CC BY
15
УДК 699.887.3.04:546.296 DOI: 10.24412/1816-1863-2020-13028
о i-
>х ПАССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Н. В. Бакаева, доктор технических наук,
т О X
профессор, Национальный исследовательский Московский УРБАНИЗИРОВАННЫХ государственный строительный
ЗАЩИТЫ НАСЕЛЕНИЯ
о ТЕРРИТОРИЙ университет (НИУМГСУ),
¡^ ^ [email protected], Москва, Россия;
о ОТ ОБЛУЧЕНИЯ РАДОНОМ А. В. Калайдо, кандидат технических о наук, Научно-исследовательский х институт строительной физики о Российской Академии архитектуры
и строительных наук (НИИСФ РААСН), [email protected], Москва, Россия
и ^
Ф
IX -
О Радоновая обстановка в помещениях нижнего этажа зданий практически полностью определя-^ ется величиной потока радона из грунта через подземные горизонтальные ограждающие конструкции. В этих условиях радоновая безопасность зданий может быть обеспечена только за счет рационального проектирования подземной оболочки здания и использования в конструкции по-
и
и
О (Г)
О ла материалов с высокими радонозащитными свойствами. В силу разнообразия конструкций
5 подземной оболочки современных зданий и широкого диапазона изменения проницаемостей
О конструкции пола поступление радона в здания может носить диффузионный, конвективный
О или конвективно-диффузионный характер. Определение доминирующего механизма переноса играет ключевую роль, поскольку каждый из них требует реализации собственного комплекса
О радонозащитных мероприятий. В статье описан подход к проектированию зданий с обоснованно
^ низкими уровнями радона в воздухе помещений, которые обеспечиваются использованием пас-
§ сивных технологий защиты от радона. В его основе лежит исключение конвективного поступ-^ ления радона из грунта и дальнейшее определение требуемого сопротивления радонопроница-нию конструкции пола исходя из диффузионной модели переноса активности в пористой среде. 1- На основе данного подхода определены радонозащитные и геометрические характеристики под-п земных ограждающих конструкций для типичных условий переноса радона из грунта.
The radon situation in the lower floor premises of the buildings is almost completely determined by the radon flux magnitude from the soil through the underground horizontal walling. Under these conditions, the buildings radon safety can be ensured only through the rational design of the underground building envelope and the use of materials with high radon-protective properties in the floor structure. Due to the variety of the underground shell structures of modern buildings and a wide range of changes in the floor structure permeabilities, the radon entry into the building can be diffusive, convective or convective-dif-fusive character. Determining the dominant transport mechanism plays a key role, since each of them requires the implementation of its own set of radon protection measures. The article describes an approach to the buildings design with reasonably low radon levels in indoor air, which are provided by the use of passive radon protection technologies. It is based on the elimination of the radon convective flux from the soil and further determination of the required the floor structure radon resistance based on the diffusion model of activity transport in a porous medium. On this approach basis the radon protective and geometric characteristics of underground walling are determined for typical conditions of radon entry from the soil.
Ключевые слова: радон, диффузия, сопротивление радонопроницанию, плотность потока. Keywords: radon, diffusion, radon resistance, flux density.
28
Введение
Радон — радиоактивный газ, образующийся в геологической среде и материалах ограждающих конструкций из материнского радия. Облучение радоном принято относить к техногенно измененным факторам естественного радиационного фона, его содержание в атмосферном воздухе пренебрежимо мало, тогда как в зданиях при определенных условиях может достигать опасных значений. В настоящее
время в мире радон признан второй после курения причиной возникновения рака легких [1].
Не менее 90 % радона переносится в здание из грунта, остальная часть выделяется из стен и перекрытий, а поступления с водой, газом и наружным воздухом пренебрежимо малы [2—4]. Поэтому формирование неблагоприятной радоновой ситуации в здании возможно лишь при больших потоках радона из грунта в воздух помещений нижнего этажа. С целью
ограничения ущерба от облучения населения радоном и его дочерними продуктами распада санитарным законодательством РФ установлены допустимые значения эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) дочерних продуктов распада радона в воздухе помещений: 100 Бк/м3 для строящихся зданий и 200 Бк/м3 — для эксплуатируемых [5]. Их обеспечение достигается на стадии проектирования здания за счет выбора рациональной конструкции пола и использования в ней материалов с высокими ра-донозащитными характеристиками [6—7].
Модели и методы
Плотность потока радона из грунта через подземные горизонтальные ограждающие конструкции прямо пропорциональна ЭРОА радона в воздухе помещения [8]
д^ = ЭРОА
X + п
к,
(1)
где X = 2,1-10-6 с — постоянная распада радона; п — кратность воздухообмена в помещении, с-1; ¥ — коэффициент сдвига радиоактивного равновесия; к — высота помещения, м.
Задавшись приемлемым значением активности радона в воздухе помещений после ввода здания в эксплуатацию, из (1) можно определить предельно допустимую плотность потока радона (ППР), поступающего из грунта. Контрольный уровень в 100 Бк/м3 не обозначает границу между безопасной и опасной дозами облучения, поэтому целесообразно обеспечение более низкого значения ЭРОА в здании, достижимого без неоправданных затрат на данной территории. В качестве такого уровня для зданий потенциально нерадоноопас-ных территорий можно принять значение ЭРОА = 40...60 Бк/м3, где меньшие значения рекомендуются для социально значимых объектов (школ, детских садов, больниц и т. д.).
В таблице представлены результаты оценки плотности потока радона для данного диапазона ЭРОА, при вычислении д^п коэффициент сдвига радиоактивного равновесия определялся по формуле [9]
¥ = -0,001п5 + 0,0158п4 - 0,1025п3 +
+ 0,3491п2 - 0,7093п + 0,9784, (2)
где величина находилась в пределах от 0,94 для п = 0,05 ч-1 до 0,74 для п = 0,4 ч-1.
Как видно из таблицы, благоприятная радоновая обстановка в помещении нижнего этажа может иметь место при плотности потока радона из грунта в диапазоне от 2 до 27,4 мБк/(м2 • с). При этом меньшее значение соответствует режиму «закрытого» помещения, а большее — режиму нормальной вентиляции (кратность воздухообмена в жилой зоне не должна быть меньше 0,35 ч-1 в соответствии с требованиями санитарного законодательства [10]). Данный поток радона, в зависимости от условий переноса, может быть диффузионным, конвективным или конвективно-диффузионным. Поэтому практический интерес представляет оценка вкладов диффузии и конвекции в перенос радона из грунта.
Конвективный поток радона управляется температурно-индуцированным градиентом давлений на внешних границах фундамента, величина этого градиента обычно не превышает 2 Па/м [11]. Плотность конвективного потока определяется из закона Дарси
Ьон = к ■ дРЛ
к дг
(3)
где к — проницаемость грунта, м2; ц = = 1,8- 10-5 Пас — динамическая вязкость почвенного газа; Р — давление воздуха, Па; А — объемная активность радона в потоке почвенного воздуха, Бк/м3.
Диффузионный поток радона через подземные ограждающие конструкции вызы-
о>
о
О -1
х
а>
Г)
а
¡а
б
а>
ы
О ^
а
г>
Л
О г>
г>
-I
тз
о
-I
а>
О-
Г> -I 03
а
о ~о о ш
г> ^
о
X
о
ы
Г) -I
оз
а
Плотность потока радона из грунта в здание
Таблица
Параметры внутреннего воздуха Плотность потока радона д, мБк/(м2 • с)
п = 0,05 ч-1 п = 0,1 ч-1 п = 0,2 ч-1 п = 0,4 ч-1
ЭРОА = 40 Бк/м3 ЭРОА = 60 Бк/м3 2,0 3,0 3,9 5,9 8,1 12,2 18.3 27.4
29
о
т
I-
и
со О X
О ^
и а О СР
О
а
и
Ф
IX
о
СР
I-
и
и о
X
и о с
о
со ф
Ю ч;
О ^
и Ф т X
О
вается разностью активностей радона в почвенном газе и воздухе помещения, его плотность определяется на основании закона Фика
п = Л-дА
Удиф и д^ ;
А = С
лшах ^
Яа
Рз ' кэ
1 -(
30
П, мБк/м2 • с 10
(4)
где Л — эффективный коэффициент диффузии радона в слое среды, м2/с.
Радон образуется в грунте, после чего за счет конвекции и диффузии переносится к дневной поверхности. Его максимальная активность в почвенном воздухе достигается на глубине 3—7 м
Конвективный перенос
пдиф
10
-13
10
-13
10
-13
10-13 к, м2
(5)
где Сяа — удельная активность радия в грунте, Бк/кг; рз и 2700 кг/м3 — плотность твердой фазы (зерен) грунта; кэм — коэффициент эманирования радона грунтом; е = 0,2...0,5 — пористость грунта или строительного материала.
Величина активности радона в почвенном воздухе Ашах для глинистых почв, распространенных на территории Москвы, найденная из (5), составляет 36 500 Бк/м3. В расчете содержание радия бралось равным 30 Бк/кг (что соответствует среднемировому значению), кэм = 0,3 и пористость е = 0,4. По мере приближения к дневной поверхности активность радона в грунте уменьшается, стремясь к нулю на границе раздела сред «грунт—атмосфера».
На рисунке показано соотношение плотностей диффузионного и конвективного потоков радона в зависимости от проницаемости среды. При определении плотности диффузионного потока радона коэффициент диффузии принимался равным Л = 1,0-10-6 м2/с, а расчет плотности конвективного потока выполнялся для градиента давления дР/дг = 1,0 Па/м.
Результаты и обсуждение
Как видно из рисунка, конвективный поток начинает играть значимую роль в поступлении радона в здание при прони-цаемостях (3...5)-10-12 м2, а при прони-цаемостях (3...5)-10-11 м2 он становится доминирующим. Поэтому обязательным (но не достаточным) требованием к обеспечению радоновой безопасности помещений нижнего этажа является отсутствие конвективного переноса радона из грунта,
Рис. Зависимость плотностей потока радона из грунта в здание от проницаемости конструкции пола: Пдиф — плотность диффузионного потока; пкон — плотность конвективного потока; пт — суммарная плотность потока радона
что обеспечивается при воздухопроницаемости конструкции пола не более 10-12 м2.
Тогда, в условиях чисто диффузионного переноса радона, подход к обеспечению радоновой безопасности зданий на стадии проектирования может иметь следующий вид:
1. По заданному значению ЭРОА и соответствующей плотности потока радона (ПЯп и Пдиф) определяется минимальное достаточное сопротивление радонопрони-цанию конструкции пола по формуле
Я =
А А
пдиф
(6)
Для обеспечения ЭРОА = 60 Бк/м3 в воздухе помещения нижнего этажа при разных условиях воздухообмена (табл.) оно будет находиться в интервале от
Я1 = = 1,21-107 с/м
3 • 10"
до Я-2 =
36 500 27,4 • 10-
= 0,13-107 с/м.
2. Проверяется возможность обеспечения требуемого сопротивления радонопро-ницанию подземной оболочки однослойной конструкцией пола (бетонная плита). Сопротивление радонопроницанию слоя однородного материала равно [12]
Я =
1
(7)
где Н — толщина фундаментной плиты, м; Б = 1,1-10-7 м2/с — коэффициент диффузии радона в бетоне.
Выражая из (7) толщину плиты основания, находим
arcsh(R1;2- Т^Т^б).
H =
1 , 1 • 10' 2,1 • 10-
arcsh(0,13-107 х
71,1 • 10 7 • 2,1 • 10 6) = 0,135 м;
H2 =
1 , 1 • 10' 2,1 • 10-
arcsh(1,21-107 х
4. Для двухслойной конструкции общее сопротивление радонопроницанию выражается формулой
^общ ~ R1 + R2 = 2
= z
1
1
lf7Di
(8)
х л/1,1 • 10 7 • 2,1 • 10 6) = 0,565 м.
3. Если толщина плиты основания существенно превышает размеры, необходимые для обеспечения основных несущих функций (Н2 = 0,565 м, случай низкого воздухообмена), то во избежание неоправданного увеличения материалоемкости строительства в конструкцию пола должен быть введен второй слой с высоким сопротивлением радонопрони-цанию. Таким слоем может выступать гидрогазоизолирующий полимерный материал толщиной 3 мм с коэффициентом диффузии радона 1-10-11 м2/с.
где I = 1, 2 — номер слоя в конструкции пола.
Минимальная требуемая толщина плиты основания определяется из (8) аналогично однослойной радонозащит-ной конструкции.
Заключение
Проведенные теоретические исследования дают основания полагать, что приемлемые уровни радона в зданиях могут быть обеспечены в подавляющем большинстве случаев исключительно посредством пассивных радонозащитных технологий. При этом для устранения конвективного поступления оболочка здания должна иметь достаточно низкую проницаемость (не более 10-12 м2), а диффузионный поток быть снижен использованием в конструкции пола слоев с высоким сопротивлением радонопроницанию, таких как бетон и полимерные пленочные материалы.
О»
О
О -1 X х
CD
Г)
О
б
CD ы
О ^
0 Г)
1
о
Г)
Г) -I
тз
о
-I
CD
О-
Г> -I 03
О
О ТЗ О Ш
Г)
О
X
о
ы ш
Г) -I оз О
7
X
Библиографический список
1. ICRP Publication 115. Lung Cancer Risk from Radon and Progeny and Statement on Radon [Риск развития рака легких от радона и потомства и заявление о радоне] / ed. C. H. Clement // Annals of the ICRP. — 2010. - Vol. 40. - No. 1. - 64 p.
2. Микляев П. С., Петрова Т. Б. Проблемы оценки и картирования геогенного радонового потенциала // Материалы X Международной научно-практической конференции по проблемам снижения природных опасностей и рисков. — 2018. — С. 87—92.
3. Jelle В. Р. Development of a model for radon concentration in indoor air [Разработка модели концентрации радона в воздухе помещений] // Science of the Total Environmen. — 2012. — No 416. — P. 343-350.
4. Fronka A. Indoor and soil gas radon simultaneous measurements for the purpose of detail analysis of radon entry pathways into houses [Одновременные измерения внутреннего и почвенного газа радо] // Radiation Protection Dosimetry. — 2011. — Vol. 145. — No 2—3. — C. 117—122.
5. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009): (Ионизирующее излучение, радиационная безопасность СП 2.6.1.2523-09): зарегистрирован 14 августа 2009 г. Регистрационный № 14534. — М.: Минюст России, 2009. — 225 с.
6. Гулабянц Л. А. Радонозащитная способность ограждающих конструкций зданий и сокращение неоправданных затрат при строительстве // Жилищное строительство. — 2015. — № 6. — С. 68—76.
7. Гулабянц Л. А. Метод расчета требуемого сопротивления радонопроницанию подземных ограждающих конструкций зданий // АНРИ, 2011. — № 4 (67). — С. 26—32.
8. Bakaeva N. V., Kalaydo A. V. Determination of resistance to radon entry of underground walling at stage of construction design [Определение стойкости к проникновению радона подземных огр] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2019. — Vol. 687. — 033018. doi:10.1088/1757-899X/687/3/033018.
31
D m i-
U
w
CO
О X
О ^
и a
О
ср
О
9. Жуковский М. В., Кружалов А. В., Гурвич В. Б., Ярмошенко И. В. Радоновая безопасность зданий // Екатеринбург: УрО РАН. — 2000. — 180 с.
10. СП 55.13330.2011 Дома жилые одноквартирные. Актуализированная редакция СНиП 31-02-2001 // Утв. приказом Министерства регионального развития Российской Федерации (Минрегион России) от 27 декабря 2010 г. № 789 и введен в действие с 20 мая 2011 г.
11. Kojima H., Nagano K. Dependence of barometric pressure, wind velocity and temperature on the variation of radon exhalation [Зависимость барометрического давления, скорости ветра и температуры от изменения выдоха радона] // Proceedings of the 2000 International Radon Symposium. — 2000. — Vol. III. — C. 6.1—6.11.
12. Гулабянц Л. А. Пособие по проектированию противорадоновой защиты жилых и общественных зданий. — М.: НО «ФОН-НАУКА». — 2013. — 52 с.
О
U
Ф
IX
О
I-
U
U О
X
и о с
о
со Ф
vo
О ^
U Ф т X
О (Г)
32
PASSIVE TECHNOLOGIES FOR PROTECTING THE POPULATION OF URBANIZED TERRITORIES FROM RADON EXPOSURE
N. V. Bakaeva, PhD (Technical Sciences), Dr. Habil, professor, Moscow State University of Civil engineering (National Research University), [email protected], Moscow, Russia
A. V. Kalaydo, PhD (Technical Sciences), Russian Academy of Architecture and Building Science Research Institute of Building Physics, [email protected], Moscow, Russia
References
1. ICRP Publication 115. Lung Cancer Risk from Radon and Progeny and Statement on Radon / ed. C. H. Clement. - Annals of the ICRP. - 2010. - Vol. 40. - No. 1. - 64 p.
2. Miklyaev P. S., Petrova T. B. Problemy ocenki Ikartirovaniya geogennogo radonovogopotenciala. Materially X Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii po problemam snizheniya prirodnyh opasnostej i riskov [Problems of Assessment and Mapping of Geogenic Radon Potential // Materials of the X International Scientific and Practical Conference on the Problems of Reducing Natural Hazards and Risks], Moscow. -2018. - P. 87-92 [in Russian].
3. Jelle В. Р. Development of a model for radon concentration in indoor air // Science of the Total Environment. — 2012. - No 416. - P. 343-350.
4. Fronka A. Indoor and soil gas radon simultaneous measurements for the purpose of detail analysis of radon entry pathways into houses // Radiation Protection Dosimetry. — 2011. - Vol. 145. - No 2-3. -P. 117-122.
5. Normy radiacionnoj bezopasnosti (NRB-99/2009): (Ioniziruyushchee izluchenie, radiacionnaya bezopasnost SP 2.6.1.2523—09) [Radiation safety standards (NRB-99/2009): (Ionizing radiation, radiation safety SP 2.6.1.2523-09)] // Moscow: Minjust Rossii. - 2009. - 225 p. [in Russian].
6. Gulabyanc L. A. Radonozashchitnaya sposobnost ograzhdayushchih konstrukcij zdanij i sokrashchenie neo-pravdannyh zatratpri stroitelstve [Radon protection ability of building walling and reduction of unnecessary costs during construction] // Zhilischnoe stroitrlstv. - 2015. - No. 6. - P. 68-76 [in Russian].
7. Gulabyanc L. A. Metod rascheta trebuemogo soprotivleniya radonopronicaniyu podzemnyh ograzhdayushchih konstrukcij zdanij [Method for calculating the radon resistance of underground building envelopes // ANRI. - 2011. - Vol. 4. - No. 67. - P. 26-32 [in Russian].
8. Bakaeva N. V., Kalaydo A. V. Determination of resistance to radon entry of underground walling at stage of construction design // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. — 2019. - Vol. 687. -033018. doi:10.1088/1757-899X/687/3/033018.
9. Zhukovskij M. V. Kruzhalov A. V. Gurvich V. B. Yarmoshenko I. V. Radonovaya bezopasnost zdanij [Radon safety of buildings]. - Ekaterinburg: U^ RAN. - 2000. - 180 p. [in Russian].
10. SP 55.13330.2011 Doma zhilye odnokvartirnye. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 31-02-2001. [Single-family residential houses] // Updated edition of SNiP 31-02-2001]. Minjust Rossii. - 2011 [in Russian].
11. Kojima H., Nagano K. Dependence of barometric pressure, wind velocity and temperature on the variation of radon exhalation // Proceedings of the 2000 International Radon Symposium. - 2000. - Vol. III. -P. 6.1-6.11.
12. Gulabyanc L. A. Posobie po proektirovaniyu protivoradonovoj zashchity zhilyh i obshchestvennyh zdanij [Residential and Public Buildings Radon Protection Design Guide]. - Moscow: NО "FОN-NАUKА". -2013. - 52 p. [in Russian].
