Projekty a granty

Šíření znečištění v zástavbě na základě měřených dat senzorické sítě, CFD simulací a BIM modelu města

SP2020/160

A) Předmět výzkumu v rámci projektu: Projekt bude řešen v návaznosti na disertační práci řešitele projektu „Tvorba 3D modelů měst a výpočty šíření znečištění v zástavbě“. Projekt bude řešit šíření znečištění v zástavbě na základě měřených hodnot senzorické sítě, informačního modelování staveb (BIM), resp. modelování měst (CIM). [1, 2] Simulace šíření znečištění v zástavbě bude řešena pomocí CFD simulací a senzorické sítě s dlouhodobými měřenými daty (převážně data z CHMI). V projektu budou řešeny závislosti a vazby mezi zdroji znečistění, klimatickými podmínkami (směr a rychlost větru, roční období a teploty či vlhkost), naměřenými hodnotami a zástavbou. Kvalita ovzduší, prašnost a smogová situace je velmi řešenou problematikou a na Ostravsku velmi řešeným tématem. Projekt bude řešen na tuto oblast. Samotný 3D BIM model se bude vztahovat na část Ostrava-Poruba včetně simulací v softwaru ANSYS fluent. Měřené hodnoty znečištění však budou brány v rámci celé ostravské aglomerace, popř. i širšího okolí pro kvalitní analýzy a výstupy, neboť vliv na samotnou Ostravu mohou mít za určitých klimatických podmínek i zdroje znečištění mimo Ostravu. Různé výzkumy uvádějí, že pomocí CFD simulací pohybu a rychlosti větru v městské zástavbě lze samotnou zástavbou korigovat a snižovat tak negativní dopady na celé město. [3] Lze uplatnit již zmíněné simulace proudění větru a s tím spojené šíření znečištění a vliv na pohodu obyvatel. [4] Velmi důležité je propojení s GIS (geografické informační systémy) pro plošné simulace, vazby na reliéf zástavby a terénu a propojení s měřenými daty. [8] GIS a měřené hodnoty senzorické sítě lze ideálně propojit pomocí CAFM systému, kde dochází k provázanosti a zpracování grafických a tabulkových hodnot a výpočtům. Výzkum spočívá v nalezení závislostí a vědeckém popsaní této problematiky. Výsledek může posloužit pro možná opatření a řešení dané situace v lokalitě. Jiný výsledek může přinést informace o různých zdrojích znečištění, či problematice lokálních zdrojů. Dlouhodobé statistiky znečistění vykazují různé odchylky od průměru v období topné sezóny. Polétavý prach neboli pevné částice (PM - particulate matter) jsou drobné částice menší než 10 μm schopné volného pohybu v atmosféře. Přirozeně se částice do atmosféry uvolňují při vulkanické činnosti, požárech, erozi, nebo z mořské vody. Mezi antropogenní zdroje pak patří především spalování fosilních paliv, tzn. doprava, elektrárny, spalovny, nejrůznější průmysl a další zdroje. [7] Vliv na lidské zdraví závisí především na velikosti částic. PM10 jsou schopny pronikat v podstatě bez problémů do dolních cest dýchacích, platí zde úměra, čím menší, tím nebezpečnější. V případě nanočástic můžeme hovořit o pronikání až do krevního řečiště. Při krátkodobé expozici dochází k podráždění dýchacích cest a častějším infekcím, při dlouhodobé pak k rozvoji vážných onemocnění dýchacích cest jako je například chronická obstrukční choroba plic, nebo rakovina. [6] Zákon o ochraně ovzduší (201/2012 Sb.) stanovuje imisní limity pro ochranu zdraví lidí a maximální počet jejich překročení. U PM10 má po dobu průměrování (24h) tato hodnota imisní limit 50 µg.m-3. Překročení tohoto limitu je tolerováno max. 35 dní v roce. [5] Pro srovnání v současné době (12/2019) je smogová situace v Dillí okolo 900 µg.m-3 u měřených částic PM10. Výzkum má kombinovat vědecké poznatky a přístup, modelování pomocí CFD simulací a měřené hodnoty senzorické sítě pro stanovení problémových míst, šíření znečištění a vliv zástavby. Kombinací těchto přístupů a poznatků můžeme případně detekovat zdroje tohoto znečištění. Velmi zajímavými jsou také delší než 24h výkyvy měřených hodnot, které přesahují hodnoty více než 100 PM2.5 nebo PM10. Lze sledovat například na https://iot.urbido.cz. Citace prací k problematice: [1] Eastman, Chuck, Teicholz, Paul and Liston, Kathleen. BIM Handbook: A Guide to Buidling Information Modelling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors. 2011. 978-0-470-54137-1. [2] FALTEJSEK, Michal. Využití informačních modelů budov v jejich životním cyklu. Diplomová práce. Vysoká škola báňská – TU Ostrava. Ostrava, 2016. s. 75. [3] LIU, BenLi, JianJun QU, QingHe NIU, JunZhan WANG a KeCun ZHANG. Computational fluid dynamics evaluation of the effect of different city designs on the wind environment of a downwind natural heritage site. Journal of Arid Land. 2014, 6(1), 69-79. DOI: 10.1007/s40333-013-0192-9. ISSN 1674-6767. [4] BLOCKEN, Bert, Jan CARMELIET a Ted STATHOPOULOS. CFD evaluation of wind speed conditions in passages between parallel buildings—effect of wall-function roughness modifications for the atmospheric boundary layer flow. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2007, 95(9-11), 941-962. DOI: 10.1016/j.jweia.2007.01.013. ISSN 01676105. [5] Zákon č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší [6] SICARD, Pierre, Yusef Omidi KHANIABADI, Sandra PEREZ, Maurizio GUALTIERI a Alessandra DE MARCO. Effect of O3, PM10 and PM2.5 on cardiovascular and respiratory diseases in cities of France, Iran and Italy. Environmental Science and Pollution Research. 2019, 26(31), 32645-32665. DOI: 10.1007/s11356-019-06445-8. ISSN 0944-1344. Dostupné z: http://link.springer.com/10.1007/s11356-019-06445-8 [7] ARGYROPOULOS, Christos D., Hala HASSAN, Prashant KUMAR a Konstantinos E. KAKOSIMOS. Measurements and modelling of particulate matter building ingress during a severe dust storm event. Building and Environment. 2020, 167. DOI: 10.1016/j.buildenv.2019.106441. ISSN 03601323. [8] GAUTAM, Sneha a Brema J. Spatio-temporal variation in the concentration of atmospheric particulate matter: A study in fourth largest urban agglomeration in India. Environmental Technology & Innovation. 2020, 17. DOI: 10.1016/j.eti.2019.100546. ISSN 23521864 B) Přehled použitých metod: 3D modelování v CAD/BIM softwarech ArchiCAD/Revit.. IFC prohlížeč BIM Vision pro BIM model. Uplatnění studentské verze a využití již vymodelovaného 3D města. ANSYS fluent – CFD simulace, popř. open source software OpenFOAM. Zkušenosti a uplatnění těchto nástrojů v disertační práci. Softwary jsou k dispozici pro školní účely (uplatnění Research licence na IT4Innovations). CAFM systém pro facility management s využitím GIS. Propojení se senzorickou sítí a zpracování naměřených dat kvality ovzduší. Především z ČHMÚ. CAFM systémy dokáží zpracovat velké množství tabulkových hodnot a propojit s grafickým zobrazením GIS, popř. 3D modelem města. C) Harmonogram prací: 01 - 02/2019: • přípravné činnosti: sběr podkladů o znečištění v zástavbě a klimatických podmínkách (ostravská aglomerace), rešerše literatury • tvorba / úprava 3D mapy Ostrava-Poruba (vycházející z podkladů hl. řešitele a jeho DP) 03 – 05/2019 • naplnění CAFM systému daty a provázanost s GIS (3D) mapou (měřenými hodnotami znečištění, klimatickými podmínkami aj. v návaznosti na 3D model města) • kontrola a případné dopracování 3D modelu města • článek na mezinárodní konferenci 05– 08/2019 • CFD simulace v SW Ansys fluent / open foam: šíření znečištění zástavbou • aktivní účast na mezinárodní konferenci • tvorba 2. článku do časopisu s IF 08 – 11/2018 • kompletování získaných podkladů, CAFM, simulací a 3D BIM modelu města • kompletování a odeslání 2. článku do časopisu s IF 11 – 12/2018 • vyhodnocení a analýza dosažených výsledků výzkumu D) Zdůvodnění zapojení jednotlivých členů týmu: Ing. Michal Faltejsek – Hlavní řešitel projektu, úprava 3D informačního modelu města, podrobný sběr dat a zpracování s využitím CAFM systému, CFD simulace a analýzy znečištění v řešené lokalitě, využití poznatků pro disertační práci (Tvorba 3D modelů měst a výpočty šíření znečištění v zástavbě). Ing. arch. Kateřina Helekalová – Spoluřešitelka projektu, pomoc se sběrem dat ze senzorické sítě a naplněním CAFM systému, 3D modelování (úprava stávajících BIM modelů) zástavby a navazující úpravné práce s BIM modelem města. Využití poznatků BIM pro disertační práci (Facility management v přípravné fázi životního cyklu staveb při využití metody BIM). E) Zdůvodnění plánovaných finančních nákladů: Materiálové náklady: Kancelářské potřeby – 1 000,- Stipendia: Ing. Michal Faltejsek – 40 000,- hl. řešitel projektu Zdůvodnění: Hlavní práce na projektu, kompletování a finální výstupy v rozsahu odpovídající finanční odměně viz kapitola D) Zdůvodnění zapojení jednotlivých členů týmu. Ing. arch. Kateřina Helekalová – 10 000,- spoluřešitel projektu Zdůvodnění: Podpůrné práce v rozsahu odpovídající finanční odměně viz kapitola D) Zdůvodnění zapojení jednotlivých členů týmu. Obě práce řešitelů budou řádně a včas zvládnuty z důvodu jejich provázanosti v tématu BIM, spolupráci na katedře a zkušenostem z řešení těchto témat. Obě práce úzce souvisejí s disertačními pracemi řešitelů a je tedy velmi žádoucí kvalitní a zdárné ukončení těchto projektů. Vzájemná spolupráce na těchto projektech a rozsah prací vzájemně kolidují s finančními náklady na jednotlivé řešitele. Služby: Korektura a překlad 2 článků – cca 8 000,- Kč SGEM (popř. ESAT) – vložné na konferenci cca 10 000,- Kč Cestovné: cestovné pro aktivní účast na konferenci SGEM (popř. ESAT) – cca 5 000,- Kč cestovné na tematické semináře, konference (Smart Cities, IoT apod.) – cca 3 000,- Kč F) Vybrané předchozí dosažené výsledky: Předcházející projekty SGS SP2019/153 Optimalizace facility managementu v konceptu Smart Cities s využitím inovačních nástrojů a metod SP2018/113 Tvorba 3D informačního modelu města a implementace facility managementu pro efektivní správu a provoz s využitím CFD simulací Publikační činnost: Faltejsek, M., Szeligova, N., Vojvodikova, B. Application of building information modelling in planning of future use of underused areas. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Municipal Engineer. 2018, 171(4), 206-215. DOI: 10.1680/jmuen.17.00038. ISSN 0965-0903. Faltejsek, M., Szeligova, N., Vojvodikova, B. Uplatnění informačních nástrojů Facility Managementu při evidenci brownfields. Journal of Engineering and Applied Sciences. Faisalabad, Pákistán: Medwell Publishing, 2016. 11(9), s. 2003-2008. ISSN 1816-949X. Dostupné z doi: 10.3923/jeasci.2016.2003.2008. Faltejsek, M., Szeligova, N., Vojvodikova, B. Information modelling of buildings as an instrument of sustainable development of the locality. In: 18th International Multidisciplinary Scientific Geoconference, SGEM 2018; Albena; Bulgaria; 2 July. 2018-06-20, s. - . DOI: 10.5593/sgem2018/2.2/S08.031. Faltejsek, M., Szeligova, N. Management of Urban spaces and properties with use of Information Modelling of Buildings. In: The Journal Tehnički vjesnik – Technical Gazette 2017. Croatia: Univesity of Osijek, 2017. I SSN 1330-3651 (Print), ISSN 1848-6339. Chudikova, B., Faltejsek, M. Solar energy in buildings solved by building information modeling. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018, 324. DOI: 10.1088/1757-899X/324/1/012002. ISSN 1757-8981. Chudikova, B., Faltejsek, M. Advantages of using virtual reality and building information modelling when assessing suitability of various heat sources, including renewable energy sources. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019, 542. DOI: 10.1088/1757-899X/542/1/012022. ISSN 1757-899X. Faltejsek, M., Chudikova, B. Using computer simulations in building information modeling. In: ESaT 2018 : 3rd International Conference on Engineering Sciences and Technologies : Tatranské Matliare, High Tatras Mountains, Slovak Republic, 12th -14th September 2018. Pages 357-362. Wernerova, E., Kuda, F., Faltejsek, M. Zavádění BIM u existujících staveb. Ostrava: Ediční středisko VŠB-TU Ostrava, 2018. ISBN 978-80-248-4238-7.

2020

2020

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Faltejsek Michal Ing., Ph.D.