Vecný zámer projektu:
Č. projektu: VEGA 1/0132/15
Zodpovedný riešiteľ: prof. Ing. Iraida Kolcunová, PhD.
Názov projektu: Výskum prieniku vysokofrekvenčného elektromagnetického poľa cez stavebné ekologické materiály
Žiadateľ: Fakulta elektrotechniky a informatiky Technickej univerzity v Košiciach

Kľúčové slová: zdroje elektromagnetického žiarenia, elektromagnetické vlny, vysoká frekvencia, účinnosť tienenia, ekologické stavebné materiály

ANOTÁCIA (PODSTATA) VEDECKÉHO PROJEKTU

Projekt bude zameraný na výskum prieniku vysokofrekvenčného elektromagnetického poľa stavebnými objektmi. Zvyšujúci sa počet nových zdrojov elektromagnetického poľa, najmä základňových staníc mobilných operátorov a zariadení telekomunikačných operátorov, ktoré sú umiestňované priamo v mestách a obciach môže vplývať na zdravie obyvateľstva. Výskum počas riešenia projektu bude orientovaný na meranie účinnosti tienenia elektromagnetického poľa stavebných prvkov používaných v bežnej stavbárskej praxi a zároveň nových ekologických stavebných materiálov. Ďalej bude sa realizovať výskum odrazu elektromagnetického poľa skúmaných stavebných materiálov používaných v stavebníctve. Výskum účinnosti tienenia a odrazu elektromagnetického poľa bude sa uskutočňovať pri frekvenčnom rozsahu radovo v GHz. Výsledky meraní budú použité pri upresňovaní výsledkov matematickej simulácie.

Popis vedeckých cieľov na celú dobu riešenia:

Projekt bude zameraný na výskum účinnosti tienenia elektromagnetického poľa stavebných prvkov. Ako stavebné prvky budú použité pri meraní bežne používané stavebné materiály a nové ekologické stavebné materiály. Počas riešenia projektu bude realizovaný výskum účinnosti tienenia elektromagnetického poľa stavebných prvkov v závislosti na frekvencii elektromagnetického poľa. Ďalej bude projekt zameraný na meranie odrazu elektromagnetického poľa stavebných materiálov. Následne bude výpočtom určená absorpcia elektromagnetického poľa stavebných materiálov. Meranie bude vykonané podľa IEEE Standard 299-2006 Method for Measuring the Effectiveness of Electromagnetic Shielding Enclosures.

Predkladaný výskum bude pozostávať z:

1. merania účinnosti tienenia a odrazu elektromagnetického poľa stavebných materiálov v závislosti na frekvencii elektromagnetického poľa v bezodrazovej komore
   
2. výpočtu koeficienta absorpcie, odrazu a účinnosti tienenia elektromagnetického poľa
3. simulácii rozloženia EMP na vytvorených 3D-modeloch homogénnych a vrstvených stavebných materiáloch

Realizačné výstupy a odberateľ výstupu:

Tento typ projektu nevyžaduje okamžitý realizačný výstup v praxi.

MEDZINÁRODNÁ VEDECKÁ SPOLUPRÁCA

Spoločné medzinárodné projekty: IP Program ERASMUS: Perspektíva rozvoja nízkoenergetických systémov využitím biomassy (koordinátor: doc. Ing. Miloslava Tesařová, PhD. ZČU Plzeň, garant - prof. Ing. Michal Kolcun PhD.)
Medzinárodná spolupráca s inštitúciami sa zaoberajúcimi problematikou predkladanou v projekte: Technische Universität Graz, Rakúsko ( prof. Michael Muhr); Vysoká škola báňská - Technická univerzita v Ostrave, ČR (prof. Stanislav Rusek); Polytechnika Czestochowska, Poľsko (prof Andrej Rusek); Technická univerzita Riga, Lotyšsko (prof. Anatolij Mahnitko); Technická univerzita Tallin, Estonsko ( prof. Jaan Jarvik); Budapest Polytechnic, Hungary (prof. Istvan Berta); ČVUT Praha, ČR (prof. Josef Tlustý); VUT Brno, ČR (doc. Peter Toman); ZČU Plzeň, ČR (doc. Karel Nohač); PEIPK, S. Petersburg, Rusko (akademik Alexej Tadžibajev).

CHARAKTERISTIKA PROJEKTU

a) súčasný stav problematiky
b) predpokladaný vlastný prínos
c) konkrétny návrh postupu na dosiahnutie cieľov projektu, vrátane časového harmonogramu na jednotlivé roky riešenia
d) zdôvodnenie zloženia riešiteľského kolektívu
e) popis použitých metodických postupov a ich zdôvodnenie

a) Súčasný stav problematiky:
Problematikou vplyvu elektromagnetických polí (EMP) sa široká verejnosť začala zaoberať až v 80-tych rokoch 20. storočia. Tento záujem podnietili prvé publikované výsledky o nepriaznivom vplyve elektromagnetických polí na zdravie človeka. V júni 2007 Svetová zdravotná organizácia (World Health Organization) vydala novú monografiu [1] s porovnávacím štúdiom vedeckej literatúry o zdravotných účinkoch vplyvu elektromagnetických polí, ktorá zaktualizovala predtým vydané monografie. Tento dokument je orientovaný na ohodnotenie všetkých možných zdravotných rizík a dáva odporučenie vhodných ochranných opatrení pre frekvenčný rozsah od 0 Hz do 100 kHz.

Medzinárodná organizácia o ochrane voči neionizujúcej radiácii (The International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) poskytla usmernenia ohľadom hraničných hodnôt expozície EMP [2, 8] pre rôzne frekvencie. Napriek podpore, ktorej sa výskumu vplyvu elektromagnetických polí dostáva zo strany Svetovej zdravotníckej organizácie alebo Európskej únie a prijatiu limitov na ochranu obyvateľov v súvislosti s expozíciou elektromagnetickému poľu, negatívne vnímanie tejto problematiky obyvateľstvom neustále rastie (napr. výsledky Eurobarometra č. 272a z roku 2007). Túto obavu verejnosti umocňuje zvyšujúci sa počet nových zdrojov elektromagnetického poľa, najmä základňových staníc mobilných operátorov a zariadení telekomunikačných operátorov, ktoré sú umiestňované priamo v mestách a obciach [4,5,6,7]. Z tohto dôvodu je dôležité aby obyvateľom boli poskytované informácie o problematike elektromagnetických polí, najmä o dosahovaných úrovniach, prípadne o rizikách a ochranných opatreniach. Zvyšovanie informovanosti je pritom v súlade s uznesením Európskeho parlamentu, ktorý vyzval národné vlády na zabezpečenie jednoduchého prístupu verejnosti k problematike elektromagnetického poľa.

V súčasnej dobe je mnoho úsilia venované výskumu účinku elektromagnetických polí (EMP) na zdravie obyvateľstva. Z dôvodov zabezpečenia dostatočnej ochrany obyvateľov pred nepriaznivými účinkami elektromagnetických polí sa v niektorých vyspelých krajinách (najmä Švédsko a USA) presadzuje koncepcia „rozumnej minimalizácie expozície“. Táto koncepcia v praxi znamená prijatie jednoduchých, ľahko uskutočniteľných nenákladných opatrení na minimalizáciu expozície obyvateľov, a to aj v prípade, kedy riziko vyplývajúce z expozície osôb elektromagnetickému poľu nie je výrazné (úrovne expozície sú nižšie ako legislatívou stanovené limity). Príkladom dodržania koncepcie „rozumnej minimalizácie expozície“ môže byť plánovanie výstavby zdravotníckych zariadení, detských ihrísk, škôl a predškolských zariadení do lokalít s najnižšími hodnotami expozície elektromagnetickému poľu. Tento prístup však bez informácii o dosahovaných úrovniach nie je možné aplikovať v praxi. V minulosti sa upriamovala pozornosť na zníženie spotreby energie a emisií CO2 počas prevádzky budov. V súčasnosti je ale možnosť znížiť spotrebu energie a emisii už pri výbere stavebného materiálu. Ukazovateľom zaťaženia životného prostredia sú najmä emisie SO2ekv a teda potenciál okysľovania životného prostredia. Tieto ekologické materiály sa postupne usadzujú v stavebníctve ale z hľadiska určenia účinnosti tienenia zatiaľ nie sú preskúmané.

Zámer projektu teda vychádza z potreby neustáleho zvyšovania kvality životného prostredia. V tejto súvislosti treba poznamenať, že otázka vplyvu elektromagnetických polí na zdravie človeka je stále otvorená. Vo svete bolo realizovaných množstvo štúdií (niektoré ešte stále prebiehajú) zameraných na kvantifikáciu negatívnych účinkov expozície elektromagnetickému poľu na živé organizmy. Na základe dosiahnutých výsledkov uvedených štúdii však nie je možné jednoznačne potvrdiť alebo vyvrátiť vplyv EMP na človeka. Aj preto je „rozumná minimalizácie expozície“ čoraz viac podporovaná koncepcia, ktorou sa uberajú niektoré členské štáty EÚ. Z uvedeného vyplýva, že zvýšenie ochrany obyvateľstva pred nepriaznivými účinkami elektromagnetických polí sa v súčasnosti nechápe len ako realizácia opatrení, v prípade prekročenia legislatívou stanovených limitov, ale aj ako analyzovanie zdrojov elektromagnetického poľa a opatrení na zníženie ich vplyvu na expozíciu obyvateľov [3, 9].

Hlavným impulzom pre vznik tohto projektu boli skúsenosti, získané počas spoločného s VUJE a.s. riešenia projektu zameraného na ochranu obyvateľstva SR pred účinkami elektromagnetických polí, ktoré poukázali na nasledovné:
- úroveň znalostí o problematike elektromagnetických polí a o dosahovaných úrovniach expozície elektromagnetickému poľu sú v laickej ako aj odbornej verejnosti veľmi nízke,
- merania vykonávané pri zdrojoch elektromagnetického žiarenia sú orientované výhradne na posúdenie vplyvu posudzovaného zdroja,
- v SR zatiaľ nebol uskutočnený výskum zameraný na komplexné posúdenie úrovne expozície elektromagnetickému poľu v celom frekvenčnom spektre so zohľadnením všetkých relevantných zdrojov, časových zmien vyžarovacieho výkonu,
- vplyv tieniacich prvkov (budovy, hlukové steny) na rozloženie EMP.

Literatúra:
je v prílohe k návrhu projektu

b) Predpokladaný vlastný prínos:

Výstupom predkladaného projektu bude: kvantifikácia vlastností stavebných materiálov s ohľadom na ich ovplyvňovanie veľkosti elektromagnetickému poľu (EMP). Budú vykonané porovnania účinnosti tienenia a odrazu elektromagnetického poľa bežných stavebných a nových ekologických materiálov v závislosti na frekvencii elektromagnetického poľa.

Výsledky projektu ohľadom expozície EMP budú veľmi žiadané ako zo strany obyvateľov, tak aj zo strany samosprávy a štátnych orgánov zaoberajúcich sa problematikou vyhodnocovania vplyvu EMP na človeka. Výstupy projektu v podobe dokumentácie s obsahom kvantifikácie vlastností stavebných materiálov s ohľadom na ich ovplyvňovanie veľkosti EMP môžu byť uplatňované pri rozhodovaniach orgánov štátnej alebo verejnej správy napr. pri územnom plánovaní, územnom a stavebnom konaní a pod. Na základe publikovaných výsledkov môže Úrad verejného zdravotníctva SR ako orgán verejného zdravotníctva (v zmysle zákona NR SR č. 355/2007 Z.z.) vykonávať hodnotenie dopadov na zdravie obyvateľstva. Výsledky môžu byť využité aj prevádzkovateľmi telekomunikačných zariadení, prípadne inými výskumnými organizáciami.

Ďalšie možnosti využitia získaných výsledkov možno očakávať u prevádzkovateľov zdrojov elektromagnetických polí (mobilní operátori, poskytovatelia internetových služieb, elektroenergetické a telekomunikačné spoločnosti), ktoré ich môžu využiť v procese plánovania a prípravy nových zariadení (zdrojov elektromagnetického poľa). Úrad verejného zdravotníctva SR alebo iné výskumné organizácie predstavujú ďalšiu skupinu, ktorá môže výsledky využiť ako vstupné informácie pre ďalšie špecializované analýzy a hodnotenia.

Výsledky projektu je možné považovať za významný prínos, ktorý prispeje k zvýšeniu ochrany životného prostredia a obyvateľstva, pretože s prejavom globalizácie problémov v životnom prostredí v rámci celej planéty je ľudstvo nútené sa týmito problémami zaoberať nielen z hľadiska vysvetľovania príčin zmien v životnom prostredí, ale aj analyzovaním a obmedzovaním týchto nepriaznivých vplyvov.

c) Konkrétny návrh postupu na dosiahnutie cieľov projektu, vrátane časového harmonogramu na jednotlivé roky riešenia:

Projekt bude orientovaný na výskum vlastností stavebných objektov (tienenie EMP) a ich vplyvu na veľkosť expozície elektromagnetickému poľu obyvateľstva v ich okolí. Riešenie úloh projektu bude rozdelené do štyroch etáp:

1. etapa: trvanie 1.1.2015 – 30.4.2015
Analýza danej problematiky v súčasnej literatúre, určenie zdrojov elektromagnetického poľa a ich frekvenčného pásma. Výber vhodného softvérového prostredia a práca s programom pre výpočet rozloženia elektromagnetického poľa metódou konečných prvkov.

2. etapa: trvanie 1.5.2015 – 31.12.2016
Komplexná analýza materiálového zloženia stien budov z rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami (ich elektrické, dielektrické, feromagnetické a diamagnetické parametre). Zhotovenie modelových panelov zo stavebných materiálov a prvkov ako sú tvárnice z pálených tehál, prostého betón, pórobetónu a železobetónu, tepelné izolácie na báze polystyrénu, minerálnej vlny a drevovláknitej dosky, prvky z materiálov na báze dreva a skla. Skúmanie tieniaceho účinku stien z jedného materiálu. Skúmanie tieniaceho účinku vrstvených stien z jedného a z rôznych materiálov. Vykonanie meraní závislosti tienenia materiálových prvkov od frekvencie EMP v rozsahu do 9 GHz. Merania budú sa realizovať v bezodrazovej komore pre skúšanie EMC na katedre elektroenergetiky FEI TU v Košiciach. Meranie tienenia stavebných materiálov bude prebiehať podľa IEEE Standardu: IEEE Standard Method for Measuring the Effectiveness of Electromagnetic Shielding Enclosures. Zároveň bude prebiehať matematická simulácia tvaru rozloženia elektromagnetického poľa a vyhodnotenie jeho prestupu, odrazu a absorpcie v závislosti od frekvencie a hrúbky materiálov.

3. etapa: trvanie 1.1.2017 – 31.7.2017
Meranie elektromagnetického poľa v mestských aglomeráciách pri rôznych podmienkach vonkajšieho prostredia (sucho, dážď, zamračené alebo slnečné počasie, deň, noc) a porovnanie výsledkov merania s predpisom Nariadenie vlády SR č. 534/2007. Meranie bude prebiehať v súlade s platnými normami STN EN 50413 a STN EN 50492. Výpočty rozloženia elektromagnetického poľa v mestských aglomeráciách s rešpektovaním odrazu od budov z rôznych konštrukčných materiálov podľa nameranej databázy tieniacich charakteristík stavebných materiálov.

4. etapa: trvanie 1.8.2017 – 31.12.2017
Vytvorenie databázy tieniacich charakteristík homogénnych a vrstvených bežných stavebných a ekologických materiálov pre výpočty rozloženia elektromagnetického poľa v okolí budov v mestských aglomeráciách. Porovnanie nameraných a vypočítaných rozložení EMP.

d) Zdôvodnenie zloženia riešiteľského projektu:
Riešiteľský kolektív tvoria hlavne zamestnanci Katedry elektroenergetiky, FEI TU v Košiciach a jeden člen s Ústavu environmentálneho inžinierstva SvF TU v Košiciach, ktorí sa podieľali na riešení viacero vedecko-výskumných projektov. Riešitelia projektu máju skúsenosti s meraním, modelovaním a výpočtami elektromagnetického poľa, vrátane návrhu metodiky na meranie a modelovanie elektromagnetických polí. Celý riešiteľský kolektív bude rozdelený do troch pracovných skupín. Jedna pracovná skupina sa bude zaoberať meraním v bezodrazovej komore. Súčasťou bezodrazovej komory je niekoľko antén, spektrálny analyzátor Agilent N9038A MXE EMI, R&S FSU 026, ručný spektrálny analyzátor R&S FSH8, signálový generátor Agilent N5183A. Druhá pracovná skupina sa bude zaoberať simulovaním šírenia elektromagnetického poľa v prostredí programu Ansys. Tretia časť pracovnej skupiny sa bude zaoberať výberom vhodných stavebných materiálov a určovania ich fyzikálnych vlastnosti pre účely merania v bezodrazovej komore.

Zloženie riešiteľského kolektívu: dvaja pracovníci s vedecko-pedagogickou hodnosťou profesor, dvaja s vedecko-pedagogickou hodnosťou docent, šesť pracovníkov s vedeckou hodnosťou PhD. a traja doktorandi.

e) Popis použitých metodických postupov a ich zdôvodnenie:
Pre dosiahnutie stanovených cieľov budú použité nasledovné metódy:

Určenie zdrojov elektromagnetického poľa
Podklady o zdrojoch elektromagnetického poľa a ich frekvenčnom pásme je možné získať z technických informácii o rádiových, televíznych, mobilných, resp. iných vysielačoch. Ďalej budú nasledovať samotné výpočty EMP realizované na špecializovaných výpočtových programoch (niektoré výpočty budú realizované na modeloch zohľadňujúcich reálne fyzikálne podmienky). Výsledky výpočtov budú následne spracované do databázy. Pri realizácii vyššie uvedených činností budú využité teoretické a praktické skúsenosti riešiteľov projektu.

Realizácia praktických meraní závislosti tienenia a odrazu homogénnych a vrstvených stien z rôznych stavebných materiálov od frekvencie elektromagnetického poľa
Merania závislosti tienenia a odrazu vzoriek stien z reálnych stavebných materiálov od frekvencie sa vykonajú normalizovanými metódami zameranými na určenie vlastného tlmiaceho účinku tieniacich materiálov, tlmiaceho účinku tienenia krytov a tienenie priestorov. Realizácia meraní bude uskutočnená v súlade s IEEE Standard Method for Measuring the Effectiveness of Electromagnetic Shielding Enclosures štandardom a príslušnými normami (napr. Nariadenie vlády SR č. 534/2007) a technickými normami (napr. STN EN 50413 a STN EN 50492). Meraniu bude predchádzať výber vhodných stavebných materiálov. Samotné merania budú vykonávané v špecializovanom laboratóriu katedry Elektroenergetiky vybavenom bezodrazovou komorou pre testovanie EMC. Budú testované parametre žiarenia prechádzajúceho stanovenými homogénnymi a vrstvenými stavebnými materiálmi v závislosti od ich hrúbky. Merania budú spracované jedinečným prístrojom - spektrálnym analyzátorom elektromagnetického vyžarovania, ktorý pracuje v pásmach od 3 Hz do 26,5 GHz. Všetky namerané dáta budú priebežne ukladané a ďalej spracovávané a analyzované. Výsledky meraní budú súčasťou databázy a spolu s ďalšími získanými výsledkami (matematická simulácia a výpočet) budú slúžiť pri výskume rozloženia elektromagnetického poľa.

Simulácie a výpočty rozloženia elektromagnetického poľa na vytvorených 3D-modeloch homogénnych a vrstvených stien stavebných objektov
Účelom simulácie je vytvorenie 3D-modelov objektov tak, aby na základe získaných výsledkov bolo možné skúmať dosahované úrovne elektromagnetického poľa z pohľadu lokality zdrojov elektromagnetického poľa a jeho frekvencie. Výsledky simulácie a výpočty rozloženia elektromagnetického poľa budú spracovávané a vyhodnocované pomocou programu ANSYS. Ďalej budú výsledky archivované vo vytvorenej databáze.

Skúsenosti získané pri realizácii meraní a výpočtoch rozloženia EMP budú v poslednom roku riešenia projektu využité na vytvorenie databázy tieniacich charakteristík homogénnych a vrstvených stavebných materiálov pre výpočty rozloženia elektromagnetického poľa v okolí budov v mestských aglomeráciách. Získané závislosti tienenia (odrazu) od frekvencie sú nevyhnutnými vstupnými údajmi pre výpočty tvaru a rozloženia elektromagnetického poľa na povrchoch tienených objektov (budov). Výsledky sú využiteľné aj pre výpočty veľkosti expozície osôb elektromagnetickému poľu v mestách a obciach.