地下车库氡迁移的数值模拟研究

孟德雨，王汉青，李铖骏

环境及其效应

地下车库氡迁移的数值模拟研究

孟德雨a，王汉青b，李铖骏b

（南华大学 a.土木工程学院 b. 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001）

研究地下车库氡浓度分布，提出改善地下车库氡控制的建议。计算地下车库壁面的氡析出率，建立地下车库的几何模型，采用CFD数值模拟的方法研究室内温度、换气次数以及气流组织形式对室内氡浓度分布的影响。平均氡浓度水平在室内温度为5 ℃时均处于最低值，在温度为35 ℃时均处在最高值，反映出温度的升高将削弱通风排氡的效果。当换气次数为1 AC/h时，室内氡浓度已经符合规范上的要求，因此对于采用机械通风的情形，当室内换气次数超过1 AC/h时，基本可以认为已经具备足够的排氡的能力。提高换气次数可以显著降低室内氡的浓度，除此之外，采用合理的气流组织形式，让气流充分穿越工作区也是提高排氡效率的可行方法。

氡浓度；地下车库；室内温度；数值模拟

氡（222Rn）是一种天然的放射性气体，广泛存在于土壤以及岩石中，氡的半衰期为3.8 d，衰变的时候将释放5.5 MeV以上的能量，并产生新的放射性元素（218Po、214Pb、214Bi及214Po等）。氡是一种对人体有害的污染气体，已经有研究表明，长时间暴露在高浓度的氡及其子体的环境中，会增大肺癌的患病风险[1-3]。室内建筑中的氡主要来源于建筑地基下土壤氡的渗透以及建筑材料本身。为了防止室内氡对人体健康的潜在危害，必须对室内氡浓度进行控制，使其浓度低于对人体造成危害的阈值。我国规范中已有如下规定：对于公共居住的住房，已有建筑的平衡当量氡浓度不超过200 Bq/m3，新建住房的平衡当量氡浓度不超过100 Bq/m3[4]；对于地下建筑，已用地下建筑的平衡当量氡浓度不超过400 Bq/m3，新建地下建筑的平衡当量氡浓度不超过200 Bq/m3[5]。

近年来，人们针对室内氡的运动规律以及室内氡浓度的控制进行了大量的研究工作。Keramatollah Akbari[6]研究了排氡通风对室内空气品质和节能性的影响，指出换气次数和通风口位置对室内氡浓度的分布有重要影响。同时，采用地板下部加热能够提高氡排出效率，从而降低30%的能耗。Ji Eun Lee等人[7]研究了室内换气次数和进风角度对室内氡浓度的影响，指出当室内换气次数为每小时1次时，室内氡浓度始终低于100 Bq/m3，而当换气次数低至每小时0.01次时，室内某些房间氡浓度超过148 Bq/m3。研究还指出，当进风角度为5°或者175°时，即使换气次数为1 AC/h，仍有房间的氡浓度超过100 Bq/m3。刘泽华等人[8]利用CFD数值仿真的方法研究了室内氡及其子体的来源和消除方法。宋想等人[9]利用CFD数值仿真研究了进氡率恒定的情况下，不同通风状况对室内氡环境的影响。

地下空间处于地表下层，土壤中的氡更容易进入室内，氡污染的情况更为严重。因此，学者们针对地下空间氡的控制进行了许多研究。Dong Xie等[10]采用实验测量的方法对建筑地下室进行了氡水平的环境因素影响实验，发现室内氡水平在秋季时最高，进一步指出了室内氡水平与室外大气压、室内外温差以及室内外压力差有着明显的关系。此外，国内学者还对地下空间氡控制的气流组织形式以及产生机理进行了数值仿真模拟，对已有地下空间的氡浓度进行了实测[11-19]。

文中将在已有研究的基础上，采用CFD数值模拟的方法研究室内温度、换气次数以及气流组织形式对地下车库氡浓度分布的影响，提出改善地下车库氡控制的建议和方法。

1 理论及方法

本节将介绍室内流场的控制方程，氡析出、扩散的理论和计算方法以及数值仿真中的若干假设。

1.1 基本控制方程

室内流体流动的基本控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程以及相关湍流模型，可查阅相关资料[20]。

1）氡浓度方程。氡在空气中以气体的形式存在，它对气流流动的影响基本可以忽略，稳态下的氡浓度符合式（1）：

式中：表示方向上的分速度，m/s；表示氡的质量浓度，kg/m3；eff代表了氡在空气中的有效扩散系数，cm2/s；表示氡的衰变常数，s–1；表示孔隙率；表示介质中的氡浓度，Bq/m3。

2）氡扩散系数。式（1）中的有效扩散系数可由式（2）确定：

式中：为氡自由扩散系数；t为紊流脉动引起的浓度扩散。和t的计算可由式（3）、（4）确定：

1.2 氡析出计算模型

地下空间进氡主要有3个来源：房基土壤析出的氡、建筑材料释放出的氡以及室外空气中所含的氡，土壤析氡以及建筑材料析氡可由式（5）—（10）计算[21]。

1）土壤气体逸出引起的氡析出：

2）建材镭衰变引起的氡析出：

式中：bm为建材的产氡率，可由式（8）计算，Bq/m3；bm为材料中氡的扩散长度，可由式（9）计算，m；b为建材厚度，m。

式中：m为建材中镭的比活度，Bq/kg；为氡衰变常数，s–1；m为建材密度，kg/m3；m为建材射气系数；为建材孔隙率；为氡在建材中的扩散系数，cm2/s。

3）同时考虑镭衰变和建材中贴近土壤一侧氡浓度扩散引起的析氡率：

4）进氡率计算。根据计算的析氡率，可以采用式（12）换算成进氡率：

式中：为进氡率，Bq/m3；为氡析出率，Bq/m2s；为进氡面积，m2；为房间新风量，m3/h。

1.3 相关假设

在数值仿真模拟中作了如下假设：流体视为理想不可压缩的牛顿流体，流场已经过充分长的时间，采用稳态计算的方法；各壁面氡析出率以及大气中的氡浓度为恒定值。

2 数值模拟边界条件与方法

2.1 氡浓度计算参数

由于土壤和建筑材料的析氡率和表面氡浓度与其本身的特性有很大的关系，因此在计算氡的析出率时，应首先确定所涉及到的参数。不同的地点和条件下，所测得的参数不尽一致，应该以现场的实测值为准。结合前人的测量结果，给出的氡计算相关参数值见表1，将各参数代入式（5）—（11）可以求得进氡率大小[21]。

表1 氡计算相关参数

Tab.1 Caculation data of radon concentration

2.2 几何模型

采用Solidworks软件建立的地下车库模型如图1所示。车库内部长、宽、高分别为20、16、3.7 m，设有2个送风口和2个排风口以及1个自然进风口，排风口尺寸为550 mm×300 mm，送风口尺寸为450 mm× 300 mm。室内无热源，冬夏季不考虑空气调节。模型中地面、墙壁以及顶面有着不同的氡析出率，可由表2计算。

图1 地下车库几何模型

表2 建筑不同部位氡析出率

Tab.2 Radon exhalation rate of surface

2.3 工况控制

文中通过3个工况分别研究不同室内温度、不同换气次数以及不同气流组织形式对室内氡浓度的影响。

1）工况1。氡的扩散是由于热运动，气体分子沿浓度减少方向位移的结果，是室内氡迁移的一种重要机理[21]。扩散与温度有着直接的联系，选取典型夏热冬冷地区冬季、过渡季节和夏季的平均温度作为参考值。

2）工况2。换气次数对室内氡浓度的分布有着重要的影响。我国规范中规定[22]，地下停车库单层停放，采用机械通风时，排风量可采用换气次数法计算，层高超过3 m按3 m计算，不足3 m的按实际面积计算。车辆出入较多时取6AC/h，中等取5 AC/h，较少取4 AC/h。为保持停车库内处于负压状态，送风量取排风量的80%。

3）工况3。室内气流的组织也会对氡的扩散产生影响，选取上送上回和上送下回的气流组织形式，分析风口位置对室内氡分布的影响。

各工况的变量取值见表3。

表3 变量控制

Tab.3 Variable control of case 1

2.4 数值模拟方法

CFD即计算流体力学，是以电子计算机为工具，对流体力学中的控制方程借助偏微分方程数值解的理论进行离散，对流体力学的各类问题进行数值实验，计算机模拟和研究分析。FLUENT是通用CFD软件包，可用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动，其包含的多求解器技术可以用来模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流场。文中采用Solidworks软件建立了地下车库几何模型，确定初始及边界条件后，通过CFD数值模拟的方法研究不同工况条件对室内氡浓度分布的影响，其方法流程如图2所示。

图2 数值模拟方法流程

3 数值模拟结果分析

3.1 工况1

不同温度下室内的氡浓度云图如图3所示。可以看出，室内的氡浓度呈“层状”分布，越靠近地面，其氡浓度水平越高，随着高度的增加，氡浓度逐渐降低。造成这种现象有两个原因：一是地面的进氡率要高于墙壁以及顶面的进氡率；二是因为氡的密度较大，容易沉积在地表附近。

图3 不同温度下室内氡浓度云图

在室内中心监测到的不同温度下沿高度方向的氡浓度衰减曲线如图4所示。可以看出，在温度为5 ℃时，氡的浓度衰减较快，而随着温度的升高，氡浓度衰减较低温时减缓。温度为25 ℃和35 ℃时，衰减趋势接近。

图4 不同温度下室内氡浓度衰减曲线

距地面30、150、270 cm截面上的平均氡浓度如图5所示。对比3个截面的平均氡浓度可知，无论在哪个温度下，离地距离较小的截面比下一级高程截面平均氡浓度均高出100 Bq/m3以上。3个截面上的平均氡浓度在5 ℃时均处于最低值，在35 ℃时均处于最高值。当温度较低时，室内的氡浓度值较低；当温度较高时，室内氡浓度值较高。这反映出低温更有利于室内氡的排出，随着温度的升高，氡在空间内的扩散作用加强，从而减弱了通风排氡的效果。

图5 不同温度下室内不同高度氡浓度

3.2 工况2

室内取不同的换气次数时，各高度截面上的氡浓度平均值如图6所示。可以看出，换气次数对室内氡浓度水平有着重要的影响。当室内换气次数为0.1 AC/h时，室内距地面150 cm人员活动高度的平均氡浓度高达1891 Bq/m3；当换气次数取1 AC/h时，室内距地面150 cm人员活动高度的平均氡浓度降为217 Bq/m3，符合已有地下车库氡浓度限制标准，而当按照规范要求换气次数取4 AC/h时，其平均氡浓度仅为41 Bq/m3。

图6 不同换气次数下室内不同高度氡浓度柱形图

3.3 工况3

两种气流组织下的室内速度云图见图7。对比图7a、b可以明显看出，采用上送上回的气流组织形式时，室内气流速度较低，且形成了几个速度低于0.01 m/s的低速区域。当采用上送下回的气流组织形式时，室内平均气流速度增大，且室内各处无明显的低速区。从通风的可及性来说，采用上送下回的气流组织形式优于上送上回。

不同气流组织形式下，距离地面150 cm人员活动高度截面上的氡浓度等高线如图8所示。从图8a可以看出，采用上送上回的气流组织形式时，在送风口和排风口下位置的氡浓度较低，而在截面中间部位的氡浓度较高，形成了局部氡浓度较高的区域。相比之下，图8b在整个截面上的氡浓度普遍较低。这说明采用上送下回的气流组织形式后，气流较好地穿越了需要工作的区域，有效地减小了室内的氡浓度。从排氡效果上来说，采用上送下回的气流组织形式也优于上送上回的气流组织形式。

4 结论

文中计算了地下停车库各壁面的进氡率，建立了地下停车库氡扩散的数学和几何模型，利用CFD数值仿真模拟分析了室内温度、换气次数以及气流组织形式对室内氡浓度分布的影响，得出了以下结论：

图7 不同气流组织形式下的室内速度云图

1）从模拟结果上来看，当室内温度较低时，通风控氡的效果要优于室内温度较高的时候。这提示在设计控氡系统时，可以分季节进行控制，即在冬季可以降低控氡的风量，而在温度较高的时候适当加大控氡的风量。

2）增大换气次数可以明显地改善室内的氡环境，当换气次数为1 AC/h时，室内氡浓度已经符合规范上的要求。因此对于采用机械通风的情形，当室内换气次数超过1 AC/h时，基本可以认为已经具备足够的排氡的能力。

3）合理的气流组织形式可以在不改变风量的情况下提高排氡能力，在设计中尽可能地让气流穿过需要排氡的位置，让气流携带更多的氡排到室外，将能进一步提高系统的节能性。

[1] World Health Organization. WHO handbook on indoor radon: A public health perspective[M]. France: WHO Press, 2009

[2] PAGE S. EPA's strategy to reduce risk of radon[J]. Journal of Environmental Health, 1993, 56(27): 41-47.

[3] International Agency for Research on Cancer. IARC monographs on the evaluation of carcinogenic risks to humans: Man-made mineral fibres and radon[M]. UK: IARC Press, 1988.

[4] GB/T 16146—2015,室内氡及其子体控制要求[S].GB/T 16146—2015, Requirements for control of indoor radon and its progeny[S].

[5] GBZ 116—2002, 地下建筑氡及其子体控制标准[S].GBZ 116—2002, Standard for controlling radon and its daughters in underground space[S].

[6] AKBARI K. Impact of radon ventilation on indoor air quality and building energy saving[D]. Mälardalen: Mälardalen University, 2009.

[7] JI E L, PARK H C, HANG S C, et al. A numerical study on the performance evaluation of ventilation systems for indoor radon reduction[J]. Korean journal of chemical engineering, 2016, 33(3): 1-13.

[8] 刘泽华, 刘畅荣, 蒋新波, 等. 空调室内氡及粒子污染的传播及其数值模拟[J]. 建筑热能通风空调, 2006, 25(5): 63-68. LIU Ze-hua, LIU Chang-rong, JIANG Xin-bo, et al. Spread and numerical simulation of radon and particle pollution in air conditioning room[J]. Building energy environment, 2006, 25(5): 63-68.

[9] 宋想, 鲁彦霞, 李成果. 室内~(222)Rn/~(220)Rn浓度分布的CFD模拟[J]. 衡阳师范学院学报, 2012, 33(3): 55-58. SONG Xiang, LU Yan-xia, LI Cheng-guo. The simulation of indoor ~(222)Rn/~(220)Rn distributions by CFD[J]. Journal Hengyang Normal University, 2012, 33(3): 55-58.

[10] XIE D, LIAO M, KEARFOTT K J. Influence of environmental factors on indoor radon concentration levels in the basement and ground floor of a building—A case study[J]. Radiation measurements, 2015, 82: 52-58.

[11] 刘培源, 姚杨, 王清勤, 等. 地下空间氡的产生机理及通风控制[J]. 建筑热能通风空调, 2006, 25(3):64-68. LIU Pei-yuan, YAO yang, WANG Qing-qin, et al. Producing mechanism and ventilation control of radon in underground space[J]. Building Energy Environment, 2006, 25(3): 64-68.

[12] 刘培源, 姚杨, 陈鹏飞. 地下空间氡的室内气流组织模拟[J]. 建筑热能通风空调, 2009, 28(3): 47-50. LIU Pei-yuan, YAO yang, CHEN Peng-fei. Indoor air distribution simulation of radon in underground space[J]. Building Energy Environment, 2009, 28(3): 47-50.

[13] 梅爱华, 范伟. 地下空间辐射问题浅析[J]. 广东建材, 2005(12): 106-107. MEI Ai-hua, FAN Wei. A brief analysis of the radiation problem in underground space[J]. Guangdong building materials, 2005(12): 106-107.

[14] 张海薇, 余松科, 李婷, 等. 成都市地下停车场氡浓度水平调查[J]. 科技创新与应用, 2015(8): 19-20. ZHANG Hai-wei, YU Song-ke, LI Ting, et al. Survey on radon concentration level in underground parking in Chengdu[J]. Technology innovation and application, 2015(8): 19-20.

[15] 于水, 王功鹏, 骆亿生, 等. 部分住宅和地下空间氡浓度的监测及防护措施研究[J].辐射防护, 1999(3): 38-43. YU Shui, WANG Gong-peng, LUO Yi-sheng, et al. Survey of radon concentration and mitigation techniques in some dwellings and galleries[J]. Radiation protection, 1999(3): 38-43.

[16] 郦胜, 潘羿, 戴铁兵, 等. 某地下建筑物空气氡浓度水平特征[J]. 环境与职业医学, 2013, 30(5): 383-385. LI Sheng, PAN Yi, DAI Tie-bing, et al. Radon concentration in an underground space[J]. Journal of environmental & occupational medicine, 2013, 30(5): 383-385.

[17] 刘鸿诗, 薛会, 张为民, 等. 浙江省地下轨道交通氡浓度水平调查及污染防治[J]. 环境与可持续发展, 2016, 41(6): 157-159. LIU Hong-shi, XUE Hui, ZHANG Wei-min, et al. Investigation of radon radiological level in air of metro stations in zhejiang and suggestions on radon protection and reduction[J]. Environment and sustainable, 2016, 41(6): 157-159.

[18] 李晓燕, 王燕, 郑宝山, 等. 我国东南沿海城市地下建筑氡浓度分布[J]. 原子能科学技术, 2006, 40(5): 635-640.LI Xiao-yan, WANG Yan, ZHENG Bao-shan, et al. Distribution of radon concentrations in underground buildings in coastal cities in China[J]. Atomic energy science and technology, 2006, 40(5): 635-640.

[19] LI X, ZHENG B, WANG Y, et al. A survey of radon level in underground buildings in China[J]. Environment international, 2006, 32(5): 600-605.

[20] 王汉青. 暖通空调流体流动数值计算方法与应用(精)[M]. 北京: 科学出版社, 2013: 14-27. WANG Han-qing. Numerical calculation method and application of fluid flow in Hvac (precision)[M]. Beijing: Science Press, 2013: 14-27.

[21] 黄强. 城市地下空间开发利用关键技术指南[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2006: 299-311. HUANG Qiang. Guidelines on key technologies for the development and utilization of urban underground space[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2006: 299-311.

[22] 建设部工程质量安全监督与行业发展司. 全国民用建筑工程设计技术措施: 暖通空调·动力[M]. 北京: 中国计划出版社, 2003: 127-128.Engineering Quality and Safety Supervision and Industry Development Division of the Ministry Construction. National technical measures for design of civil construction special edition-energy conservation: Heating, ventilation and air conditioning[M]. Beijing: China Planning Press, 2003: 127-128.

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.

王汉青（1963—），男，博士，教授，主要研究方向为建筑节能。

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

孟德雨,王汉青,李铖骏. 地下车库氡迁移的数值模拟研究[J]. 装备环境工程, 2021, 18(4): 096-102.

10.7643/ issn.1672-9242.2021.04.014

2020-09-29；

2020-10-27

国家自然科学基金资助项目（11575080）

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

孟德雨（1994—），男，硕士研究生，主要研究方向为建筑通风及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.