздуха, Vm=22,4 л – молярный объем диоксида углерода, расчет минимума Q массива (T в - t 1 )2 [Q,k] = min((T в - t1)2), где T в – массив времен измерений, t 1 – начало временного промежутка, определение порядкового номера k минимума Q массива времен измерений, расчет эмиссии диоксида углерода по выражению , где (k) – скорость эмиссии диоксида углерода для порядкового номера k минимума Q массива времен измерений для промежутка времени от t 1 до t 2 в случае отсутствия измерений за этот промежуток, или расчет эмиссии диоксида углерода по выражению , где k 1 и k 2 – номера строк массива времен измерений, которые наиболее близки к промежутку времени от t 1 до t 2 соответственно, t n – ряд моментов времени из промежутка от k 1 +1 до k 2 , (k 1 ) – скорость эмиссии диоксида углерода для порядкового номера k 1 строки массива времен измерений, (k 2 ) – скорость эмиссии диоксида углерода для порядкового номера k 2 строки массива времен измерений, T в (k 1 +1) – элемент массива времен измерений для порядкового номера строки k 1 +1, T в (k 2 ) – элемент массива времен измерений для порядкового номера строки k 2 , Δt – значение временного интервала для промежутка времени от t 1 до t 2 в случае наличия выполненных замеров за этот промежуток.
RU2023119704A 2023-07-26 Способ определения эмиссии диоксида углерода RU2816093C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2816093C1 true RU2816093C1 (ru) 2024-03-26

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2743281C2 (ru) * 2019-07-12 2021-02-16 Общество с ограниченной ответственностью "Технологический институт энергетических обследований, диагностики и неразрушающего контроля "ВЕМО" Способ обследования полигонов твердых отходов
RU2755936C1 (ru) * 2021-01-28 2021-09-23 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Способ расчета прямых пожарных эмиссий углерода с учетом пороговой классификации интенсивности пожара растительности по спутниковым съемкам в ИК диапазоне
US11397955B2 (en) * 2009-02-13 2022-07-26 Refinitiv Us Organization Llc System and method for estimating CO2 emission

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11397955B2 (en) * 2009-02-13 2022-07-26 Refinitiv Us Organization Llc System and method for estimating CO2 emission
RU2743281C2 (ru) * 2019-07-12 2021-02-16 Общество с ограниченной ответственностью "Технологический институт энергетических обследований, диагностики и неразрушающего контроля "ВЕМО" Способ обследования полигонов твердых отходов
RU2755936C1 (ru) * 2021-01-28 2021-09-23 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" Способ расчета прямых пожарных эмиссий углерода с учетом пороговой классификации интенсивности пожара растительности по спутниковым съемкам в ИК диапазоне

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ЧИМИТДОРЖИЕВА Э.О. и др. Эмиссия диоксида углерода из постагрогенных степных и сухостепных почв западного Забайкалья // Известия ТСХА, 2011, выпуск 2, стр.93-102. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. Characteristics and sources of the fine carbonaceous aerosols in Haikou, China
Pawlak et al. Eddy covariance measurements of the net turbulent methane flux in the city centre–results of 2-year campaign in Łódź, Poland
Zimnoch et al. Assessing surface fluxes of CO2 and CH4 in urban environment: a reconnaissance study in Krakow, Southern Poland
Kambezidis et al. Statistical evaluation of selected air pollutants in Athens, Greece
CN116070839A (zh) 一种多源数据的道路微环境空气质量贡献溯源方法
CN115146937B (zh) 一种城市群减污降碳评估方法
Elansky et al. On contents of trace gases in the atmospheric surface layer over Moscow
CN116681212A (zh) 一种城市群县级尺度植被固碳量驱动贡献分析方法及系统
RU2816093C1 (ru) Способ определения эмиссии диоксида углерода
Henninger et al. Near surface carbon dioxide within the urban area of Essen, Germany
Hatamian et al. Location-aware green energy availability forecasting for multiple time frames in smart buildings: The case of Estonia
Kou et al. Accounting for CO2 variability over East Asia with a regional joint inversion system and its preliminary evaluation
Shahgedanova et al. Carbon monoxide and nitrogen oxides pollution in Moscow
Miyaoka et al. Diurnal and seasonal variations in atmospheric CO2 in Sapporo, Japan: Anthropogenic sources and biogenic sinks
Lingaswamy et al. Observations of trace gases, photolysis rate coefficients and model simulations over semi-arid region, India
CN120197834A (zh) 一种基于多源大数据的城市近实时网格化碳排放测算方法
Domysheva et al. Estimation of CO2 fluxes in the “atmosphere–water” system in the south Lake Baikal littoral with the floating chamber method
Liu et al. Temporal variations of the contribution of combustion-derived water vapor to urban humidity during winter in Xi'an, China
Henninger et al. Methodology for mobile measurements of carbon dioxide within the urban canopy layer
Kim et al. Anthropogenic carbon dioxide origin tracing study in Anmyeon-do, South Korea: Based on STILT-footprint and emissions data
Henninger et al. Mobile measurements of carbon dioxide within the urban canopy layer of Essen, Germany
Elansky et al. Time variations in the concentration of pollutants in the atmosphere over Moscow and estimation of their emissions
Landulfo et al. Study of the properties of aerosols and the air quality index using a backscatter lidar system and AERONET sunphotometer in the city of São Paulo, Brazil
Wang et al. Atmospheric CO2 data filtering method and characteristics of the mole fractions at Wutaishan Station in Shanxi of China
Grant et al. High-frequency urban measurements of molecular hydrogen and carbon monoxide in the United Kingdom