Messungen und rechnergestützte Fluiddynamikuntersuchung der Radonverteilung in Innenräumen in einem typischen natürlich belüfteten Raum

Dec 27, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 2064 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Basierend auf den grundlegenden Sicherheitsstandards der Europäischen Union zum Schutz der Menschen vor der Exposition gegenüber ionisierender Strahlung ist die Festlegung und Einhaltung von Referenzwerten für Radonkonzentrationen in Innenräumen erforderlich. Daher sollte die Radonkonzentration in Wohnräumen und am Arbeitsplatz überwacht und kontrolliert werden. Richtige Belüftung und Nachhaltigkeit sind jedoch die wichtigsten Faktoren, die beeinflussen, wie gesund die Umgebung in einem Gebäude für seine Bewohner ist. In dieser Arbeit wurde die Radonverteilung in Innenräumen in einem typischen natürlich belüfteten Raum unter zwei Szenarien (bei geschlossener und geöffneter Tür) mithilfe der Computational Fluid Dynamics (CFD)-Technik untersucht. Der auf der Finite-Volumen-Methode basierende CFD-Code ANSYS Fluent 2020 R1 wurde eingesetzt, bevor die Simulationsergebnisse mit analytischen Berechnungen sowie passiven und aktiven Messungen verglichen wurden. Die durchschnittliche Radonkonzentration aus der CFD-Simulation lag bei geschlossenen bzw. offenen Türen und der gewünschten Belüftungsrate von 1 ACH (Luftwechsel pro Stunde) zwischen 70,21 und 66,25 Bq m−3. Darüber hinaus wurden die höchsten Radonkonzentrationen in Bodennähe und die niedrigsten Werte in der Nähe des Einlasses gemessen, woraus sich das Luftströmungsgeschwindigkeitsprofil ergibt. Die Simulationsergebnisse stimmten gut mit den Maxima von 19 % und 7 % im Vergleich zu analytischen Berechnungen bei unterschiedlichen Raumluftgeschwindigkeiten im Szenario mit offener bzw. geschlossener Tür überein. Auch die durch die aktiven Messungen gemessenen Radonkonzentrationen stimmten gut mit den CFD-Ergebnissen überein, beispielsweise mit einer relativen Standardabweichung von etwa 7 % und 2 % bei Messung mit AlphaGUARD- und RAD7-Monitoren in einer Höhe von 1,0 m über dem Boden im Szenario der offenen Tür. Aus den Simulationsergebnissen wurde auch die effektive Dosis berechnet, die eine Person aus der Raumluft am Arbeitsplatz erhält.

In den letzten Jahrzehnten wurden weltweit erhebliche Bedenken hinsichtlich der Gesundheitsrisiken geäußert, die durch die Exposition gegenüber Radon und seinen Folgeprodukten entstehen. Einerseits verbringen Menschen etwa 80 % ihres Lebens in engen und geschlossenen Räumen, also in Wohnungen und Büros, andererseits stammen fast 50 % der natürlichen Hintergrundstrahlungsdosis für den Menschen aus der Inhalation dieser Räume Gase und ihre luftgetragenen Folgeprodukte1,2. Radon ist ein radioaktives Gas. Es ist das Zerfallsprodukt von 226Ra mit einer Halbwertszeit von 3,84 Tagen und ein Alphateilchen emittierendes inertes Radionuklid (5,49 MeV). Es handelt sich um natürlich vorkommende Nuklide, die als gefährliches Gas für die menschliche Umwelt gelten, da Alpha-Partikel eine Zelle erheblich schädigen können. Die Zerfallsprodukte von Radon können sich in einem heterogenen Muster im Lungengewebe ablagern1 und gelten nach dem Rauchen als zweithäufigste Lungenkrebsquelle2. Daher ist es für die Dosisbeurteilung unerlässlich, das Verhalten und die Verteilung von Radon in Innenräumen zu kennen, d. Darüber hinaus wird geschätzt, dass die Radonexposition in Innenräumen für etwa 9 % aller Todesfälle durch Lungenkrebs und 2 % aller Krebstodesfälle in Europa verantwortlich ist6. In Ungarn wird im Hinblick auf die neuen aktualisierten Standards der grundlegenden Sicherheitsnormen der Europäischen Union7 empfohlen, dass die jährliche durchschnittliche Radonkonzentration in Innenräumen in Wohnungen oder am Arbeitsplatz7 nicht höher als 300 Bq m−3 sein sollte, und die Mitgliedsländer sollten eine erstellen und kontinuierlich überprüfen Radon-Aktionsplan zur Reduzierung des Lungenkrebsrisikos der Radonexposition. Daher sollte die Radonkonzentration in Wohnräumen und am Arbeitsplatz überwacht und kontrolliert werden.

Da Radon durch den natürlichen Zerfall von Uran entsteht, das in fast allen Böden vorkommt, gelangt es normalerweise durch den Boden in die darüber liegende Luft und durch Risse und andere Löcher im Fundament in Ihr Haus. Ihr Zuhause speichert Radon im Inneren, wo es sich ansammeln kann. Jedes Haus kann ein Radonproblem haben. Dabei handelt es sich um neue und alte Häuser, gut abgedichtete und zugige Häuser sowie Häuser mit oder ohne Keller. Radon aus Bodengas ist die Hauptursache für Radonprobleme. Manchmal gelangt Radon über Brunnenwasser in das Haus. In vielen Häusern können auch die Baumaterialien Radon abgeben. Allerdings verursachen Baustoffe selten allein Radonprobleme. Da es sich um ein Edelgas handelt, gelangt Radon daher leicht aus der Quelle in die Poren (Emanation) und anschließend aus den Poren in die Außenumgebung (Ausatmung).

Zur Messung der Radonkonzentrationen und ihrer Zerfallsprodukte in der Umwelt wurden eine Reihe von Techniken eingesetzt, darunter aktive und passive Methoden. Die Geräte und Methoden können in einem weiten Bereich von Stichprobenahmen, zeitintegrierten Probenahmen (Kurzzeit- und Langzeitproben) und Kontinuumsprobennahmen (bekannt als Echtzeit-Radonüberwachung) variieren. Radonmessgeräte werden jedoch zusätzlich zu anderen Klassifizierungen, z. B. elektrostatische Sammlung von Zerfallsprodukten (RAD7, Tesla TSR2, EQF3220), Ionisierungskammergerät (AlphaGUARD), Photomultiplierzähler, auch unterschiedlich klassifiziert, basierend auf der verwendeten Methode zur Radonüberwachung und Szintillation (Flüssigkeitszintillation oder Szintillationszelle), Radonabsorption (Aktivkohle), geätzte Spurdetektoren (CR-39, LR115). Wir müssen auf der Grundlage der Machbarkeit und der Kosten der Messung sowie der Genauigkeit und Anwendbarkeit der Technik entscheiden, welche Technik wir verwenden möchten.

Bei Standardproblemen bei der Messung der Radonkonzentration in Innenräumen sind Radonmessungen in Wohnhäusern zwar einfach durchzuführen, müssen jedoch auf standardisierten (z. B. nationalen) Protokollen basieren, um genaue und konsistente Messungen sicherzustellen. Sie behandeln nicht alle technischen Aspekte der Messgerätetechnik, Qualitätssicherung oder Techniken zur spezifischen Identifizierung von Radonquellen wie Radon in Wasservorräten, Baumaterialien oder im Zusammenhang mit dem Besitz und Umgang mit radioaktiven Materialien. Darüber hinaus machen die starken Schwankungen des Radongehalts in Innenräumen Kurzzeitmessungen für die meisten Anwendungen unzuverlässig. Ein weiteres Problem hängt mit der Art des Detektors zusammen, der sorgfältig ausgewählt werden sollte, da er die Messkosten pro Wohnung und damit die Kosten eines Radonprogramms auf nationaler Ebene beeinflusst.

In geschlossenen Räumen ist die Belüftungsrate ein entscheidender Faktor für die menschliche Gesundheit, die Luftqualität in Innenräumen und die Energieeffizienz, da der Grad der Exposition erheblich sein kann, insbesondere in Gebäuden mit schlechten Belüftungssystemen, wo Radongas, das schwerer als Luft ist, dies tun kann können sich leicht ansammeln und im Hinblick auf die menschliche Gesundheit tödliche Aktivitätskonzentrationen erreichen. Es ist erwähnenswert, dass sich die Belüftung nicht direkt auf die Gesundheit der Bewohner auswirkt, die Lüftungsrate jedoch die Schadstoffkonzentrationen in der Innenraumluft beeinflusst, die wiederum die Gesundheit der Bewohner beeinflussen. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Radon- und Thoronkonzentrationen in Innenräumen mit meteorologischen Umgebungsparametern und den Belüftungsbedingungen von Gebäuden zusammenhängen, indem numerische und experimentelle Methoden sowie verschiedene Teile der Computational Fluid Dynamics (CFD)-Software als analytische und leistungsstarke Werkzeuge eingesetzt wurden8,9,10,11 ,12,13,14. Zhou et al. wandten die Finite-Differenzen-Methode an, um diskrete Gleichungen abzuleiten, bevor sie sie mit dem kommerziellen FU-JITSU/a-FLOW-Code verknüpften, um die Konzentrationen und ihre Verteilungen von 222Rn und 220Rn sowie ihren Folgeprodukten in einem Modellraum zu untersuchen8. Rabi et al. implementierte eine 222Rn-Verteilung in einem typischen marokkanischen Raum mit der Fortran-Software12. Chauhan et al. und Agarwal et al. In diesem Zusammenhang wurde auch die Software Fluidyn MP verwendet, die auf der Finite-Volumen-Methode (FVM)11,14 basiert. Dadurch könnte eine geeignete Belüftung die Innenraumverschmutzung durch Radonexspiration aus dem Boden oder durch kontaminierte Baumaterialien verringern.

Nachdem Radon aus den Wänden und dem Boden freigesetzt wurde, verteilt es sich im Innenraum. Das Verständnis seiner Verteilung ist wichtig, um die räumlichen und zeitlichen Schwankungen der Konzentrationen vorherzusagen, die letztendlich für Dosisberechnungen und Forschung zur Expositionskontrolle verwendet werden können. Da die Zeit, die man drinnen verbringt, groß genug ist; Das Verständnis, die Vorhersage und die Messung der Radonverteilung in Innenräumen werden sehr wichtig. Darüber hinaus können die Konzentration und räumliche Verteilung von Radon durch die Belüftungsbedingungen der Wohnung beeinflusst werden. Der Hauptzweck dieser Studie besteht darin, die Radonverteilung in Innenräumen in einem typischen natürlich belüfteten Testraum unter den folgenden zwei Szenarien abzuschätzen: Bedingungen bei geschlossener und offener Tür. Ziel der Studie ist die Vorhersage des Aktivitätsniveaus und die Untersuchung der Auswirkung der natürlichen Belüftung auf das Radon in Innenräumen. Daher wurde die Einlassgeschwindigkeit auf Basis der Belüftungsrate berechnet. Basierend auf dem Standard 62.1 der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) werden daher Lüftungsstandards in Gebäuden vorgeschlagen, um die Vorschriften zur Raumluftqualität zu erfüllen, die das Volumen oder die Fläche und die Anzahl der Einwohner berücksichtigen15. Darüber hinaus haben Yoshino et al. berichteten, dass die minimale Luftwechselrate (das ist die Häufigkeit, mit der das gesamte Luftvolumen in einem Raum oder Raum innerhalb einer Stunde vollständig entfernt und ersetzt wird) in den meisten europäischen Ländern 1 h−1 beträgt, was ebenfalls im Einklang steht mit japanischen Vorschriften zu Luftwechselraten in Gebäuden16. Unter Berücksichtigung der oben genannten Kriterien wurde in der aktuellen Studie ein unterschiedlicher Bereich der Beatmungsfrequenzen von 0,3 bis 4,3 h−1 (auch berichtet von Zhou et al.8 und Agarwal et al.14) berücksichtigt und bewertet. Der Radonquellenterm als wichtiger Eingabeparameter in der CFD-Software (ANSYS Fluent 2020 R1 basierend auf dem FVM) wurde auch mit einer Akkumulationskammertechnik für Zementproben gemessen (ausführlich beschrieben in Kocsis et al.17 und Shahrokhi et al. 18), bevor die Simulationen die Raumgeometrie berücksichtigten. Um die Simulationsergebnisse zu validieren, wurden auch zwei Paare gängiger Radonüberwachungsmethoden, nämlich NRPB und Raduet (als passive Methoden basierend auf CR-39) sowie AlphaGUARD und RAD7 (als aktive Methoden), zur Messung der Radonkonzentration in Innenräumen verwendet die oben genannten Szenarien an verschiedenen Orten im Raum.

Das in dieser Studie betrachtete geometrische Modell basierte auf der typischen Größe eines Raumes am Institut für Radiochemie und Radioökologie der Pannonischen Universität in Ungarn (Abb. 1). Die Gesamtabmessungen des geometrischen Raummodells betrugen 3,0 m (B) × 4,0 m (L) × 2,8 m (H) entlang der X-, Y- und Z-Achse, einschließlich eines Fensters (1,2 m × 0,8 m). die Mitte der Wand auf der rechten Seite, die der Außenumgebung zugewandt ist, und eine Tür (2,2 × 1,0 m) auf der linken Seite der Vorderwand. Darüber hinaus wurden für die ANSYS-Vernetzung unstrukturierte Dreiecksnetze aufgrund ihrer Einfachheit und Genauigkeit verwendet, die für unsere einfache Geometrie zugänglich ist. Darüber hinaus verfügt das unstrukturierte Netz über eine hocheffiziente Netzverteilung, die die Bildung von weniger Zellen als ein strukturiertes Netz ermöglicht19. Für das Modell wurde die Konvergenzstudie durchgeführt und als Grundlage die durchschnittliche Flächengeschwindigkeit am Auslass berücksichtigt. In dieser Studie wurde die Close-Door-Konfiguration mit Ach 4,3 (Luftwechsel pro Stunde) (h−1) für vier verschiedene Arten der Vernetzung simuliert. Die Konvergenz des Modells ist in Abb. 2 dargestellt; Folglich wurde für die Analyse die Gesamtzahl von 1.267.543 Zellen mit einem Mindestvolumen von 2,3 × 10–9 m3 verwendet.

Schematische Darstellung des Modellraums mit seiner Vernetzung.

Konvergenzstudie des Modells.

CFD-Computercodes lösen den Satz der Erhaltungsgleichungen für Masse, Energie und Impuls, um den Flüssigkeitsfluss und damit verbundene Phänomene zu spezifizieren. Durch die Diskretisierung und Linearisierung von Gleichungen sowie unter den relevanten Randbedingungen wird der Rechenbereich definiert. In dieser Studie werden einige Annahmen berücksichtigt: (A) Luft gelangt von der Außenumgebung durch das Fenster (Einlass) in den Raum und verlässt den Raum durch die Tür (Auslass); (B) kontinuierlicher und inkompressibler Luftstrom im Raum; und (C) homogene Innentemperaturverteilung. Daher könnte das stationäre Strömungsfeld in Innenräumen durch Kontinuitäts- und Impulserhaltungsgleichungen wie folgt ausgedrückt werden8,11:

In den obigen Gleichungen bezeichnen Ui und Uj die Geschwindigkeitsvektoren (ms−1) (i, j sind die Indizes, die die Geschwindigkeitskomponenten darstellen); P stellt den Druck dar (N·m−2); μe = (μ + μt) steht für die effektive Viskosität (N sm−2), wobei μ und μt sich auf die dynamische bzw. turbulente Viskosität beziehen; ρ ist die Dichte (kg m−3) und S ist der Radonquellenterm (Bq m−3 s−1). Um die Ausbreitung von Radon im Raum zu simulieren, wird außerdem die Advektions-Diffusions-Gleichung angewendet:

Dabei stellt C die Radonkonzentration im Raum dar (Bq m−3), S steht für den Radonquellterm (Bq m−3 s−1) und D bezeichnet den Radon-Diffusionskoeffizienten in der Luft (1,2 × 10–5 m2 s−). 1) bezieht sich U auf die mittlere Luftströmungsgeschwindigkeit (m s-1) und λ ist die Zerfallskonstante von Radon (2,1 × 10–6 s−1).

Da andererseits die Erstellung eines geeigneten Modells und die Charakterisierung geeigneter Randbedingungen beim Einsatz von CFD-Techniken eine Schlüsselrolle spielen, werden in dieser Studie einige wichtige Randbedingungen und Parameter angewendet:

Die Einlassluftgeschwindigkeit wurde unter Berücksichtigung des ACH-Werts berechnet. Die Luftgeschwindigkeit in Bezug auf die Einlassrandbedingung (Fenster), die den verschiedenen Belüftungsraten und der Belüftungsfläche entspricht, wurde durch die folgende Gleichung8,11 berechnet:

Dabei bezeichnen Vroom und Avent das Raumvolumen, das mit 33,6 m3 angenommen wurde, bzw. die Lüftungsfläche (Fensterfläche = 1,2 m × 0,8 m). Normalerweise reicht 1 ACH aus, um den Belüftungsbedarf zu decken. In dieser Studie wurde die Einlassluftgeschwindigkeit auf etwa 0,01 ms−1 berechnet, um die CFD-Simulationsergebnisse mithilfe passiver und aktiver Methoden zu validieren.

Für die Raumparameter und Einlassgeschwindigkeiten wurde festgestellt, dass die berechneten Reynolds-Zahlen größer als 2000 sind, wenn ACH = 1 h−1 und höher (turbulente Regime), das Standard-k-ε-Modell, das von vielen Wissenschaftlern verwendet wurde8, 10,11, wurde verwendet, um die Wirkung von Turbulenzen auf das Strömungsfeld einzubeziehen, da es das untersuchte Phänomen beschreiben kann.

Ein weiterer wichtiger Eingabeparameter sind die Radonexspirationsraten an der Oberfläche. Die durchschnittliche Radonexspirationsrate an der Oberfläche für Zementproben wurde mit einer geschlossenen Akkumulationskammertechnik unter Verwendung eines professionellen AlphaGUARD PQ2000 PRO mit 3,1 ± 0,1 (Bq m−2 h−1) gemessen, was von Kocsis et al.17 ausführlich beschrieben wurde . Darüber hinaus hat Porestendorfer die anderen Umfragen zusammengefasst und den typischen Bereich der Radonexspirationsraten an der Oberfläche für in verschiedenen Ländern verwendete Baumaterialien angegeben, die im Bereich von 0,36–10,8 Bq m−2 h−120 liegen. Auch die in dieser Studie gemeldeten Werte stimmen mit diesen Bereichen überein. Folglich kann die Rate der Radonerzeugung (Bq m−3 h−1) als Eingabeparameter im CFD-Code aus Gleichung berechnet werden. 5:

Dabei bezeichnen i = 1, 2 und 3 jeweils die Wand, den Boden und die Decke des Raums, während Ei (Bq m-2 h-1) und Ai (m2) die Radon-Ausatemrate bzw. -Oberfläche darstellen.

In dieser Studie wurde auch die durchschnittliche Radonkonzentration im Freien mit etwa 10 Bq m−3 gemessen, bevor sie umgerechnet und als Eingabe im CFD-Code verwendet wurde.

In dieser Simulation sind die Konvergenzkriterien so definiert, dass die maximale relative Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Iterationen weniger als 10–6 betragen muss.

In Tabelle 1 ist eine Liste aller Randbedingungen für jede Oberfläche des Modells aufgeführt. Durch Auswahl des Artentransportmodells in ANSYS Fluent wurden alle volumetrischen Arten, einschließlich Radon, Luft und Wasserdampf, definiert. Zur Modellierung der Luftfeuchtigkeit würde der Wasserdampfgehalt im Modell als Spezies definiert. Die anderen im Modell berücksichtigten Materialien sind Leichtbeton für Böden, dichter Beton für Wände, Fenstermaterialien und grundlegende Türmaterialien. Anschließend wurden Simulationen durchgeführt, bis bei unterschiedlichen Belüftungsraten konvergente Ergebnisse erzielt wurden. Schließlich löste die Software alle relevanten Gleichungen nach dem gekoppelten Schema mit Diskretisierung zweiter Ordnung, und der Massenanteil von Radon wurde vorhergesagt, bevor er in eine Aktivitätskonzentration (Bq m−3) umgewandelt wurde.

In einem belüfteten Raum bleibt der Radon-Diffusionskoeffizient unberücksichtigt und die Radon-Transportgleichung bzw. Radon-Konzentration in einem Gebäude oder Raum mit dem Volumen V wird wie folgt beschrieben 21:

Dabei ist Ci die Radonkonzentration in Innenräumen (Bq m−3) zum Zeitpunkt t (h), C0 ist entweder der anfängliche Radongehalt zum Zeitpunkt t = 0 (h) oder die Radonkonzentration im Freien, λ ist die gesamte Radonzerfallsrate und Belüftungsrate (λ = λRn + λV) in h-1, E (Bq m−2 h−1) ist der Radonfluss oder die Radonexspirationsrate aus dem Boden oder Baumaterial, A ist die Ausatemoberfläche (m2) und V ist das Volumen (m3) des Hauses.

In dieser Untersuchung wurden für die passiven Messungen Raduet- und NRPB-Detektoren verwendet, bei denen es sich um Festkörper-Kernspurdetektoren (SSNTDs) handelt. Am Boden jeder Kammer ist aus klebrigem Ton ein CR-39-Detektor angebracht, der die von Radon emittierten Alphateilchen und deren Folgeprodukte aufspürt. Die Detektoren wurden 45 Tage lang an drei horizontalen Ebenen im untersuchten Testraum aufgehängt, die als Z = 0,2, 1,0 und 1,8 m über dem Boden definiert waren und mindestens 20 cm von allen Wandflächen entfernt waren. Als Atemzone für einen stehenden Erwachsenen wurde das Flugzeug in einer Höhe von 1,0 m über dem Boden angesehen. Nach der Belichtung wurden alle Detektoren mit destilliertem Wasser gewaschen und getrocknet, bevor sie chemisch geätzt wurden. Die Ätzbedingungen für CR-39 waren wie folgt: eine Lösung von 6,0 M NaOH bei einer Temperatur von 90 °C für 3 Stunden. Die Spurdichten wurden mit einem optischen Transmissionsmikroskop und einer Bildanalysesoftware4 gezählt. Die Kalibrierungsfaktoren wurden auch als Ergebnis von Expositionstests in Radon-Kalibrierkammern am Institut für Radiochemie und Radioökologie der Pannonischen Universität in Ungarn ermittelt, wie ausführlich von Adelikhah et al.3 beschrieben. Bei den aktiven Messungen wurden außerdem ein Monitor AlphaGUARD PQ2000 PRO und ein Radon-Thoron-Detektor RAD7 von DURRIDGE, USA verwendet, um die Radonkonzentration an verschiedenen Positionen im Raum im Szenario mit offener und geschlossener Tür kontinuierlich zu messen. Der AlphaGUARD PQ2000 PRO-Monitor verfügt über ein Alpha-Spektrometer mit Ionisationskammer. Das Gerät wurde 24 Stunden lang im Diffusionsmodus über 60-Minuten-Zyklen verwendet und der resultierende zeitlich gemittelte Wert wurde als Radonkonzentration angenommen. Der RAD7-Detektor wurde auf eine Zykluszeit des 1-Tages-Modus eingestellt. Darüber hinaus waren die Aktivmelder mit integrierten Sensoren zur Messung von Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und Luftdruck ausgestattet.

Um die jährliche effektive Radondosisleistung (AED) abzuschätzen, die durch die Inhalation von Radon in Innenräumen entsteht, wird die folgende Gleichung verwendet1:

Dabei steht AED für die jährliche effektive Radon-Dosisleistung durch Radonexposition (mSv pro Jahr), CRn für die durchschnittliche Radonkonzentration im Raum (Bq m-3) und F für den Innengleichgewichtsfaktor für Radon von 0,4 bereitgestellt vom Wissenschaftlichen Ausschuss der Vereinten Nationen für die Auswirkungen atomarer Strahlung (UNSCEAR) im Jahr 2000, und t bezieht sich auf die Anzahl der Stunden, die jährlich im Inneren verbracht werden (2000 Stunden basierend auf der vom Personal verbrachten Zeit). Darüber hinaus bezeichnet K den von der Veröffentlichung 115 der International Commission on Radiological Protection (ICRP) empfohlenen Radon-Dosis-Umrechnungsfaktor von 12 nSv pro Einheit integrierter Radonkonzentration (Bq hm−3)22.

Die auf der Finite-Volumen-Methode basierende CFD-Technik wurde verwendet, um die Radonverteilung und -konzentration im Raum sowie das Radon-Luft-Gemisch im Innenraum vorherzusagen, zu visualisieren und zu berechnen. Darüber hinaus wurde anhand der ermittelten durchschnittlichen Radonkonzentrationen in Innenräumen auch die effektive Dosisleistung abgeschätzt, der das Personal ausgesetzt ist.

Durch die Einrichtung der Eingabeparameter im CFD-Code wurden die Konturen der Radonverteilung bei unterschiedlichen Luftströmungsgeschwindigkeiten in beiden oben genannten Szenarien simuliert und sind in den Abbildungen dargestellt. 3 und 4. Aus den CFD-Ergebnissen ist ersichtlich, dass aufgrund der Luftströmungsgeschwindigkeit durch Tür und Fenster die Radongaskonzentration in Richtung Raummitte führte. Dementsprechend sammelte sich das Radon näher an der Oberfläche der linken Raumecke an, als die ACH auf 4,3 h−1 erhöht wurde. Die Lüftungsprofile zeigten, dass die Radonverteilung in Innenräumen nicht gleichmäßig war. Unter der Annahme, dass ACH = 1 h−1, um den Lüftungsanforderungen von Gebäuden gerecht zu werden, war die Radonkonzentration in der Mitte des Raums (in beiden Szenarien) niedrig, darüber hinaus wurde festgestellt, dass die durchschnittliche Radonkonzentration gemäß der CFD-Simulation niedriger war 70,21 bzw. 66,25 (Bq m−3) für das Szenario mit geschlossener bzw. offener Tür betragen.

Verteilung der Radonkonzentration im geschlossenen Türszenario bei unterschiedlichen Lüftungsraten.

Verteilung der Radonkonzentration im Open-Door-Szenario bei unterschiedlichen Lüftungsraten.

Basierend auf Abb. In den Abbildungen 3 und 4 wurden die höchsten Radonkonzentrationen in der Nähe des Bodens und der oberen Wand um den Einlass gemessen, die durch eine Erhöhung der Luftwechselrate reduziert werden, während die niedrigsten Werte in der Nähe des Einlasses und der Vorderwand beobachtet wurden. Diese Ergebnisse sind auf das Luftgeschwindigkeitsprofil (m s-1) in dem in den Abbildungen gezeigten Raum zurückzuführen. 5 und 6, die in beiden Szenarien bei zwei verschiedenen Luftwechselraten von ACH = 1 und 4,3 h−1 simuliert wurden, um den Belüftungsanforderungen gerecht zu werden bzw. um sie mit anderen Studien zu vergleichen. Eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erzeugt eine höhere turbulente kinetische Energie im Bereich des höheren Geschwindigkeitsgradienten und erhöht so an einigen Stellen die turbulente Intensität. Die Ausbreitung höherer turbulenter Intensitäten nimmt mit steigenden Strömungsgeschwindigkeiten zu und beeinflusst die Mischungsmuster und die Konzentration im Raum. Darüber hinaus verbessert die Aufwärtsbewegung vom Boden die Strömungsmischung und beeinflusst gleichzeitig den Quellbeitrag. Um die CFD-Ergebnisse mit anderen Studien zu vergleichen, gingen Visnuprasad et al.23 und Zhuo et al.8 von einem ACH = 4,3 h−1 im Szenario mit offener Tür aus und die durchschnittlichen Radonkonzentrationen in Innenräumen wurden in ihren Studien mit 29 und angegeben 15 Bq m-3, während in dieser Studie ein Wert von 20 Bq m-3 simuliert wurde, dessen Ergebnisse in Tabelle 1 aufgeführt sind. Die von Rabi et al.12 berichtete durchschnittliche Radonkonzentration in Innenräumen betrug 49 Bq m-3 3, bei der davon ausgegangen wurde, dass ACH = 1 h−1 im Szenario unter Ausschluss der Öffentlichkeit ist, während in dieser Studie der entsprechende Wert bei etwa 70 Bq m−3 lag.

Geschwindigkeitsverteilung im modellierten Testraum in beiden Szenarien bei 2 unterschiedlichen Lüftungsraten.

Stromlinien im modellierten Testraum in beiden Szenarien bei 2 unterschiedlichen Lüftungsraten.

In dieser Umfrage stellt die durchschnittliche Radonkonzentration in Innenräumen gemäß CFD-Berechnungen die jährliche durchschnittliche Radonkonzentration dar. Schließlich wurde gemäß den Simulationsergebnissen die entsprechende jährliche effektive Dosis aus der Inhalation von Radon bei ACH = 1 h−1 mit 0,68 bzw. 0,64 mSv yr−1 im Szenario mit geschlossener bzw. offener Tür berechnet. Diese jährlichen effektiven Dosen liegen unter dem von der ICRP empfohlenen Grenzwert von 3–10 mSv pro Jahr-124. Wie jedoch simuliert und in den Abb. gezeigt. Aus den Abbildungen 2 und 3 lässt sich schließen, dass aufgrund der schlechten Belüftung und des Luftgeschwindigkeitsprofils an einigen Stellen im Prüfraum, z. B. in Bodennähe im Einlass, sich Radongas stärker ansammeln kann, sodass das Risiko einer Exposition des Personals steigt wäre höher. Daher könnte an diesem Standort die entsprechende Dosis, die das Personal 1 m über dem Boden und bei ACH = 1 h−1 erhält, etwa 1,63 bzw. 1,48 mSv pro Jahr im Szenario mit geschlossener bzw. offener Tür betragen, was ebenfalls der Fall ist kleiner als der von der ICRP empfohlene Bereich von 3–10 mSv pro Jahr.

In Tabelle 2 werden die Ergebnisse der analytischen Berechnung und der CFD-Simulation gegenübergestellt. Durch Berechnung der prozentualen Differenz zwischen den geschätzten Ergebnissen gemäß ANSYS-Fluent und den analytischen Berechnungen bei jeder Lüftungsrate wurde festgestellt, dass die maximale Differenz 19 % beträgt, wenn ACH = 4,3 h−1 im Szenario mit offener Tür. Bei der angestrebten Luftwechselrate von 1 h−1 betrug der Unterschied ebenfalls ca. 11 % bzw. 5 % im Szenario mit offener bzw. geschlossener Tür. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, haben die unterschiedlichen Lüftungsraten deutliche Auswirkungen auf die Radonkonzentration in Innenräumen im Testraum, was auch in Abb. 7 dargestellt ist. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das Luftströmungsmuster innerhalb des Raums eine wichtige Rolle spielt hinsichtlich der Verteilung der Radonkonzentration in Innenräumen. Bemerkenswert ist außerdem, dass die Radonkonzentration in Innenräumen je nach Raumgröße, Radonexspiration aus Baumaterialien und der Luftwechselrate variiert.

Gemittelte Radonkonzentrationen im Raum im Verhältnis zur Luftwechselrate gemäß den Ergebnissen des CFD-Modells.

Zu den Faktoren, die die Radonkonzentration im Raum beeinflussen, gehören Baumaterialien, Lüftungsrate, Windeinfluss, Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenraum sowie die Luftfeuchtigkeit im Raum. Bezüglich der Raumluftfeuchtigkeit ist ein negativer Zusammenhang zwischen diesem Parameter und der Lüftungsrate zu beobachten25. In dieser Studie werden verschiedene Werte der relativen Luftfeuchtigkeit (30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 % und 80 %) im CFD-Code berücksichtigt, um den Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit auf die Radonkonzentration in Innenräumen zu untersuchen. Die Temperatur und die Luftwechselrate wurden auf 24 °C bzw. 0,5 bis 1 h−1 eingestellt. Durch Anwendung dieser Annahmen und Ausführung des Codes wurden die Ergebnisse des CFD-Modells sowie die Beziehung zwischen der relativen Luftfeuchtigkeit und der durchschnittlichen Radonkonzentration in Innenräumen (Bq m−3) im Raum in Abb. 8A, B dargestellt. Dies wurde simuliert bei zwei verschiedenen Luftwechselraten, um den Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit auf die Radonkonzentration in Innenräumen darzustellen. Demnach lässt sich erkennen, dass durch die Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit von 30 auf 50 % die durchschnittliche Radonkonzentration in Innenräumen um etwa 5 % sank und dann durch die Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit anzusteigen begann. Dies zeigt also deutlich, dass die relative Luftfeuchtigkeit sowohl die Radonkonzentration als auch die Radonverteilung beeinflusst.

Auswirkung der relativen Luftfeuchtigkeit (%) auf die durchschnittliche Radonkonzentration in Innenräumen (Bq m−3) im Szenario mit offener Tür bei zwei unterschiedlichen Lüftungsraten gemäß der Ausgabe des CFD-Modells.

Die Messwerte der Radonkonzentration nach aktiver und passiver Methode wurden mit CFD-Vorhersagen an den gleichen Stellen verglichen. Die Vergleiche sind in den Tabellen 3 und 4 für das Szenario mit offener bzw. geschlossener Tür dargestellt. Demnach betrugen die von den AlphaGUARD- und RAD7-Detektoren gemessenen durchschnittlichen Radonkonzentrationen in Innenräumen beispielsweise in einer Höhe von 1,0 m über dem Boden im Szenario mit offener Tür (als Atemzone eines stehenden Erwachsenen betrachtet) 77 Bqm−3 und 81 Bqm−3, die eine relative Abweichung von ca. 7 % bzw. 2 % aufweisen (Relative Abweichung = \((\left(\left|\mathrm{Messung}-\mathrm{CFD-Vorhersage}\right|\right) \)/CFD-Vorhersage). In Bezug auf die passiven Messungen gemäß den Raduet- und NRPB-Detektoren wurden die entsprechenden durchschnittlichen Radonkonzentrationen in Innenräumen mit 68 bzw. 64 Bqm−3 gemessen, mit entsprechenden relativen Abweichungen von etwa 17 % bzw. 23 %. Im Szenario bei geschlossener Tür war die entsprechende relative Abweichung höher. Darüber hinaus wurde die höchste relative Abweichung von 39 % von den NRPB-Detektoren aus 20 cm Höhe über dem Boden im Szenario bei geschlossener Tür gemessen und kann daher beobachtet werden dass sowohl experimentelle Ergebnisse als auch Simulationen irgendwie einen ähnlichen Trend ergaben, das heißt, dass die Radonkonzentration mit zunehmender Entfernung vom Boden abnahm. Basierend auf den Abweichungen zeigte sich außerdem, dass die anhand des CFD-Codes vorhergesagten durchschnittlichen Radonkonzentrationen in Innenräumen näher an den experimentellen Werten lagen, mit Ausnahme von Punkt A in beiden Szenarien, da die Luftzirkulation an diesem Punkt schlecht war und sich dort Radon ansammelte . Dementsprechend stimmen die Ergebnisse der CFD-Simulationen gut mit den experimentellen Messungen überein.

Die Mindeststandardlüftungsrate für Wohngebäude ist nicht nur wichtig, um die Gesundheit und den Komfort der Bewohner zu gewährleisten, sondern auch, um die vorherrschenden Schadstoffe zu beseitigen und zu verdünnen. In jüngster Zeit hat die CFD-Methode die Aufmerksamkeit auf die Vorhersage und Visualisierung des Verteilungsmusters von Radon- und Thoronkonzentrationen in begrenzten Gebieten gelenkt. Der Zweck dieser Untersuchung besteht darin, die Radonkonzentration bei unterschiedlichen Lüftungsraten für einen typischen Raum mithilfe der CFD-Technik abzuschätzen, bevor die CFD-Ergebnisse mit analytischen Berechnungen und experimentellen Messungen verglichen und validiert werden. Diese Studie verwendete sowohl ein experimentelles als auch ein CFD-Modell (unter Verwendung der kommerziell erhältlichen CFD-Software ANSYS Fluent 2020 R1 basierend auf der FVM-Methode), um die Radonausbreitung bei typischer Innenlüftung (natürliche Belüftung) sowie bei Szenarien mit offener und geschlossener Tür zu untersuchen. Die Berechnungen wurden validiert, indem die CFD-Ergebnisse mit aktiven Messungen der Radonmonitore AlphaGUARD und RAD7 sowie passiven Messungen der CR-39-Detektoren NRPB und RADUET verglichen wurden. Diese Ergebnisse wären für Organisationen und Behörden nützlich, um sich ein Bild vom kritischen Punkt höherer Radonkonzentration in Innenräumen zu machen, der bei der Dosisbewertung berücksichtigt werden sollte.

Unter der Annahme einer Luftwechselrate von 1 h−1 zur Erfüllung der Lüftungsanforderungen waren die Radonkonzentrationen in der Raummitte (in beiden Szenarien) niedrig und die durchschnittlichen Radonkonzentrationen aus den CFD-Simulationen betrugen 70,21 und 66,25 Bq m−3 im Szenario mit geschlossener bzw. offener Tür. Der Unterschied zwischen den Ergebnissen der analytischen Berechnungen und den CFD-Simulationen betrug im Szenario mit offener Tür bzw. im Szenario mit geschlossener Tür etwa 11 % bzw. 5 %. Die gemessenen Radonkonzentrationen der aktiven Messungen stimmten ebenfalls gut mit den CFD-Ergebnissen überein, z. B. mit einer relativen Abweichung von etwa 7 % und 2 % gemäß den Radonmonitoren AlphaGUARD und RAD7 in einer Höhe von 1,0 m über dem Boden Das Szenario der offenen Tür. Darüber hinaus wurde die maximale relative Abweichung von 39 % von den NRPB-Detektoren in einer Höhe von 20 cm über dem Boden im Szenario bei geschlossener Tür registriert. Die höchsten Radonkonzentrationen wurden in unmittelbarer Nähe des Bodens und der oberen Wand rund um den Einlass festgestellt, die durch eine Erhöhung der Luftwechselrate reduziert wurden, während die niedrigsten Werte in der Nähe des Einlasses und der Vorderwand beobachtet wurden. Aufgrund dieser Ergebnisse kann gefolgert werden, dass diese Trends auf das Luftgeschwindigkeitsprofil zurückzuführen sind. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die Luftgeschwindigkeitsverteilung im Raum eine wesentliche Rolle für die Verteilung der Radonkonzentration in Innenräumen spielt. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die CFD-Modellierung in der Lage ist, die Verteilung von Radongas in Innenräumen vorherzusagen. Was schließlich die Eindämmung von Radon anbelangt, sind die besten Möglichkeiten26,27,28: (1) Wie in der Simulation gezeigt, erhöhen Sie den Luftstrom in dem begrenzten Bereich, indem Sie Fenster öffnen und Ventilatoren und Lüftungsschlitze verwenden, um die Luft zirkulieren zu lassen; (2) Abdichten der Risse in Böden und Wänden mit Putz, Dichtungsmasse oder anderen für diesen Zweck vorgesehenen Materialien.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Wissenschaftlicher Ausschuss der Vereinten Nationen für die Auswirkungen atomarer Strahlung (UNSCEAR). Expositionen durch natürliche Strahlungsquellen (UN, 2000).

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Open-Access-Förderung durch die Pannonische Universität. Diese Arbeit wurde im Rahmen des Projekts TKP2021-NVA-10 mit Unterstützung des ungarischen Ministeriums für Kultur und Innovation aus dem Nationalen Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationsfonds umgesetzt, finanziert im Rahmen des Förderprogramms „Thematische Exzellenzprogramm 2021“.

Institut für Radiochemie und Radioökologie, Pannonische Universität, Veszprém, 8200, Ungarn

Mohammad Adelikhah und Tibor Kovács

Ingenieurabteilung, GC, Shahid Beheshti University, Postfach: 1983963113, Teheran, Iran

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Konzeptualisierung, MA; Methodik, MA und MI; Software, MI und MA; Validierung, MA, MI; und KT; Formale Analyse, MA; Untersuchung, MA; Ressourcen, KT; Datenkuration, MA und KT; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, MA; Schreiben – Überprüfen und Bearbeiten, MA, MI und KT; Visualisierung, MA und MI; Aufsicht, KT; Projektverwaltung, KT; Finanzierungsakquise, KT

Korrespondenz mit Tibor Kovács.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Adelikhah, M., Imani, M. & Kovács, T. Messungen und rechnergestützte Fluiddynamikuntersuchung der Radonverteilung in Innenräumen in einem typischen natürlich belüfteten Raum. Sci Rep 13, 2064 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23642-7

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Eingegangen: 25. April 2022

Angenommen: 03. November 2022

Veröffentlicht: 04. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23642-7

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