Зависимость объемной активности радона в

Зависимость объемной активности радона в помещениях
от разности внутренней и наружной температур воздуха
Опубликовано в “АНРИ” №2(53), 2008, с. 37–43.
Цапалов А.А.
(ООО «НТЦ Амплитуда», г. Зеленоград, radon222@stream.ru),
Кувшинников С.И.
(ФГУЗ «Федеральный центр гигиены и Эпидемиологии» Роспотребнадзора, г. Москва)
Краткое содержание. В статье представлены результаты долговременных измерений
объемной активности (ОА) радона в двух различающихся по типу помещениях, а также
разности внутренней и наружной температур воздуха. Экспериментально установлена
количественная зависимость ОА радона и кратности воздухообмена в помещениях от
разности температур воздуха. Получена формула для оценки среднегодового значения ОА
радона в помещениях по результатам кратковременных одновременных измерений
содержания радона и разности температур воздуха.
Вопрос достоверной оценки среднегодового содержания радона по результатам
кратковременных измерений до сих пор остается актуальным. Сложность прогноза
нормируемого среднегодового значения эквивалентной равновесной объемной активности
(ЭРОА) изотопов радона связана со значительными временными вариациями радона даже
в закрытых помещениях.
Достоверность оценки среднегодового значения ОА радона может быть повышена:
- либо увеличением продолжительности измерения ОА радона;
- либо путем использования дополнительных сведений о влияющих на содержание
радона в помещениях факторах во время кратковременного измерения ОА радона.
Например, информации о разности температур наружного и внутреннего воздуха,
образующих тепловой напор [1] и инфильтрацию воздуха через ограждающие
конструкции здания.
В течение полутора лет были проведены непрерывные наблюдения в двух закрытых
помещениях подвального и чердачного типа (рис.1, табл.1), находящихся в разных
зданиях на расстоянии около 80 км. С начала лета 2006 г. велись непрерывные измерения
ОА радона (с периодом регистрации 1 час), а в подвале с грунтовым полом, кроме того,
выполнялись измерения плотности потока радона (ППР). В октябре 2006 г. были начаты
непрерывные измерения температур воздуха внутри помещений и снаружи зданий в тени.
1
Подвал
3м
открытый
грунт
Комната на чердаке
5-6 м
A-A
воздушные потоки
А
h = 3,1м
3,5 м
наружное
пространство
внутреннее
пространство
наружное
пространство
перекрытая
вентиляционная труба
внутреннее пространство чердака
4,0 м
А
Рис. 1. Схемы помещений
Таблица 1.
Характеристики помещений
Параметр
Подвал
Чердак
Тип здания, вентиляция
многоэтажное, панельное,
естественная вентиляция
3-х этажное, кирпичное,
естественная вентиляция
Место расположения здания
г. Москва, Варшавское ш.,19а
Московская обл., ВНИИФТРИ
Отопление помещения
нет
есть (эл. калорифер)
Объем помещения, м3
~ 400
41,4
естественный (грунт)
искусственный
(жидкий раствор Ra-226)
~ 27
261
Источник радона
Объемная скорость поступления
радона в помещение (мощность
источника), Бк/(м3ч)
За все время наблюдений, продолжавшихся до окончания октября 2007 г., накоплен
массив данных, включающий результаты более 60000 часовых измерений (табл.2).
2
Таблица 2.
Период измерения и количество зарегистрированных данных
в исследуемых помещениях
Измеряемый параметр
Период измерения
и количество зарегистрированных данных
Подвал
ОА радона в воздухе
с 01.06.2006 по 20.10.2007,
результатов - 12142
ППР с поверхности грунта
с 01.06.2006 по 20.05.2007
результатов - 8465
Температура воздуха снаружи
здания
Температура воздуха внутри
помещения
с 20.10.2006 по 20.10.2007
результатов - 8775
Чердак
с 01.06.2006 по 20.10.2007
результатов - 12154
-
с 20.10.2006 по 20.10.2007
результатов - 8781
Для измерений ОА радона в воздухе помещений и ППР с поверхности пола
применялись детекторы с камерами типа Лукаса, работающие в режиме непрерывной
прокачки воздуха (рис.2). Поступающая от детектора информация обрабатывалась и
регистрировалась карманным компьютером из состава каждой установки. Показания
измерительных установок предварительно были откалиброваны с помощью радонового
монитора “AlphaGUARD”, использовавшегося в международных сличениях. Для
измерений и регистрации температур воздуха применялась метеостанция “TFA”
(Германия) с внешним датчиком, оснащенным радиосвязью (рис.2).
Рис. 2. Средства измерений
3
3000
3000
ОА радона, Бк/м3
2000
2000
1000
1000
00
Июнь
4040
Лето 2006
Август
Осень
Ноябрь
Зима
Март
Весна
Май
Лето 2007
Август
Разность температур, oC
T = Tвнутр - Tнаруж
2020
00
Июнь
Август
Ноябрь
Март
Май
Август
-20
-20
Рис. 3. Результаты измерений в комнате на чердаке
300
300
ОА радона, Бк/м3
200
200
100
100
00
Июнь
4040
2020
00
Июнь
Лето 2006
Август
Осень
Ноябрь
Зима
Март
Весна
Май
Лето 2007
Август
Разность температур, oC
T = Tвнутр-Tнаруж
Август
Ноябрь
Март
Май
Август
-20
-20
100
100
Отклонение от среднего
не более 20%
ППР с поверхности грунта, мБк/(м2с)
5050
00
Июнь
Ав густ
Ноябрь
Март
Май
Ав густ
Рис. 4. Результаты измерений в подвальном помещении
4
Результаты измерений в комнате на чердаке с искусственным источником радона
постоянной мощности (табл.1) представлены на рис.3.
Результаты измерений в подвальном помещении с естественным источником радона
представлены на рис.4, на котором видно, что зарегистрированные отклонения ППР
отличаются от среднегодового значения не более, чем на 20%. Такой результат
объясняется
неизменной
влажностью
(и,
как
следствие,
сохраняющейся
газопроницаемостью) активного слоя [2] грунта в подвале и позволяет считать скорость
поступления радона в подвал практически постоянной.
Сравнивая на рис.3 и 4 кривые изменения ОА радона в разных, удаленных друг от
друга помещениях, нетрудно заметить схожесть колебаний ОА радона, а также их связь с
изменениями разности температур.
0,8
Сезонные
Отклонения ОА радона в подвале
0,4
0,0
лето 2006
осень
зима
весна
-0,4
-0,8
0,8
Месячные
0,4
0,0
июнь 06
июль
август
сентябрь
октябрь
ноябрь
декабрь
январь
февраль
март
апрель
май
-0,4
-0,8
Отклонения разности температур
1,2
Недельные
ые
Отклонения ОА радона на чердаке
0,8
0,4
0,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
-0,4
-0,8
Рис. 5. Отклонения от среднегодового значения ОА радона в исследуемых
помещениях и усредненной за месяц разности температур
На рис.5 показано, что в исследуемых помещениях величина отклонения ОА радона
от
среднегодового
значения
имеет
периодический
сезонный
характер
при
5
продолжительности измерения не менее одного месяца. В то же время, при непрерывных
измерениях длительностью менее месяца такая периодичность нарушается (особенно при
аномальных погодных условиях) и использование “сезонных поправок” при оценке
среднегодового содержания радона в помещениях теряет смысл. Наиболее близкими к
среднегодовому значению оказываются усредненные результаты измерений, проведенных
в течение 3-х месяцев осеннего или весеннего периодов. Очевидно, что проведение столь
длительных измерений в процессе производственного контроля при приемке зданий в
эксплуатацию проблематично.
С другой стороны, на рис.5 видна обратная связь между отклонениями от
среднегодовых величин двух параметров: усредненных за месяц зарегистрированных
значений ОА радона в помещениях и расчетных значений разности температур,
вычисленных
по
результатам
многолетних
метеонаблюдений
в
Москве
[3]
в
предположении, что среднегодовая температура воздуха в помещении постоянна и равна
23,5 оС.
Для количественной оценки связи между измеряемыми параметрами воспользуемся
известным решением нестационарного уравнения баланса ОА радона в помещении [4]
OA(t )
 j  во  OAнаруж  во  OA(t )   Rn  OA(t ) ,
t
(1)
где ОА(t ) – объемная активность радона в помещении в момент времени t , Бк/м3;
j – суммарная скорость поступления радона от всех источников
(кроме наружного воздуха) в помещение, Бк/(м3ч);
OAнаруж – объемная активность радона в наружном воздухе, которая в расчетах
принята равной 10 Бк/м3;
во – кратность воздухообмена в помещении, 1/ч;
 Rn – постоянная распада радона, равная 0,00755 1/ч.
При начальном условии OA(t  0)  OA0 решение уравнения (1) в виде
OA(t ) 
j  во  OAнаруж
во  Rn
1  e
 (  во   Rn ) t
 OA  e
0
 (  во   Rn ) t
,
(2)
устанавливает зависимость содержания радона в текущий момент времени от постоянной
во времени скорости поступления радона в помещение, а также кратности воздухообмена.
6
Решение (2) приобретает упрощенный вид
OA 
если выполняются два условия:
j
во
 OAнаруж ,
(3)
 Rn  во и  OA (t  1ч)  10% , что имеет место в
подавляющем большинстве практических случаев.
На основе накопленного массива экспериментальных данных построены диаграммы
рассеяния измеренной разности температур и расчетной кратности воздухообмена для
чердачного (рис.6A) и подвального (рис.7A) помещений. На диаграммах координаты
точек по оси “кратности воздухообмена” вычислены по формуле (3), где измеренные
значения ОА радона и разности температур соответствуют по времени. Усреднение точек
на диаграммах рассеяния (выделенные линии) позволяет вывести вероятную зависимость
кратности воздухообмена от разности температур и по формуле (2) при известной
скорости поступления радона рассчитать последовательность значений ОА радона на
чердаке (рис.6B) и в подвале (рис.7B) за весь период наблюдений с временным
интервалом t  1ч . Оценка отклонения расчетных значений ОА радона от измеренных за
каждый час наблюдения на чердаке (не более 40% при Р=0,96) и в подвале (не болеем 40%
при Р=0,91) указывает на приемлемую достоверность полученных зависимостей
кратности воздухообмена от разности температур.
Таким образом, экспериментально подтверждаемая достоверность расчетной модели
в целом свидетельствует о существенном преобладании теплового напора над ветровым
[1] в механизме формирования естественного воздухообмена в столь различающихся
помещениях.
Более
того,
графическое
сопоставление
зависимостей
кратности
воздухообмена от разности температур, полученных для чердака и подвала, указывает на
их близость и позволяет ожидать для помещений иных типов (также закрытых, с
естественной вентиляцией) рассматриваемую зависимость схожей со средней на рис.8.
7
А
B
30
Доля
значений, %
Погрешность расчета ОА радона
с учетом кратности воздухообмена
не превышает 40 % при Р=0,96
20
96 %
10
0
-0,5
C
0,0
0,5
1,0
Интервалы отклонений (ОАрасчет/ОАизм – 1)
А – диаграмма рассеяния и усредненная зависимость кратности воздухообмена
от разности температур воздуха
B – сопоставление измеренных и расчетных значений ОА радона в воздухе
С – гистограмма отклонений расчетных значений ОА радона от измеренных
за 1 час
Рис. 6. Результаты расчетов для чердачного помещения
8
А
B
20
Доля
значений, %
Погрешность расчета ОА радона
с учетом кратности воздухообмена
не превышает 40 % при Р=0,91
10
0
-0,5
C
91 %
0,0
0,5
1,0
Интервалы отклонений (ОАрасчет/ОАизм – 1)
А – диаграмма рассеяния и усредненная зависимость кратности воздухообмена
от разности температур воздуха
B – сопоставление измеренных и расчетных значений ОА радона в воздухе
С – гистограмма отклонений расчетных значений ОА радона от измеренных
за 1 час
Рис. 7. Результаты расчетов для подвального помещения
9
1,0
Кратность воздухообмена, 1/ч
Подвал
Чердак
0,5
Среднее по помещениям
T = Tвнутр - Tнаруж , oC
0,0
-15
-5
5
15
25
35
45
Рис. 8. Зависимость кратности воздухообмена в закрытых помещениях
от разности температур воздуха
Среднегодовые значения измеряемых и расчетных параметров для исследуемых
помещений приводятся в табл.3.
Таблица 3.
Среднегодовые значения для закрытых помещений
Параметр
Подвал
Чердак
Наружная температура воздуха в тени, оС
7,06*
6,07
Внутренняя температура воздуха, оС
19,13
18,52
Разность температур, оС
12,07
12,45
ОА радона в воздухе помещения, Бк/м3
76,3
880
Кратность воздухообмена, 1/ч
0,48
0,39
* - среднегодовая температура воздуха в Москве за период с 1961 по 1990 г составила 5,0 оС [3],
отклоняясь не более чем на 2 оС; 2007 год отличался повышенной среднегодовой температурой в
столице.
Опуская кратность воздухообмена, как промежуточный параметр, в проведенном
исследовании также определена связь, непосредственно, между содержанием радона в
помещениях и разностью температур. Для этого построены диаграммы рассеяния
одновременно измеренных значений ОА радона и разности температур для чердака и
подвала, показанные на рис.9. Принимая во внимание более низкую статистическую
достоверность часовых измерений ОА радона в подвале (среднее содержание радона в
подвале на порядок ниже, чем на чердаке), представленные диаграммы имеют
10
А
ОА радона, Бк/м3
B
T = Tвнутр - Tнаруж , oC
Рис. 9. Диаграммы рассеяния одновременно измеренных значений ОА радона
в помещениях (А – чердак, B – подвал) и разности температур воздуха
качественное сходство и напоминают форму факела. Расширение “факелов” происходит
постепенно из области максимальной разности температур (зимний период) и достигает
наибольшего разброса, когда температура в помещении ниже, чем снаружи здания
(летний период). Это объясняется тем, что в наиболее теплое время года перепад
давлений, формируемый температурным градиентом между наружным и внутренним
воздухом закрытых помещений (тепловой напор), относительно мал и непостоянен. При
таких
условиях
уже
значимое
влияние в процессе побуждения естественного
воздухообмена начинают приобретать ветровой напор, а также инсоляционные нагрузки
на внешнюю оболочку здания, характеризующиеся нерегулярным воздействием.
11
ОАизм / ОАср - 1
A
T / Tср - 1
ОАизм / ОАср - 1
B
T / Tср - 1
Рис. 10. Диаграммы рассеяния и усредненные зависимости относительных
значений ОА радона в помещениях (А – чердак, B – подвал) от
относительных значений разности температур воздуха
Далее, преобразовав полученные диаграммы рассеяния (рис.9) из абсолютных
величин в относительные путем использования известных среднегодовых значений
(табл.3), получаем усредненные зависимости (выделенные линии) отклонений ОА радона
от отклонений разности температур для чердачного и подвального помещений в
безразмерном виде (рис.10). Такой подход позволяет выполнить расчет соответствующих
относительной разности температур значений ОА радона в помещениях за весь период
наблюдений с временным интервалом t  1ч по формуле
12
OAрасчет  ОАср  [ f (T )  1]
(4)
где OAср – среднегодовая объемная активность радона в помещении, Бк/м3;
f (T ) – функция, представленная в графическом изображении в виде выделенной
линии на рис.10 для чердачного и подвального помещений.
20
Доля
значений, %
Погрешность расчета
ОА радона на чердаке
с учетом разности температур
не превышает 40 % при Р=0,94
94 %
10
0
20-0,5
0,0
Доля
значений, %
0,5
1,0
Погрешность расчета
ОА радона в подвале
с учетом разности температур
не превышает 40 % при Р=0,91
10
91 %
0
-0,5
0,0
0,5
1,0
Интервалы отклонений (ОАрасчет / ОАизм – 1)
Рис. 11. Гистограммы отклонений расчетных значений ОА радона
от измеренных за 1 час в помещениях
Высокая точность расчета часовых значений ОА радона на чердаке и в подвале
(отклонение от измеренных значений не превышает 40% при Р>0,9) с учетом разности
температур (рис.11) свидетельствует о вполне приемлемой для радиационного контроля
достоверности полученных зависимостей (рис.10).
13
1,5
F(x)
Подвал
0,5
Чердак
x
-2,0
-1,0
0,0
1,0
2,0
-0,5
Среднее по помещениям
-1,5
Рис. 12. Зависимость относительного значения ОА радона в помещениях (F)
от относительного значения разности температур (x)
На рис.12 также наблюдается сходство полученных для чердака и подвала
рассматриваемых зависимостей. Поэтому использование усредненной функции F(x)
позволяет по результатам кратковременных измерений выполнять достоверную оценку
среднегодового значения ОА радона в помещениях по формуле
OAср 
Tвнутр  Tнаруж
OA
1
, x
Tвнутр  Tнаруж
F ( x)  1
(5)
где OA – измеренная объемная активность радона в помещении, Бк/м3;
Tвнутр , Tвнутр
– измеренная и среднегодовая температуры воздуха внутри
помещения, оС;
Tнаруж , Tнаруж – измеренная и среднегодовая температуры воздуха снаружи здания
в тени, оС.
Измерение текущей температуры воздуха, как и определение среднегодовых
значений температур воздуха внутри помещения и снаружи здания, не вызывает
14
затруднений. Информацию о среднегодовой температуре воздуха снаружи здания можно
получить из сводок Росгидромета [3] по соответствующим регионам РФ. Например,
подробные сведения о погоде в Москве (включая многолетний архив) можно найти в
Интернете [5]. Среднегодовая температура воздуха в помещении определяется его
функциональным назначением и, как правило, должна обеспечивать комфортные
ощущения находящихся в нем людей. Примерно, среднегодовая температура воздуха в
жилых помещениях колеблется от 22 до 25 оС, в офисных - от 20 до 24 оС, при этом для
женщин комфортная температура на 2 оС выше, чем для мужчин [6].
Подобный метод оценки среднегодового содержания радона может быть применен к
закрытым помещениям различного типа с естественной вентиляцией, за возможным
исключением тех случаев, которые недостаточно соответствуют представленной модели и
могут быть выявлены только в результате дальнейших натурных исследований и опыта
производственного контроля. Помимо радонового контроля, данный метод может
использоваться при оценке среднегодового содержания и других нормируемых
загрязнителей в воздухе помещений (фенол, углекислый газ и т.п.) или при исследовании
аэроионного режима в зданиях.
В последующих публикациях авторами будет представлена экспериментально
опробованная модель формирования ЭРОА радона в помещениях, учитывающая
кратность воздухообмена и осаждение дочерних продуктов радона. На ее основе
разработан
и
уже
прошел
Госиспытания аэрозольный
альфа-радиометр
радона
“АльфаАЭРО”, способный путем кратковременного измерения выполнять оценку
среднегодовой ЭРОА радона в помещениях. Метод базируется на принципах, которые
отличаются по сути, но в то же время дополняют представленные в данной работе.
Исследование было выполнено при поддержке ООО «НТЦ Амплитуда», а также
«Федерального центра гигиены и Эпидемиологии» Роспотребнадзора в г.Москве.
ЛИТЕРАТУРА
1. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей здания. Изд. 4-е,
перераб. и доп. М., Стройиздат, 1973, с.287.
2. Гулабянц Л.А., Заболотский Б.Ю. Мощность «активного» слоя грунта при
диффузионном переносе радона в грунтовом основании здания. АНРИ, 2001, №
4. с.38-40.
3. http://www.meteoinfo.ru
4. Крисюк Э.М. Радиационный фон помещений. М.: Энергоатомиздат, 1989.
5. http://www.station.gismeteo.ru
6. Губернский Ю.Д., Кореневская Е.И. Гигиенические основы кондиционирования
микроклимата жилых и общественных зданий. М., «Медицина», 1978, 192 с.
15