Оценка существующих подходов к определению параметров поступления и стока радона в помещениях жилых и общественных зданий



Ключевые слова: радон, радиация, строительство, источники излучения, радон в строительстве, экологическая безопасность строительства, воздухообмен

В целях обеспечения экологической безопасности градостроительства и повышения эффективности использования территорий все большее внимание уделяется естественной радиоактивности. По данным многочисленных исследований отечественных и зарубежных ученых, основной радиационный фон на планете создается за счет естественных источников излучения, в частности, радона, который составляет значительную часть общей радиационной дозы.

Так, среднемировая доза облучения людей за счет всех природных источников излучения составляет около 2,4 мЗв/год при характерном диапазоне доз 1,0–13 мЗв/год. Средняя по России доза природного облучения населения несколько выше и составляет около 3,3 мЗв/год при значительно более широком диапазоне доз по отдельным группам населения. Более того, имеются отдельные субъекты Российской Федерации, в которых средние дозы природного облучения населения близки к 10 мЗв/год, и населенные пункты со средними дозами природного облучения жителей более 10 мЗв/год. [1]

Между тем, относительную степень радиационной безопасности населения от природных источников излучения характеризуют следующие значения эффективных доз: в том случае, если их уровень составляет менее 2 мЗв/год, то считается, что облучение не превышает средних значений доз от природных источников излучения; от 2 до 5 мЗв/год — облучение относится к повышенному; более 5 мЗв/год — к высокому уровню. [2] Таким образом, население РФ на данный момент проживает в условиях повышенного естественного уровня облучения.

Основной вклад в облучение населения природными источниками излучения вносят короткоживущие дочерние продукты изотопов радона в воздухе помещений (60–70 %) и внешнее облучение (20–30 %), а на долю остальных приходится до 10 % от суммарных доз.

В 1988 г Конгресс Всемирной Организации Здравоохранения и Международного Агентства по исследованию рака по результатам многочисленных исследований признал, что поступление радона в организм человека является опасным и может провоцировать рак легких. [4,6]

Принимая во внимание тот факт, что в среднем городской житель проводит почти 80 % времени внутри помещений, необходимость уделять серьезное внимание проблеме защиты здоровья населения от воздействия радона в помещениях зданий является важнейшей задачей.

Согласно Федеральному закону «О радиационной безопасности населения», облучение населения, обусловленное радоном и продуктами его распада в жилых помещениях, не должно превышать установленные нормативы. [5] Особенности конструкции и содержания зданий различного назначения приводят к существенно более высоким уровням концентрации радона в воздухе помещений по сравнению с наружной атмосферой. В связи с этим в Нормах радиационной безопасности (НРБ-99/2009) содержатся требования по ограничению уровня среднегодовой эквивалентной равновесной объемной активности радона (ЭРОА) в жилых и общественных помещениях. [9] Также, федеральным законом «О радиационной безопасности населения» (ст.15) даны определения путей снижения негативного воздействия радона на организм человека:

– радиологическое обследование участков для строительства;

– радиологическое обследование объектов при приемке в эксплуатацию;

– радиологическое обследование существующих объектов;

– радиологическое исследование строительных материалов.

Таким образом, основные действия и решения должны быть направлены на развитие и совершенствование методов исследования параметров, характеризующих радиационную обстановку в помещениях жилых и общественных зданий.

Оценка уровня концентрации радона впомещениях на примере г.Санкт-Петербург

Радон — радиоактивный химический элемент, который образуется в результате распада радия. В нормальных условиях радон –инертный газ, без цвета и запаха, радиоактивен, в несколько раз тяжелее воздуха. Радон-222 образуется в процессе распада урана-238, а торон (радон-220) — в процессе распада тория — 232. Радон-222 имеет период полураспада 3,8 суток, и является основным источником радиационного фона. [3]

Уран входит в состав практически всех видов грунтов и горных пород. Особенно велико содержание урана в гранитных породах. Соответственно, в тех регионах, где преимущественным породообразующим элементом является гранит, можно ожидать повышенное содержание радона. Газ постепенно поднимается через поровое пространство грунта и эманирует с поверхности, после чего рассеивается в воздухе. Так его концентрация остается невысокой и не представляет опасности. [7]

Сложности возникают в случае отсутствия достаточного притока и оттока воздуха, в частности, в домах и других помещениях, в результате чего радон имеет свойство накапливаться. В этом случае содержание радона может достигнуть опасных концентраций и представлять серьезную опасность здоровью и жизни населения. [3,4,6–8,14]

Предельно допустимая концентрация (ПДК) — утвержденный в законодательном порядке санитарно-гигиенический норматив, определяющий максимальную концентрацию вредного вещества, которая за определенное время воздействия не влияет на здоровье человека. ПДК радона. Для радона предельно допустимое поступление через органы дыхания равно 146 МБк/год. [5]

Концентрация радона в помещениях характеризуется эквивалентной равновесной объемной активностью (ЭРОА) (то же — эквивалентная равновесная концентрация ЭРК).

Согласно НРБ-99/2009 «Нормы радиационной безопасности», при проектировании новых зданий жилищного и общественного назначения должно быть предусмотрено, чтобы среднегодовая эквивалентная равновесная объемная активность дочерних продуктов радона и торона в воздухе помещений не превышала 100 Бк/м3, а мощность эффективной дозы гамма-излучения не превышала мощность дозы на открытой местности более чем на 0,2 мкЗв/ч. [8]

В эксплуатируемых зданиях среднегодовая эквивалентная равновесная объемная активность дочерних продуктов радона и торона в воздухе жилых помещений не должна превышать 200 Бк/м3. [3,8] При более высоких значениях объемной активности должны проводиться защитные мероприятия, направленные на снижение поступления радона в воздух помещений и улучшение вентиляции помещений.

По результатам радиационно-гигиенической паспортизации г. Санкт-Петербург за 2014 год отмечено изменение ЭРОА дочерних продуктов радона в диапазоне от 30 до 1600 Бк/м3. [9] Максимальные значения зафиксированы в Красносельском, Гатчинском и Пушкинском районах Санкт-Петербурга. Повышенные концентрации радона в данных районах обосновываются особенностями геологического строения изучаемых территорий. Так, Санкт-Петербург располагается в области контакта двух региональных структур — Балтийского щита и Русской платформы. В южных районах города выходят на поверхность или располагаются в непосредственной близости от нее диктионемовые сланцы — горные породы с содержанием урана выше фонового в 10–100 раз. [3,7,10]

На основании многократных замеров концентрации радона в помещениях разных районов ФГУП РГЭЦ «УРАНГЕО» по заказу Комитета была создана схема прогнозной радоноопасности Санкт-Петербурга, которая приведена на рис.1

Рис. 1. Схема прогнозной радоноопасности Санкт-Петербурга

Повышенные концентрации радона отмечаются так же в центральных районах Санкт-Петербурга. Это обусловлено наличием архитектурных строений (набережные, цоколи зданий Адмиралтейства, Генерального штаба, Сената и Синода, первый этаж Мраморного дворца, Александровская колонна, колонны Исаакиевского собора и др.) выполненных из гранитов рапакиви, которые также являются источником радона. [11]

Стоит отметить, что оценка концентрации радона в помещениях не дает полного представления о том, какие корректирующие мероприятия следует проводить для снижения его поступления. Необходимо иметь понимание об источниках, механизмах и путях попадания радона в помещения.

Источники, механизмы поступления истока радона впомещениях

Первые результаты измерений концентрации радона были опубликованы еще в 1956 году в Швеции. Данное исследование показало достаточно высокие уровни концентраций радона в некоторых домах, построенных из бетона, содержащего радий-226. [12] Внимательнее к вопросу негативного влияния природного радона на организм человека ученые отнеслись позднее, в начале 1980-х годов. В США были проведены многочисленные исследования концентрации радона в жилых помещениях, в результате чего выяснился факт превышения уровня уровень предельно допустимых концентраций, установленных для работников урановых рудников. [3]

Источниками радона принято считать объекты, из которых радон поступает в помещения.

Основным источником поступающего в помещения радона считается почва. Хотя радон в 7,6 раз тяжелее воздуха, посредством избыточного давления он выталкивается на поверхность и имеет свойство скапливается в подвальных помещениях, на цокольных и первых этажах зданий. [13]

Немалый вклад в суммарную активность радона вносят строительные материалы. Так, отмечено увеличение концентрации радона в помещениях с ограждающими конструкциями, выполненными из материалов горных пород. [15]. Если помещение при этом плохо вентилируется, концентрация радона в воздухе помещений может намного превысить регламентированные допустимые уровни даже при небольших поступлениях только через ограждающие конструкции.

КВО — это величина, значение которой показывает, сколько раз в течение шестидесяти минут воздух в помещении полностью заменяется на новый. Воздухообмен в здании различают на естественный и принудительный. [16] Схема работы естественного воздухообмена довольно проста. Тяга создается разницей температур наружного и внутреннего воздуха. Для некоторых помещений могут быть установлены нормы кратности воздухообмена как по притоку, так и по количеству удаляемого загрязненного воздуха.

Как видно из рисунка 2, путями проникновения радона в здание могут стать практически любые неплотности в оболочке здания, расположенные ниже уровня земли: трещины в перекрытиях, открытые участки почвы в подвальном помещении или подпольном пространстве, вводы труб и коммуникаций, стыки между плитами и блоками и т. д. [1,17]

Рис. 2. Основные источники и пути проникновения радона в здания: 1 — почва под зданием; 2 — строительные материалы; 3 — вода из подземных источников; А — трещины в бетонных перекрытиях; Б — пространство за облицовочной стеной, установленной на неперекрытом фундаменте из полых блоков; В — поры и трещины в бетонных блоках фундамента; Г — соединения между полом и стеной; Д — открытая почва; Е — швы между блоками фундамента, заполненные раствором; Ж — плохо изолированные вводы труб и коммуникаций; З — открытые торцы пустотелых блочных стен

Определение и анализ механизмов поступления радона вытекает в отдельную задачу, по причине необходимости применения различных инженерных мер по уменьшению поступления радона в помещения зданий.

Стоку радона из помещений в существенной степени и способствуют следующие мероприятия:

– Герметизация трещин, стыков, отверстий

– Использование лакокрасочный покрытий, оклейка обоями и использование ПВХ панелей в облицовке конструкции

– Принудительная вентиляция подвальных и цокольных помещений

– Частое проветривание помещений

– Использование приточно-отточных установок с подогревом воздуха, поступающего в помещения. [2,7,13–16]

Таким образом, очевидно, что воздухообмен является основным способом снижения концентрации радона в помещениях и определение кратности воздухообмена (КВО) является одной из основных задач в вопросе обеспечения стока радона.

Существующие подходы коценке параметров воздухообмена

Основными причинами возникновения воздухообмена между внутренним объемом здания и внешней атмосферой при отсутствии источников принудительной вентиляции являются: ветровой и тепловой напор.
Тепловой напор создается разностью температур снаружи и внутри помещений. Чем ниже температура вне здания, тем выше подъемная сила воздуха внутри. Теплый воздух стекает из помещений через щели в стенах, окна и двери, в то время как воздух снаружи поступает в помещения через ограждающие конструкции, лестничные клетки и соседние комнаты.

Величиной, характеризующей радоновую опасность, является плотность потока радона (ППР). Она указывает на интенсивность выхода газа на поверхность их земли или строительных конструкций, способных эманировать.

Различают 3 класса радоноопасности участка:

– первый класс (ППК менее 80 миллибеккерелей на квадратный метр за секунду) — для защиты достаточно обычной вентиляции);

– второй класс (ППК равен 80–200 мБк/м2*с) — необходима умеренная защита;

– третий класс (ППК более 200 мБк/м2*с) — требуется усиленная защита.

Для проведения измерения ППР традиционно используются накопительные камеры и угольные адсорберы.

Накопительная камера, представляющая собой полусферу, или цилиндр с одним открытым основанием, устанавливается открытой частью на поверхность грунта. Внутри накопительной камеры происходит накопление радона и торона, выходящих из грунта.

В общем случае, плотность потока радона q, Бк·м^-2·с^-1,рассчитывают из выражения:

(1)

Где,

A(t) — объемная активность радона в воздухе накопительной камеры, измеренная за время t, Бк·м^-3;

S — площадь поверхности основания, м²;

t- время накопления радона, с;

V- объем накопительной камеры, м³.

Однако, в выражении (1) не учтен радиоактивный распад радон, а также тот факт, что внутри накопительной камеры присутствуют радиоактивные газы в фоновой концентрации, поэтому для точно расчета плотности потока радона необходимо использование более сложного ряда уравнений и зависимостей. [18]

Методика измерений с применением угольных адсорберов основана на сорбции радона на активированном угле при отборе пробы с последующим измерением активности сорбированного радона в лабораторных и полевых условиях с помощью гамма-спектрометра излучения ДПР в равновесии с адсорбированным из воздуха радоном в объеме адсорбента. Метод измерений достаточно хорошо изучен и описан, а технология его реализации достаточно проста.

Массовое распространение угольных адсорберов в России и других странах для измерения ОА радона связано с удобством применения, возможностью регенерации и повторного использования активированного угля и меньшим временем экспонирования. Этим средством измерения оснащена значительная часть лабораторий радиационного контроля в системе Роспотребнадзора. [19]

Помимо приведенных выше, существуют так же широко известные способы определения концентрации радона, такие как: метод фильтров, метод «скрытой энергии», метод «радиографии», измерения посредством спектрометров и радонометров и др. [19,20] Все эти способы могут использоваться для целей бытового мониторинга, однако, так или иначе имеют ряд недостатков.

Для оценки КВО помещений используются индикаторные газы и аэродвери.

Способ определения КВО помещений методом индикаторного газа определен стандартом ГОСТ Р 54857–2011, ИСО 12569–2000 «Здания и сооружения. Определение кратности воздухообмена помещений методом индикаторного газа».

Сущность метода индикаторного газа заключается в том, что в воздух испытуемого объекта вводят небольшой объем индикаторного газа, размешивают его с помощью вентиляторов до равномерного распределения в воздушной среде объекта, обеспечивая низкую концентрацию индикаторного газа, которую регистрируют с помощью газоанализатора. Измерения концентрации индикаторного газа в воздушной среде объекта проводят при следующих условиях поддержания существования индикаторного газа в испытываемом объекте:

а) уменьшение во времени концентрации индикаторного газа после первичного его введения (метод снижения концентрации индикаторного газа);

б) непрерывное введение индикаторного газа, при котором отслеживают изменение концентрации относительно заданной скорости подачи индикаторного газа (метод непрерывной подачи индикаторного газа);

в) обеспечение постоянной концентрации, при которой отслеживают объем индикаторного газа, необходимый для поддержания концентрации на постоянном уровне (метод постоянной концентрации индикаторного газа).

По результатам измерений концентрации индикаторного газа вычисляют обобщенные характеристики воздухопроницаемости испытуемого объекта (объемный расход воздуха, кратность воздухообмена).

Аэродверь — специализированный манометрический течеискатель, предназначенный для проведения натурных испытаний воздухопроницаемости ограждающих конструкций здания, измерения кратности воздухообмена здания, а также для оценки герметичности отдельных помещений или секций здания. [21]

Аэродверь состоит из трех основных компонентов:

– съемной тканевой или пластиковой дверной панели, устанавливаемой в проем входной двери тестируемого здания, с отверстием для вентилятора,

– калиброванного измерительного вентилятора (или нескольких вентиляторов), способного обеспечить воздушный поток в интервале от единиц до десятков тысяч кубических метров в час,

– дифференциального манометра, осуществляющего измерение давления в различных точках как внутри здания, так и вне его, и управляющего работой вентилятора в режиме реального времени.

Метод основывается на создании перепада давлений (давление внутри помещении и снаружи). Вентилятор, встроенный, в дверь, создает мощный поток воздуха. Все окна и двери при этом должны быть плотно закрыты. Так как воздух внутри и снаружи здания имеет разную температуру, то температура материалов в дефектных местах начинает быстро изменяться. Так, посредством манометра определяется КВО — отношения расхода воздуха, проходящего через вентилятор аэродвери при испытаниях к внутреннему объему тестируемого здания в час.

Проведение испытаний аэродверью регламентируется ГОСТ 31167–2009.

В результате многочисленных зарубежных исследований по определению параметров воздухообмена, на основе непрерывного мониторинга концентрации радона, разности температур и ППР с поверхности конструкций было показано, что существует количественная зависимость концентрации радона и КВО помещений от разности температур воздуха внутри и снаружи помещений. На основании выявленной зависимости был предложен способ, в котором КВО может быть определена в закрытом помещении с естественной вентиляцией. Однако основным ограничением на данный метод является невозможность применения к эксплуатируемым помещениям, где такая оценка представляет повышенный интерес.

Оценка необходимости разработки нового способа оценки КВО

Рассмотренные подходы к оценке параметров воздухообмена имеют ряд существенных недостатков. Так, накопительные камеры и угольные адсорберы требуют тщательной герметизации, что далеко не всегда представляется возможным. Кроме того, невозможность прямой оценки параметров поступления и стока радона приводит к необходимости сложной последовательности аналитических расчетов. Использование многочисленной аппаратуры характеризуется наличием метрологических неточностей, которые накладывают свой отпечаток на получаемые результаты.

Применение методов измерения ОА радона с использованием сорбции на активированном угле в радиационной эпидемиологии ограничено в связи с недостаточным максимальным периодом экспонирования. Угольные адсорберы позволяют получить информацию об ОА радона, усредненной за период 1−7 суток. Полученные этим методом данные, в большей степени зависят от краткосрочных вариаций ОА радона, чем результаты измерения трековыми детекторами.

Недостатками способа определения плотности потока радона с помощью накопительных камер являются: высокая стоимость требуемой аппаратуры, поскольку необходимо использовать дорогостоящее спектрометрическое оборудование для разделения радона и торона; сложность последовательности операций мониторинга, большие габариты адсорбционных аппаратов.

Использование аэродверей позволяет лишь косвенно определить значение КВО на основании параметров воздухопроницаемости. Помимо этого, использование аэродверей накладывает свои ограничения в силу громоздкости конструкции и необходимости специального места для установки. Способ определения КВО помещений методом индикаторного газа определен стандартом, базирующимся на требованиях Федерального закона N 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». Согласно которому, здания и сооружения, с одной стороны, должны исключать в процессе эксплуатации нерациональный расход энергетических ресурсов, а с другой — не создавать условия для недопустимого ухудшения параметров среды обитания людей

Особенной сложностью отмечено использование вышеприведенных методов в эксплуатируемых помещениях.

Анализ недостатков существующих подходов к определению параметров воздухообмена говорит о необходимости разработки и развития новых методов и подходов к оценке радоновой безопасности.

Литература:

1. Роберт К. А., Нешто К. Я., Мамаев Т. Д., Сенин И. Ю. Защита жителей домов от влияния радона при эксплуатации здания/Строительство уникальных зданий и сооружений // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2015. — № 10 (37). — С. 46–52.
2. Бадрутдинов.О. Р. Нормативно-правовое обеспечение радиационной безопасности // Экологический консалтинг. — 2001. — № 2. — С. 5–23.
3. Дорожко А. Л. Природный радон: проблемы и решения // Разведка и охрана недр. — 2010. — № 8. — С. 50–56.
4. Ненахова Е. В., Макаров О. А. Радон и здоровье населения // Бюллетень Восточно-сибирского научного центра сибирского отделения российской академии медицинских наук. — 2006. — № 6. — С. 184–185.
5. Федеральный закон «О радиационной безопасности населения» от 09.01.1996 N 3-ФЗ (действующая редакция, 2016) ст.4
6. Демин В. Ф., Жуковский М. В., Киселев С. М. Методика оценки риска от воздействия на здоровье человека радона и дочерних продуктов его распада // Гигиена и санитария. — 2014. — № 5. — С. 64–69.
7. Карабанов А., Жук И., Ярошевич О., Конопелько М., Лукашевич Ж., Василевский Л. Радон: здоровье, опасность, защитные мероприятия // Наука и инновации. — 2013. — № 4 (122). — С. 63–67.
8. СанПиН 2.6.1.2523–09 Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009 п.5.3.3
9. Результаты радиационно-гигиенической паспортизации в субъектах РФ за 2014 год (Роспотребнадзор)
10. Бердников П. В., Горький А. В. Изучение радоноопасности территории Санкт-Петербурга и Ленинградской области // АНРИ. — 2008. — № 2(53). — С. 56–59.
11. Прокофьев О. Н. Контроль облучения почвы. — СПб.: СПбНИИРГ, 2009. — 130 с.
12. Васильев А. В. Радоновая безопасность современных многоэтажных зданий: диссертация кандидата технических наук: 05.23.19 / Васильев Алексей Владимирович. — Екатеринбург, 2014.- 116 с.
13. Лунёв А. М. Радон в помещениях г Волжского и рекомендации для снижения его концентрации // Apriori.Серия: естественные и технические науки. — 2014. — № 1. — С. 2–8. (пример: 139–146)
14. Кононенко Д. В., Кормановская Т. А. Врияние радонозащитных мероприятий в детских образовательных учреждениях на радиационный риск при облучении радоном (на примере одной из школ Санкт-Петербурга) // анализ риска здоровью. — 2014. — № 2. — С. 90–96.
15. Ватин Н. И., Самопляс Т. В. Системы вентиляции жилых помещений многоквартирных домов. — СПб.: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2004. — 66 с.
16. Клавенше Б., Окерблум Г. Радоновая книга: меры по борьбе с радоном в существующих зданиях. — Стокгольм:, 2007. — 92 с.
17. Яковлева В. С., Вуколов А. В. Способ измерения плотности потоков радона и торона с поверхности грунта по альфа-излучению // Известия Томского политехнического университета. — 2010. — № 2. — С. 167–170.
18. Кузнецов А. В. Методы интенсификации работы адсорберов. — гл.16. — Волгоград: Индивидуальный предприниматель Акелян Нарине Самадовна, 2014. — 277–294 с.
19. РАДОН: ВРАГ, ВРАЧ и ПОМОЩНИК // Радон и безопасность населения. URL: http://profbeckman.narod.ru/rad.files/Rad3SS.pdf (дата обращения: 6.11.2016).
20. Бирюкова М. С., Попов А. А. Современные проблемы метрологического обеспечения средств измерений расхода газа // Вестник Омского государственного технического университета. — 2015. — № 2. — С. 177–181.