中华放射医学与防护杂志  2020, Vol. 40 Issue (12): 945-950   PDF    
建筑节能设计对严寒和寒冷地区居室氡浓度和换气率的影响
武云云 , 张庆召 , 宋延超 , 尚兵 , 崔宏星     
中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室, 北京 100088
[摘要] 目的 初步分析严寒和寒冷地区建筑节能设计对居室氡浓度的影响。方法 选择哈尔滨、佳木斯、沈阳、西宁、银川共5个城市的25户住宅,密闭门窗24 h测量氡浓度及其子体和换气率。采用RAD7测氡仪连续测量室内氡浓度,BWLM-PLUS工作水平氡子体测量仪连续测量氡子体,采用示踪气体稀释法测室内换气率。结果 25户住宅密闭门窗24 h,室内氡浓度均值为122 Bq/m3,范围为33~255 Bq/m3,室内氡浓度24 h均值有36%超过了150 Bq/m3。室内氡子体平衡因子均值为0.47,范围为0.20~0.72,换气率的均值为0.19次/h,范围为0.05~0.39次/h。室内氡浓度随房屋建筑年代的变化呈现增高的趋势,而换气率随房屋建筑年代的变化呈现降低趋势。结论 严格的建筑节能设计是近年我国居室氡浓度增加的重要影响因素,节能居住建筑的室内氡污染问题值得关注。
[关键词] 居住建筑    节能设计    室内氡浓度    平衡因子    换气率    
Impact of energy-saving design of residential buildings on both indoor radon concentration and air exchange rate in severe-cold areas and cold areas
Wu Yunyun , Zhang Qingzhao , Song Yanchao , Shang Bing , Cui Hongxing     
Key Laboratory of Radiological Protection and Nuclear Emergency, China CDC, National Institute for Radiological Protection, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China
[Abstract] Objective To investigate the influence of energy-saving design of residential buildings with respect to indoor radon concentrations in the severe-cold areas and cold areas. Methods The indoor radon concentration and ventilation rate were measured inside 25 houses in 5 different cities. The indoor radon concentration was measured by using RAD7 radon instrument and its progeny concentrations were measured continuously using BWLM-PLUS working level monitor, respectively. The measurement period was 24 h for each dwelling in the condition that doors and windows were closed. The air exchange rate was measured using tracer gas dilution method. Results The average indoor radon concentration was 122 Bq/m3, in the range of 33-255 Bq/m3 during a 24 h-measurement period, with some exceeding 150 Bq/m3 in approximately 36% of measured dwellings. The average radon progeny equilibrium factor was 0.47, ranging from 0.20 to 0.72. The average air exchange rates was 0.19/h, in range of 0.05-0.39/h. The indoor radon concentration showed an increase with the year of construction. However, the ventilation rate decreased with the year of construction. Conclusions The energy saving design of residential buildings is an important influence factor that leads to the increase in radon concentration in China in recent years. The problem that energy-saving design of residential buildings could lead to indoor radon pollution is worthy of attention.
[Key words] Residential building    Energy-saving design    Indoor radon concentration    Equilibrium factor    Air exchange rate    

根据2009年世界卫生组织(WHO)发布的《室内氡手册》[1],室内氡是继吸烟后导致公众肺癌的第二大危险因素,有3%~14%的肺癌由氡导致。1999—2010年我国几项较大规模的室内氡调查结果显示,与20世纪80年代氡水平相比,我国室内氡浓度呈现增高趋势[2-4]。为缓解能源紧张,我国从1986年开始推广节能居住建筑。国家建设部首先在北方集中供暖地区实施建筑节能设计标准,要求居住建筑通过采用合理节能建筑设计,增强建筑围护结构隔热保温性能和提高空调、供暖设备能效比的节能措施,在保证相同的室内热环境的前提,与未采取节能措施前相比,全年空调和供暖总能耗减少30%[5]。1996年,采暖居住建筑节能设计标准进行了修订,其目标节能率为50%[6]。2010年以后,我国寒冷和严寒地区推出要求更高的建筑节能设计标准,居住建筑执行65%的节能标准[7]。目前,我国有关节能设计建筑室内氡浓度和换气率的研究报道很少。本研究选择哈尔滨、佳木斯、沈阳、西宁、银川共5个城市的25户多层和高层住宅,建筑年代为1999—2019年,测量室内氡浓度及其子体与换气率,初步分析建筑节能设计对我国严寒和寒冷地区居室氡浓度和换气率的影响。

材料与方法

1.测量点选择:选择我国严寒和寒冷地区的哈尔滨、佳木斯、沈阳、西宁、银川共5个城市的多层和高层住宅,建筑年代以2000年左右及以后为主,测量室内氡及其子体浓度与换气率。本次测量房屋共25户,具体信息列于表 1。1999—2010年的房屋有8户,2010年以后的房屋有17户;钢筋混凝土结构的房屋有19户,砖混结构的有6户。每户房屋选择卧室进行测量,测量时间为2018年11月—2019年11月。

表 1 本次测量25户房屋建筑信息 Table 1 Information on 25 residential buildings instigaged

2.室内氡及其子体测量:采用美国Durrige公司的RAD7测氡仪连续测量室内氡浓度,设定为自动模式,周期为1 h。德国Tracerlab公司BWLM-PLUS工作水平仪连续测量平衡当量氡浓度,周期设定为1 h。每户房屋密闭门窗测量24 h,然后去除前3 h数据[8],取仪器稳定后的数据平均值,并用仪器检定/校准因子进行修正作为测量结果。

3.平衡因子:利用氡浓度及平衡当量氡浓度测量结果,采用公式(1)计算每个测量点的室内平衡因子F值:

$ F = \frac{{EE{C_{{\rm{Rn}}}}}}{{{C_{{\rm{Rn}}}}}} $ (1)

式中,EECRn为测量点的平衡当量氡浓度,Bq/m3CRn为测量点氡浓度,Bq/m3F为平衡因子,无量纲。

4.换气率测定:采用示踪气体稀释法测量室内换气率,示踪气体为CO2。用美国EXTECH公司生产的SD800型CO2分析仪连续测量CO2浓度,测量周期设定为10 min。换气率测量前,将CO2分析仪开机放到待测房间室外,测量室外CO2浓度,作为本底(C0)。换气率测量过程中,在气体释放前将CO2分析仪开机放置在测试房间中央离地面约1 m高处,释放CO2时,气体流量为10 L/min,约放气10~15 min,CO2测量值(Ci)开始快速上升,10~20 min达到最大值,然后开始逐渐下降,取下降趋势的数据进行处理。以时间(H)为横坐标,ln(Ci-C0)为纵坐标进行线性拟合,得到的斜率即为换气率的测量值。

5.质量控制措施:RAD7测氡仪和BWLM-PLUS工作水平氡子体测量仪每年在中国计量院标准氡室进行检定和校准。换气率测量为了保证CO2在房间的均匀分布,释放CO2时移动气源,放气时间长达10~15 min,让CO2充分与室内空气均匀混合,并取稳定下降趋势段数据进行分析处理。换气率测量过程前4 h严禁人员出入房间。

结果

1.室内氡及其子体:本次选择5个城市的典型居室共25户,密闭门窗24 h测量氡及其子体,结果汇总列于表 2。25户住宅室内氡浓度均值为122 Bq/m3,范围为33~255 Bq/m3;室内平衡当量氡浓度均值为59 Bq/m3,范围为14~178 Bq/m3

表 2 不同地区居室氡及其子体测量结果(Bq/m3x±s) Table 2 Concentrations of radon and progeny in different areas (Bq/m3, x±s)

2.平衡因子:5个城市的居室平衡因子计算结果列于表 3,室内平衡因子的均值为0.47,范围为0.20~0.72,其中,沈阳和银川的平衡因子偏高。

表 3 不同地区居室平衡因子测量结果 Table 3 Calculated values of equilibration factors in different areas

3.换气率:本次测量5个城市共21户房屋的室内换气率,测定结果列于表 4。室内换气率均值为0.19次/h,范围为0.05~0.39次/h。

表 4 不同地区居室换气率测量结果(次/h) Table 4 Air exchange rate in residential buildings in different areas (h-1)

4.室内氡浓度与换气率相关性分析:室内氡浓度与换气率相关性见图 1,可以看出,室内氡浓度与换气率呈明显负相关,相关系数R2=0.57。

图 1 25户室内氡浓度与换气率相关性分析 Figure 1 Correlation between indoor radon concentration and air exchange rate of 25 houses

5.室内氡浓度和换气率随房屋建筑年代的变化:25户住宅室内氡浓度随房屋建筑年代的变化见图 2。可见,室内氡浓度随房屋建筑年代的变化呈现明显增长趋势,2010年后新建房屋室内氡浓度总体水平较高。

图 2 25户居室氡浓度随房屋建筑年代变化 Figure 2 Variation in indoor radon concentration with the year of construction of 25 houses

本次测量室内换气率随房屋建筑年代的变化见图 3。可以看出,换气率随房屋建筑年代的变化呈现降低趋势,2010年后新建房屋换气率总体降低。

图 3 25户居室换气率随房屋建筑年代变化 Figure 3 Variation in air exchange rate indoors with the year of construction of 25 houses

6.不同建筑结构室内氡浓度和换气率:本次测量不同建筑结构住宅氡浓度和换气率,见图 4,钢筋混凝土结构的房屋室内氡浓度均值约为砖混结构房屋的1.7倍,而钢筋混凝土结构的房屋的换气率仅为砖混结构房屋的60%。

图 4 不同建筑结构的室内氡浓度和换气率 Figure 4 Indoor radon concentrations and air exchange rate in buildings with different structures

讨论

本次测量选择严寒和寒冷地区5个城市的典型居室共25户,密闭门窗24 h测量氡及其子体浓度,室内氡浓度均值为122 Bq/m3,范围为33~255 Bq/m3。其中9户房屋24 h均值超过了《民用建筑工程室内环境污染控制标准》(GB 50325-2020)规定的限值150 Bq/m3,占测量房屋总数的36%。分析表明,室内氡浓度随房屋建筑年代的变化呈现增高的趋势,这与近年研究发现我国室内氡浓度呈现增长趋势相吻合。分析原因,室内氡浓度随房屋建筑年代的增长主要与居住建筑节能设计与新型节能墙体材料有关。2001年开始,为了节能和环保的要求,我国城市开始禁用烧结实心黏土砖。2005年,国家要求积极推广新型墙体材料,新建建筑强制执行已颁布的节能设计标准。加气混凝土由于具有隔热保温性能,被高层建筑广泛应用,但是其孔隙度较高,建材氡析出率明显高于粉煤灰砖、煤矸石砖和黏土砖[9],会导致室内氡浓度增加。本次佳木斯的室内氡及其子体水平最低,氡浓度均值为59 Bq/m3,由于4户房屋墙体材料均使用传统黏土砖,导致室内氡浓度较其他地区明显偏低。

此外,建筑节能设计使得房屋密闭性增加,导致了室内氡浓度的聚集。本次测量5个城市21户房屋在密闭门窗条件下,换气率均值为0.19次/h,明显低于20世纪80年代任天山[10]对北京地区典型建筑物室内换气率测定结果0.50次/h。本研究表明,居室换气率随房屋建筑年代的变化呈现降低趋势,这与我国严寒和寒冷地区建筑节能设计标准密切相关。我国严寒和寒冷地区从1986年实施建筑节能政策以来,节能目标从开始的30%提高到50%,2010年后执行65%,节能标准不断提高。

本次测量的5个城市中,哈尔滨、佳木斯、西宁和沈阳位于严寒地区、银川位于寒冷地区,2010年后建筑节能设计更加严格,导致了2010年房屋换气率明显减低。本文分析显示,室内氡浓度与换气率呈负相关。换气率是影响室内氡浓度的重要因素。

本研究表明,钢筋混凝土结构房屋室内氡浓度是砖混结构房屋的1.7倍,而钢筋混凝土结构房屋的换气率仅为砖混结构房屋的60%。由于2010年以后,城市新建住宅多数为层数大于10层的高层建筑物,严寒和寒冷地区采用更严格的建筑节能设计标准,建筑结构均为钢筋混凝土结构,墙体材料绝大多数采用新型墙体材料加气混凝土砌块,同时由于密闭性增加换气率降低,导致室内氡浓度明显高于2000年左右的砖混结构住宅。可以看出,建筑节能设计是严寒和寒冷地区室内氡浓度增加的重要因素。

近年,国外已有节能建筑导致室内氡浓度增加的报道。芬兰新建节能建筑室内交换率为0.6次/h,其室内氡浓度比室内交换率为4次/h的旧建筑物高1倍[11]。俄罗斯Vasilyev等[12]研究表明,现代节能建筑物氡浓度比以往旧建筑物高出2倍,房屋换气率在无人居住条件下平均值低于0.2次/h,节能建筑的低换气率直接导致了室内氡浓度的升高。2018年,西班牙学者报道了新建节能房屋和传统房屋节能改造后,由于气密性增加导致室内氡浓度增高[13]

氡子体平衡因子是估算氡吸入剂量的重要参数。本次5个城市的居室内氡子体平衡因子均值为0.47,范围为0.20~0.72。20世纪八九十年代我国曾对室内氡和F值进行过广泛调查,室内平衡因子(F)值为0.47~0.49[14-15],本次平衡因子的测量均值与20世纪八九十年代报道一致,明显高于世界典型值0.4[16]。室内平衡因子主要受通风和气溶胶的影响。虽然,新建节能居住建筑换气率和20世纪八九十年代比较明显降低,但是,由于城市家庭能源由以往燃煤转变为清洁能源电能、天然气等,导致空气中气溶胶颗粒明显减少,导致平衡因子未发生明显变化。本次测量也发现沈阳和银川平衡因子均值较高,分别达0.51和0.55,可能与当地空气中气溶胶浓度较高有关。因此,为准确估算氡照射剂量,应采用实测平衡因子进行估算。

综上所述,本次测量5个城市25户住宅,密闭门窗室内氡浓度24 h均值有36%超过了150 Bq/m3。初步分析表明,建筑节能设计是我国严寒和寒冷地区居室氡浓度增加的重要影响因素。我国节能居住建筑的室内氡污染问题值得关注。建议氡浓度较高的节能居住建筑,采取通风换气等降氡措施,以降低室内氡的健康危害。

利益冲突  无

志谢 感谢黑龙江省疾病预防控制中心、佳木斯市疾病预防控制中心、宁夏回族自治区疾病预防控制中心、青海省疾病预防控制中心、辽宁省疾病预防控制中心在现场测量中给予的协助和配合

作者贡献声明  武云云负责实验设计、起草文章及统计分析;张庆召负责采集数据;宋延超负责行政、技术、材料支持;尚兵负责指导文章修改;崔宏星负责采集数据和获取经费支持

参考文献
[1]
World Health Organization. WHO handbook on indoor radon:a public health perspective[M]. Switzerland: WHO, 2009.
[2]
尚兵, 崔宏星, 吴锦海, 等.我国室内氡水平及影响因素的研究[C].北京: 第二次全国天然辐射照射与控制讨会, 2005.
Shang B, Cui HX, Wu JH, et al. Study on indoor radon level and influence factor in China[C].Beijing: The Second National Seminar on Natural Radiation Irradiation and Control, 2005.
[3]
王春红, 潘自强, 刘森林, 等. 我国部分地区居室氡浓度水平调查研究[J]. 辐射防护, 2014, 34(2): 65-73.
Wang CH, Pan ZQ, Liu SL, et al. Investigation on indoor radon levels in some parts of China[J]. Radiat Prot, 2014, 34(2): 65-73. DOI:10.3969/j.issn.1000-8187.2014.02.001
[4]
卓维海, 王喜元, 金元.我国9个城市室内的氡浓度水平[C].包头: 第三次全国天然辐射照射与控制研讨会, 2010.
Zhuo WH, Wang XY, Jin Y. The level of indoor 222Rn concentration in 9 cities of China[C].Baotou: The Third National Seminar on Natural Radiation Irradiation and Control, 2010.
[5]
中国建筑科学研究院. JGJ l26-1986民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)[S].北京: 中国人民共和国城乡建设环境保护部, 1986.
China Academy of Building Research. JGJ l26-1986 Design standard for energy efficiency of residential buildings (heating residential buildings)[S]. Beijng: Ministry of Urban and Rural Construction and Environmental Protection, People's Republic of China, 1986.
[6]
中国建筑科学研究院. JGJ 126-1995民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)[S].北京: 中国人民共和国建设部, 1995.
China Academy of Building Research. JGJ 126-1995 Design standard for energy efficiency of residential buildings (heating residential buildings)[S]. Beijng: Ministry of Construction of the People's Republic of China, 1995.
[7]
中国建筑科学研究院.严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准JGJ 26-2010[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2010.
China Academy of Building Research. Design standard for energy efficiency of residential buildings in severe cold and cold zone JGJ 26-2010[S]. Beijng: China Architecture & Building Press, 2010.
[8]
中国人民共和国卫生部. GBZ/T 182-2006室内氡及其衰变产物测量规范[S].北京: 中国人民共和国卫生部, 2006.
Ministry of Health of the People's Republic of China. GBZ/T 182-2006 Specification for monitoring indoor radon and its decay product[S]. Beijing: Ministry of Health of the People's Republic of China, 2006.
[9]
葛黎明, 陈英民, 李福生, 等. 掺工业废渣新型墙体材料226Ra浓度与氡析出率测量[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2008, 28(4): 404-405.
Ge LM, Chen YM, Li FS, et al. Measurement of 226Ra concentration and radon exhalation rate in new wall materials mixed with industrial residue[J]. Chin J Radiol Med Prot, 2008, 28(4): 404-405. DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2008.04.032
[10]
任天山. 环境辐射测量与评价[M]. 北京: 原子能出版社, 2005.
Ren TS. Environmental radiation measurement and evaluation[M]. Beijng: Atomic Energy Press, 2005.
[11]
Arvela H, Holmgren O, Reisbacka H, et al. Review of low-energy construction, air tightness, ventilation strategies and indoor radon:results from Finnish houses and apartments[J]. Radiat Prot Dosim, 2014, 162(3): 351-363. DOI:10.1093/rpd/nct278
[12]
Vasilyev AV, Yarmoshenko IV, Zhukovsky MV. Low air exchange rate causes high indoor radon concentration in energy-efficient buildings[J]. Radiat Prot Dosim, 2015, 164(4): 601-605. DOI:10.1093/rpd/ncv319
[13]
Baeza A, García-Paniagua J, Guillén J, et al. Influence of architectural style on indoor radon concentration in a radon prone area:A case study[J]. Sci Total Environ, 2018, 610-611: 258-266. DOI:10.1016/j.scitotenv.2017.08.056
[14]
任天山. 室内氡的来源、水平和控制[J]. 辐射防护, 2001, 21(5): 291-298.
Ren TS. Source, level and control of indoor radon[J]. Radiat Prot, 2001, 21(5): 291-298. DOI:10.3321/j.issn.1000-8187.2001.05.005
[15]
尚兵, 贺青华, 王作元, 等. 中国室内氡行动水平的研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2003, 23(6): 462-465.
Shang B, He QH, Wang ZY. Studies of indoor action level of radon in China[J]. Chin J Radiol Med Prot, 2003, 23(6): 462-465. DOI:10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2003.06.032
[16]
United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. UNSCEAR 2000 Report: sources and effects of ionizing radiation[R]. New York: UNSCEAR, 2000.