Source: http://docplayer.fi/179219-Ehdotus-tuulivoimamelun-mallinnuksen-laskentalogiikkaan-ja-parametrien-valintaan-tutkimusraportti.html
Timestamp: 2018-05-22 19:16:03+00:00
Document Index: 569807

Matched Legal Cases: ['kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ', 'kko ']

Ehdotus tuulivoimamelun mallinnuksen laskentalogiikkaan ja parametrien valintaan TUTKIMUSRAPORTTI - PDF
Download "Ehdotus tuulivoimamelun mallinnuksen laskentalogiikkaan ja parametrien valintaan TUTKIMUSRAPORTTI"
Julia Jutta Kivelä
1 TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R Ehdotus tuulivoimamelun mallinnuksen laskentalogiikkaan ja parametrien valintaan Kirjoittajat: Luottamuksellisuus: Hannu Nykänen, Seppo Uosukainen, Denis Siponen, VTT Carlo Di Napoli, Pöyry Finland Oy Veli-Matti Yli-Kätkä, Janne Ristolainen, Ramboll Finland Oy julkinen
4 2 (52) Jakelu (asiakkaat ja VTT) Ympäristöministeriö, Nunu Pesu: 1 kpl Energiateollisuus ry, Heidi Lettojärvi: 1 kpl Suomen tuulivoimayhdistys ry, Anni Mikkonen: 1 kpl Pöyry Finland Oy, Carlo Di Napoli: 1 kpl Ramboll Finland Oy, Janne Ristolainen: 1 kpl VTT: 1 kpl VTT:n nimen käyttäminen mainonnassa tai tämän raportin osittainen julkaiseminen on sallittu vain VTT:ltä saadun kirjallisen luvan perusteella.
5 3 (52) Alkusanat Ympäristöministeriö, Energiateollisuus ry ja Suomen Tuulivoimayhdistys ry rahoittajina ovat käynnistäneet lokakuussa 2012 hankkeen, jonka tulosten pohjalta on mahdollista laatia yksityiskohtainen ohjeistus tuulivoimaloiden melun mallintamiseen ja mittaamiseen. Hankkeesta käytetään nimilyhennettä TUULIVOIMAMELU. Hankkeen ovat toteuttaneet toteuttajaosapuolet, joista päävastuullisena osapuolena on toiminut VTT. Kaksi muuta toteuttajaosapuolta ovat Pöyry Finland Oy ja Ramboll Finland Oy. Hankkeen yhteydessä on laadittu myös diplomityö Aalto-yliopiston Sähkötekniikan korkeakoulun Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitokselle. Tämä diplomityö julkaistaan erikseen. Hanketta on ohjannut ympäristöministeriön johtama ohjausryhmä, joka koostui rahoittaja- ja toteuttajosapuolten edustajista. Tässä osaraportissa kuvataan yleisellä tasolla tuulivoimaloiden äänentuottoa, äänen leviämistä ja leviämiseen liittyviä todennäköisyyksiä eri maasto- ja sääolosuhteissa. Ehdotus ohjeistukseksi on laadittu yhteenvedoiksi kahteen taulukkoon lukuun 5 sekä laajennettuna varsinaiseksi ohjeistusehdotukseksi liitteeseen 1. Näissä on annettu ohjeet mallinnuksen laskentalogiikkaan ja parametrien valintaan. Ympäristöministeriö valmistelee ja julkaisee varsinaisen tuulivoimaloiden melun mallinnusja mittausohjeen tämän hankkeen tuloksia hyödyntäen. Espoo, Tekijät
6 4 (52) Sisällysluettelo Alkusanat Johdanto Tavoite Melumallinnusohjeistuksen perusteet Melumallinnuksen kokonaisuus Melumallinnusohjeistuksen logiikka Tuulivoimalan melupäästö Mallinnuksessa käytettävä melupäästöarvo Tuulivoimalan melun impulssimaisuus ja vaihteluvoimakkuus (amplitudimodulaatio) Äänilähteen suuntaavuusproblematiikka Äänen eteneminen Pistelähteen tuottama äänitaso tarkastelupisteessä Geometrinen etäisyysvaimennus Ilmakehän absorption aiheuttama vaimennus Maaperän vaikutus Meteorologinen korjaus Pientaajuisen melun etenemisvaimennus Laskentalogiikan ja parametrivalinnan testaus eri laskentaohjelmilla Mallien lähtötiedot ja immissiopisteiden lasketut A-äänitasot Emissio Immissio Maasto Sää Oletusarvoilla lasketut immissiotasot Varioidut parametrit Vertailutulosten esittämistapa Mallinnusohjelmistojen keskinäinen vertailu Mallinnusparametrien ohjelma- ja algoritmikohtaiset vertailut Etenemismallien keskinäinen vertailu Variointien yhteenveto Parametrien herkkyystarkastelut Mallinnusten vertailu Viivalähteiden vaikutus Turbulenttisuuden vaikutus Maanpinnan ominaisvirtausvastuksen vaikutus Maanpinnan karheustermin vaikutus Tuulensuunnan vaikutus A-äänitasoon Muita huomioita... 42
7 5 (52) Herkkyystarkastelujen johtopäätökset Melumallinnusohjeistusten yhteenveto Kaavoitus-, YVA- ja rakennuslupavaiheen melumallinnus Hankekohtaisen suojaetäisyyden määrittäminen Hankekohtaisen suojaetäisyyden alittavan sijoituspaikan häiritsevyystarkastelu Ympäristölupavaiheen melumallinnus Tuulivoimaloiden melun haittavaikutusten vähentäminen Häiritsevyystarkastelu Taustamelun vaikutuksen huomioiminen Yhteenveto Lähdeviitteet... 51
8 6 (52) 1 Johdanto Suomen energia- ja ilmastostrategian mukaisena tavoitteena on lisätä tuulivoimalla tuotetun energian määrää 9 TWh:iin vuoteen 2025 mennessä. Tämä tarkoittaa tuulivoimakapasiteetin lisäämistä nykyisestä noin 220 megawatista noin 3750 megawattiin. Tuulivoimaloiden sijoittumiseen vaikuttavat keskeisesti teknistaloudelliset tekijät sekä sijaintialueiden ympäristöarvot ja muu alueiden käyttö. Ympäristöministeriö on heinäkuussa 2012 julkaissut tuulivoimarakentamisen suunnitteluun oppaan [1], jossa tuulivoimaloiden suunnitteluun on annettu yleiset ohjeet. Opas sisältää ohjeita myös tuulivoimaloiden meluvaikutusten arviointiin sekä suunnitteluohjearvot tuulivoimaloiden melulle altistuvien kohteiden ulkomelutasoille. Oppaassa todetaan lisäksi, että tuulivoimaloiden melulle altistuvien rakennusten pienitaajuisen melun sisämelutasojen suunnitteluohjearvot löytyvät Sosiaali- ja terveysministeriön julkaisemasta Asumisterveysohjeesta [2]. Sisämelutasojen suunnitteluohjearvojen mukaisuus voidaan määrittää mittaamalla tai arvioida ulkomelutasojen perusteella ottamalla huomioon rakennusten vaipan ääneneristävyys. Melu on ääntä, jonka ihminen kokee epämiellyttävänä tai häiritsevänä tai joka on muulla tavoin ihmisen terveydelle vahingollista taikka hänen muulle hyvinvoinnilleen haitallista. Melu vaikuttaa ihmisten terveyteen, elinympäristön viihtyisyyteen ja kiinteistöjen sekä maan arvoon. Melun aiheuttamia haittoja säädellään melupäästöön, melutasoon ja melualtistukseen kohdistuvilla vaatimuksilla ja toimenpiteillä. Tavoitteena on toimia ennakoivasti ja suunnittelun keinoin. Tuulivoimaloiden tuottama ääni saattaa poiketa muusta, esimerkiksi liikenteen tuottamasta, äänestä melulle altistuvassa kohteessa sekä ominaisuuksiltaan että melun koetun häiritsevyyden osalta. Tämän vuoksi tuulivoimalat edellyttävät erillistä ääniteknistä mitoitus- ja todentamisohjeistusta. Tuulivoimarakentamisessa mahdollisesti syntyvän melun haittavaikutusten kustannustehokas torjunta edellyttää tätä tarkoitusta varten hyödynnettävää metodiikkaa, jolla tuetaan tuulivoimamelun suunnitteluohjearvojen soveltamista [1, s. 61]. Ympäristöministeriö, Energiateollisuus ry ja Suomen Tuulivoimayhdistys ry rahoittajina käynnistivät lokakuussa 2012 hankkeen, jonka tulosten pohjalta on mahdollista laatia yksityiskohtainen ohjeistus Tuulivoimarakentamisen suunnitteluoppaan suunnitteluohjearvojen soveltamiseen. Hankkeesta käytetään nimilyhennettä TUULIVOIMAMELU. Hankkeen ovat toteuttaneet toteuttajaosapuolet, joista päävastuullisena osapuolena on toiminut VTT. Kaksi muuta toteuttajaosapuolta ovat Pöyry Finland Oy ja Ramboll Finland Oy. Hankkeen yhteydessä on laadittu myös diplomityö Aalto-yliopiston Sähkötekniikan korkeakoulun Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitokselle. Tämä diplomityö julkaistaan erikseen. Hanketta on ohjannut ympäristöministeriön johtama ohjausryhmä, joka koostui rahoittaja- ja toteuttajosapuolten edustajista. Tässä osaraportissa kuvataan yleisellä tasolla tuulivoimaloiden äänentuottoa, äänen leviämistä ja leviämiseen liittyviä todennäköisyyksiä eri maasto- ja sääolosuhteissa. Ehdotus ohjeistukseksi on laadittu yhteenvedoiksi kahteen taulukkoon lukuun 5 sekä laajennettuna varsinaiseksi ohjeistusehdotukseksi
9 7 (52) liitteeseen 1. Ohjeistusehdotuksessa on otettu kantaa ratkaisuvaihtoehdoksi erilaisia vaihtoehtoja sisältäviin asioihin. Ehdotus ohjeistukseksi on laadittu siten, että laskenta- ja mittaustulosten epävarmuudet ovat ennakoitavissa ja hyväksyttävän pienet, tulokset ovat jäljitettäviä ja riittävällä asiantuntemuksella laajasti hyödynnettäviä. Ehdotus ohjeistukseksi on laadittu ja se on testattu siten, että se mahdollistaa yleisimmin Suomessa käytettyjen kaupallisten laskentaohjelmien hyödyntämisen. 2 Tavoite Tuulivoimamelu-hankkeen osatehtävän 1 Laskentalogiikka ja parametrien valinta tavoitteena oli kehittää ehdotus ohjeistukseksi tuulivoimalamelun mallinnukseen laskentalogiikkaan ja eri tilanteissa sovellettavien parametrien valintaan. Ohjeistus mahdollistaa yhtenevän ja ennakoitavan käytännön tuulivoimalamelun mallinnukseen kaupallisia mallinnusohjelmistoja käytettäessä. 3 Melumallinnusohjeistuksen perusteet 3.1 Melumallinnuksen kokonaisuus Äänen eteneminen tuulivoimalasta altistuvaan kohteeseen ja siihen vaikuttavat tekijät voidaan kaavamaisesti kuvata lähde => etenemistie => altistuva kohde kokonaisuutena (kuva 1). Mallinnuksen kannalta tärkeimmät tekijät ovat lähteen melupäästön (äänitehon) suuruus ja melun etenemisvaimennukseen liittyvät tekijät. Tuuliturbiini(e)n mitatun A-painotetun äänitehotason lisäksi tai sijasta tiedossa tulee olla melupäästön tunnusarvo tai valmistajan ilmoittama takuuarvo sekä melupäästöön mahdollisesti liittyvät erityisen häiritsevät melukomponentit: melun kapeakaistaisuus, melun impulssimaisuus ja melun jaksollinen vaihtelu (amplitudimodulaatio). Lisäksi pientaajuinen melu tulee aina tarkastella erikseen. Äänen etenemiseen vaikuttavat ympäristö ja sääolosuhteet. Ohjeistusehdotuksessa on esitetty ne laskennassa tarvittavat parametrit, joilla päästään riittävään laskentatarkkuuteen. Lähtökohtana on ympäristömelun mallinnuksen kansainvälinen standardi ISO [3], mutta myös kahta muuta käytössä olevaa menetelmää Nord2000 [4] ja Concawe [5] on tarkasteltu mallinnusmenetelmävaihtoehtoina. Myös maastotietojen tarkkuuden vaikutusta (laserkeilaukseen perustuva data) ja hyödyntämistä mitoituksessa on tarkasteltu etenemisosassa.
10 8 (52) Äänen lähteet: Äänen eteneminen: Altistuva kohde aerodynaaminen (roottori) mekaaninen (koneisto) etäisyys tuuligradientti ilman absorptio maaperän muoto pinnan laatu (vesi, maa) Kuva 1. Tuulivoimamelun mallinnuksen kokonaisuus [6, soveltaen]. 3.2 Melumallinnusohjeistuksen logiikka melutaso ja melun luonne ulkona ja sisällä taustamelun taso rakennuksen värähtely (ei tarkastella tässä yhteydessä) Melumallinnusohjeistuksen logiikkaa lähdetään tässä raportissa tarkastelemaan tuulivoima-alueiden suunnittelulogiikan ja hyväksyntäprosessin näkökulmasta. Melumallinnuksen epävarmuus on tarkastelussa ja ohjeistuksessa sisällytetty laskennassa käytettyyn tuuliturbiinien melupäästön arvoon. Mallinnuksessa tuuliturbiinien melupäästölle on siis käytettävä riittävän suurta varmuutta (valmistajan ilmoittamaa tunnus- tai takuuarvoa, jossa varmuus melupäästön mahdollisessa verifioinnissa on noin 95 %), jotta mallinnuksessa voidaan käyttää tähtäysarvona suunnitteluohjearvoa ja äänen etenemisen ja ympäristöolosuhteiden mallinnukseen vakioituja sää- ja ympäristöolosuhdearvoja. Yksittäisen tuulivoimalan tai tuulivoima-alueen suunnittelussa meluun liittyvä suunnittelu tapahtuu kolmessa tai neljässä päävaiheessa: Esisuunnitteluvaiheessa hankkeen käynnistäjä laatii arvion tuulivoimalan tai tuulivoima-alueen tulevien turbiinien maksimikoolle ja maksimilukumäärälle ottaen huomioon myös yksittäisen tuuliturbiinin tai tuulivoima-alueelle tulevien tuuliturbiinien melupäästöjen suuruuden. Kaavoitus- ja mahdollisessa ympäristövaikutusten arviointimenettelyvaiheessa (YVA-menettely) tuuliturbiini(e)n koolle on ilmoitettava yksityiskohtaiset, vaihtoehtoiset tiedot (tuuliturbiinien lukumäärä ja paikat, teho, korkeus, roottorin halkaisija, melupäästötiedot), joita voidaan käyttää tuulivoimaloiden meluvaikutusten arviointiin mallintamalla (kaavoitus, YVA- ja rakennuslupavaiheen melumallinnus, ks. luku 5.1). Rakennuslupavaiheessa on oltava tiedossa valittu vaihtoehto, ja vasta tässä vaiheessa voidaan lopullisesti arvioida valitun ratkaisun meluvaikutukset melumal-
11 9 (52) linnuksen avulla. Mikäli valittu ratkaisu on joku jo edellisessä vaiheessa tarkastelluista suunnitteluvaihtoehdoista, uutta melumallinnusta ei kuitenkaan tarvita. Mikäli tuulivoimalalle tai tuulivoima-alueelle käynnistetään ympäristölupaharkinta eli edellisen suunnitteluvaiheen melumallinnus osoittaa, että tuulivoimala tai tuulivoima-alue voi aiheuttaa meluhäiriötä (melun suunnitteluohjearvot ylittyvät) jossain tai joissain altistuvista kohteista, tarvitaan tarkennettu melumallinnus ympäristölupaharkintaa ja -menettelyä varten (ympäristölupavaiheen melumallinnus, ks. luku 5.4). Tässä raportissa melumallinnusta tarkastellaan kolmen viimeisen suunnitteluvaiheen osalta. Esisuunnitteluvaiheen melumallinnus on täysin hankkeen toteuttajan valittavissa, mutta kolmen viimeisen suunnitteluvaiheen osalta voidaan lupamenettelyihin liittyen edellyttää tiettyjen melumallinnuksen menettelytapojen noudattamista. Luonnollisesti hankkeen toteuttajan kannattaa jo esisuunnitteluvaiheessa noudattaa mahdollisimman pitkälti olemassa olevaa ohjeistusta, jotta melumallinnuksen tulokset ovat yhdenmukaiset koko toteutusprosessin ajan. Tämän raportin ohjeistusehdotuksessa on päädytty kaksiosaiseen melumallinnustarkasteluun: Kaavoitus- ja mahdollisessa YVA-menettelyvaiheessa meluvaikutusten tarkastelu perustuu turbiinien melupäästön ylärajatarkasteluun. Suunniteltujen tuuliturbiinien melupäästölle on käytettävä valmistajan ilmoittamaa tunnus- tai takuuarvoa. Melupäästön takuuarvoon sisällytetään koko laskennan epävarmuus, jolloin etenemislaskennassa voidaan käyttää ISO standardiin perustuvia vakioituja äänen etenemiseen liittyviä sää- ja ympäristöolosuhdearvoja. Vain maaston pinnan laatu ja muoto otetaan erillisinä huomioon seuraavasti: o tuulivoimala sijaitsee akustisesti kovan heijastavan pinnan ympäröimänä (kuvaa tilannetta, jossa tuulivoimala on veden ympäröimä) o tuulivoimala sijaitsee tyypillisellä sisämaan sijoituspaikalla (kohtalaisen tasainen pelto-metsä-järvialue, jossa hankealueen korkeuserot ovat enintään 40 m) o hankealueen korkeuserot ovat yli 40 m eli tuulivoimalan perustukset sijaitsevat korkealla suhteessa melulle altistuvan kohteen maanpinnan korkeuteen (esimerkiksi korkeat kummut ja tunturit). Kaavoitusvaiheessa ja YVA-menettelyssä voidaan tarkastella useita turbiinityyppi-, lukumäärä- ja sijoitusvaihtoehtoja ja mallintaa eri vaihtoehtojen tuottamia melualueita. Rakennuslupavaiheen melumallinnuksessa tarkastellaan vain toteutukseen valittua vaihtoehtoa. Uutta melumallinnusta ei kuitenkaan tarvita, mikäli valitun vaihtoehdon on todettu alittavan suunnitteluohjearvot. Ympäristölupaharkinnassa melumallinnusta tulee tarkentaa sekä valittujen turbiinityyppien melupäästön että äänen etenemiseen liittyvien parametrien osalta. Turbiinien melupäästön mallinnuksessa on kuitenkin edelleen käytettävä valmistajan ilmoittamaa tunnus- tai takuuarvoa. Äänen etenemiseen liittyvät parametrit tulee valita sijoituspaikalla vallitsevien todellisten olosuhteiden mukaiseksi. Tämä edellyttää kuitenkin ISO mallista poikkeavaa, tarkempaa mallinnusmenetelmää Nord2000. Ympäristö-
12 10 (52) lupavaiheessa on tarkasteltava miten häiritsevän melun alueelle mahdollisesti jäävien asuinrakennusten, loma-asumiseen tarkoitettujen rakennusten tai muiden erityistä suojaa vaativien alueiden meluhäiriö saatetaan hyväksyttäviin rajoihin. 3.3 Tuulivoimalan melupäästö Mallinnuksessa käytettävä melupäästöarvo Tuulivoimalan tai tuulivoima-alueen suunnitteluvaiheessa turbiinien äänitehotiedot (melupäästötiedot) ovat yleensä turbiinien suunnitellun toimittajan ilmoittamia tietoja. Mallinnuksessa on ehdottomasti käytettävä lähtötietoina standardin IEC [7] mukaisten mittausten perusteella määritettyjä ja valmistajan ilmoittamia tuuliturbiinien tunnus- tai takuuarvoja (valmistajan ilmoittama declared value tai warranted level ) Äänitehotasot ilmoitetaan 1/3-oktaaveittain keskitaajuuksilla 20 Hz Hz 1. ja oktaaveittain keskitaajuuksilla 31,5 Hz Hz. Äänitehotasot tulee olla saatavilla 10 m:n referenssikorkeutta vastaavilla tuulen nopeuksilla 8 m/s ja 10 m/s. Melupäästötietojen saamisessa haasteena on usein tietojen saaminen melupäästön mahdollisesta kapeakaistaisuudesta, melun impulssimaisuudesta ja melun jaksollisesta vaihtelusta (amplitudimodulaatiosta). Valmistajat eivät välttämättä erikseen pyytämättä toimita näitä tietoja, joten tuulivoimalan rakentajan on varmistettava, että tiedot ovat saatavilla. Oman haasteensa muodostaa se, että standardi IEC ei sisällä ohjeita äänen impulssimaisuuden tai jaksollisen vaihtelun (amplitudimodulaation) asteen määrittämiseen, joten näiltä osin tuulivoimalan rakentaja joutuu tyytymään turbiini(e)n valmistajan arvioon. Laskentalogiikassa perustietona on siis tuulivoimalan valmistajan ilmoittama tuulivoimalan melupäästön tunnus- tai takuuarvo. Kansainvälisessä tuotteiden ja tuotesarjojen melupäästöä koskevassa standardisarjassa ISO 7574 [8] tilastollinen hyväksyttävyys on määritelty siten, että tuotesarja hyväksytään markkinoille (todetaan mahdollisessa verifioinnissa hyväksyttäväksi), jos valmistajan ilmoittamalla melupäästön tunnusarvolla on 95 %:n varmuus sille, että enintään 6,5 % tuotteiden melupäästöstä ylittää ilmoitetun melupäästön tunnusarvon. Standardissa IEC TS [9] kuvataan ISO 7574 standardisarjaa yksinkertaisemmin, miten IEC mukaan tehdyistä mittauksista voidaan johtaa melupäästön tunnus- tai takuuarvo ( declared value ) siten, että mahdollisessa verifioinnissa (päästöarvon oikeellisuuden mahdollisessa todentamisessa) varmuus hyväksymiselle on noin 95 %. Tunnus- tai takuuarvomenettelyä sovelletaan tuulivoimaloihin siten, että valmistajan tuulivoimalan A-painotetulle äänitehotasolle (L WA ), pienitaajuisen melun päästölle sekä melupäästön kapeakaistaisuudelle, impulssimaisuudelle ja amplitudimodulaatio-ominaisuudelle antamista tunnus- tai takuuarvoista laskien määritetään melutason arvot melulle altistuvissa kohteissa. Äänen etenemislaskennassa käytetään mallinnusohjeessa vakioituja ISO standardiin perustuvia sää- ja ympäristöolosuhdearvoja (kaavoitus-, YVA- ja rakennuslu- 1 Vanhemmille, ennen vuoden 2012 joulukuuta testatuille tuulivoimalatyypeille voidaan hyväksyä standardin vanhemman version [12] mukaisesti 1/3 oktaavikaistoittaiseksi taajuusalueeksi 50 Hz Hz. Pientaajuisen melun vaikutus immissiopisteissä on tällöin tarkastettava erikseen.
13 11 (52) pavaiheen melumallinnus) ja mallinnusmenetelmää Nord2000 (ympäristölupavaiheen melumallinnus). Jälkimmäistä menetelmää käytettäessä äänen etenemiseen liittyvät parametrit voidaan ja tulee valita sijoituspaikalla vallitsevien todellisten olosuhteiden mukaisiksi. Melun kapeakaistaisuudelle, impulssimaisuudelle ja amplitudimodulaatio-ominaisuudelle edellytettävä + 5 db:n korjaus tehdään vain sellaisissa tapauksissa, joissa joku tai jotkut näistä esiintyvät valmistajan ilmoittamina äänitehon määrityspisteessä tai altistuvassa kohteessa Tuulivoimalan melun impulssimaisuus ja vaihteluvoimakkuus (amplitudimodulaatio) Tuulivoimalan melu voi sekä äänitehon määrityspisteessä että altistuvassa kohteessa kuultuna olla impulssimaista tai amplitudimoduloitunutta. Impulssimaisuus on erityisesti vanhemmissa standardeissa määritetty usein äänitasomittarin impulssiaikavakiolla mitatun A-painotetun ekvivalenttitason (L paieq ) ja vastaavalta aikaväliltä määritetyn A-painotetun ekvivalenttitason (L paeq ) erotuksena, esim. [10, Annex D]. Impulssimaisuuden toteaminen on suhteellisen yksinkertaista kaksikanavaisella äänitasomittauksella. Melu määritellään impulssimaiseksi, jos erotus on suurempi kuin 3 db. Tuulivoimalan melun jaksottaisen vaihtelun (amplitudimodulaation) synnyttää yksittäisessä tuulivoimalassa ennen kaikkea tuuliprofiilin voimakas vertikaalinen muutos ja näin ollen lapaan kohdistuvan voiman voimakas vaihtelu yksittäisen lavan yhden kierroksen aikana. Tämä amplitudimodulaation tyyppi on riippuvainen meteorologisista olosuhteista ja esiintyy voimakkaimillaan stabiilissa ilmakehässä, tyypillisesti ilta- ja yöaikaan. Modulaatiota voidaan vähentää vähentämällä tuuliprofiilin aiheuttamaa kuormitusvaihtelua lapojen pinnoilla lapojen kohtauskulman säädöllä yhden kierroksen aikana (individual pitch control) tai alentamalla pyörimisnopeutta. Tuulivoima-alueen tapauksessa myös yksittäisten tuuliturbiinien synkroninen pyöriminen voi aiheuttaa amplitudimodulaatiota, mikä tässä tapauksessa on vain altistuvassa kohteessa havaittava ilmiö. Tämän tyyppinen amplitudimodulaatio voidaan ehkäistä säätämällä (ja vaihtelemalla) tarvittaessa yksittäisten tuuliturbiinien kierrosluku toisistaan poikkeavaksi synkronisen pyörimisen estämiseksi. Yksittäisen tuuliturbiinin tai tuulivoima-alueen synnyttämän melun vaihteluvoimakkuuden (amplitudimodulaation) määrittämiseen ei tällä hetkellä ole käytettävissä standardoitua menetelmää. Amplitudimodulaation asteen määrittämiseen on kuitenkin olemassa kansainvälisesti käytettyjä menetelmiä, esim. [11, s ], joita voidaan hyödyntää määritettäessä tuuliturbiini(e)n amplitudimodulaation astetta mahdollisissa turbiinien melupäästön ja tuulivoima-alueiden aiheuttamien immissiotasojen määrityksissä. Jos tuulivoimalan melun vaihtelu on hyvin hidasta (alle 0,25 Hz), kuulo ei havaitse sitä helposti. Jos taas vaihtelu on nopeaa (yli Hz), alkaa kuulon hitaus rajoittaa vaihtelun seurantakykyä ja ääniaistimus muuttuu karheaksi. Voimakkaimmin koetaan noin 4 Hz:n taajuinen vaihteluvoimakkuus. [11]
14 12 (52) Tuulivoimalan tuotaman melun amplitudimodulaation asteen ja tuulivoimalan melun häiritsevyyden välille ei kuitenkaan ole yksikäsitteistä arviointiasteikkoa, joten amplitudimoduloituneen melun mahdollinen häiritsevyys on selvitettävä kussakin tapauksessa erikseen Äänilähteen suuntaavuusproblematiikka Tuulivoimalan melulähteiden suuntaavuutta aiheuttavat lavan pyörimisen synnyttämä aeroakustinen melu sekä voimalamallikohtaisesti myös koneiston melu (esim. jäähdytysilman säleikköjen suuntaus). Tutkimuksissa ja empiirisissä mittauksissa on osoitettu, että lavan yli pyyhkäisevän ilmavirran turbulenssikohina on merkittävin lavan jättöreunalla. Tällöin syntyvä ääniemissio on luonteeltaan dipoli, jossa äänienergia on puolittunut ja vastakkaisvaiheinen lavan reunan eri puolilla. Syntyvä jättöreunamelun äänenpainetaso lähellä voimalaa on myötä- ja vastatuulen puolilla lähes yhtä voimakas ja 3 6 db alhaisempi sivutuulen puolella lavan molemmilla puolilla (kuva 2). Tästä syntyvä jättöreunamelun suuntaavuus on siis voimalan hetkellisestä suunnasta riippuvainen. Tuulivoimala seuraa kuitenkin mahdollisimman tarkasti hetkellistä tuulen suuntaa, jolloin pidemmän ajanjakson tarkasteluissa voimalan navan kääntyminen muuttaa jättöreunamelun suuntaavuuden vaikutusta tuulen suuntatilaston mukaisesti. Suuntaavuuteen voivat vaikuttaa myös koneiston laitteiden melun suuntaavuudet, jotka ovat voimalamallikohtaisia. Tuulivoimalan melun suuntaavuuden mittaus on ohjeistettu mm. IEC standardin Ed. 2.1 versiossa [12]. Tuulen suunta Kuva 2. Tuulivoimalaitoksen todennettuja suuntaavuuksia eri puolilla voimalaa IEC ed. 2.1 mittausetäisyydellä (= voimalan suurin korkeus, kuva vasemmalla: ref. [13], kuva oikealla: ref. [14]). Sivutuulen suunta on kuvissa atsimuuttiasteilla 90 ja 270, vastatuulen suunta on 180. Yleisesti suuntaavuutta ei melumalleissa huomioida mm. ohjelmistorajoitteiden vuoksi. Laskettaessa pitkän ajan teoreettista vaikutusta sellaiselle tilanteelle, jossa tuulen suunta olisi tilastollisesti yhtäläinen joka suuntaan, saadaan noin 0,5-1 db:n vähennys äänipäästön tasoon. Tuulen tilastolliset reaalisuunnat ovat kuitenkin täysin paikkakohtaisia, ja aiheuttavat siten sekä suuremman äänitason laskun että myös mahdollisen nousun mm. vastatuulen puolella. Koska vastatuulen puolella havaitaan kuitenkin yleisesti äänen kaareutumista ylöspäin ja siten äänitason voimakkaamman alenemisen etäisyyden kasvaessa suoran äänisäteen kulkuun
15 13 (52) verrattuna, olisi vastatuulen puolen korjaus todennäköisesti väärin vain suuntaavuutta tarkastelemalla. Horisontaalinen suuntaavuus onkin pääsääntöisesti vain IEC mukaisen äänipäästömittauksen etäisyydellä vaikuttava asia. 3.4 Äänen eteneminen Tässä osassasa tarkastellaan ympäristön sekä sään vaikusta melutasoon ja esitetään ne laskennassa tarvittavat parametrit, joilla päästään riittävään laskentatarkkuuteen. Lähtökohtana tarkastelusssa on ympäristömelun mallinnuksen kansainvälinen standardi ISO [3], mutta tarkastelussa on mukana myös kaksi muuta menetelmää Nord2000 [4] ja CONCAWE [5], joissa on ISO standardista poikkeavia lähestymistapoja ja joiltain osin oikeampaan mallinnustulokseen tähtäävä mallinnuslogiikka ja/tai parametrien valintamahdollisuus Pistelähteen tuottama äänitaso tarkastelupisteessä Pistelähteen tuottama keskiäänitaso tarkastelupisteessä lasketaan taajuuksittain kaavasta L ft L 0 A, (1) ftd missä L ftd0 on keskiäänitaso referenssietäisyydellä d 0 (= 1 m). Standardin ISO (kappale 6) mukaisesti L L D log (4 ), (2) ftd 0 W c missä L W on äänitehotaso desibeleissä (re 1 pw), D c on suuntaavuuskorjaus desibeleissä, koostuen suuntaavuusindeksin D I ja maaheijastuksesta aiheutuvan näennäistä äänitehon kasvua kuvaavan indeksin D summasta D c DI D. (3) Jälkimmäinen indeksi ottaa huomioon avaruuskulman, johon ääni leviää 4 D 10log10. (4) Jos ääni leviää vapaaseen avaruuteen, = 4, jolloin D = 0; jos puoliavaruuteen, = 2, jolloin D = 3. Korkeilla äänilähteillä pätee aina D = 0. Melumalleissa suuntaavuusparametrit voidaan syöttää ohjelmistosta riippuen joko koko suuntaympyrälle esim. 15 välein (SoundPlan) tai peilattavalle puoliympyrälle (CadnaA). Yksinkertaisemmissa laskentaohjelmissa, kuten WindProohjelmistossa, suuntaavuutta ei voi huomioida suuntaympyrän avulla.
16 14 (52) Termi A [db] on äänen etenemiseen liittyvä vaimennustermi A A A A A A, (5) div atm missä A div on geometrisen etenemisen aiheuttama vaimennus, A atm on ilmakehän absorption aiheuttama vaimennus, A gr on maaperän absorption aiheuttama vaimennus, A bar on äänen etenemistiellä olevien esteiden aiheuttama vaimennus ja A misc on muiden sekalaisten tekijöiden aiheuttama vaimennus. Standardissa ISO termi 10log 10 (4 ) = 11 on sisällytetty vaimennustermiin A div. Kaavan (5) mukainen etenemisvaimennus ei ota huomioon tuulen vaikutusta. Standardin ISO mukaan se pätee heikossa myötätuulessa, jossa tuulen nopeus on korkeintaan 5 m/s. Meteorologiset vaikutukset, mm. tuulen suunta, voidaan ottaa huomioon meteorologisella korjauksella C met, jolloin kaava (1) tulee muotoon gr bar misc L ft L A. (6) ftd 0 C met Tuulivoimalan roottorilapojen suuresta koosta johtuen tuulivoimalaa voidaan pitää pistelähteenä vasta hyvin kaukana lähteestä. Eräs kaukokentän ehdoista etäisyydelle r lähteestä on 2 2D r, (7) missä D on lähteen suurin dimensio ja on aallonpituus. Esimerkiksi roottorilavan dimensiolla 56 m (Iin Olhavan tuulivoima-alueen turbiinien lavan pituus, ks. luku 4) tämä johtaa minimietäisyyksiin 183 m, 1.83 km, 18.3 km ja 183 km taajuuksilla 10 Hz, 100 Hz, 1 khz ja 10 khz vastaavasti. Näin ollen tuulivoimalaa voidaan pitää pistelähteenä vain infraäänialueella, joten se tulisi periaatteessa mallintaa jakaantuneena lähteenä. Jakaantuneen lähteen tuottama äänenpaine laskee etäisyyden kasvaessa varsinkin lähteen läheisyydessä vähemmän kuin pistelähteen vastaava; lisäksi jakaantuneen lähteen suuntaavuus erityisesti lähteen läheisyydessä riippuu etäisyydestä. Pystysuora viivalähde on yksinkertaisin malli jakaantuneelle lähteelle [15]. Pistelähteen ja viivalähteen vaikutusta tuulivoimalan melumallinnustulokseen on tarkasteltu kappaleessa ja yleisesti ottaen voidaan todeta, että vaikutus on vähäinen. Ohjeistuksessa on ehdotettu kansainvälisen käytännön mukaisesti yksittäisen tuuliturbiinin melupäästön mallintamista navan kohdalle sijoitettuna pistelähteenä.
17 15 (52) Geometrinen etäisyysvaimennus Pistelähteen tuottama äänikentän geometrinen etäisyysvaimennus referenssietäisyydeltä tarkasteluetäisyydelle on d div 20log10 A db, (8) d 0 missä d on etäisyys lähteestä [m] ja d 0 on referenssietäisyys. Kaavan mukaan äänitaso alenee 6 db etäisyyden kaksinkertaistuessa. Kaava pätee myös geometrisen etäisyysvaimennuksen aiheuttamalle minkä tahansa kahden lähteestä eri etäisyydellä olevan pisteen äänitasoerolle. Viivalähteen tuottama äänitaso lähellä lähdettä alenee 3 db etäisyyden kaksinkertaistuessa ja kaavassa (8) kerroin 20 korvautuu tällöin kertoimella Ilmakehän absorption aiheuttama vaimennus Ilmakehän absorption aiheuttama vaimennus A atm riippuu ilman lämpötilasta ja suhteellisesta kosteudesta. Se lasketaan standardin ISO [16] mukaisesti. Standardissa taulukoidut arvot rajoittuvat taajuusalueelle Hz sekä diskreetteihin lämpötilan ja suhteellisen kosteuden arvoihin, mutta standardissa olevan laskentakaavan avulla esitetyt rajoitteet voidaan ohittaa Maaperän vaikutus Äänilähteestä emittoituva ääniaalto etenee ilmakehässä suoraan vastaanottopisteeseen (immissiopiste), osa äänestä kohtaa puolestaan ensin maanpinnan ja heijastuu siitä takaisin ilmakehään (kuva 3). Lähellä maanpintaa olevassa vastaanottopisteessä havaitaankin sekä suoran että heijastuneen ääniaallon yhteisvaikutus. Koska maanpinnasta heijastunut ääni kulkee pidemmän matkan suhteessa suoran säteen ääneen, syntyy samalla taajuudella olevalle suoraan vastaanottopisteeseen edenneelle ja maanpinnasta heijastuneelle äänelle äänen taajuudesta ja välimatkaerosta johtuva taso- ja vaihe-ero. Kuva 3. Äänisäteen heijastus ja suora äänisäde. Maanpinnasta heijastuneen äänen voimakkuus vaihtelee lisäksi maanpinnan absorptio-ominaisuuksien mukaan siten, että akustisesti kova maanpinta (esim. vesi, kallio, asfaltti) heijastaa kaiken äänienergian takaisin ja täydellisesti absorboiva maanpinta (pehmeä ja kuohkea maanpinta) imee kaiken äänienergian eikä heijastusta synny. Ideaalitapauksessa suoran ja heijastuneen ääniaallon (tässä tapaukses-
18 16 (52) sa yksinkertaistettuna äänisäteen ) äänenpainetaso siis lisääntyy 6 db, jos heijastava pinta oletetaan akustisesti kovaksi. Mikäli kohtaavien äänisäteiden välinen vaihe-ero on vastakkainen, aiheuttaa se destruktiivisen interferenssin, joka periaatteessa kumoaa äänienergian kokonaan. Todellisissa tapauksissa interferenssin suuruus on näiden kahden ääritilanteen välillä ja vaihtelee taajuuden mukaan vaikuttaen vastaanottopisteessä havaitun äänen tasoon ja taajuuteen. Oktaavikaistaisissa melumalleissa maanpinnan vaikutus on tyypillisesti db:n välillä. Maanpinnan heijastusenergian suuruuteen eri taajuuksilla vaikuttavat erityisesti seuraavat osatekijät: Äänisäteen kulkeutumismatkan välinen ero suoran ja heijastuneen äänisäteen välillä. Tähän vaikuttavat erityisesti äänilähteen korkeus sekä äänilähteen ja vastaanottopisteen välinen etäisyys. Äänilähteen taajuusjakauma. Koska äänen aallonpituus on käänteisesti verrannollinen äänen taajuuteen, lisääntyy ääniaallon pituus taajuuden pienentyessä. Taajuuden pieneneminen heikentää osaltaan maapinnan absorption vaikutusta. Äänen edetessä ilmakehässä äänen taajuussisältö muuttuu myös, koska ilmakehän absorptio vaimentaa suuria taajuuksia pieniä taajuuksia enemmän etäisyyden kasvaessa. Teorian ja mittausten perusteella on todettu, että esim. kuohkean maanpinnan (esim. nurmikko) aiheuttama destruktiivinen interferenssi äänitasoon vaikuttaa tyypillisesti taajuusalueella Hz siten, että äänilähteen suurempi korkeus siirtää interferenssi-ilmiötä kohti pienempiä taajuuksia. Vastaavasti hyvin pienet taajuudet aiheuttavat konstruktiivisen interferenssin ja maaheijastuksen vahvistus onkin täydet + 6 db. Näin on esimerkiksi Tanskan ohjeistuksessa taajuuksilla 10-12,5 Hz onshore etenemismallissa ja taajuuksilla Hz offshore etenemismallissa Maaperän vaikutus melumalleissa Maaperän vaikutus otetaan melumalleissa huomioon nk. Ground Effect (myöhemmin A gr ) -kerrointa hyödyntäen. Kertoimen avulla voidaan esittää maanpinnan lokaalia tai globaalia heijastavuutta siten, että kertoimella 0 oletetaan maanpinnan olevan akustisesti kova (jää, asfaltti, veden pinta) ja kertoimella 1 pehmeä 2. Lisäksi melumalleissa voidaan vaikuttaa siihen, lasketaanko A gr taajuuksittain vai kokonaisarvona ilman taajuuksia. Laskennassa maanpinnan vaikutus voidaan jättää myös kokonaan pois. Melumalleissa on A gr kerroin esitetty yleensä G -kertoimena. ISO melumallissa (standardin kappale 7.3) taajuuksittain laskettava maavaikutus A gr jaetaan kolmeen eri ryhmään melun myötätuulen puolen kaarevuussäteen perustella. Standardin vaihtoehtoinen malli on tarkoitettu etenkin lähellä maanpintaa tapahtuvalle äänen etenemiselle sekä lähinnä tasaisen maanpinnan tai vakiojyrkkyyden laskentoihin. Ensimmäinen on lähderyhmä A s, jolle on määritelty rajaetäisyys siten, että se vastaa 30*h s tai enintään d s, jossa h s on äänilähteen korkeus ja d s kokonaisetäisyys äänilähteestä vastaanottopisteeseen. Vastaanottoalueen A r vastaava rajaetäisyys on 30*h r, jossa h r on vastaanottopisteen korkeus 2 Tästä poikkeuksena Nord2000 laskentamalli, jossa maanpinnan kovuus esitetään luokittain maanpinnan ominaisvirtausvastuksen knsm -4 eri arvoilla
19 17 (52) eli tyypillisesi 1,5 4 m. Välialue A m kattaa näiden kahden välisen alueen. Siten ISO-laskennan mukaan 150 metrin napakorkeuden tuulivoimalalle jo lähdealueen rajaetäisyys olisi yhtälöiden mukaan 4,5 km, jolloin käytännön tasolla laskenta rajautuu varsin usein lähdealueen A s ja vastaanottoalueen A r laskentoihin. Kullekin alueelle on omat spesifiset yhtälöt, joiden avulla voidaan laskea maavaimennus oktaaveittain. Lopuksi kunkin alueen maavaimennukset lasketaan yhteen kokonaisvaimennukseksi A gr. ISO :ssa maavaikutus voidaan laskea myös ilman taajuuksia kokonaisarvona vaihtoehtoista menetelmää (nk. alternative method) käyttäen. Standardin yhtälöt (10) ja (11) on laskettu seuraavaan kuvaan eri äänilähteen korkeuksilla (80 metrin napakorkeuden pistelähde, 150 metrin napakorkeuden pistelähde ja siiven pyörimisen yläkohta 200 metrin korkeudella). Vertailuarvona on käytetty henkilöauton 0,5 metrin äänilähteen tyypillistä laskentakorkeutta. Kuva 4. Taajuudesta riippumattoman maavaimennuksen vertailu eri äänilähteen korkeuksilla ja etäisyyksillä äänilähteestä standardin ISO mukaan. Negatiivinen arvo kuvaa äänitason nousua maaperän heijastusvaikutuksen takia. Kuvasta nähdään, että melulähteen korkeudella on huomattava vaikutus maavaikutuksen suuruuteen. Matalalla olevien melulähteiden maavaikutus vaikuttaa välittömästi melulähteen jälkeen ja on positiivinen heti noin 125 metrin etäisyyden jälkeen. Napakorkeudeltaan 150 metrin tuulivoimalalla (siiven ylin vaihe on noin 200 metrissä) vastaava nollataso saavutetaan vasta metrin jälkeen. Nord2000 -laskentamallissa maanpinnan absorptiovakiot poikkeavat ISO mallista siten, että syöttöarvoina käytetään impedanssiluokittain arvoa A G, jonka fysikaalisena perustana on maanpinnan ominaisvirtausvastus knsm -4.
20 18 (52) Taulukko 1. Maanpinnan impedanssiluokat Nord2000 -mallissa, SoundPlan - ohjelmisto Maaperän vaikutus melumalleissa vaihtelee sen mukaan, onko malli yksinkertaistettu (kuten ISO ), Pohjoismainen laskentamalli 1996 tai kehittynyt malli (Nord2000, Harmonoise), jossa esim. destruktiivinen interferenssi on tarkemmin huomioitu eri taajuuksilla. Esimerkiksi ISO mallissa vaikutus akustisesti kovasta maanpinnasta puolikovaan maanpintaan (yhdellä globaalilla arvolla) G = 0 => 0,5 on noin -2,5-3 db immissiopisteen tuloksiin suurentuen etäisyyden kasvaessa. ISO mallin heikkoutena on erityisesti se, että sitä ei ole suunniteltu korkeiden melulähteiden eikä maastomuodoiltaan vaihtelevan maaston melun etenemisvaimennuksen laskentaan. Näissä tapauksissa asetettaessa maavaikutus esim. akustisesti pehmeälle tai puolikovalle maanpinnalle arvolla G = 1 tai G = 0,5, validointimittauksissa on havaittu, että mallinnetut tulokset ovat usein mitattuja arvoja alhaisempia [17]. Validointimittausten perusteella on myös havaittu, että maavaikutusta G = 1 ei tule käyttää tuulivoimalaitoksia mallinnettaessa todellisuudessa pehmeän maanpinnan alueille, sillä mallinnettu arvo voi olla jopa yli 5 db alhaisempi kuin mahdollisessa verifiointimitauksessa tullaan toteamaan (esim. kuva 5). ISO mallin herkkyys taajuuksellisen maavaikutuksen laskennassa voidaan osittain korjata pienemmäksi, jos immissiopisteen tai laskentaverkon korkeus asetetaan 4 m:n tasolle, mikä vastaa tyypillistä eurooppalaista 1. asuinkerroksen tasoa. Validointitulosta tarkasteltaessa on myös huomioitava, onko mallinnetuissa melupäästötiedoissa käytetty melupäästö mitattu äänitehoarvo vai IEC TS mukainen tunnusarvo.
21 19 (52) Kuva 5. Tuulivoimaloiden validointimittauksissa havaittuja eroja suhteessa vastaavan tilanteen mallinnettuun tapaukseen käytettäessä ISO mallia maanpinnan maavaikutuksen arvolla G = 1. Pystyakselilla mallinnettu melutason arvo, vaaka-akselilla validointimittauksessa todettu melutason arvo [18] Maaperän muodon vaikutus melumalleissa Maavaikutuksen määrittäminen kumpuilevaan maastoon muodostaa oman erikoistapauksena etenkin, jos melulähteen ja vastaanottopisteen välinen korkeusero kasvaa suureksi (kuva 6). Tällöin äänilähteen korkeus Hs suhteessa immissiopisteen korkeuteen Hr kasvaa korkeuseron suhteessa, jolloin Hs Hs1 + Hs2. Maanpinnan korkeuden muutos alhaalla olevaan immissiopisteeseen voi kuitenkin olla tasainen, vaihteleva tai kaareva. Esimerkiksi immissiopisteen sijaitessa vastakummulla äänisäteiden kohtaaminen aiheuttaa äänitason kasvua heijastuneiden säteiden kohdatessa (kuva 7). Vastaavasti äänilähteen sijaitessa kummun takana, synnyttää kumpu itsessään varjoalueen äänilähteen ja immissiopisteen väliin (kuva 8). Kumpuileva maasto aiheuttaa myös tuuleen pyörteilyä sekä vertikaalisia tuulen nopeusmuutoksia, joilla on kaikilla vaikutuksia tuulivoimalan aerodynaamiseen äänilähteeseen. Kansainvälisissä validointimittauksissa on havaittu merkittäviä poikkeamia mallinnetuista arvoista, kun esim. ISO mallien parametreinä on käytetty tasaisen maanpinnan kertoimia esim. maanvaikutuksen osalta. On siksi perusteltua käyttää konservatiivista lähestymistä ainakin maavaikutuksen osalta, kun korkeusero meluemissiolähteen ja immissiopisteen osalta kasvaa suureksi.
22 20 (52) Kuva 6. Maanpinnan korkeuseron vaikutus äänilähteen korkeuteen maaheijastuksen kannalta. Kuva 7. Heijastuvat äänisäteet vastakummulla. Kuva 8. Varjoalueen synty kummun taakse Meteorologinen korjaus Standardin ISO mukainen meteorologinen korjaus on 0, d 10( hs h f ) C met hs h f (9) C , d 10( hs h f ), d missä h s on lähteen korkeus [m], h f on vastaanottopisteen korkeus [m], d on lähde- ja vastaanottopisteen etäisyyden projektio maanpinnalla [m] ja C 0 on tekijä [db], joka riippuu tuulen nopeuden ja suunnan sekä lämpötilagradienttien lokaalista meteorologisesta statistiikasta. Standardin mukaan C 0 :n arvot rajoittuvat vä-
23 21 (52) lille 0-5 db ja yli 2 db suuremmat arvot ovat poikkeuksellisia. Parametrilla C 0 ei ole mitään fysikaalisia perusteita, sen riippuvuutta esimerkiksi ilmakehän stabiilisuusluokista ja tuulen nopeudesta ja suunnasta ei ole esitetty. Tarkemman tiedon puuttuessa vastatuulietenemiseen (± 45 ) voidaan käyttää arvoa C 0 = 1 ja muihin suuntiin C 0 = 0. Nord2000-menetelmän lähtökohtana on esittää äänen nopeus c korkeuden funktiona kombinaationa logaritmisesta ja lineaarisesta profiilista [19] h c( h) Aln 1 Bh c(0) h, (10) 0 missä h on korkeuskoordinaatti [m], h 0 on vakio [m] (roughness length) ja c(0) on äänen nopeus, kun h = 0. Erillistä meteorologista korjausta ei tehdä, vaan meteorologiset efektit otetaan huomioon geometrisessa vaimentumisessa äänennopeuden paikkariippuvuuden avulla. Parametrien A ja B määrittämiseksi määritellään aluksi tuuliluokat tuulen nopeuden perusteella taulukon 2 mukaisesti ja ilmakehän stabiilisuusluokitus vuorokaudenajan ja pilvisyyden perusteella taulukon 3 mukaisesti. Taulukko 2. Tuuliluokat. Tuulen nopeus [m/s] (h = 10 m) Tuuliluokka 0 1 W1 1 3 W2 3 6 W W4 10 W5 Taulukko 3. Ilmakehän stabiilisuusluokitus. Vuorokaudenaika Pilvisyysaste Stabiilisuusluokka päivä 0/8 2/8 S1 päivä 3/8 5/8 S2 päivä 6/8 8/8 S3 yö 5/8 8/8 S4 yö 0/8 4/8 S5
24 22 (52) Tuuliluokan perusteella määrätään kitkanopeus u (friction velocity) sekä tuuliluokan ja stabiilisuusluokan perusteella määrätään lämpötilaskaala T ja Monin- Obukhov pituus L. Näiden perusteella määritetään parametrit A ja B äänennopeuden määrittämiseksi yhtälön (10) mukaan. CONCAWE-menetelmä käyttää ilmakehän Pasquill-stabiilisuusluokkia ja tuulen nopeutta ja suuntaa lähtökohtana meteorologisen korjauksen K 4 määrittämiseksi. Meteorologisten korjausten C 0 ja K 4 välillä ei ole mitään selkeää riippuvuutta. Ilmakehän stabiilisuus voidaan esittää Pasquill-luokkien avulla. Pasquill-luokat riippuvat tuulen nopeudesta, tuulen nopeusprofiilista, pilvisyydestä ja auringon asennosta horisonttiin nähden. Hyvin epästabiili ilmakehä (A): pilvisyys alle 50 %, lämpötila korkea, heikko tuuli, aurinko ylhäällä. Hyvin stabiili ilmakehä (F): pilvisyys alle 75 %, heikko tai kohtalainen tuuli, aurinko alhaalla. Stabiili ilmakehä (E ja F -luokat) ovat huomattavan yleisiä yöaikaan ja syksyllä, epästabiili ilmakehä on yleisempi päivällä ja keväällä. Pasquill-luokat on esitetty taulukossa 4. Parametri m kuvaa tuuliprofiilin jyrkkyyttä m Vh2 h2 V h h, (11) 1 1 missä h 1 ja h 2 ovat kaksi korkeuskoordinaattia sekä V h1 ja V h2 ovat tuulen nopeudet vastaavilla korkeuksilla. Taulukko 4. Ilmakehän stabiilisuusluokat Pasquill-luokituksen mukaan. Pasquill-luokka Kuvaus m (shear exponent) A hyvin epästabiili 0.09 B kohtalaisen epästabiili 0.20 C neutraali 0.22 D hieman stabiili 0.28 E kohtalaisen stabiili 0.37 F hyvin stabiili 0.41 Taulukossa 5 on esitetty CONCAVEn meteorologiset kategoriat Pasquill-luokkien ja tuulen nopeuden ja suunnan funktioina. Kategoriassa 4 ei ole meteorologisia vaikutuksia. Meteorologinen korjaus K 4 määräytyy meteorologisen kategorian perusteella.
25 23 (52) Taulukko 5. CONCAWEn meteorologiset kategoriat Pasquill-luokkien ja tuulen nopeuden ja suunnan funktioina. Negatiivinen nopeus liittyy vastatuuleen etenemiseen. Meteorologinen kategoria Pasquill-luokka A, B C, D E, F Pasquill-luokat on toisinaan esitetty myös muodossa, jossa kohtalaisen epästabiilin ja neutraalin välissä on luokka hieman epästabiili, jota on tällöin merkitty C:llä, jolloin taulukon 4 luokat C F muuttuvat luokiksi D G. Luokka hieman epästabiili on taulukossa 5 neutraalin ja hieman stabiilin kanssa samassa sarakkeessa Pienitaajuisen melun etenemisvaimennus Tanskan ympäristöministeriö on julkaissut tuulivoimaloita koskevan ohjeen [20], jossa on myös pienitaajuisen melun ( Hz) laskennan yksinkertainen periaate. Lähtökohtana on kaavojen (1), (2) ja (5) mukainen esitys, missä ei oteta huomioon suuntaavuuskorjausta D c, estevaimennusta A bar eikä sekalaisten vaikutusten korjausta A misc. Taulukossa 6 on esitetty maavaikutus ja ilmakehän absorption aiheuttama vaimennus ohjeen mukaan. Ilmakehän absorptiovaimennusta ei ole eritelty lämpötilan ja kosteuden perusteella, vaan kaikissa tapauksissa käytetään ilman lämpötilan 10 C ja ilman suhteellisen kosteuden 80 % mukaisia ilmakehän vaimennuksia. Offshore-turbiinien osalta käytetään offshore-maavaikutusta, jos immission laskentapiste on rannan välittömässä läheisyydessä ja onshore-maavaikutusta, jos laskentapiste on maalla vähintään 200 m etäisyydellä rannasta. Näiden väliin jäävällä alueella voi käyttää näistä kahdesta arvosta lineaarisesti interpoloitua arvoa. Menetelmää ei ole installoitu kaupallisiin ohjelmiin, joten ainoa tapa käyttää sitä on erillislaskenta.
26 24 (52) Taulukko 6. Maavaikutus ja ilmakehän absorption aiheuttama vaimennus pienitaajuiselle melulle [20] 3. Taajuus [Hz] A gr [db], onshore A gr [db], offshore A atm [db/km] Laskentalogiikan ja parametrivalinnan testaus eri laskentaohjelmilla Tässä luvussa tarkastellaan VTT:n, Pöyryn ja Rambollin ympäristömelun mallinnukseen käyttämien laskentaohjelmien mahdollisiin laskentatulosten eroavaisuuksiin liittyviä seikkoja erityisesti sääolosuhteiden osalta. Tarkastelua varten laskettiin 11 erilaista referenssitapausta käytössä olevilla eri ohjelmistoilla ja malleilla. Tavoitteena oli ottaa kantaa siihen miten lähtöarvoja tulisi soveltaa mallinnuksessa ja tulosten tulkinnassa eri malleja käytettäessä. Mallinnuksen kohteena oli Tuuliwatti Oy:n Iin Olhavan tuulivoimapuisto. Vertailussa käytetyt laskentaohjelmat ja äänen etenemismallit ovat: CadnaA, ISO WindPro, ISO SoundPlan, ISO ja Nord Tanskan pienitaajuisen melun vaimennusarvot ilmakehän absorptiolle ovat lämpötilalle 10 C ja ilman suhteelliselle kosteudelle 80 %, joten ne poikkeavat hieman liitteen 1 mallinnusohjeistusehdotuksen arvoista.
27 25 (52) Jokaisella ohjelmalla laskettiin 11 erilaista ennalta määrättyä laskentatapausta, joiden parametreja pidettiin Suomen sääoloissa tyypillisinä ja realistisina. 4.1 Mallien lähtötiedot ja immissiopisteiden lasketut A-äänitasot Emissio Mallinnettavan tuulivoima-alueen kaikki kahdeksan tuulivoimalaa ovat tyypiltään Vestas V112. Niiden napakorkeus on 140 m ja roottorin lavan pituus 56 m. Tuulivoimalat mallinnettiin pistelähteinä, joiden korkeus maasta oli 140 m. Olhavan tuulivoima-alueen tuulivoimaloiden koordinaatit on esitetty taulukossa 7. Taulukko 7. Mallinnuksessa käytettyjen lähteiden koordinaatit. Tuulivoimalan X (KKJ2) Y (KKJ2) numero Koska Vestas V112 tuulivoimalan äänitehon kokonaistasoa tai spektriä ei ollut julkisesti saatavilla, käytettiin laskennassa kyseisestä tuulivoimalamallista kirjallisuudesta löydettyä terssikaistaspektriä oktaavikaistoihin muutettuna. Tämä spektri on esitetty taulukossa 8 ja kuvassa 9. Melupäästö on ilmoitettu tuulen nopeudella 8 m/s ja mitattuun arvoon on lisätty 0,5 db:n varmuusmarginaali. [21] Taulukko 8. Mallinnuksessa käytetyn tuulivoimalan äänitehotaso oktaavikaistoittain eri taajuuspainotuksilla. Oktaavikaista dblin dba dbc [Hz] Kokonaistaso 106,5
28 26 (52) Äänitaso [db] Äänitehotaso - Vestas V112 dba dblin dbc , Taajuus [Hz] Immissio Kuva 9. Mallinnuksessa käytetyn tuulivoimalan äänitehotaso eri taajuuspainotuksilla. Immissio- eli vastaanottopisteiksi valittiin 11 pistettä eri kohdista ja suunnista alueen maastoa. Immissiopisteen lyhyin etäisyys lähimpään tuulivoimalaan eli emissiopisteeseen oli n. 430 m ja pisin etäisyys lähimpään tuulivoimalaan 1700 m. Mallinnuksessa immissiopisteiden korkeus maasta oli oletusarvoisesti 2 m. Vastaanottopisteiden koordinaatit on esitetty taulukossa 9. Kuvassa 10 on puolestaan esitetty emissio- ja immissiopisteet alueen maastokartalla. Taulukko 9. Mallinnuksessa käytettyjen immissiopisteiden koordinaatit. Vastaanotto- X Y piste
29 27 (52) Maasto Kuva 10. Mallinnuksessa käytettyjen emissiopisteiden (punainen piste) ja immissiopisteiden (sininen piste) paikat maastokartalla. Mallinnuksissa käytettiin mallinnettavalle alueelle kolmea eri korkeusresoluutiolla olevaa maaston topografiaa. Ne olivat laserkeilattua aineistoa, joiden alkuperäiset pystyresoluutiot olivat 0,5 m, 1 m sekä 2,5 m vaakaresoluution ollessa n. 10 cm. Vaakaresoluutio yksinkertaistettiin ympäristömelulaskennassa riittävään 1 m resoluutioon. Laskenta-alue oli noin 8.8 km 2 kokoinen. Ennen mallinnusta päätettiin yhteisesti että metsää ja vesistöjä ei mallinneta erikseen. Lisäksi heijastusten lukumääräksi sovittiin yksi. Maaston suurin korkeusero on noin 10 m. Kuvassa 11 on esitetty 2.5 m pystyresoluutiolla oleva laskenta-alueen topografia. Kuvassa olevat siniset ristit ovat emissiopisteitä ja valkomustat ympyrät immissiopisteitä.
30 28 (52) Sää Kuva 11. Laskenta-alueen topografia 2.5 m:n pystyresoluutiolla. Tuulen suunnan ja nopeuden huomioonottaminen eri laskentamalleilla on hyvin toisistaan poikkeavaa. ISO mallilla tuulen nopeutta tai suuntaa ei ole mahdollista ottaa huomioon. Nord2000 mallissa sekä tuulen suunta että nopeus on mahdollista huomioida laskennoissa. Poikkeavista mahdollisuuksista johtuen sekä tuulen suunta että nopeus päätettiin jättää huomioimatta, koska se oli ainoa tapa saada tuuliolosuhteet samoiksi käytettyjen ohjelmien kesken. Ilman lämpötila sekä kosteus pidettiin oletusarvoissaan eli 15 C ja 70 %. Huomattakoon, että tuulen nopeus on tavallaan otettu huomioon jo tuulivoimalan äänitehotasoa määritettäessä. Taulukossa 8 ilmoitetut melupäästöarvot on määritetty tuulen nopeuden ollessa 8 m/s 10 m:n referenssikorkeudella maan pinnasta Oletusarvoilla lasketut immissiotasot Eri ohjelmilla ja malleilla lasketut immissiopisteiden A-painotetut melutasot käytettäessä oletusparametreja mallinnuksessa on esitetty taulukossa 10. Oletusarvot olivat: Topografian pystyresoluutio 0,5 m Maaperän vaimennus G = 0 (Class G Nord2000 mallissa) Immissiopisteen korkeus h = 2 m
31 29 (52) Ilman lämpötila T = 15 C Ilman kosteus Rh = 70 % Taulukko 10. Mallinnuksen oletusarvoilla lasketut A-painotetut äänitasot eri ohjelmilla sekä ISO ja Nord2000 malleilla laskettuna. Immissiopiste Eri ohjelmilla ja malleilla lasketut immissiopisteiden A-painotetut äänitasot [db] CadnaA (ISO ) WindPro (ISO ) SoundPlan (ISO ) SoundPlan (Nord2000) Kuten taulukosta 10 voidaan havaita, CadnaA- ja WindPro-ohjelmilla (ISO malli) lasketut immissiopisteiden A-painotetut äänitasot ovat hyvin lähellä toisiaan (enintään 0,1 db:n ero) lukuun ottamatta pistettä 6, jossa ero on 1,0 db. SoundPlan-ohjelmalla (ISO malli) saadaan yleisesti ottaen hieman matalampia A-äänitasoja verrattuna CadnaA:lla tai WindProlla laskettuun tasoon, maksimieron ollessa -0,8-0,9 db pisteessä 11. SoundPlan-ohjelman Nord2000 mallilla laskettuna äänitasot vaihtelevat ISO mallilla laskettuihin tasoihin verrattuna joiltain osin huomattavan paljon, esim. immissiopisteen 2 taso on 2,4 2,8 db korkeampi, toisaalta immissiopisteen 4 taso on 1,1 1,2 db matalampi. Eniten poikkeavat tasot ja immisssiopisteet, joissa tasot esiintyvät on taulukossa 10 korostettu keltaisella värillä. Selkeää yhteyttä vaihtelevien tasojen ja immssiopisteiden sijainnin välillä on vaikea löytää. Pistettä 11 lukuun ottamatta immissiopisteet sijaitsevat tosin veden äärellä (järvi, joki), millä voi olla vaikutusta mallinnustulokseen korkeusresoluution kautta. 4.2 Varioidut parametrit Mallinnuksissa käytetyt oletusparametrit olivat siis: Topografian pystyresoluutio 0.5 m Maaperän vaimennus G = 0 Immissiopisteen korkeus h = 2 m Ilman lämpötila T = 15 C Ilman kosteus Rh = 70 % Taulukossa 11 on esitetty mallinnuksissa varioidut parametrit.
32 30 (52) Taulukko 11. Mallinnuksissa varioidut parametrit. Tapaus varioitavan parametrin arvo 1 Topografian pystyresoluutio 0.5 m 2 Topografian pystyresoluutio 1 m 3 Topografian pystyresoluutio 2.5 m 4 Maaperän vaimennus G = Maaperän vaimennus G = Immissiopisteen korkeus h = 4 m 7 Ilman lämpötila T = 0 C 8 Ilman kosteus Rh = 30 % 9 Immissiopisteen korkeus h = 4 m, maaperän vaimennus G = Vertailutulosten esittämistapa Mallinnustulosten havainnollistamiseksi vertailutulokset on esitetty taulukkomuodossa siten että tulosten erot on ilmoitettu lukuarvon lisäksi värein. Alle 3 db ero on esitetty käytetyn värin (punainen versus sininen) vaaleammilla sävyillä. Tätä suuremmat ero on esitetty kyseisen värin vahvimmalla sävyllä. Kuvassa 12 on esimerkki vertailun esitystavasta. Esimerkissä on vertailtavina laskentatapauksina Topografia 0.5 m sekä Topografia 2.5 m. Immissiopisteiden (1-11) mallinnettujen kokonaisäänitasojen keskinäiset erot on kuvailtu värikoodein. Tässä tapauksessa sininen kuvaa sitä että mallinnustulos Topografia 2.5 m antaa suuremman tuloksen. Samalla lailla punainen kuvaa sitä että mallinnustulos Topografia 0.5 m antaa suuremman laskentatuloksen. Immissiopiste Topografia 0.5 m vs. Topografia 2.5 m A B C Kuva 12. Esimerkki käytetystä vertailun esitystavasta. A: Vertailtavat mallinnustpaukset. B: Immissiopisteen 6 tulos on Topografia 2.5 m -mallinnustapauksella 1.9 db suurempi. C: Immissiopisteen 11 tulos on Topografia 0.5 m - mallinnustapauksella 0.7 db suurempi Mallinnusohjelmistojen keskinäinen vertailu Mallinnusohjelmistoissa saatavilla olevat etenemismallit vaihtelevat ohjelmistoittain eikä kaikkiin ohjelmistoihin ole saatavilla esimerkiksi Nord2000 -etenemismallia. Tämän takia mallinnusohjelmien keskinäinen vertailu suoritettiin ISO etenemismallia käyttäen koska se oli ainoa kaikille mallinnusohjelmille yhteinen etenemismalli.
33 31 (52) CadnaA (ISO ) vs. WindPro (ISO ) Immissiopiste Topografia 0.5 m Topografia 1 m Topografia 2.5 m Maavaimennus G = Maavaimennus G = korkeus h = 4m Ilman lämpötila t = 0'C Ilman Kosteus Rh = 30% korkeus h=4m, Maavaimennus G = 0, Kuva 13. CadnaA ja WindPro -ohjelmistojen keskinäinen vertailu ISO etenemismallilla. CadnaA (ISO ) vs. SoundPlan (ISO ) Immissiopiste Topografia 0.5 m Topografia 1 m Topografia 2.5 m Maavaimennus G = Maavaimennus G = korkeus h = 4m Ilman lämpötila t = 0'C Ilman Kosteus Rh = 30% korkeus h=4m, Maavaimennus G = 0, Kuva 14. CadnaA ja SoundPlan -ohjelmistojen keskinäinen vertailu ISO etenemismallilla.
34 32 (52) WindPro (ISO ) vs. SoundPlan (ISO ) Immissiopiste Topografia 0.5 m Topografia 1 m Topografia 2.5 m Maavaimennus G = Maavaimennus G = korkeus h = 4m Ilman lämpötila t = 0'C Ilman Kosteus Rh = 30% korkeus h=4m, Maavaimennus G = 0, Kuva 15. WindPro ja SoundPlan -ohjelmistojen keskinäinen vertailu ISO etenemismallilla. Yhteenvetona ohjelmistojen välisistä vertailusta ISO mallia käytettäessä voidaan todeta seuraavaa: CadnaA- ja WindPro-ohjelmilla saadaan melko yhtenevät A-äänitasot eri immissiopisteissä lukuun ottamatta immissiopistettä 6, jonka kohdalla WindPro-ohjelma antaa systemaattisesti korkeamman A-äänitason (0,3 1,1 db) kaikilla varioiduilla mallinnusparametrien arvoilla. SoundPlan-ohjelmalla laskien saadaan systemaattisesti CadnaA- tai WindPro-ojelmalla laskettuja matalampia A-äänitasoja eri immissiopisteissä lukuun ottamatta immissiopistettä 6, jonka kohdalla SoundPlan antaa CadnaA:ta korkeamman tason (max 0,8 db) lähes kaikilla varioiduilla mallinnusparametrien arvoilla.
35 33 (52) Mallinnusparametrien ohjelma- ja algoritmikohtaiset vertailut Topografia 0.5 m vs Topografia 0.5 m vs Topografia 1 m vs Maavaimennus G = 0.25 vs. Maavaimennus G = Maavaimennus G = 0.5 vs. Maavaimennus G = Maavaimennus G = 0.5 vs. Maavaimennus G = korkeus h = 4m vs Ilman lämpötila t = 0'C Immissiopiste vs. Topografia 2.5 m Topografia 1 m Topografia 2.5 m korkeus h = 2m Ilman lämpötila t = 15'C Ilman Kosteus Rh = 30% vs. Ilman Kosteus Rh = 70% h=4m, G = 0,5 vs. h=2m, G = Kuva 16. Mallinnustulosten vertailu CadnaA -ohjelmistolla ja ISO laskentamallilla Topografia 0.5 m vs Topografia 0.5 m vs Topografia 1 m vs Maavaimennus G = 0.25 vs. Maavaimennus G = Maavaimennus G = 0.5 vs. Maavaimennus G = Maavaimennus G = 0.5 vs. Maavaimennus G = korkeus h = 4m vs Ilman lämpötila t = 0'C Immissiopiste vs. Topografia 2.5 m Topografia 1 m Topografia 2.5 m korkeus h = 2m Ilman lämpötila t = 15'C Ilman Kosteus Rh = 30% vs. Ilman Kosteus Rh = 70% h=4m, G = 0,5 vs. h=2m, G = Kuva 17. Mallinnustulosten vertailu WindPro -ohjelmistolla ja ISO laskentamallilla.
36 34 (52) Topografia 0.5 m vs Topografia 0.5 m vs Topografia 1 m vs Maavaimennus G = 0.25 vs. Maavaimennus G = Maavaimennus G = 0.5 vs. Maavaimennus G = Maavaimennus G = 0.5 vs. Maavaimennus G = korkeus h = 4m vs Ilman lämpötila t = 0'C Immissiopiste vs. Topografia 2.5 m Topografia 1 m Topografia 2.5 m korkeus h = 2m Ilman lämpötila t = 15'C Ilman Kosteus Rh = 30% vs. Ilman Kosteus Rh = 70% h=4m, G = 0,5 vs. h=2m, G = Kuva 18. Mallinnustulosten vertailu SoundPlan -ohjelmistolla ja ISO laskentamallilla Topografia 0.5 m vs Topografia 0.5 m vs Topografia 1 m vs Maavaimennus G = 0.25 vs. Maavaimennus G = Maavaimennus G = 0.5 vs. Maavaimennus G = Maavaimennus G = 0.5 vs. Maavaimennus G = korkeus h = 4m vs Ilman lämpötila t = 0'C Immissiopiste vs. Topografia 2.5 m Topografia 1 m Topografia 2.5 m korkeus h = 2m Ilman lämpötila t = 15'C Ilman Kosteus Rh = 30% vs. Ilman Kosteus Rh = 70% h=4m, G = 0,5 vs. h=2m, G = Kuva 19. Mallinnustulosten vertailu SoundPlan -ohjelmistolla ja Nord laskentamallilla.
37 35 (52) Etenemismallien keskinäinen vertailu Kuva 20. SoundPlan -ohjelmistolla tehty Nord2000 ja ISO etenemismallien keskinäinen vertailu Variointien yhteenveto SoundPlan (Nord2000) vs. SoundPlan (ISO ) Immissiopiste Topografia 0.5 m Topografia 1 m Topografia 2.5 m Maavaimennus G = Maavaimennus G = korkeus h = 4m Ilman lämpötila t = 0'C Ilman Kosteus Rh = 30% korkeus h=4m, Maavaimennus G = 0, Mallinnuksen ja variointien kohteena oli Tuuliwatti Oy:n Iin Olhavan tuulivoimapuisto, jossa äänilähteinä oli kahdeksan 3 MW Vestas V112 - tuulivoimalaa. Nämä mallinnettiin maastosta 140 m korkeudella olevina pistelähteinä. Immissio- eli vastaanottopisteitä valittiin 11 pistettä eri kohdista maastoa. Lähimmän tuulivoimalan etäisyys vastaanottopisteestä oli pienimmillään n. 430 m, enimmillään etäisyyttä oli puolestaan n m. Varioidut parametrit edustavat ympäristömelumallinnuksessa tyypillisimpiä käytettyjä arvoja ja niiden vaihteluja. Mallinnustuloksia vertailtiin keskenään A- taajuuspainotettuina kokonaisäänitasoina. Havainnollisuuden lisäämiseksi tulokset on kuvissa numeroarvon lisäksi esitetty väriskaaloilla. Värisävyjen voimakkuus korostaa tulosten merkittävyyttä. Yli 3 db vertailutulokset on esitety käytetyn värin vahvimmalla sävyllä. Mallinnusparametrivertailuissa on nähtävissä, että ISO etenemismallilla maaston pystyresoluutiolla ei juurikaan ole vaikutusta kokonaisäänitasoihin. Tätä etenemismallia käytettäessä 2.5 m resoluutioinen maastomalli on siis riittävä. Nord2000 -etenemismallilla tilanne oli päinvastainen, ja eroja oli eri tarkkuuksilla olevien maastomallien välillä (Kuva 20). Systemaattista muutosta A-äänitasoissa tarkemman ja heikomman resoluution välillä ei kuitenkaan voitu havaita. Nord2000-etenemismalli on ISO etenemismallia huomattavasti kehittyneempi, joten voidaan olettaa, että se myös antaa oikeammat tulokset tarkemmalla resoluutiolla laskettaessa.
38 36 (52) Maavaimennuksen vertailuissa kummallakin etenemismallilla on selvästi nähtävä vaikutus kokonaisäänitasoihin. Kovan ja puolipehmeän maan laskentatapauksien vertailussa kokonaisäänitasot ovat lähes 3 db suuremmat kovalla maalla. Tämän mallinnusparametrin vastuullinen ja asiantunteva käyttö melumallinnuksessa onkin tärkeää virheellisten tulosten estämiseksi. Ilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden muutoksia vertailtaessa erot olivat odotetusti varsin pieniä. Ilman lämpötilan muutoksella ei ollut käytännön vaikutusta kokonaisäänitasoihin ja ilman suhteellisen kosteuden muutoksillakin vaikutus oli pieni. Mallinnusohjelmistoja vertailtaessa löytyi joitain eroja. ISO etenemismallilla CadnaA ja WindPro -ohjelmistojen välillä erot olivat mitättömiä, mutta SoundPlan -ohjelmisto antaa systemaattisesti pienempiä arvoja CadnaA ja WindPro -ohjelmistoihin verrattuna. Nord2000 -laskentamallia ohjelmistojen kesken ei voitu vertailla projektin suppeuden takia. Vertailutuloksia tarkasteltaessa on hyvä pitää mielessä ettei projektin aineisto ole riittävä antamaan vastausta tuulivoimaloiden melumallinnuksen luotettavimmasta ohjelmistosta tai laskentamallista. Vaikka ISO näyttäisi selvästi antavan Nord2000 -etenemismalliin verrattuna yhdenmukaisempia mallinnustuloksia, ilman mittauksia ei voida sanoa mikä etenemismalli on käyttötarkoitukseen ehdottomasti sopivin. Lisäksi myös Nordic Prediction Method -laskentamalli olisi tärkeää sisällyttää laskentamallien keskinäiseen vertailuun, sillä siinä on tuulivoimalamelun äänen etenemisen kannalta tärkeitä sääparametreja. On myös tärkeä muistaa että ISO etenemismallin sääparametrit ovat tuulivoimalamelun laskennan kannalta erittäin rajalliset. 4.3 Parametrien herkkyystarkastelut Parametrien herkkyystarkastelu toteutettiin SoundPlan ohjelmalla ja Nord2000 etenemismallilla. Samalla tarkasteltiin myös maanpinnan ominaisvirtausvastuksen ja sääparametrien yhteisvaikutuksia. Tämän lisäksi selvitettiin tuottavatko pistelähteet ja pystysuorat viivalähteet toisistaan eroavia mallinnustuloksia. Mallinnuksissa käytettiin samoja oletusparametreja, kuin eri ohjelmia vertailevassa mallinnuksessa. Varioidut parametrit olivat maanpinnan ominaisvirtausvastus, tuulennopeus, lämpötilagradientti, maanpinnan karheustermi ja ilman turbulenttisuus. Lisäksi tarkasteltiin tuulensuunnan vaikutusta mallinnustuloksiin. Taulukossa 12 on esitetty vertailumallinnuksissa varioidut parametrit ja niiden saamat arvot. Tuulensuuntana mallinnuksissa käytettiin oletusarvoisesti suuntaa lähteestä vastaanottopisteeseen (downwind) ja erikseen esitetyissä tapauksissa myös vastaanottajasta lähteeseen päin (upwind). Lisäksi tuulennopeudelle käytettiin mallissa tuulennopeuden standardipoikkeamaa, joka oli aina 15 % kulloisestakin tuulennopeudesta.
39 37 (52) Taulukko 12. Herkkyystarkastelussa varioidut parametrit. Parametri Ominaisvirtausvastusluokka Arvot G F E D Lämpötilagradientti [K/m] -0,1 0 0,1 Tuulenopeus [m/s] Maanpinnan karheustermi [m] 0,01 0,05 0,3 Turbulenttisuus Cw 2 [m 3/4 /s 2 ] 0 0,12 Ct 2 [K/s 2 ] 0 0, Mallinnusten vertailu Tarkastelun lähtökohtana oli varioida yhtä parametria kerrallaan. Vertailun tulokset on kuvattu kahtena taulukkotyyppinä. Ensimmäisessä ryhmässä taulukoita (kuva 21), vertaillaan aina kahta mallinnustapausta keskenään. Toisessa ryhmässä taulukoita yksi parametrin arvo on valittu vertailuarvoksi, ja kahta tai kolmea muuta mallinnusta verrataan tähän mallinnukseen (kuva 22). Vertailu tapahtui siten, että yhdessätoista immissiopisteessä lasketuista A- äänitasoista laskettiin mallinnustilanteiden välinen erotus. Tälle yhdentoista erotuksen joukolle laskettiin keskiarvo (kuvissa 21 ja 22, luku A) ja keskihajonta (kuvissa 21 ja 22, luku B). Saadut tulokset on merkitty tulostaulukoihin desibeleinä ja pyöristetty yhden desimaalin tarkkuuteen tulosten luettavuuden parantamiseksi. Keskiarvo kuvastaa parametrin varioinnin aiheuttamaa keskimääräistä lisäystä/vaimennusta vertailumallinnukseen nähden ja keskihajonta kuvaa tämän lisäyksen/vaimennuksen vaihtelua eri pisteiden välillä. Kuva 21. Esimerkki turbulenttisuuden vertailutaulukosta. Taulukkoon on merkitty turbulenttisen ja ei-turbulenttisen mallinnuksen ekvivalenttitasojen erotuksen keskiarvo (A) ja keskihajonta (B).
40 38 (52) Kuva 22. Esimerkki vertailuarvon käytöstä mallinnustaulukossa. Kahta muuta mallinnustilannetta on verrattu keskimmäiseen ja laskettu mallinnusten ekvivalenttitasojen erotusten keskiarvot(a) ja keskihajonnat (B) Viivalähteiden vaikutus Viivalähdetarkastelussa vertailtiin napakorkeudelle (140 m) sijoitetun pistelähteen ja pystysuoran viivalähteen antamia mallinnustuloksia.. Viivalähteenä toimi lähde, jonka pituus oli 90 % roottorin halkaisijasta (100 m) ja se sijoitettiin siten, että pistelähde sijaitsi viivalähteen keskipisteessä. Kuvaan 23 on merkitty viivalähteillä ja pistelähteillä saatujen mallinnustulosten erotus. Positiivinen luku tarkoittaa, että viivalähteet antavat suurempia A-äänitasoja. Edellä kuvatulla tavalla toteutetun viivalähteen ja napakorkeudelle sijoitetun pistelähteen antamien mallinnustulosten ei todettu merkittävästi eroavan toisistaan. Kuva 23. Viivalähteillä ja pistelähteillä saatujen mallinnustulosten ero Turbulenttisuuden vaikutus Turbulenttisuuteen vaikutti kaksi mallinnustermiä, jotka olivat tuulen aiheuttama turbulenttisuus (Cw 2 ) ja lämpötilan aiheuttama turbulenttisuus (Ct 2 ). Näitä turbulenttisuustermejä ei varioitu erikseen, vaan molemmat saivat arvon nolla (tulostaulukoissa EI) tai Cw 2 =0,12 ja Ct 2 =0,008 (tulostaulukoissa ON). Kuvaan 24 on merkitty näiden kahden mallinnustilanteen erotus varioitaessa muita parametrejä. Positiivinen keskiarvo tarkoittaa, että turbulenttisuuden nollasta eroavat arvot antavat suurempia A-äänitasoja kuin turbulenttisuuden arvo nolla. Kuvasta nähdään, että turbulenttisuus lisää A-äänitasoa lähes kaikissa mallinnetuissa tilanteissa ei-turbulenttiseen tilanteeseen nähden.
41 39 (52) Kuva 24. Turbulenttisuuden vaikutus A-äänitasoon Maanpinnan ominaisvirtausvastuksen vaikutus Ominaisvirtausvastukselle käytettiin näissä mallinnuksissa pääasiassa ominaisvirtausvastusluokkia G ja E. Johtopäätös mallinnuksista oli, että virtausvastusluokan G käyttö johtaa epäloogisiin muutoksiin A-äänitasossa. Kuvasta 25 nähdään, että kun lämpötilagradientti on negatiivinen antaa virtausvastusluokka G suurempia arvoja kuin lämpötilagradientin arvolla nolla. Virtausvastusluokka E puolestaan antaa negatiivisella lämpötilagradientilla pienempiä arvoja kuin lämpötilagradientilla nolla ja positiivisella lämpötilagradientilla suurempia. Kuvasta 26 nähdään, että virtausvastusluokalla G saadaan ilman tuulta suurempia mallinnustuloksia kuin jos tuulisuus huomioidaan mallissa. Tämä pätee kuitenkin vain lämpötilagradientin arvolla nolla. Positiivisella ja negatiivisella gradientilla tulokset vaikuttavat loogisilta.
42 40 (52) Kuva 25. Lämpötilagradientin ja ominaisvirtausvastuksen vaikutus A- äänitasoon. Kuva 26. Tuulennopeuden vaikutus A-äänitasoon ominaisvirtausvastusluokalla G ja eri lämpötilagradienteilla. Kuvasta 27 nähdään, että kun lämpötilagradientti on nolla, ominaisvirtausvastusluokka E antaa lähes yhteneviä tuloksia eri tuulennopeuksilla. Ilman tuulta luokka E antaa keskimäärin pienempiä arvoja kuin tuulen kanssa. Standardipoikkeamasta kuitenkin nähdään, että tuloksissa on hajontaa eri pisteiden välillä. Positiivisella ja negatiivisella lämpötilagradientilla puolestaan tuuli vaikuttaa enemmän A- äänitasoon ja käyttäytyminen on loogista.
43 41 (52) Kuva 27. Tuulennopeuden vaikutus A-äänitasoon ominaisvirtausvastusluokalla E ja eri lämpötilagradienteilla Maanpinnan karheustermin vaikutus Maanpinnan karheustermillä z 0 on vain vähäinen vaikutus A-äänitasoon, kuten nähdään kuvasta 28. Kuva 28. Maanpinnan karheustermin vaikutus A-äänitasoon Tuulensuunnan vaikutus A-äänitasoon Tuulensuunnan tilanteita downwind ja upwind tarkasteltiin sen selvittämiseksi, miten loogisesti toiminnot käyttäytyvät eri mallinnusparametreilla. Kuvaan 29 on merkitty downwind- ja upwind-laskentojen erotuksen keskiarvo ja keskihajonta. Positiivinen keskiarvo tarkoittaa, että downwind-tilanne antaa suurempia A- äänitasoja kuin upwind. Taulukosta nähdään, että lämpötilagradientin arvolla nolla ja virtausvastusluokalla G, saadaan upwind-mallinnuksella suurempia arvoja kuin downwind-mallilla. Tämä epäloogisuus lienee jokin laskenta-algoritmeihin liittyvä ominaisuus, jonka kova heijastava maanpinta aiheuttaa. Eli jälleen ominaisvirtausvastusluokan G käyttö aiheuttaa epäloogista käyttäytymistä mallissa.
44 42 (52) Kuva 29. Tuulensuunnan vaikutus A-äänitasoon Muita huomioita Sääparametreja varioivista mallinnuksista ainoastaan kaksi mallinnusta antoivat suuremman A-äänitasojen keskiarvon kuin oletusparametrit (laskentaohjelmien vertailumallinnuksessa tapaus nro 1) Nämä kaksi mallinnusta olivat upwindtilanteita ominaisvirtausvastusluokalla G. Lisäksi yksi downwind-mallinnus antoi keskiarvoltaan samoja ekvivalenttitasoja kuin oletusparametrit. Kuvaan 30 on kirjattu näissä kolmessa mallinnuksessa käytetyt parametrit. Positiivinen luku tarkoittaa, että parametrit antavat suurempia arvoja kuin oletusparametrit. Kuva 30. Korkeimmat A-äänitasot antaneet mallinnusparametrit Herkkyystarkastelujen johtopäätökset Mallinnustuloksiin ei esimerkkimallinnuksessa vaikuttanut käyttikö lähteinä viivalähteitä vai pistelähteitä. Suurimmat A-äänitasot saavutetaan virtausvastusluokalla G, lämpötilagradientilla dt/dz=0 ja ilman tuulta (tapaus 1). Virtausvastusluokkaa G käytettäessä mallinnustulokset käyttäytyvät epäloogisesti upwind-tilanteessa sekä lämpötilagradientilla dt/dz=0, kun tuulennopeus muuttuu. Lisäksi negatiivinen lämpötilagradientti antoi suurempia A-äänitasoja kuin dt/dz=0. Virtausvastusluokkaa E käytettäessä tulokset käyttäytyvät loogisemmin sääparametreja muunneltaessa. Pientä epäjohdonmukaisuutta on käyttäytymisessä ainakin maanpinnan karheustermiä muunneltaessa ja tuulennopeutta varioitaessa. 5 Melumallinnusohjeistusten yhteenveto Edellä kuvattujen teoreettisten pohdintojen (luku 3), ohjelmisto- ja parametrivertailujen (luku 4.1) ja herkkyystarkastelujen (luku 4.2) yhteenvetona esitetään kaksiosaista tuulivoimaloiden melun mallinnusohjeistusta. Kaavoitus-, YVA- ja rakennuslupavaiheissa melumallinnuksen tulee perustua ISO malliin yhtenäisen käytännön luomiseksi. Tämä melumallinnus on pääasiallinen mallinnustarkastelu. Mikäli rakennuslupavaiheen mallinnustulos (valittu voimalaratkaisu) kuitenkin osoittaa, että tuulivoimala tai tuulivoima-alue voi aiheuttaa meluhäiriötä (suunnitteluohjearvot ylittyvät) jossain tai joissain altistuvista kohteista, tulee ym-
Ehdotus tuulivoimamelun mallinnuksen laskentalogiikkaan ja parametrien valintaan
HUOMIOITA TUULIVOIMAMELUN MALLINNUSOHJEESTA JA SEN SOVELTAMISESTA
HUOMIOITA TUULIVOIMAMELUN MALLINNUSOHJEESTA JA SEN SOVELTAMISESTA Hannu Nykänen 1, Denis Siponen 2, Vesa Viljanen 3, Tapio Lahti 4 1 Rantamäentie 14 2 AkustiikkaSiponen 37550 LEMPÄÄLÄ Kivirannantie 19
YMPÄRISTÖHALLINNON OHJEITA 2 2014 Tuulivoimaloiden melun mallintaminen RAKENNETTU YMPÄRISTÖ Modellering av buller från vindkraftverk YMPÄRISTÖMINISTERIÖ 126 Miljöhandledning 2012 Glesbygdens avloppsvatten