I modelli statici presenti in letteratura

I modelli di tipo statico proposti dalla letteratura specifica che rivestono un certo interesse, sono in particolare i modelli statunitensi MOBILE e FREQ, sviluppati

rispettivamente dall’EPA e dalla University of California e il modello CORINAIR, sviluppato nell’ambito di un progetto promosso dalla Comunità Europea.

In seguito verranno brevemente illustrate le caratteristiche di questi modelli.

Il MOBILE è un modello di simulazione statico sviluppato negli USA nel 1975 [Bullin, 1990]. Esso si basa su esperienze riguardanti il parco veicolare statunitense e viene aggiornato periodicamente sulla base dell’evoluzione della composizione di tale parco negli anni [Horowitz, 1982].

Le emissioni di base sono specificate in funzione della velocità media del moto dei veicoli con espressioni diverse a seconda delle categorie veicolari individuate. Queste ultime sono sei: autovetture, veicoli commerciali leggeri con peso totale minore di 6000Ib, veicoli commerciali leggeri con peso totale compreso tra 6000 e 8500lb, veicoli pesanti a benzina, veicoli pesanti a gasolio, motocicli. Le emissioni medie di base sono poi corrette da coefficienti che tengono conto dell’anno di fabbricazione, del peso trasportato, della temperatura ambiente, della temperatura di funzionamento del motore, ecc.

Per ogni flusso di traffico specificato vengono, infine, calcolate le funzioni di emissione medie composite (fattore di emissione composito), pesate non solo in base alla composizione del parco, ma anche al parametro dato dai veicoli*km percorsi [US

EPA, 1978].

Il modello FREQ è costituito dall’adattamento del modello MOBILE alle condizioni del parco veicolare circolante in California, tradizionalmente diverse da quelle del resto degli USA a causa del sistema normativo indipendente di cui tale Stato si avvale.

Sviluppato in collaborazione dallo University of California Institute of Transportation Studies (CALTRANS) e dallo State of California Air Resources Board, il modello FREQ, consiste sostanzialmente in una serie di matrici di coefficienti atti a sostituire quelli presenti nel modello MOBILE. Gli sviluppi più recenti del modello hanno incluso un aggiornamento dei coefficienti all’anno 1990 e la definizione di un fattore di crescita

della domanda, che permette di analizzare la sensibilità del modello alle variazioni della

domanda in ingresso [Ostorm et al., 1991].

Un esempio di modello statico per il calcolo delle emissioni inquinanti, dovute al traffico stradale, è fornito dalla metodologia CORINAIR, elaborata dal CORINAIR

Working Group on Emission Factorsfor Calculating Emissionsfrom Road Traffic,

nell’ambito di un progetto della Commissione delle Comunità Europee DG XI [Eggleston et al., 1991]. La metodologia è finalizzata alla compilazione di un inventario delle emissioni totali in tutti gli stati membri della CEE è stata sviluppata per l’anno 1985 e successivamente aggiornata nel 1990.Le sostanze inquinanti esaminate sono 10: gli ossidi di azoto NOx (NO ed NO2 in massa equivalente di NO2), l’ossido di biazoto N2O, gli ossidi di zolfo SOx,, il metano CH4, gli idrocarburi volatili non metanici NIMVOC (in massa equivalente di CH4), il monossido di carbonio CO, l’anidride carbonica CO2 , l’ammoniaca NH3, il particolato e i composti di piombo (espressi in massa di Pb equivalente).

Le funzioni di emissione sono, inoltre, differenziate per area geografica, per le caratteristiche del parco veicolare, per il tipo di strada. La determinazione delle funzioni è stata condotta con metodi di estrapolazione su dati statistici, resi disponibili dagli Stati Membri della CEE.

L’influenza sulle emissioni delle caratteristiche costruttive dei veicoli, è stata considerata attraverso la suddivisione del parco veicolare in 38 diversi gruppi appartenenti a 10 categorie.

L’identificazione dei gruppi è riportata in tabella 3.4. Le caratteristiche operative riguardanti il moto dei veicoli, sono rappresentate dalla velocità media oppure dal tipo di strada di riferimento (urbana, rurale ed extraurbana/autostradale).

Le emissioni inquinanti sono suddivise in tre tipi diversi: le emissioni a regime termico, le emissioni in transitorio termico (a freddo) e le emissioni evaporative, limitate queste ultime ai veicoli a benzina e agli idrocarburi volatili non metanici (NMVOC). Le emissioni dovute alle operazioni di rifornimento di combustibile non sono invece prese in considerazione. Le emissioni a regime termico sono espresse per ogni inquinante i e gruppo di veicoli g, attraverso un fattore lineare di emissione espresso in g*veic-1*km-1:

(3.72)

oppure, alternativamente, dal fattore, dEi,g,kBase nel quale il parametro k, che definisce il tipo di strada rappresenta e le condizioni medie del moto. Dall’espressione precedente si

può ricavare il fattore di emissione medio pesato per gruppo veicolare, attraverso la percentuale Cgdi veicoli del gruppo g del parco al quale si riferisce l’analisi:

(3.73)

Le emissioni totali (in grammi) si calcolano, quindi, moltiplicando il fattore di emissione medio per il numero VKM di veicoli-km:

(3.74)

A queste emissioni di base, si aggiunge l’aliquota di emissioni dovute al funzionamento in transitorio termico dei veicoli. Essa viene espressa attraverso il rapporto medio tra le emissioni a freddo e quelle a caldo, la frazione btrdi lunghezza mediamente percorsa con motore freddo (funzione quest’ultima delle altre variabili

y1.. ynfra cui la temperatura ambiente, la lunghezza media degli spostamenti, ecc.) e le emissioni di base:

Tab. 3.4. Gruppi veicolari secondo la class CORINAIR

Per gli idrocarburi volatili si computano, infine, i contributi dovuti ai tre fattori di emissione evaporativa diurna, in moto e hot soak.

Un modello di emissione statico valido per un parco veicolare, rappresentativo dell’attuale realtà italiana ed europea, è stato messo a punto da Tartaglia (1996). Secondo questo modello, per un veicolo appartenente alla categoria g, le emissioni di base dell’inquinante i sono:

dove i coefficienti b dipendono sia dalla sostanza inquinante che dal tipo di veicolo. La relazione sopra riportata è riferita alla classificazione dei veicoli mostrata in tab. 3.5, la quale tiene conto delle caratteristiche di omologazione adottate dalla Comunità Europea e recepite anche in Italia.

I coefficienti b del modello sono calcolati in maniera da approssimare, con una funzione quadratica della velocità media del moto, i risultati forniti dal modello dinamico Modem oppure, per quelle categorie veicolari non previste dal modello Modem, dal modello statico CORINAIR. La precisione dell’approssimazione si è rivelata molto alta, con errori, rispetto ai modelli di partenza, contenuti al di sotto del 3%.

La generica equazione sopra definita è valida in un intervallo di velocità comprese tra

0 e 110 km/h. La scelta di mantenere una relazione di secondo grado per le emissioni

per ogni categoria di veicoli, è stata effettuata allo scopo di esprimere in forma semplice le emissioni dovute a un flusso di traffico di caratteristiche fissate. Le funzioni di emissione di base composite sono espresse da:

(3.77)

dove cg è la percentuale di veicoli di categoria g compresi nel parco veicolare

considerato ed ngè il numero totale di categorie.

Le sostanze inquinanti considerate nel modello sono il CO, gli HC, gli NOxil CO2, il PTS e il NO2.

In mancanza di dati al riguardo, le funzioni di emissione per quest’ultimo inquinante, non sono direttamente ricavate dai modelli Modem e CORINAIR, ma specificate supponendo che il rapporto tra la massa di NO ed NOx si mantenga costante al variare della velocità e delle altre condizioni al contorno e che sia pari a 0,2 per i veicoli diesel e 0,1 per i veicoli a benzina [Heyewood, 1988].

I coefficientib del modello sono riportati in tab. 3.6 per alcuni inquinanti e le diverse categorie veicolari. Nella stessa tabella sono, inoltre, riportati i coefficienti a, utili a calcolare le funzioni di emissione di base composite, relative al parco dei veicoli

immatricolati in Italia nel 1991 (la cui composizione è indicata come IT 1991) secondo la relazione:

(3.78)

Tab. 3.6 Coefficienti per il calcolo c emissioni di base di alcuni inquinanti nel modello di emissione statico per il parco veicolare europeo [Tartaglia, 1996].

Tab. 3.6b - Coefficienti per il calcolo delle emissioni di base di alcuni inquinanti nel modelli emissione statico per il parco veicolare europeo [Tartaglia, 1996]

Le sovraemissioni dovute al funzionamento a freddo dei veicoli, sono tenute in conto adottando la procedura proposta dal modello CORINAIR ,illustrato in precedenza.

Si ha cioè che:

(3.79)

dove i coefficienti t dipendono dal tipo di veicolo e di inquinante e T è la temperatura dell’aria esterna (Tab. 3.7).

Gruppo Coeff. CO NOx HC PTS

t1 -0,09 -0,006 -0,06 -

Benzina convenzionali

t2 3,70 1,14 -0,006 -

t1 -0,09 2,80 -0,06 -

Benzina closed loop

t2 3,70 3,66 -0,013 - t1 -0,03 12,59 -0,09 -0,1 Auto Diesel t2 1,90 1,30 -0,006 3,1 t1 -0,09 3,10 -0,06 - Auto LPG t2 3,66 0,98 2,24 -

(+) con dispositivi di controllo delle perdite dal sistema di alimentazione

Tab. 3.7 Coefficienti per il calcolo delle sovraemissioni dovute al funzionamento a freddo dei veicoli

Le sovraemissioni dovute alla pendenza p della via sono invece state calcolate come segue:

(3.80)

dove il coefficiente kig , che dipende dal tipo di inquinante e dalla categoria veicolare, può essere desunto dalla letteratura. A causa della mancanza di dati utili, il modello non tiene conto delle sovraemissioni evaporative di HC. Per ciò che concerne le variazioni di emissione dovute all’evoluzione dello stato della meccanica del veicolo, si può ritenere che esse siano implicitamente considerate dalle funzioni di emissione di base, le quali non si riferiscono a veicoli nuovi ma a veicoli in uno stato medio della meccanica. Il fattore di emissione composito è quindi dato da:

(3.81)

ed espresso in g*km-1 . A questo punto può essere calcolata l’emissione media QL,

dovuta a un flusso di traffico f, in cui i veicoli siano presenti nella percentuale precedentemente assunta e si muovano tutti con la medesima velocità media. Se il flusso è espresso in veicoli*h-1 , si ha che QL viene espressa in g*m-1*s-1 nella maniera

seguente:

3.11. Conclusioni

Tra i modelli di emissioni, quelli che sono di più facile implementazione sono i modelli di tipo statico che richiedono caratteristiche motoristiche e cinematiche medie dei singoli tronchi stradali o degli accessi semaforizzati.

I modelli di tipo dinamico, sono più complessi nella loro implementazione, ma danno dei risultati più dettagliati e puntuali sia delle emissioni veicolari che delle emissioni lineari.

Nel capitolo 7 si presenterà un modello di emissione di emissione veicolare dinamico che tiene conto dei parametri motoristici del parco veicolare e delle caratteristiche cinematiche dei veicoli che circolano lungo un acceso semaforizzato. Si proporrà, inoltre, una metodologia per il calcolo delle emissioni lineari per singoli tratti elementari di accessi semaforici, mettendo in relazione oltre alle caratteristiche sopra citate, anche le caratteristiche di regolazione semaforica.

4.1. Introduzione

Il modello è in generale uno strumento fisico o matematico che, riproducendo in modo più o meno approssimato un fenomeno complesso ne aiuta la comprensione e ne simula gli effetti. Nel caso dei fenomeni di inquinamento atmosferico è la descrizione del rapporto intercorrente tra l'attività delle sorgenti inquinanti e la qualità dell'aria interessata all'emissione che si avvale in modo particolare dello strumento modellistico. Al di là di esperienze molto specifiche, basate sulla simulazione fisica del fenomeno, l'approccio di gran lunga più utilizzato e quello matematico, che le enormi disponibilità di calcolo hanno reso largamente accessibile.

La valutazione degli effetti di attività inquinanti sulla qualità dell'aria ed in definitiva sui soggetti esposti all'inquinamento è un processo complesso che può avvalersi di schemi modellistici in sequenze per descrivere l'attività delle sorgenti e le relative emissioni, la distribuzione degli inquinanti nell'ambiente e l'esposizione dei soggetti.

I percorsi concettuali che portano alla formulazione di un modello sono molto diversificati anche in funzione delle esigenze specifiche della valutazione La descrizione della distribuzione degli inquinanti nell'ambiente atmosferico, delle trasformazioni e delle rimozioni che vi avvengono sono gli obiettivi dei modelli qualità dell'aria.