Variationer i poreluftens forureningsindhold Spor 1 Opstilling af modelscenarier,

Variationer i poreluftens forureningsindhold

Spor 1

Opstilling af modelscenarier, udvælgelse af modeller og

modelberegninger

Anders G. Christensen, NIRAS

9. Marts 2009

http://www.geosyntec.com/UI/Default.aspx?m=MainHome

Projektorganisation

• Annette P. Mortensen, NIRAS

• Anders G. Christensen, NIRAS

• Lizzi Andersen, COWI

• Lilian D. Abreu, GeoSyntec


Formål - Spor 1

Forbedre eksisterende viden om hvilke faktorer, der har væsentligst betydning på den tidslige variation i poreluftkoncentrationen

Vidensopbygning sker gennem udvælgelse af en numerisk model og gennemregning af forskellige modelscenarier hvor betydningen af forskellige faktorer/parametre vurderes


Faktorer med betydning for poreluft


Modeller til simulering af poreluft Kontinuum modeller

Analytiske modeller

JAGGJohnson og EttingerRISCGSI RBCAJury et al.Shan og StephensNielsenR-UNSAT

Numeriske modeller

Abreu og JohnsonHydrus 1D/2D/3DT2VOC/TMVOCUTCHEMSTOMP

3D finite difference model Transient multikomponent

gas transport ved advektion og diffusion

Transiente trykvariationer i atmosfæretryk samt tryk i bygning

Advektiv transport igennem sprækker i fundament

Nedbrydning og sorption Beregning af opblanding i

indeluften og den resulterende koncentration


Abreu og Johnsons 3D model

3D finite difference model Transient multikomponent gas transport ved

advektion og diffusion Transiente trykvariationer i atmosfæretryk

samt tryk i bygning Advektiv transport igennem sprækker i

fundament Nedbrydning og sorption



Modelsetup

Med bygning: 24 m x 24 m Uden bygning: 10 m x 10 m



Model resultater

Porelufttryk

Koncentrationsprofiler

Flow ind i/ud af terræn

Flow ind i/ud af bygning

Koncentrationsudvikling i moniteringspunkter

Koncentrationsudvikling i bygning

Dæmpningskoefficient



Moniteringspunkter


Eksempel på resultater

Koncentrationsplot



101,000

101,100

101,200

101,300

101,400

101,500

101,600

0 5 10 15 20 25

Tid (dage)

Ab

so

lut

try

k (

Pa

) Δ=500 Pa

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0 5 10 15 20 25

Tid (dage)

Lu

ftfl

ow

( L

/min

)

Flow fra atmosfære til terræn

Flow fra terræn til atmosfære

Tryk og flow diagrammer



Poreluftkoncentration i moniteringspunkter i jorden og i indeklima

Poreluftkoncentration væk fra bygningMP4 (1,5 m u.t.)

2,95E-01

2,97E-01

2,99E-01

3,01E-01

3,03E-01

3,05E-01

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Tid [dage]

No

rmal

iser

et k

on

cen

trat

ion

[-]

Poreluftkoncentration ved bygningMP3 (1,5 m u.t.)

3,1E-01

3,1E-01

3,1E-01

3,2E-01

3,2E-01

3,2E-01

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Tid [dage]

No

rmal

iser

et k

on

cen

trat

ion

[-]

Poreluftkoncentration ved sprækkeMP2 (2,1 m u.t.)

1,0E-02

1,1E-01

2,1E-01

3,1E-01

4,1E-01

5,1E-01

6,1E-01

7,1E-01

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Tid [dage]

No

rmal

iser

et k

on

cen

trat

ion

[-]

Koncentration i bygning

0,0E+00

1,0E-03

2,0E-03

3,0E-03

4,0E-03

5,0E-03

6,0E-03

7,0E-03

8,0E-03

9,0E-03

1,0E-02

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

Tid [dage]

No

rmal

iser

et k

on

cen

trat

ion

[-]

Spænd [4 - 47] × 10-04 eller 11 gange

Middelværdi 25 × 10-04

Variation omkring middelværdi ± 88%

Spænd [0,3 – 0,301] eller 1,003 gange

Middelværdi 0,3005

Variation omkring middelværdi ± 0,16 %


Modelscenarier

• Effekt af barometer variation

• Effekt af indendørs tryk

• Effekt af sprække placering

• Effekt af geologisk lagdeling

• Effekt af kildeplacering

• Effekt af kildestyrke

• Effekt af biologisk nedbrydning


Homogen sand – medium og fint sand VOC1 kilde ved grundvandsspejl Varierende dybde til grundvandsspejl Bygning med kælder/ uden bebyggelse Transient barometertryk

1. Effekt af barometervariation


1. Effekt af barometer variation Betydning af barometer amplitude 0,5 m u.t.(MP1)

Mindre koncentrationsvariationer med aftagende amplitude og (< ±3 % og faktor 1,06)

Koncentrationsvariationen aftager over dybden

Medium sand, 8 m til GVS, T=20 dage

0,115

0,120

0,125

0,130

0,135

0 10 20 30 40 50 60Tid [dage]

No

rmal

iser

et k

on

cen

trat

ion

[-]

1.6 A=15 mbar

1.5 A=30 mbar


1. Effekt af barometervariation Betydning af barometer periode 0,5 m u.t.(MP1)

Mindre koncentrationsvariationer med øgende periodelængde (< ± 3 % og faktor 1,06)


Medium sand, 8 m til GVS, Amplitude A=15 mbar

0,055

0,060

0,065

0,070

0 5 10 15 20 25 30 35 40Tid [dage]

No

rmal

iser

et k

on

cen

trat

ion

[-]

1.7 T=5 dage

1.6 T=20 dage


1. Effekt af barometervariation Betydning af dybden til grundvandet 0,5 m u.t (MP1)

Jo større umættet zone jo større betydning har barometer-variation for koncentrationsændringer (< ± 3% og faktor 1.06)


Poreluftkoncentration 0,5 m u.t.

0,055

0,060

0,065

0,070

0,075

0 10 20 30 40 50 60Tid [dage]

No

rmal

iser

et k

on

cen

trat

ion

[-]

1.5 GVS=8 m u.t.

Poreluftkoncentration 0,5 m u.t.

0,160

0,165

0,170

0,175

0,180

0 10 20 30 40 50 60Tid [dage]

No

rmal

iser

et k

on

cen

trat

ion

[-]

1.11 GVS= 3 m u.t.


1. Effekt af barometervariation Betydning af sand type 1,5 m u.t (MP2)

Jo finere sand jo mindre betydning har barometervariation for poreluftkoncentrationen (< ± 5 % og faktor 1,11)

8 m til GVS, A=30 mbar, T=20 Dage

0,115

0,120

0,125

0,130

0,135

0 10 20 30 40 50 60Tid [dage]

No

rma

lis

ere

t k

on

ce

ntr

ati

on

[-]

1.5 Medium sand

1.9 Fint sand


1. Effekt af barometervariation

Betydning af bebyggelse

Størst variation omkring sprække (< ± 20% og faktor 10) Stor variation i indendørs koncentration (< ± 92 % og faktor 22)

Medium sand, 8 m til GVS, A=3 mbar, T=0,5 dage

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0Tid [dage]

No

rmal

iser

et k

on

cen

trat

ion

[-]

MP1 2,1 m u.t.

MP2 2,2 m u.t.

MP3 1,5 m u.t.

MP4 1,5 m u.t.

Koncentration i bygning

0,0E+00

2,0E-04

4,0E-04

6,0E-04

8,0E-04

1,0E-03

1,2E-03

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Tid [dage]

Nor

mal

iser

et k

once

ntra

tion

[-]


2. Effekt af indendørs tryk Homogen sand – medium og fint sand VOC1 kilde ved grundvandsspejl Konstant dybde til grundvandsspejl Bygning med kælder Transient/steady state barometertryk Differenstryk i bygning (over/undertryk)


2. Effekt af indendørstryk (1 af 2) Betydning af fast neutralt-/undertryk i bygningen

Ved undertryk i bygningen giver barometervariation mindre variation på koncentrationen nær sprækken (MP2)

Permanent flow af poreluft ind igennem sprækken ved kombination af permanent undertryk i kælder og lille barometervariation

Mindre variation i indendørskoncentration ved permanent undertryk i kælder

For fint sand ses meget lille effekt på koncentrationer og flow igennem sprække

Medium Sand, 8 m til GVS, A=3 mbar, T= 0,5 dagePoreluftkoncentration ved sprække (MP2)

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0Tid [dage]

No

rma

lis

ere

t k

on

ce

ntr

ati

on

[-]

1.2 P=0 Pa

2.1 P=5 Pa

Medium Sand, 8 m til GVS, A=3 mbar, T= 0,5 dageLuftflow igennem sprække

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Tid [dage]

Lu

ftfl

ow

[L

/min

]

1.2 P=0 Pa

2.1 P=5 Pa

Flow fra terræn til bygning

Flow frabygning tilterræn

Medium Sand, 8 m til GVS, A=3 mbar, T= 0,5 dageKoncentration i bygning

0,0E+00

5,0E-04

1,0E-03

1,5E-03

2,0E-03

2,5E-03

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0Tid [dage]

No

rma

lis

ere

t k

on

ce

ntr

ati

on

[-]

1.2 P=0 Pa

2.1 P=5 Pa


2. Effekt af indendørstryk (2 af 2) Betydning af fast over-/undertryk i bygningen

0 Pa tryk 5 Pa undertryk

10 Pa undertryk 5 Pa overtryk

α=10E-5 α=1x10E-3

α=2x10E-3 α=10E-17


3. Effekt af sprække placering Homogen sand – medium og fint sand VOC1 kilde ved grundvandsspejl Konstant dybde til grundvandsspejl Bygning med kælder Transient barometertryk Sprække i midten af bygningen


3. Effekt af sprække placering (1 af 2) Betydning af sprække midt i fundament

Medium sand, 8 m til GVS, A=3 mbar, T=0,5 dagePoreluftkoncentration ved MP2

0,2

0,3

0,4

0,5

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0Tid [dage]

No

rma

lis

ere

t k

on

ce

ntr

ati

on

[-]

1.2 sprække ved periferi

3.1 sprække ved periferi+midt

Medium sand, 8 m til GVS, A=3 mbar, T=0,5 dagePoreluftkoncentration ved MP1

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Tid [dage]N

orm

alis

eret

ko

nce

ntr

atio

n [

-]

1.2 sprække ved periferi

3.1 sprække ved periferi+midt

Sprækkeplacering har kun betydning for poreluftkoncentrationen lokalt omkring sprækken

Samme konklusion for fint sand


3. Effekt af sprække placering (2 af 2) Betydning af sprække midt i fundament

Minimal betydning for variationen i indendørs koncentration Lokal koncentrationsvariation nær begge sprækker Samme konklusion for fint sand

Medium sand, 8 m til GVS, A=3mbar,T=0,5 dageKoncentration inde i bygning

0,0E+00

5,0E-04

1,0E-03

1,5E-03

2,0E-03

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0Tid [dage]

No

rmal

iser

et

kon

cen

trat

ion

[-]

1.2 sprække ved periferi3.1 sprække ved periferi+midt

Rumlig og tidslig variation nær sprækker


4. Effekt af geologisk lagdeling Homogen sand med lagdeling VOC1 kilde ved grundvandsspejl Konstant dybde til grundvandsspejl Bygning med kælder Transient barometertryk


4. Effekt af geologisk lagdeling (1 af 3)

Lavpermeabele lag giver lokalt store vertikale koncentrations- gradienter

Lokalt ”hul” i det lavpermeable lag under huset giver større koncentrationer under huset

Homogen

Lagdeling D

Betydning af lagdeling for stationære forhold



Lavpermeabelt lag henover kilden betyder mindre variation i poreluftkoncentration ved sprækken (lagdeling B)

Lavpermeabelt lag ved terræn (lagdeling A+C) betyder større variation i poreluftkoncentration ved sprække (< ± 82 % og faktor 10)

Udenfor bygningens influenszone betyder lagdelingen mindre variation i poreluftkoncentration (< ± 0,1 % og faktor 1,003)

Betydning af lagdeling for transiente forholdMedium sand, 3 m til GVS, A=3 mbar, T=0,5 dage

Poreluftkoncentration ved sprække (MP2)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Tid [dage]

No

rma

lise

ret

ko

nc

en

tra

tio

n [

-]

1.2 Homogen

4.1 Lagdeling A

4.2 Lagdeling B

4.3 Lagdeling C

Lagdeling A

Lagdeling C



Lavpermeabelt lag ved terræn (lagdeling A+C) betyder større variation i indeluft koncentrationen (< ± 90 % og faktor 22)

Dette skyldes at sprækken i kælderen vil være den primære højpermeable åbning mod atmosfæren (prefrerentiel vej)

Betydning af lagdeling for transiente forholdLagdeling A

Lagdeling C

Medium sand, 3 m til GVS, A=3 mbar, T=0,5 dageKoncentration inde i bygning

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0,007

0,008

0,009

0,010

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Tid [dage]

No

rmal

iser

et k

on

cen

trat

ion

[-]

1.2 Homogen

4.1 Lagdeling A

4.2 Lagdeling B

4.3 Lagdeling C

4.4 Lagdeling D


5. Effekt af kildeplacering Homogen sand – medium sand VOC1 kilde ved grundvandsspejl/umættet zone Konstant dybde til grundvandsspejl Bygning med kælder Steady-state barometertryk


5. Effekt af kildeplacering

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

20

40

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-8

-6

-4

-2

0Q s = 4 L/m in

m p1 m p2

m p3m p4 m p5

m p6

Kildeplacering har stor betydning for rumlig variation af poreluft (ca. 1 størrelsesorden pr. 10 m horisontalt)

Betydning af kilde i umættet zone


6. Effekt af kildestyrke Homogen sand – medium sand Varierende organisk indhold VOC1 og VOC2 kilde ved grundvandsspejl Transient kildestyrke Varierende dybde til grundvandsspejl Bygning med kælder Steady-state barometertryk


6. Effekt af kildestyrke (1 af 2)

Et højt organisk indhold dæmper variationen i poreluftkoncentration som følge af ændring i kildestyrken

Ved højtliggende grundvandsspejl er betydningen af det organiske indhold mindre

Betydning af organisk indhold foc

Poreluftkoncentration ved sprække (MP2)Medium sand, 3 m til GVS

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

1.E+08

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Tid (år)

Po

relu

ftko

nce

ntr

atio

n (

ug

/m3)

TCE at MP2 (foc=0.001)TCE at MP2 (foc=0.01)Source at 3 m bgs

Poreluftkoncentration ved sprække (MP2)Medium sand, 8 m til GVS

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

1.E+08

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Tid [år]

Po

relu

ftko

nce

ntr

atio

n (

ug

/m3)

TCE at MP2 (foc=0.001)TCE at MP2 (foc=0.01)Source at 8 m bgs


6. Effekt af kildestyrke (2 af 2)

Koc for VOC har betydning for hvor hurtigt poreluftkoncentrationen ændrer sig ved varierende kildestyrke

Ved højtliggende grundvandsspejl er betydningen af Koc

mindre

Betydning af kilde Koc (TCE: Koc=190 VC:Koc=18,6)

Poreluftkoncentration ved sprække (MP2) Medium sand, 8 m til GVS, foc = 0.01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

1.E+08

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Tid [år]

Po

relu

ftko

nce

ntr

atio

n (

ug

/m3)

TCE at MP2VC at MP2Source at 8 m bgs

Poreluftkoncentration ved sprække (MP2)Medium sand, 8 m til GVS, foc = 0.001

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06

1.E+07

1.E+08

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

time (years)

Vap

or

con

cen

trat

ion

(u

g/m

3)

TCE at MP2VC at MP2Source at 8 m bgs


7. Effekt af biologisk nedbrydning Homogen sand – medium sand VOC3 kilde ved grundvandsspejl Varierende dybde til grundvandsspejl Bygning med/uden kælder Transient/steady-state barometertryk


7. Effekt af biologisk nedbrydning Steady-state VOC og ilt fordeling for medium sand og 2 kildestyrker (200 mg/l

og 20 mg/l). Flow ind igennem sprække.

Aerob nedbrydning kan potentielt reducere poreluftkon-centrationen under huse signifikant

og medføre en tilsvarende reduktion af koncentrationen i indeluften (106 gange)


Konklusioner (1 af 2) Transient barometertryk medfører generelt kun relativt små tidslige

variationer (< ±5 % ) omkring middelværdien af poreluftkoncentrationen i et punkt eller en faktor ca. 1,15 mellem maksimal og minimal værdi:

Større amplitude i atmosfæretrykket giver større variation

Hurtige trykvariationer i atmosfæretrykket giver størst variationen nær terræn

Højtliggende grundvandsspejl giver mindre variation

Fint sand giver mindre variation

Omkring bygninger ses større effekter end i terræn uden

Undertryk i bygningen giver mindre variation

MEN

Lokalt noget større variation nær fundamentsprække (< ± 82% eller faktor 10)

OG

Variation på indendørskoncentration (< ± 92 % eller faktor 22)

Sprækkeplacering har minimal betydning for indendørs-

koncentrationen


Konklusioner (2 af 2) Geologisk lagdeling kan betyde variation i poreluftkoncentrationen

Lavpermeabelt lag ved terræn giver størst tidslig variation i poreluftkoncentrationen ved sprækken (< ±82% eller faktor 10)

Samtidig vil sprækken være en væsentlig advektiv spredningsvej og resulterer derfor i den største variation i indendørskoncentrationen (< ±92% eller faktor 22 )

I en vis afstand fra bygningen har lagdelingen minimal indflydelse på den tidslige variation i poreluftkoncentrationen(< ±0,1% eller faktor 1,003 )

Lokale vertikale (rumlige) koncentrationsforskelle kan opstå henover indlejrede lavpermeable lag

Et permanent undertryk i en kælder (5-10 Pa) kan medføre en permanent stigning i indeklimakoncentrationen (ifht. neutralt tryk) på en faktor 100

Et permanent overtryk i en kælder (5 Pa) vil generelt helt eliminere påvirkningen af indeluften (over 10 størrelsesordeners reduktion)

Kildeplaceringen har stor betydning for den rumlige variation af poreluftkoncentrationer rundt om et hus

For visse stoffer kan højt organisk stofindhold i jorden betyde at der ved varierende kildestyrker ikke opnås stationære koncentrationsforhold

Aerob nedbrydning kan medføre store (rumlige) variationer i poreluftkoncentrationen og kan resultere i en kraftig reduktion af indendørskoncentrationen


Valg af modelparametre

Parameter Symbol VOC1 VOC2 VOC3

Diffusionskoefficient i luft Da [m2/s] 7,9E-6 1,1E-5 8,8E-6

Diffusionskoefficient i vand Dw [m2/s] 9,1E-10 1,2E-9 9,8E-10

Henrys konstant H [-] 0,42 1,1 0,228

Sorptionskoefficient Koc [l/kg] 190 18,6 61,7

1. ordens nedbrydningskoefficient

[d-1] 0 0 0,18

Forureningsmæssige forhold



Geologiske forhold

Parameter Symbol Værdier

Total porøsitet T [-] 0,35

Vandfyldt porøsitet w [-] 0,07; 0,21

Luft permeabilitet Ka [m2] 1E-11; 1E-12; 1E-13

Volumenvægt b [kg/m3] 1700

Indhold af organisk stof foc [-] 0,01; 0,001

Vandspejlsniveau d [m] 3; 8



Meteorologiske forhold


Tryk amplitude A [mbar] 1, 5, 15, 25, 30, 50

Tryk periode T [dage] 0,083; 5; 20

Nedbør qw [m/s] 0

Vind v [m/s] 0

Temperatur T [C] 25

Alle simuleringer udføres først som steady-state. Resultatet heraf anvendes som start for den transiente simulering



Transient barometertryk

Barometer tryk målt i Allerød

950

960

970

980

990

1000

1010

1020

1030

1040

31-10 1999 30-11 1999 31-12 1999 30-1 2000 1-3 2000 31-3 2000

Dato [dd-mm-yyyy]

Bar

om

eter

[m

Bar

]

40 mbar på 20 timer

50 mbar på 6 dage

22 mbar på 7 dage



Bygningsmæssige forhold


Bygningens længde l [m] 10

Bygningens bredde b [m] 10

Bygningens dybde D [m] 0,2; 2

Fundamenttykkelse df [m] 0,15

Sprækkelængde ls [m] 39

Sprækkevidde ws [m] 0,001

Luftudveksling Aex [t-1] 0,5

Relativt tryk i bygning P [Pa] 0; 5; 10; -5


Variationer i poreluftens forureningsindhold Spor 1 Opstilling af modelscenarier,

Documents