2.2. Giới thiệu về mô hình IVE
Mô hình IVE do Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US. EPA) và Văn phòng Quan hệ Quốc tế thiết kế đặc biệt và phát triển để phù hợp với các nước đang
Thu thập dữ liệu Phân tích dữ liệu
Xây dựng phương án Chạy mô hình IVE
Đánh giá kết quả và thảo luận Khảo sát thông tin
Đếm phương tiện
Xác định hoạt động của xe
Thu thập dữ liệu ngoại vi
Phiếu điều tra
Các phương án thay thế
Đếm thủ công/máy Thiết bị đo GPS
Phân tích số liệu đếm phương tiện
Tổng hợp phiếu điều tra
Phân tích dữ liệu GPS Tổng hợp dữ liệu ngoại vi Xây dựng file fleet Xây dựng file location Trạng thái nền Kiểm kê phát thải Đồng lợi ích
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - ĐHBKHN –Tel: (84.4) 38681686 – Fax: (84.4) 38693551
19
phát triển cho nỗ lực giải quyết nguồn phát thải di động. Mô hình này được dựa trên sự thành công của các mô hình trước đó bao gồm MOBILE 6, EMFAC 2007, và COPERT IV. Phiên bản đầu tiên của mô hình này được công bố năm 2003, gần đây nhất phần mềm tiếp tục được cập nhật vào tháng 10/2010. Chức năng của mô hình như là một công cụ để giúp các nước đang phát triển ước tính lượng phát thải nhằm:
- Tập trung kiểm soát các chiến lược và quy hoạch giao thông vận tải theo cách hiệu quả nhất;
- Dự đoán những chiến lược khác nhau sẽ ảnh hưởng đến phát thải tại địa phương như thế nào;
- Đánh giá tiến độ trong việc giảm phát thải theo thời gian.
Hình 2.2. Giao diện của mô hình IVE [26]
Có ba thành phần quan trọng cần thiết để đánh giá chính xác phát thải từ các nguồn di động: 1) tốc độ phát thải của phương tiện; 2) hoạt động thực tế của phương tiện; 3) phân loại dòng phương tiện. Mô hình IVE được thiết kế để sử dụng thông tin thực tế phù hợp và dễ dàng thu thập dữ liệu của các khu vực để định lượng các yếu tố đầu vào cần thiết. Khi những thông tin này được thu thập, việc đánh giá nguồn di động thích hợp có thể dễ dàng được phát triển và sửa đổi để tính toán cho các kịch bản thay thế. Trong trường hợp thiếu dữ liệu để tính toán thì có thể sử dụng
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - ĐHBKHN –Tel: (84.4) 38681686 – Fax: (84.4) 38693551
20
dữ liệu từ các khu vực tương tự để tạm ước tính cho tới khi có đủ dữ liệu của địa phương.
Cơ sở của quá trình dự báo phát thải của mô hình IVE bắt đầu với một hệ số phát thải nền và một loạt các yếu tố điều chỉnh được áp dụng để ước tính lượng ô nhiễm từ một loạt các phương tiện.
Hình 2.3. Cấu trúc lõi của mô hình IVE [26]
Quá trình tính toán phát thải trong mô hình IVE là thực hiện các phép nhân tốc độ phát thải nền cho mỗi công nghệ với từng hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào
*
* * * * *
Dữ liệu đầu vào file Fleet
> Phân loại công nghệ của phương tiện
>phân loại điều hòa không khí >điều chỉnh hệ số phát thải nền bởi công nghệ và chất ô nhiễm Bắt đầu vòng lặp Tính toán hệ số phát thải nền Điều chỉnh hệ số phát thải dòng xe Dữ liệu đầu ra > Khởi động > Đang chạy Tính toán điều chỉnh phương thức lái Tính toán điều chỉnh điều hòa không khí Tính toán điều chỉnh chất lượng nhiên liệu Tính toán điều chỉnh bảo dưỡng Tính toán điều chỉnh loại đường Tính toán điều chỉnh nhiệt độ
Dữ liệu đầu vào file Location
> Địa điểm/Thời gian > Nhiệt độ
> Loại đường
> Chương trình kiểm tra bảo dưỡng > Thông tin nhiên liệu
> Sử dụng điều hòa không khí tại 800F (270C)
> Phân loại phương thức lái > Phân loại thời gian khởi động
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - ĐHBKHN –Tel: (84.4) 38681686 – Fax: (84.4) 38693551
21
công nghệ của từng loại phương tiện và tổng số phương tiện di chuyển đối với mỗi công nghệ khi đạt đến tổng lượng phát thải nhất định. Quá trình tính toán trong mô hình được thể hiện ở các công thức 2.1, 2.2 và 2.3 để ước tính tốc độ phát thải điều chỉnh. Q[t] = B[t] * K(1)[t] * K(2)[t] *… K(x)[t] (2.1) FTP C running [t ] [t ] [dt ] [dt ] t d Q U * D / U *{f *Q *[f *K ]} (2.2) start [t ] [t ] [dt ] [dt ] t d Q {f *Q *[f *K ]} (2.3)
Bảng 2.1. Các biến trong công thức tính tốc độ phát thải của IVE
Các biến số Mô tả
Q[t] Hệ số phát thải được điều chỉnh cho mỗi loại công nghệ
B[t] Hệ số phát thải nền ứng với mỗi loại công nghệ
K(1)[t], K(2)[t],...K(x)[t]
Các hệ số điều chỉnh
Qrunning
Hệ số phát thải trung bình của xe trong giai đoạn di chuyển
f[t] Tỷ lệ di chuyển bằng công nghệ đặc biệt
f[dt] Tỷ lệ của mỗi kiểu lái trong một kỹ thuật riêng
FTP
U Vận tốc trung bình theo chu trình thử FTP
D Khoảng cách di chuyển mà người sử dụng đưa vào
C
U
Vận tốc trung bình từ chu trình lái đặc trưng mà người sử dụng đưa vào
Q[t] Hệ số phát thải điều chỉnh cho mỗi loại phương tiện
Qstart
Hệ số phát thải trung bình của xe trong giai đoạn khởi động
K[dt] Hệ số tương quan với kiểu lái (chế độ lái)
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - ĐHBKHN –Tel: (84.4) 38681686 – Fax: (84.4) 38693551
22
Các hệ số điều chỉnh được phân loại thành các nhóm khác nhau như trong Bảng 2.2. Giá trị của mỗi hệ số trong những hệ số này phụ thuộc vào các mục đã chọn trong file Location của mô hình.
Bảng 2.2. Các yếu tố điều chỉnh cho file Location trong mô hình IVE
Các biến địa phương Các biến về chất lượng nhiên liệu K(Fuel)[t]
Các biến về động cơ và phương thức lái xe K[dt] - Nhiệt độ không khí K(Tmp)[t] - Độ ẩm không khí H(Hmd)[t]
- Độ cao so với mực nước biển K(Al)[t]
- Chương trình kiểm
tra/bảo dưỡng K(IM)[t]
- Điều chỉnh phát thải nền K(Cntry)[t]
- Loại nhiên liệu
- Nồng độ lưu huỳnh trong xăng
- Nồng độ chì trong xăng - Nồng độ benzen trong xăng
- Nồng độ lưu huỳnh trong diesel
- Phương thức lái - Độ dốc đường
- Sử dụng điều hòa không khí
- Phân loại thời gian khởi động
Nguồn: [26]
Đầu vào của mô hình IVE gồm ba file dữ liệu: file Fleet, file Location, file Base Adjustment. Trong đó file Base Adjustment cung cấp hệ số phát thải gốc của tất cả các loại phương tiện khác nhau được phân loại trong mô hình. Các giá trị này có được nhờ hàng trăm thực nghiệm với chu trình lái chuẩn, lấy từ dữ liệu của US.EPA.
Do điều kiện trang thiết bị và thời gian thực hiện, luận văn chỉ sử dụng hai file đầu vào là file Fleet và file Location để xác định hệ số phát thải cho xe buýt ở Hà Nội.
2.3. Thu thập dữ liệu
2.3.1. Xác định đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được lựa chọn thuộc 12 quận của thành phố Hà Nội (quận Hoàn Kiếm, quận Hoàng Mai, quận Tây Hồ, quận Đống Đa, quận Thanh Xuân, quận Hà Đông, quận Cầu Giấy, quận Long Biên, quận Hai Bà Trưng, quận
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - ĐHBKHN –Tel: (84.4) 38681686 – Fax: (84.4) 38693551
23
Ba Đình, quận Bắc Từ Liêm, quận Nam Từ Liêm). Để lựa chọn các khu vực nghiên cứu, ta xét đến một số thông tin kinh tế - xã hội dựa vào “Niên giám thống kê Hà Nội 2014”. Các thông tin được thể hiện trong Bảng 2.3 dưới đây.
Bảng 2.3. Thông tin kinh tế của các quận của Hà Nội
Dân số (nghìn người) Số cơ sở kinh doanh (cơ sở) Số lao động kinh doanh (người) Thu ngân sách (tỷ đồng) Ba Đình 243,6 9461 15047 1694 Hoàn Kiếm 157,7 11588 18223 1379 Tây Hồ 156,6 6379 11447 919 Long Biên 273,1 8833 12656 3410 Cầu Giấy 256,3 8949 14472 2530 Đống Đa 407,7 10541 16145 1620 Hai Bà Trưng 312,3 10738 18519 1777 Hoàng Mai 363,0 10182 15391 1793 Thanh Xuân 270,9 8920 13734 1853 Nam Từ Liêm 216,8 5532 9401 1207 Bắc Từ Liêm 318,3 5973 7137 1830 Hà Đông 292,7 13135 21329 2109 Nguồn: [27]
Trong phạm vi này lựa chọn 3 khu vực nghiên cứu bao gồm:
- Khu có thu nhập cao hơn trung bình (khu A): quận Hoàn Kiếm, một phần quận Ba Đình và đường Nguyễn Văn Cừ.
- Khu thương mại (khu B): Khu vực giao giữa các quận Hai Bà Trưng, Thanh Xuân, Đống Đa.
- Khu có thu nhập thấp hơn trung bình (khu C): một phần quận Cầu Giấy, quận Bắc Từ Liêm, quận Nam Từ Liêm.
Đối với mỗi khu vực nghiên cứu, chọn ba loại đường khác nhau để thu thập dữ liệu.
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - ĐHBKHN –Tel: (84.4) 38681686 – Fax: (84.4) 38693551
24
- Loại 1: Những tuyến đường chính nối các thành phố với nhau. Đặc điểm của những tuyến đường này là tốc độ di chuyển nhanh với tối thiểu các điểm giao cắt và thường là đường cao tốc.
- Loại 2: Những tuyến đường nối các khu vực khác nhau của thành phố hoặc là một tuyến giao thông quan trọng trong một khu vực. Đường này gọi là đường chính hay đường trục.
- Loại 3: Những tuyến đường dẫn đến nhà dân hay khu vực buôn bán nhỏ. Thường là đường có một hoặc hai làn xe với tốc độ di chuyển tương đối thấp hơn và nhiều điểm giao cắt. Loại đường này thường được gọi là đường dân sinh.
Căn cứ vào tình hình kinh tế - xã hội của các đơn vị hành chính của thành phố Hà Nội, xác định được 9 tuyến đường, tương ứng với 3 loại đường thuộc 3 khu vực nghiên cứu được lựa chọn để khảo sát như sau:
Bảng 2.4. Các tuyến đường khảo sát
Khu vực Đường cao tốc Đường trục Đường dân sinh
A Nguyễn Văn Cừ Nguyễn Thái Học Hàng Vôi
B Giải Phóng Chùa Bộc Phương Mai
C Trần Duy Hưng Phạm Hùng Trung Kính
Đối tượng được lựa chọn trong nghiên cứu này là 5 tuyến xe buýt 09, 18, 25, 32, 33 phù hợp với các khu vực và tuyến đường được lựa chọn trong phạm vi 12 quận nội thành của thành phố Hà Nội.
2.3.2. Thu thập thông tin về đặc điểm kỹ thuật của phương tiện
Tiến hành thu thập thông tin về phương tiện (loại phương tiện, số đăng ký, ngày vào tuyến, kích thước động cơ, số km đi được, kiểm soát phát thải, các chương trình bảo trì, thời gian hoạt động) tại bến xe Mỹ Đình, bến xe Giáp Bát, bến xe Lương Yên, bến xe Gia Lâm và bến xe Nam Thăng Long. Sử dụng bảng cỡ mẫu của Taro Yamane, số lượng mẫu cần thu thập ứng với số lượng xe là 974 xe (tính đến tháng 01/2015) và độ tin cậy 10% là từ 83 đến 91 mẫu. Mặt khác cũng có thể sử dụng công thức 2.4 tính toán cỡ mẫu của Taro Yamane như sau [28]:
2 1 Ne N n (2.4)
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - ĐHBKHN –Tel: (84.4) 38681686 – Fax: (84.4) 38693551
25 Trong đó:
n: số lượng mẫu;
N: số lượng phương tiện; e: dung sai (e = 0,1 ÷ 10%).
Tổng cộng đã thực hiện 100 phiếu điều tra để khảo sát đặc điểm kỹ thuật của xe buýt Hà Nội tại 5 bến xe nêu trên.
2.3.3. Đếm số lượng phương tiện
Theo dự án không khí sạch Việt Nam – Thụy Sĩ năm 2007, phương pháp đếm xe được xác định như sau:
- Thời gian đếm: ba thời điểm trong ngày (7h-9h; 10h-11h; 13h-15h); - Cách đếm: đếm 15 phút nghỉ 10 phút;
- Địa điểm: chọn các vị trí đứng hợp lý, tránh các vị trí giao cắt.
Việc đếm xe được thực hiện trong khoảng thời gian từ 18- 31/05/2015 trên 9 tuyến đường chọn lựa trong 3 khu vực.
2.3.4. Xác định phương thức lái của phương tiện
Sử dụng thiết bị GPS Garmin Etrex Vista HCx để xác định các thông tin liên quan đến hoạt động của xe buýt như tốc độ, vị trí và thời gian dừng giữa các lần khởi động của động cơ. Dữ liệu hành vi lái của xe buýt được thu nhận một cách liên tục từ 6:00 đến 20:00 cùng ngày (trong cả ngày thường và ngày nghỉ) đối với các tuyến xe buýt được lựa chọn khảo sát. Thời gian thu nhận dữ liệu hành vi lái từ tháng 7/2015 đến tháng 9/2015.
2.3.5. Thu thập các dữ liệu thứ cấp
Các dữ liệu thứ cấp bao gồm:
- Dữ liệu về khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm) của ngày khảo sát.
- Dữ liệu về thành phần và đặc điểm của nhiên liệu được lấy từ tiêu chuẩn về xăng dầu của Tổng công ty xăng dầu Việt Nam Petrolimex.
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - ĐHBKHN –Tel: (84.4) 38681686 – Fax: (84.4) 38693551
26
2.4. Phân tích dữ liệu
2.4.1. Dữ liệu GPS
Hai thông số quan trọng là VSP (Vehicle Specific Power) và Engine stress được thiết lập để đặc trưng cho phương thức lái trong mô hình IVE thông qua dữ liệu GPS.
VSP được định nghĩa là năng lượng cho một đơn vị khối lượng cần thiết để phương tiện thắng được các lực cản do độ dốc đường, trở lực không khí, lực ma sát lăn và gia tốc quán tính. VSP được xác định theo công thức 2.5.
3 000302 , 0 132 , 0 sin arctan 81 , 9 1 , 1 a grade v v VSP (2.5) Trong đó: + VSP (kW/tấn);
+ v: vận tốc của phương tiện (m/s);
+ a: gia tốc của phương tiện (m/s2);
+ grade = (ht=0 - ht=-1)/v(t=-1 đến 0 giây).
(Với đường trong thành phố gần đúng coi grade=0%)
Có 20 nhóm VSP trong mô hình IVE. Các nhóm từ 0 đến 10 là trường hợp năng lượng âm (phương tiện đi chậm, đi xuống dốc hoặc kết hợp cả hai). Nhóm 11 biểu diễn mức 0, tương ứng trường hợp năng lượng rất thấp (trường hợp dừng đèn đỏ). Các nhóm từ 12 đến 20 là trường hợp năng lượng dương (tăng tốc, đi lên dốc hoặc cả hai).
Engine stress thể hiện tương quan giữa nhu cầu tải năng lượng của động cơ trong vòng 20 giây vận hành (từ t = -5 giây đến t = -25 giây) và số vòng quay của động cơ trên phút (RPM). Engine stress thấp nghĩa là phương tiện vận hành ở vận tốc và gia tốc thấp trong 20 giây vận hành và RPM thấp. Engine stress cao khi phương tiện vận hành ở vận tốc và gia tốc cao trong 20 giây với RPM cao.
Công thức xác định Engine stress:
Engine stress = RPMindex + (0,08 tấn/kW)*PreaveragePower (2.6)
Trong đó:
+ RPMindex = vận tốct=0/SpeedDivider. Đại lượng này không có đơn vị.
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - ĐHBKHN –Tel: (84.4) 38681686 – Fax: (84.4) 38693551
27
+ PreaveragePower: trung bình (VSP từ t = -5 giây đến t = -25 giây) (kW/tấn).
Bảng 2.5. Điểm cắt sử dụng trong tính toán RPMindex
Điểm cắt tốc độ (m/s) Điểm cắt năng lượng (kW/tấn) Bộ chia tốc độ
Min Max Min Max
0,0 5,4 -20 400 3 5,4 8,5 -20 16 5 5,4 8,5 16 400 3 8,5 12,5 -20 16 7 8,5 12,5 16 400 5 12,5 50 -20 16 13 12,5 50 16 400 5 Nguồn: [26]
Có 20 nhóm VSP và 3 nhóm Engine stress để phân loại thành tổng cộng 60 bin tương ứng được liệt kê trong Bảng 2.6.
Bảng 2.6. Giới hạn để xác định bin theo VSP và Engine stress
Bin
VSP (kW/tấn) Engine stress
Bin
VSP (kW/tấn) Engine stress Thấp Cao Thấp Cao Thấp Cao Thấp Cao
0 -80 -44 -1,6 3,1 30 -7 -2,9 3,1 7,8 1 -44 -39,9 -1,6 3,1 31 -2,9 1,2 3,1 7,8 2 -39,9 -35,8 -1,6 3,1 32 1,2 5,3 3,1 7,8 3 -35,8 -31,7 -1,6 3,1 33 5,3 9,4 3,1 7,8 4 -31,7 -27,6 -1,6 3,1 34 9,4 13,6 3,1 7,8 5 -27,6 -23,4 -1,6 3,1 35 13,6 17,7 3,1 7,8 6 -23,4 -19,3 -1,6 3,1 36 17,7 21,8 3,1 7,8 7 -19,3 -15,2 -1,6 3,1 37 21,8 25,9 3,1 7,8 8 -15,2 -11,1 -1,6 3,1 38 25,9 30 3,1 7,8
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - ĐHBKHN –Tel: (84.4) 38681686 – Fax: (84.4) 38693551 28 9 -11,1 -7 -1,6 3,1 39 30 1000 3,1 7,8 10 -7 -2,9 -1,6 3,1 40 -80 -44 7,8 12,6 11 -2,9 1,2 -1,6 3,1 41 -44 -39,9 7,8 12,6 12 1,2 5,3 -1,6 3,1 42 -39,9 -35,8 7,8 12,6 13 5,3 9,4 -1,6 3,1 43 -35,8 -31,7 7,8 12,6 14 9,4 13,6 -1,6 3,1 44 -31,7 -27,6 7,8 12,6 15 13,6 17,7 -1,6 3,1 45 -27,6 -23,4 7,8 12,6 16 17,7 21,8 -1,6 3,1 46 -23,4 -19,3 7,8 12,6