地下車(chē)庫(kù)氡遷移的數(shù)值模擬研究

孟德雨，王漢青，李鋮駿

環(huán)境及其效應(yīng)

地下車(chē)庫(kù)氡遷移的數(shù)值模擬研究

孟德雨a，王漢青b，李鋮駿b

（南華大學(xué) a.土木工程學(xué)院 b. 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

研究地下車(chē)庫(kù)氡濃度分布，提出改善地下車(chē)庫(kù)氡控制的建議。計(jì)算地下車(chē)庫(kù)壁面的氡析出率，建立地下車(chē)庫(kù)的幾何模型，采用CFD數(shù)值模擬的方法研究室內(nèi)溫度、換氣次數(shù)以及氣流組織形式對(duì)室內(nèi)氡濃度分布的影響。平均氡濃度水平在室內(nèi)溫度為5 ℃時(shí)均處于最低值，在溫度為35 ℃時(shí)均處在最高值，反映出溫度的升高將削弱通風(fēng)排氡的效果。當(dāng)換氣次數(shù)為1 AC/h時(shí)，室內(nèi)氡濃度已經(jīng)符合規(guī)范上的要求，因此對(duì)于采用機(jī)械通風(fēng)的情形，當(dāng)室內(nèi)換氣次數(shù)超過(guò)1 AC/h時(shí)，基本可以認(rèn)為已經(jīng)具備足夠的排氡的能力。提高換氣次數(shù)可以顯著降低室內(nèi)氡的濃度，除此之外，采用合理的氣流組織形式，讓氣流充分穿越工作區(qū)也是提高排氡效率的可行方法。

氡濃度；地下車(chē)庫(kù)；室內(nèi)溫度；數(shù)值模擬

氡（222Rn）是一種天然的放射性氣體，廣泛存在于土壤以及巖石中，氡的半衰期為3.8 d，衰變的時(shí)候?qū)⑨尫?.5 MeV以上的能量，并產(chǎn)生新的放射性元素（218Po、214Pb、214Bi及214Po等）。氡是一種對(duì)人體有害的污染氣體，已經(jīng)有研究表明，長(zhǎng)時(shí)間暴露在高濃度的氡及其子體的環(huán)境中，會(huì)增大肺癌的患病風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。室內(nèi)建筑中的氡主要來(lái)源于建筑地基下土壤氡的滲透以及建筑材料本身。為了防止室內(nèi)氡對(duì)人體健康的潛在危害，必須對(duì)室內(nèi)氡濃度進(jìn)行控制，使其濃度低于對(duì)人體造成危害的閾值。我國(guó)規(guī)范中已有如下規(guī)定：對(duì)于公共居住的住房，已有建筑的平衡當(dāng)量氡濃度不超過(guò)200 Bq/m3，新建住房的平衡當(dāng)量氡濃度不超過(guò)100 Bq/m3[4]；對(duì)于地下建筑，已用地下建筑的平衡當(dāng)量氡濃度不超過(guò)400 Bq/m3，新建地下建筑的平衡當(dāng)量氡濃度不超過(guò)200 Bq/m3[5]。

近年來(lái)，人們針對(duì)室內(nèi)氡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及室內(nèi)氡濃度的控制進(jìn)行了大量的研究工作。Keramatollah Akbari[6]研究了排氡通風(fēng)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)和節(jié)能性的影響，指出換氣次數(shù)和通風(fēng)口位置對(duì)室內(nèi)氡濃度的分布有重要影響。同時(shí)，采用地板下部加熱能夠提高氡排出效率，從而降低30%的能耗。Ji Eun Lee等人[7]研究了室內(nèi)換氣次數(shù)和進(jìn)風(fēng)角度對(duì)室內(nèi)氡濃度的影響，指出當(dāng)室內(nèi)換氣次數(shù)為每小時(shí)1次時(shí)，室內(nèi)氡濃度始終低于100 Bq/m3，而當(dāng)換氣次數(shù)低至每小時(shí)0.01次時(shí)，室內(nèi)某些房間氡濃度超過(guò)148 Bq/m3。研究還指出，當(dāng)進(jìn)風(fēng)角度為5°或者175°時(shí)，即使換氣次數(shù)為1 AC/h，仍有房間的氡濃度超過(guò)100 Bq/m3。劉澤華等人[8]利用CFD數(shù)值仿真的方法研究了室內(nèi)氡及其子體的來(lái)源和消除方法。宋想等人[9]利用CFD數(shù)值仿真研究了進(jìn)氡率恒定的情況下，不同通風(fēng)狀況對(duì)室內(nèi)氡環(huán)境的影響。

地下空間處于地表下層，土壤中的氡更容易進(jìn)入室內(nèi)，氡污染的情況更為嚴(yán)重。因此，學(xué)者們針對(duì)地下空間氡的控制進(jìn)行了許多研究。Dong Xie等[10]采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法對(duì)建筑地下室進(jìn)行了氡水平的環(huán)境因素影響實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)氡水平在秋季時(shí)最高，進(jìn)一步指出了室內(nèi)氡水平與室外大氣壓、室內(nèi)外溫差以及室內(nèi)外壓力差有著明顯的關(guān)系。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還對(duì)地下空間氡控制的氣流組織形式以及產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，對(duì)已有地下空間的氡濃度進(jìn)行了實(shí)測(cè)[11-19]。

文中將在已有研究的基礎(chǔ)上，采用CFD數(shù)值模擬的方法研究室內(nèi)溫度、換氣次數(shù)以及氣流組織形式對(duì)地下車(chē)庫(kù)氡濃度分布的影響，提出改善地下車(chē)庫(kù)氡控制的建議和方法。

1 理論及方法

本節(jié)將介紹室內(nèi)流場(chǎng)的控制方程，氡析出、擴(kuò)散的理論和計(jì)算方法以及數(shù)值仿真中的若干假設(shè)。

1.1 基本控制方程

室內(nèi)流體流動(dòng)的基本控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及相關(guān)湍流模型，可查閱相關(guān)資料[20]。

1）氡濃度方程。氡在空氣中以氣體的形式存在，它對(duì)氣流流動(dòng)的影響基本可以忽略，穩(wěn)態(tài)下的氡濃度符合式（1）：

式中：表示方向上的分速度，m/s；表示氡的質(zhì)量濃度，kg/m3；eff代表了氡在空氣中的有效擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；表示氡的衰變常數(shù)，s–1；表示孔隙率；表示介質(zhì)中的氡濃度，Bq/m3。

2）氡擴(kuò)散系數(shù)。式（1）中的有效擴(kuò)散系數(shù)可由式（2）確定：

式中：為氡自由擴(kuò)散系數(shù)；t為紊流脈動(dòng)引起的濃度擴(kuò)散。和t的計(jì)算可由式（3）、（4）確定：

1.2 氡析出計(jì)算模型

地下空間進(jìn)氡主要有3個(gè)來(lái)源：房基土壤析出的氡、建筑材料釋放出的氡以及室外空氣中所含的氡，土壤析氡以及建筑材料析氡可由式（5）—（10）計(jì)算[21]。

1）土壤氣體逸出引起的氡析出：

2）建材鐳衰變引起的氡析出：

式中：bm為建材的產(chǎn)氡率，可由式（8）計(jì)算，Bq/m3；bm為材料中氡的擴(kuò)散長(zhǎng)度，可由式（9）計(jì)算，m；b為建材厚度，m。

式中：m為建材中鐳的比活度，Bq/kg；為氡衰變常數(shù)，s–1；m為建材密度，kg/m3；m為建材射氣系數(shù)；為建材孔隙率；為氡在建材中的擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s。

3）同時(shí)考慮鐳衰變和建材中貼近土壤一側(cè)氡濃度擴(kuò)散引起的析氡率：

4）進(jìn)氡率計(jì)算。根據(jù)計(jì)算的析氡率，可以采用式（12）換算成進(jìn)氡率：

式中：為進(jìn)氡率，Bq/m3；為氡析出率，Bq/m2s；為進(jìn)氡面積，m2；為房間新風(fēng)量，m3/h。

1.3 相關(guān)假設(shè)

在數(shù)值仿真模擬中作了如下假設(shè)：流體視為理想不可壓縮的牛頓流體，流場(chǎng)已經(jīng)過(guò)充分長(zhǎng)的時(shí)間，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算的方法；各壁面氡析出率以及大氣中的氡濃度為恒定值。

2 數(shù)值模擬邊界條件與方法

2.1 氡濃度計(jì)算參數(shù)

由于土壤和建筑材料的析氡率和表面氡濃度與其本身的特性有很大的關(guān)系，因此在計(jì)算氡的析出率時(shí)，應(yīng)首先確定所涉及到的參數(shù)。不同的地點(diǎn)和條件下，所測(cè)得的參數(shù)不盡一致，應(yīng)該以現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)。結(jié)合前人的測(cè)量結(jié)果，給出的氡計(jì)算相關(guān)參數(shù)值見(jiàn)表1，將各參數(shù)代入式（5）—（11）可以求得進(jìn)氡率大小[21]。

表1 氡計(jì)算相關(guān)參數(shù)

Tab.1 Caculation data of radon concentration

2.2 幾何模型

采用Solidworks軟件建立的地下車(chē)庫(kù)模型如圖1所示。車(chē)庫(kù)內(nèi)部長(zhǎng)、寬、高分別為20、16、3.7 m，設(shè)有2個(gè)送風(fēng)口和2個(gè)排風(fēng)口以及1個(gè)自然進(jìn)風(fēng)口，排風(fēng)口尺寸為550 mm×300 mm，送風(fēng)口尺寸為450 mm× 300 mm。室內(nèi)無(wú)熱源，冬夏季不考慮空氣調(diào)節(jié)。模型中地面、墻壁以及頂面有著不同的氡析出率，可由表2計(jì)算。

圖1 地下車(chē)庫(kù)幾何模型

表2 建筑不同部位氡析出率

Tab.2 Radon exhalation rate of surface

2.3 工況控制

文中通過(guò)3個(gè)工況分別研究不同室內(nèi)溫度、不同換氣次數(shù)以及不同氣流組織形式對(duì)室內(nèi)氡濃度的影響。

1）工況1。氡的擴(kuò)散是由于熱運(yùn)動(dòng)，氣體分子沿濃度減少方向位移的結(jié)果，是室內(nèi)氡遷移的一種重要機(jī)理[21]。擴(kuò)散與溫度有著直接的聯(lián)系，選取典型夏熱冬冷地區(qū)冬季、過(guò)渡季節(jié)和夏季的平均溫度作為參考值。

2）工況2。換氣次數(shù)對(duì)室內(nèi)氡濃度的分布有著重要的影響。我國(guó)規(guī)范中規(guī)定[22]，地下停車(chē)庫(kù)單層停放，采用機(jī)械通風(fēng)時(shí)，排風(fēng)量可采用換氣次數(shù)法計(jì)算，層高超過(guò)3 m按3 m計(jì)算，不足3 m的按實(shí)際面積計(jì)算。車(chē)輛出入較多時(shí)取6AC/h，中等取5 AC/h，較少取4 AC/h。為保持停車(chē)庫(kù)內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，送風(fēng)量取排風(fēng)量的80%。

3）工況3。室內(nèi)氣流的組織也會(huì)對(duì)氡的擴(kuò)散產(chǎn)生影響，選取上送上回和上送下回的氣流組織形式，分析風(fēng)口位置對(duì)室內(nèi)氡分布的影響。

各工況的變量取值見(jiàn)表3。

表3 變量控制

Tab.3 Variable control of case 1

2.4 數(shù)值模擬方法

CFD即計(jì)算流體力學(xué)，是以電子計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)流體力學(xué)中的控制方程借助偏微分方程數(shù)值解的理論進(jìn)行離散，對(duì)流體力學(xué)的各類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)模擬和研究分析。FLUENT是通用CFD軟件包，可用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)，其包含的多求解器技術(shù)可以用來(lái)模擬從不可壓縮到高超音速范圍內(nèi)的各種復(fù)雜流場(chǎng)。文中采用Solidworks軟件建立了地下車(chē)庫(kù)幾何模型，確定初始及邊界條件后，通過(guò)CFD數(shù)值模擬的方法研究不同工況條件對(duì)室內(nèi)氡濃度分布的影響，其方法流程如圖2所示。

圖2 數(shù)值模擬方法流程

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 工況1

不同溫度下室內(nèi)的氡濃度云圖如圖3所示?？梢钥闯觯覂?nèi)的氡濃度呈“層狀”分布，越靠近地面，其氡濃度水平越高，隨著高度的增加，氡濃度逐漸降低。造成這種現(xiàn)象有兩個(gè)原因：一是地面的進(jìn)氡率要高于墻壁以及頂面的進(jìn)氡率；二是因?yàn)殡钡拿芏容^大，容易沉積在地表附近。

圖3 不同溫度下室內(nèi)氡濃度云圖

在室內(nèi)中心監(jiān)測(cè)到的不同溫度下沿高度方向的氡濃度衰減曲線如圖4所示。可以看出，在溫度為5 ℃時(shí)，氡的濃度衰減較快，而隨著溫度的升高，氡濃度衰減較低溫時(shí)減緩。溫度為25 ℃和35 ℃時(shí)，衰減趨勢(shì)接近。

圖4 不同溫度下室內(nèi)氡濃度衰減曲線

距地面30、150、270 cm截面上的平均氡濃度如圖5所示。對(duì)比3個(gè)截面的平均氡濃度可知，無(wú)論在哪個(gè)溫度下，離地距離較小的截面比下一級(jí)高程截面平均氡濃度均高出100 Bq/m3以上。3個(gè)截面上的平均氡濃度在5 ℃時(shí)均處于最低值，在35 ℃時(shí)均處于最高值。當(dāng)溫度較低時(shí)，室內(nèi)的氡濃度值較低；當(dāng)溫度較高時(shí)，室內(nèi)氡濃度值較高。這反映出低溫更有利于室內(nèi)氡的排出，隨著溫度的升高，氡在空間內(nèi)的擴(kuò)散作用加強(qiáng)，從而減弱了通風(fēng)排氡的效果。

圖5 不同溫度下室內(nèi)不同高度氡濃度

3.2 工況2

室內(nèi)取不同的換氣次數(shù)時(shí)，各高度截面上的氡濃度平均值如圖6所示。可以看出，換氣次數(shù)對(duì)室內(nèi)氡濃度水平有著重要的影響。當(dāng)室內(nèi)換氣次數(shù)為0.1 AC/h時(shí)，室內(nèi)距地面150 cm人員活動(dòng)高度的平均氡濃度高達(dá)1891 Bq/m3；當(dāng)換氣次數(shù)取1 AC/h時(shí)，室內(nèi)距地面150 cm人員活動(dòng)高度的平均氡濃度降為217 Bq/m3，符合已有地下車(chē)庫(kù)氡濃度限制標(biāo)準(zhǔn)，而當(dāng)按照規(guī)范要求換氣次數(shù)取4 AC/h時(shí)，其平均氡濃度僅為41 Bq/m3。

圖6 不同換氣次數(shù)下室內(nèi)不同高度氡濃度柱形圖

3.3 工況3

兩種氣流組織下的室內(nèi)速度云圖見(jiàn)圖7。對(duì)比圖7a、b可以明顯看出，采用上送上回的氣流組織形式時(shí)，室內(nèi)氣流速度較低，且形成了幾個(gè)速度低于0.01 m/s的低速區(qū)域。當(dāng)采用上送下回的氣流組織形式時(shí)，室內(nèi)平均氣流速度增大，且室內(nèi)各處無(wú)明顯的低速區(qū)。從通風(fēng)的可及性來(lái)說(shuō)，采用上送下回的氣流組織形式優(yōu)于上送上回。

不同氣流組織形式下，距離地面150 cm人員活動(dòng)高度截面上的氡濃度等高線如圖8所示。從圖8a可以看出，采用上送上回的氣流組織形式時(shí)，在送風(fēng)口和排風(fēng)口下位置的氡濃度較低，而在截面中間部位的氡濃度較高，形成了局部氡濃度較高的區(qū)域。相比之下，圖8b在整個(gè)截面上的氡濃度普遍較低。這說(shuō)明采用上送下回的氣流組織形式后，氣流較好地穿越了需要工作的區(qū)域，有效地減小了室內(nèi)的氡濃度。從排氡效果上來(lái)說(shuō)，采用上送下回的氣流組織形式也優(yōu)于上送上回的氣流組織形式。

4 結(jié)論

文中計(jì)算了地下停車(chē)庫(kù)各壁面的進(jìn)氡率，建立了地下停車(chē)庫(kù)氡擴(kuò)散的數(shù)學(xué)和幾何模型，利用CFD數(shù)值仿真模擬分析了室內(nèi)溫度、換氣次數(shù)以及氣流組織形式對(duì)室內(nèi)氡濃度分布的影響，得出了以下結(jié)論：

圖7 不同氣流組織形式下的室內(nèi)速度云圖

1）從模擬結(jié)果上來(lái)看，當(dāng)室內(nèi)溫度較低時(shí)，通風(fēng)控氡的效果要優(yōu)于室內(nèi)溫度較高的時(shí)候。這提示在設(shè)計(jì)控氡系統(tǒng)時(shí)，可以分季節(jié)進(jìn)行控制，即在冬季可以降低控氡的風(fēng)量，而在溫度較高的時(shí)候適當(dāng)加大控氡的風(fēng)量。

2）增大換氣次數(shù)可以明顯地改善室內(nèi)的氡環(huán)境，當(dāng)換氣次數(shù)為1 AC/h時(shí)，室內(nèi)氡濃度已經(jīng)符合規(guī)范上的要求。因此對(duì)于采用機(jī)械通風(fēng)的情形，當(dāng)室內(nèi)換氣次數(shù)超過(guò)1 AC/h時(shí)，基本可以認(rèn)為已經(jīng)具備足夠的排氡的能力。

3）合理的氣流組織形式可以在不改變風(fēng)量的情況下提高排氡能力，在設(shè)計(jì)中盡可能地讓氣流穿過(guò)需要排氡的位置，讓氣流攜帶更多的氡排到室外，將能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的節(jié)能性。

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Research on Numerical Simulation of Radon Distribution in Underground Garage

MENG De-yua, WANG Han-qingb, LI Cheng-junb

(a. School of Civil Engineering, b. School of Environmental Protection and Safety Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China)

The paper aims to research on the concentration distribution of radon in underground garages, and puts forward some suggestions to improve the control of radon in underground garages. By calculating radon exhalation rate of underground garages and establishing the geometric model, numerical simulation are conducted to evaluate the effect of indoor temperature, air change rate and air distribution on indoor radon concentration. The result shows that the average radon concentration level is at the lowest value when the indoor temperature is 5 ℃, and at the highest value when the temperature is 35 ℃, reflecting that the increase of temperature can weaken the effect of ventilation and radon exhaust. When the number of ventilation is 1 AC/H, the indoor radon concentration has met the requirements of the specification. Therefore, in the case of mechanical ventilation, when the number of indoor ventilation exceeds 1 AC/H, it can be considered that the indoor radon exhaust capacity is sufficient. Besides, a feasible method for improving radon removal efficiency of ventilation is adopting reasonable air organization to ensure air flowing through the workspace.KEY WORDS: radon concentration; underground garage; indoor temperature; numerical simulation

2020-09-29；

2020-10-27

MENG De-yu (1994—), Male, Master, Research focus: building ventilation and CFD simulation.

王漢青（1963—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能。

Corresponding author：WANG Han-qing (1963—), Male, Doctor, Professor, Research focus: building energy conservation.

孟德雨,王漢青,李鋮駿. 地下車(chē)庫(kù)氡遷移的數(shù)值模擬研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2021, 18(4): 096-102.

10.7643/ issn.1672-9242.2021.04.014

2020-09-29；

2020-10-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11575080）

Fund：The National Natural Science Foundation of China (11575080)

孟德雨（1994—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻ㄖL(fēng)及CFD仿真。

X820

A

1672-9242(2021)04-0096-07

MENG De-yu, WANG Han-qing, LI Cheng-jun. Numerical simulation of radon distribution in underground garage[J]. Equipment environmental engineering, 2021, 18(4): 096-102.