СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОМИНИРУЮЩЕГО МЕХАНИЗМА ПОСТУПЛЕНИЯ РАДОНА В ПОМЕЩЕНИЕ
METHOD FOR IDENTIFICATION OF PREVAILING MECHANISM OF RADON INGRESS INTO ROOM

Изобретение относится к методам измерения объемного расхода, а именно определения эффективной площади натекания и механизма поступления природного газа радона в помещение.
Из предшествующего уровня техники известно, что поступление радона в помещение в основном обусловлено двумя механизмами [Sherman, 1998а]: диффузионным, обусловленным наличием градиента объемной активности радона в среде, и конвективным, вызванным наличием разности давлений между внутренним объемом здания и внешней атмосферой. Основными причинами возникновения воздухообмена между внутренним объемом здания и внешней атмосферой при отсутствии источников принудительной вентиляции являются разность температур между оболочкой здания и наружной атмосферой и ветровой напор [Жуковский и др., 2000]. Низкая температура наружного воздуха приводит к возникновению отрицательной разности давлений между зданием и наружной атмосферой. Поскольку температура воздуха в помещении выше, чем снаружи, возникает подъемная сила, приводящая к движению воздуха в верхнюю часть здания [Sherman, 1998б]. Чем ниже температура вне здания, тем выше подъемная сила воздуха внутри. Теплый воздух утекает из здания через открытые участки в оболочке здания - окна, щели (инфильтрация). Чтобы компенсировать эту потерю воздуха наружный воздух натекает в здание (эксфильтрация). При этом натекание может иметь место как за счет неплотностей в оболочке здания, сообщающиеся с внешней атмосферой, так и за счет поступления почвенного воздуха с высоким содержанием радона.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является метод [Цапалов, Калашников, 2008] по выявлению количественной зависимости объемной активности радона в помещениях от разности температур внутреннего и наружного воздуха. Метод основан на анализе удельного поступления радона на единицу объема воздуха в помещении. Полученные результаты хорошо соответствуют диффузионному механизму поступления. Авторы отмечают, что представленный метод оценки содержания радона может быть применен к закрытым помещениям, за возможным исключением тех случаев, которые недостаточно соответствуют модели.
Недостатками данного технического решения, является то, что данный метод накладывает ограничения за счет применимости модели исключительно к закрытым помещениям, также авторы метода рассматривают исключительно диффузионный механизм поступления радона. Модель не может быть применена в условиях реально эксплуатируемых помещений, т.е. там, где такая оценка может представлять значительный интерес.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке способа достоверного определения механизма поступления природного газа радона в помещение, а также способа оценки эффективной площади натекания радона.
Данная задача достигается за счет того, что способ определения доминирующего механизма поступления радона в помещение основан на анализе временных рядов непрерывных измерений объемной активности радона в действующих помещениях, который позволяет выявить зависимости удельного поступления радона на единицу объема воздуха в помещении от разницы температур атмосферного воздуха внутри и снаружи помещения. Способ определения доминирующего механизма поступления радона в помещение, в котором могут быть использованы измерения объемной активности радона в помещении при стационарном и активном режиме его эксплуатации. Способ определения доминирующего механизма поступления радона в помещение, в котором могут быть использованы достаточно длительные непрерывные временные ряды измерений объемной активности радона. Способ определения доминирующего механизма поступления радона в помещение, в котором может быть оценена эффективная площадь натекания природного газа радона. Способ определения доминирующего механизма поступления радона в помещение, в котором может быть произведено измерение фиксированной разности давлений снаружи и внутри помещений. Способ определения доминирующего механизма поступления радона в помещение, в котором могут быть использованы значения баз данных о фактической погоде по данным наземных метеорологических станций.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является высокая точность определения механизма поступления природного газа радона в помещение, путем анализа временных рядов непрерывных измерений объемной активности радона в действующих помещениях.
Сущность способа поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг.1 - Кривая температурной зависимости объемной активности радона от соотношения между конвективным и диффузионным механизмами поступления.
На фиг.2 - Кривая временных рядов измерений объемной активности радона в действующем помещении.
На фиг.3 - Зависимость удельной скорости поступления радона в помещение от разности температур.
Метод основан на анализе временной зависимости объемной активности радона в помещении при стационарном и активном режиме их эксплуатации. Изучение зависимости скорости поступления радона в помещение от разности температур между атмосферой в здании и внешней атмосферой позволяет оценить доминирующий тип поступления радона в помещение - диффузионный (отсутствие зависимости от разности температур) или конвективный (рост скорости поступления с увеличением разности температур). Одновременные измерения временной зависимости объемной активности радона и разницы давлений между оболочкой здания и внешней атмосферой позволяют оценить такой параметр помещения, как эффективная площадь натекания. Типичный вид временного ряда объемной активности радона представлен на Фиг.1.
3
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>т</mi></mrow><mrow><mi>э</mi><mi>ф</mi></mrow></msubsup></mrow>
Поток воздуха Q (м/с), поступающего в помещение, вызванный имеющейся разностью давлений, может быть выражен через эффективную площадь натекания
и показатель степени n, зависящий от аэродинамических характеристик мест инфильтрации и эксфильтрации воздуха в здании:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>т</mi></mrow><mrow><mi>э</mi><mi>ф</mi></mrow></msubsup><msub><mi>ν</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>n</mi></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
0
где ΔP - разность давлений, обусловливающая поток воздуха Q; ν=2,58 м/с - скорость воздуха, связанная с величиной образцового давления Р=4 Па:
<mrow><msub><mi>ν</mi><mn>0</mn></msub><mo>≡</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
ρ - плотность воздуха при нормальном давлении.
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>т</mi></mrow><mrow><mi>R</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
Для описания натекания радона в здание по аналогии с эффективной площадью натекания, относящейся к процессам воздухообмена, используется такое понятие, как площадь натекания радона -
. По аналогии с уравнением (1) можно записать:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>R</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>∞</mi></msub><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>т</mi></mrow><mrow><mi>R</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup><msub><mi>ν</mi><mn>0</mn></msub><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>P</mi></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mi>r</mi></msub></mrow></msup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>ρ</mi><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub><mfrac><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi><mi>у</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mi>и</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>с</mi><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>р</mi><mi>у</mi><mi>ж</mi><mi>и</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>в</mi><mi>н</mi><mi>у</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mi>и</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
∞
где ΔP=ΔρgH (H - высота здания, а разность плотностей воздуха
определяется через разность температур внутри здания и вне него). Почва рассматривается как резервуар радона с объемной активностью А и как среда, создающая сопротивление потоку воздуха.
Равновесное значение ОА радона в здании при конвективном поступлении в общем виде может быть записано:
<mrow><msub><mi>A</mi><mi>r</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>∞</mi></msub><mfrac><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>т</mi></mrow><mrow><mi>R</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>т</mi></mrow><mrow><mi>э</mi><mi>ф</mi></mrow></msubsup></mrow></mfrac><msub><mi>f</mi><mi>R</mi></msub><msub><mi>f</mi><mi>P</mi></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
В данном случае:
<mrow><msub><mi>A</mi><mi>∞</mi></msub><mfrac><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>т</mi></mrow><mrow><mi>R</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>т</mi></mrow><mrow><mi>э</mi><mi>ф</mi></mrow></msubsup></mrow></mfrac></mrow>
- член
является общим для всех механизмов, создающих разность давлений между оболочкой здания и наружной атмосферой;
R
- f - характеризует распределение мест натекания воздуха по оболочке здания;
P
- f - коэффициент, зависящий от создаваемой разности давлений и определяющий конвективное поступление радона.
Можно составить общее уравнение, описывающее ожидаемое значение ОА радона. При составлении уравнения, описывающего накопление радона в помещении, были рассмотрены следующие основные процессы:
D
- диффузионное поступление из почвы и материалов строительных конструкций S,
- конвективное поступление за счет стек-эффекта,
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>A</mi><mrow><mi>R</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>м</mi></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
- инфильтрация воздуха с объемной активностью радона
и связанные с этими механизмами скорости воздухообмена Q.
Можно ввести ряд обобщающих коэффициентов, которые для каждого индивидуального помещения будут постоянны. Это позволяет записать общее выражение для зависимости равновесного значения ОА в помещении как:
<mrow><msub><mi>A</mi><mi>r</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mi>∞</mi></msub><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>т</mi></mrow><mrow><mi>R</mi><mi>n</mi></mrow></msubsup><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>X</mi><mi>S</mi></msub><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>T</mi></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mi>r</mi></msub></mrow></msup><mo>+</mo><msub><mi>S</mi><mi>D</mi></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>н</mi><mi>а</mi><mi>т</mi></mrow><mrow><mi>э</mi><mi>ф</mi></mrow></msubsup><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>Y</mi><mi>S</mi></msub><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>T</mi></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mi>n</mi></msup><mo>+</mo><msub><mi>Y</mi><mi>W</mi></msub></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>+</mo><msubsup><mi>A</mi><mrow><mi>R</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>м</mi></mrow></msubsup><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
W
S
S
Для конкретного исследуемого здания скорость вентиляции, обусловленная ветровым эффектом, постоянна и пропорциональна некоторой величине Y, которая зависит от распределения мест утечек и натекания в здании. В свою очередь скорость воздухообмена, обусловленная стек-эффектом, пропорциональна величине Y и зависит от разности температур внутри и вне здания. Скорость поступления радона, обусловленная стек-эффектом, также определяется разностью температур и пропорциональна некоторой величине X, характеризующейся положением нейтральной плоскости (уровня, где обусловленная стек-эффектом разность давлений между наружным воздухом и воздухом внутри здания равна нулю).
D
r
При доминирующем конвективном механизме поступления радона в помещение, когда первое слагаемое в числителе уравнения (5) много больше величины S, изменение разности температур ΔТ будет оказывать влияние как на скорость поступления радона в помещение (числитель), так и на скорость воздухообмена в помещении (знаменатель). Показатель степени n≈2/3, a показатель степени n, стоящий в числителе, принимается равным единице для большинства конструкций зданий, кроме зданий с подпольным пространством, имеющим земляной пол. В любом случае, при увеличении параметра ΔT числитель уравнения (5) растет быстрее, чем знаменатель и, следовательно, ОА радона в здании для зимнего сезона должна быть выше, чем для летнего. При доминировании диффузионного механизма поступления радона в помещение числитель не имеет ярко выраженной температурной зависимости. В то же время, сезонное увеличение параметра ΔT в зимний период приведет к заметному увеличению знаменателя дроби в уравнении (5), т.е. к увеличению скорости воздухообмена в здании, в первую очередь за счет стек-эффекта. При этом ОА радона в здании для зимнего сезона будет меньше, чем для летнего. На Фиг.1 показаны относительные изменения ОА радона в зависимости от разности температур внутри и вне здания для различного соотношения между конвективным и диффузионным механизмами поступления радона.
0
max
Типичный вид временного ряда объемной активности радона представлен на Фиг.2. После выделения временного ряда значений объемной активности радона, соответствующего кривой, серия измерений описывается уравнением нелинейной математической регрессии (2) и производится расчет численных значений и асимптотических случайных погрешностей величин А, A и λ.
Зависимость скорости поступления радона в помещение от разницы температур ΔT однозначно позволяет определить доминирующий механизм поступления радона в помещение - диффузионный или конвективный. На Фиг.3 представлены такие зависимости. Как можно видеть, с ростом разности температур скорость поступления для помещения 1 остается практически неизменной. Таким образом, диффузионный механизм поступления радона для данных помещений является преобладающим. Для помещения 2, напротив, наблюдается значимый рост скорости поступления радона, что свидетельствует о преобладании конвективного механизма поступления.
Значительный объем дополнительной информации по процессам воздухообмена в помещении можно получить, проводя измерения разности давлений между оболочкой здания и наружной атмосферой. Подставив значения минимальной кратности воздухообмена для соответствующих разностей давлений в уравнение (3), можно получить оценку эффективной площади натекания от разности температур.
Литература
Жуковский М.В., Кружалов А.В., Гурвич В.Б., Ярмошенко И.В. Радоновая безопасность зданий. Екатеринбург: УрО РАН, опубл. 2000 г.;
Цапалов А.А., Калашников С.И. Зависимость объемной активности радона в помещениях от разности внутренней и наружной температур воздуха, АНРИ №2 2008, с.37-43;
Sherman M.H. Simplified Modeling for Infiltration and Radon Entry. Lawrence Berkeley National Laboratory, опубл. 1998 г. LBL-31305;
Sherman M.H. Single-Zone Stack Dominated Infiltration Modelling. Lawrence Berkeley National Laboratory, опубл. 1998, LBL-30147.