СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОМИНИРУЮЩЕГО МЕХАНИЗМА ПОСТУПЛЕНИЯ РАДОНА В ПОМЕЩЕНИЕ Российский патент 2014 года по МПК G01F1/00 

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.

Поток воздуха Q (м³/с), поступающего в помещение, вызванный имеющейся разностью давлений, может быть выражен через эффективную площадь натекания $$S_{нат}^{эф}$$ и показатель степени n, зависящий от аэродинамических характеристик мест инфильтрации и эксфильтрации воздуха в здании:

$$Q=S_{нат}^{эф}{\nu }_0{\left(\frac{\Delta P}{P_0}\right)}^n\left(1\right)$$

где ΔP - разность давлений, обусловливающая поток воздуха Q; ν₀=2,58 м/с - скорость воздуха, связанная с величиной образцового давления Р₀=4 Па:

$${\nu }_0\equiv \sqrt{\frac{2P_0}{{\rho }_0}}\left(2\right)$$

ρ₀ - плотность воздуха при нормальном давлении.

Для описания натекания радона в здание по аналогии с эффективной площадью натекания, относящейся к процессам воздухообмена, используется такое понятие, как площадь натекания радона - $$S_{нат}^{Rn}$$ . По аналогии с уравнением (1) можно записать:

$$Q_{Rn}=A_{\infty }{S}_{нат}^{Rn}{\nu }_0{\left(\frac{\Delta P}{P_0}\right)}^{n_r}\left(3\right)$$

где ΔP=ΔρgH (H - высота здания, а разность плотностей воздуха $$\Delta \rho ={\rho }_0\frac{{Т}_{внутри}-{Т}_{снаружи}}{{Т}_{внутри}}$$ 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:

$$A_r=A_{\infty }\frac{S_{нат}^{Rn}}{S_{нат}^{эф}}{f}_R{f}_P\left(4\right)$$

В данном случае:

- член $$A_{\infty }\frac{S_{нат}^{Rn}}{S_{нат}^{эф}}$$ является общим для всех механизмов, создающих разность давлений между оболочкой здания и наружной атмосферой;

- f_R - характеризует распределение мест натекания воздуха по оболочке здания;

- f_P - 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:

- диффузионное поступление из почвы и материалов строительных конструкций S_D,

- конвективное поступление за счет стек-эффекта,

- инфильтрация воздуха с объемной активностью радона $$\left(A_{Rn}^{атм}\right)$$ 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:

$$A_r=\frac{A_{\infty }{S}_{нат}^{Rn}{\left[X_S\frac{\Delta T}{T_1}\right]}^{n_r}+S_D}{S_{нат}^{эф}\left[{\left[Y_S\frac{\Delta T}{T_1}\right]}^n+Y_W\right]}+A_{Rn}^{атм}\left(5\right)$$

Для конкретного исследуемого здания скорость вентиляции, обусловленная ветровым эффектом, постоянна и пропорциональна некоторой величине Y_W, которая зависит от распределения мест утечек и натекания в здании. В свою очередь скорость воздухообмена, обусловленная стек-эффектом, пропорциональна величине Y_S и зависит от разности температур внутри и вне здания. Скорость поступления радона, обусловленная стек-эффектом, также определяется разностью температур и пропорциональна некоторой величине X_S, характеризующейся положением нейтральной плоскости (уровня, где обусловленная стек-эффектом разность давлений между наружным воздухом и воздухом внутри здания равна нулю).

При доминирующем конвективном механизме поступления радона в помещение, когда первое слагаемое в числителе уравнения (5) много больше величины S_D, 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_r, 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.

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 А₀, A_max 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.

Изобретение относится к методам измерения объемного расхода, а именно определения эффективной площади натекания и механизма поступления природного газа радона в помещение. 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. 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.

Техническим результатом является высокая точность определения механизма поступления природного газа радона в помещение, путем анализа временных рядов непрерывных измерений объемной активности радона в действующих помещениях. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения доминирующего механизма поступления радона в помещение, характеризующийся тем, что он 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.

2. Способ определения доминирующего механизма поступления радона в помещение по п.1, отличающийся тем, что используют измерения объемной активности радона в помещении при стационарном и активном режиме его эксплуатации.

3. Способ определения доминирующего механизма поступления радона в помещение по п.1, отличающийся тем, что производят измерение фиксированной разности давлений снаружи и внутри помещений.

4. Способ определения доминирующего механизма поступления радона в помещение по п.1, отличающийся тем, что используют значения баз данных о фактической погоде по данным наземных метеорологических станций.