地下車庫氡遷移的數值模擬研究

孟德雨，王漢青，李鋮駿

環境及其效應

地下車庫氡遷移的數值模擬研究

孟德雨a，王漢青b，李鋮駿b

（南華大學 a.土木工程學院 b. 資源環境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001）

研究地下車庫氡濃度分布，提出改善地下車庫氡控制的建議。計算地下車庫壁面的氡析出率，建立地下車庫的幾何模型，采用CFD數值模擬的方法研究室內溫度、換氣次數以及氣流組織形式對室內氡濃度分布的影響。平均氡濃度水平在室內溫度為5 ℃時均處于最低值，在溫度為35 ℃時均處在最高值，反映出溫度的升高將削弱通風排氡的效果。當換氣次數為1 AC/h時，室內氡濃度已經符合規范上的要求，因此對于采用機械通風的情形，當室內換氣次數超過1 AC/h時，基本可以認為已經具備足夠的排氡的能力。提高換氣次數可以顯著降低室內氡的濃度，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也是提高排氡效率的可行方法。

氡濃度；地下車庫；室內溫度；數值模擬

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，衰變的時候將釋放5.5 MeV以上的能量，并產生新的放射性元素（218Po、214Pb、214Bi及214Po等）。氡是一種對人體有害的污染氣體，已經有研究表明，長時間暴露在高濃度的氡及其子體的環境中，會增大肺癌的患病風險[1-3]。室內建筑中的氡主要來源于建筑地基下土壤氡的滲透以及建筑材料本身。為了防止室內氡對人體健康的潛在危害，必須對室內氡濃度進行控制，使其濃度低于對人體造成危害的閾值。我國規范中已有如下規定：對于公共居住的住房，已有建筑的平衡當量氡濃度不超過200 Bq/m3，新建住房的平衡當量氡濃度不超過100 Bq/m3[4]；對于地下建筑，已用地下建筑的平衡當量氡濃度不超過400 Bq/m3，新建地下建筑的平衡當量氡濃度不超過200 Bq/m3[5]。

近年來，人們針對室內氡的運動規律以及室內氡濃度的控制進行了大量的研究工作。Keramatollah Akbari[6]研究了排氡通風對室內空氣品質和節能性的影響，指出換氣次數和通風口位置對室內氡濃度的分布有重要影響。同時，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]研究了室內換氣次數和進風角度對室內氡濃度的影響，指出當室內換氣次數為每小時1次時，室內氡濃度始終低于100 Bq/m3，而當換氣次數低至每小時0.01次時，室內某些房間氡濃度超過148 Bq/m3。研究還指出，當進風角度為5°或者175°時，即使換氣次數為1 AC/h，仍有房間的氡濃度超過100 Bq/m3。劉澤華等人[8]利用CFD數值仿真的方法研究了室內氡及其子體的來源和消除方法。宋想等人[9]利用CFD數值仿真研究了進氡率恒定的情況下，不同通風狀況對室內氡環境的影響。

地下空間處于地表下層，土壤中的氡更容易進入室內，氡污染的情況更為嚴重。因此，學者們針對地下空間氡的控制進行了許多研究。Dong Xie等[10]采用實驗測量的方法對建筑地下室進行了氡水平的環境因素影響實驗，發現室內氡水平在秋季時最高，進一步指出了室內氡水平與室外大氣壓、室內外溫差以及室內外壓力差有著明顯的關系。此外，國內學者還對地下空間氡控制的氣流組織形式以及產生機理進行了數值仿真模擬，對已有地下空間的氡濃度進行了實測[11-19]。

文中將在已有研究的基礎上，采用CFD數值模擬的方法研究室內溫度、換氣次數以及氣流組織形式對地下車庫氡濃度分布的影響，提出改善地下車庫氡控制的建議和方法。

1 理論及方法

本節將介紹室內流場的控制方程，氡析出、擴散的理論和計算方法以及數值仿真中的若干假設。

1.1 基本控制方程

室內流體流動的基本控制方程包括連續性方程、動量方程、能量方程以及相關湍流模型，可查閱相關資料[20]。

1）氡濃度方程。氡在空氣中以氣體的形式存在，它對氣流流動的影響基本可以忽略，穩態下的氡濃度符合式（1）：

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

2）氡擴散系數。式（1）中的有效擴散系數可由式（2）確定：

式中：為氡自由擴散系數；t為紊流脈動引起的濃度擴散。和t的計算可由式（3）、（4）確定：

1.2 氡析出計算模型

地下空間進氡主要有3個來源：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為建材的產氡率，可由式（8）計算，Bq/m3；bm為材料中氡的擴散長度，可由式（9）計算，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，s–1；m為建材密度，kg/m3；m為建材射氣系數；為建材孔隙率；為氡在建材中的擴散系數，cm2/s。

3）同時考慮鐳衰變和建材中貼近土壤一側氡濃度擴散引起的析氡率：

4）進氡率計算。根據計算的析氡率，可以采用式（12）換算成進氡率：

式中：為進氡率，Bq/m3；為氡析出率，Bq/m2s；為進氡面積，m2；為房間新風量，m3/h。

1.3 相關假設

在數值仿真模擬中作了如下假設：流體視為理想不可壓縮的牛頓流體，流場已經過充分長的時間，采用穩態計算的方法；各壁面氡析出率以及大氣中的氡濃度為恒定值。

2 數值模擬邊界條件與方法

2.1 氡濃度計算參數

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系，因此在計算氡的析出率時，應首先確定所涉及到的參數。不同的地點和條件下，所測得的參數不盡一致，應該以現場的實測值為準。結合前人的測量結果，給出的氡計算相關參數值見表1，將各參數代入式（5）—（11）可以求得進氡率大小[21]。

表1 氡計算相關參數

Tab.1 Caculation data of radon concentration

2.2 幾何模型

采用Solidworks軟件建立的地下車庫模型如圖1所示。車庫內部長、寬、高分別為20、16、3.7 m，設有2個送風口和2個排風口以及1個自然進風口，排風口尺寸為550 mm×300 mm，送風口尺寸為450 mm× 300 mm。室內無熱源，冬夏季不考慮空氣調節。模型中地面、墻壁以及頂面有著不同的氡析出率，可由表2計算。

圖1 地下車庫幾何模型

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3個工況分別研究不同室內溫度、不同換氣次數以及不同氣流組織形式對室內氡濃度的影響。

1）工況1。氡的擴散是由于熱運動，氣體分子沿濃度減少方向位移的結果，是室內氡遷移的一種重要機理[21]。擴散與溫度有著直接的聯系，選取典型夏熱冬冷地區冬季、過渡季節和夏季的平均溫度作為參考值。

2）工況2。換氣次數對室內氡濃度的分布有著重要的影響。我國規范中規定[22]，地下停車庫單層停放，采用機械通風時，排風量可采用換氣次數法計算，層高超過3 m按3 m計算，不足3 m的按實際面積計算。車輛出入較多時取6AC/h，中等取5 AC/h，較少取4 AC/h。為保持停車庫內處于負壓狀態，送風量取排風量的80%。

3）工況3。室內氣流的組織也會對氡的擴散產生影響，選取上送上回和上送下回的氣流組織形式，分析風口位置對室內氡分布的影響。

各工況的變量取值見表3。

表3 變量控制

Tab.3 Variable control of case 1

2.4 數值模擬方法

CFD即計算流體力學，是以電子計算機為工具，對流體力學中的控制方程借助偏微分方程數值解的理論進行離散，對流體力學的各類問題進行數值實驗，計算機模擬和研究分析。FLUENT是通用CFD軟件包，可用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動，其包含的多求解器技術可以用來模擬從不可壓縮到高超音速范圍內的各種復雜流場。文中采用Solidworks軟件建立了地下車庫幾何模型，確定初始及邊界條件后，通過CFD數值模擬的方法研究不同工況條件對室內氡濃度分布的影響，其方法流程如圖2所示。

圖2 數值模擬方法流程

3 數值模擬結果分析

3.1 工況1

不同溫度下室內的氡濃度云圖如圖3所示。可以看出，室內的氡濃度呈“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。造成這種現象有兩個原因：一是地面的進氡率要高于墻壁以及頂面的進氡率；二是因為氡的密度較大，容易沉積在地表附近。

圖3 不同溫度下室內氡濃度云圖

在室內中心監測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，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減緩。溫度為25 ℃和35 ℃時，衰減趨勢接近。

圖4 不同溫度下室內氡濃度衰減曲線

距地面30、150、270 cm截面上的平均氡濃度如圖5所示。對比3個截面的平均氡濃度可知，無論在哪個溫度下，離地距離較小的截面比下一級高程截面平均氡濃度均高出100 Bq/m3以上。3個截面上的平均氡濃度在5 ℃時均處于最低值，在35 ℃時均處于最高值。當溫度較低時，室內的氡濃度值較低；當溫度較高時，室內氡濃度值較高。這反映出低溫更有利于室內氡的排出，隨著溫度的升高，氡在空間內的擴散作用加強，從而減弱了通風排氡的效果。

圖5 不同溫度下室內不同高度氡濃度

3.2 工況2

室內取不同的換氣次數時，各高度截面上的氡濃度平均值如圖6所示。可以看出，換氣次數對室內氡濃度水平有著重要的影響。當室內換氣次數為0.1 AC/h時，室內距地面150 cm人員活動高度的平均氡濃度高達1891 Bq/m3；當換氣次數取1 AC/h時，室內距地面150 cm人員活動高度的平均氡濃度降為217 Bq/m3，符合已有地下車庫氡濃度限制標準，而當按照規范要求換氣次數取4 AC/h時，其平均氡濃度僅為41 Bq/m3。

圖6 不同換氣次數下室內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速度云圖見圖7。對比圖7a、b可以明顯看出，采用上送上回的氣流組織形式時，室內氣流速度較低，且形成了幾個速度低于0.01 m/s的低速區域。當采用上送下回的氣流組織形式時，室內平均氣流速度增大，且室內各處無明顯的低速區。從通風的可及性來說，采用上送下回的氣流組織形式優于上送上回。

不同氣流組織形式下，距離地面150 cm人員活動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，在送風口和排風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域。相比之下，圖8b在整個截面上的氡濃度普遍較低。這說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域，有效地減小了室內的氡濃度。從排氡效果上來說，采用上送下回的氣流組織形式也優于上送上回的氣流組織形式。

4 結論

文中計算了地下停車庫各壁面的進氡率，建立了地下停車庫氡擴散的數學和幾何模型，利用CFD數值仿真模擬分析了室內溫度、換氣次數以及氣流組織形式對室內氡濃度分布的影響，得出了以下結論：

圖7 不同氣流組織形式下的室內速度云圖

1）從模擬結果上來看，當室內溫度較低時，通風控氡的效果要優于室內溫度較高的時候。這提示在設計控氡系統時，可以分季節進行控制，即在冬季可以降低控氡的風量，而在溫度較高的時候適當加大控氡的風量。

2）增大換氣次數可以明顯地改善室內的氡環境，當換氣次數為1 AC/h時，室內氡濃度已經符合規范上的要求。因此對于采用機械通風的情形，當室內換氣次數超過1 AC/h時，基本可以認為已經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量的情況下提高排氡能力，在設計中盡可能地讓氣流穿過需要排氡的位置，讓氣流攜帶更多的氡排到室外，將能進一步提高系統的節能性。

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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，主要研究方向為建筑節能。

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

孟德雨,王漢青,李鋮駿. 地下車庫氡遷移的數值模擬研究[J]. 裝備環境工程, 2021, 18(4): 096-102.

10.7643/ issn.1672-9242.2021.04.014

2020-09-29；

2020-10-27

國家自然科學基金資助項目（11575080）

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

孟德雨（1994—），男，碩士研究生，主要研究方向為建筑通風及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.