Variationer i poreluftens forureningsindhold Spor 1 Opstilling af modelscenarier, udvælgelse af modeller og modelberegninger Anders G. Christensen, NIRAS 9. Marts 2009

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 Projektet er startet med at identificere faktorer som har betydning for poreluftmålinger. Samlet på baggrund af diverse litteratur fx

Modeller til simulering af poreluft Kontinuum modeller Analytiske modeller JAGG Johnson og Ettinger RISC GSI RBCA Jury et al. Shan og Stephens Nielsen R-UNSAT 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 Numeriske modeller Abreu og Johnson Hydrus 1D/2D/3D T2VOC/TMVOC UTCHEM STOMP

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

Abreu og Johnsons 3D model Modelsetup Med bygning: 24 m x 24 m Uden bygning: 10 m x 10 m

Abreu og Johnsons 3D model Model resultater Porelufttryk Koncentrationsprofiler Flow ind i/ud af terræn Flow ind i/ud af bygning Koncentrationsudvikling i moniteringspunkter Koncentrationsudvikling i bygning Dæmpningskoefficient

Abreu og Johnsons 3D model Moniteringspunkter

Eksempel på resultater Koncentrationsplot

Eksempel på resultater Tryk og flow diagrammer

Eksempel på resultater Poreluftkoncentration i moniteringspunkter i jorden og i indeklima Spænd [0,3 – 0,301] eller 1,003 gange Middelværdi 0,3005 Variation omkring middelværdi ± 0,16 % Spænd [4 - 47] × 10-04 eller 11 gange Middelværdi 25 × 10-04 Variation omkring middelværdi ± 88%

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

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

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

1. Effekt af barometervariation Betydning af barometer periode 0,5 m u.t.(MP1) Mindre koncentrationsvariationer med øgende periodelængde (< ± 3 % og faktor 1,06) Koncentrationsvariationen aftager over dybden

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) Koncentrationsvariationen aftager over dybden

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)

1. Effekt af barometervariation Betydning af bebyggelse Størst variation omkring sprække (< ± 20% og faktor 10) Stor variation i indendørs koncentration (< ± 92 % og faktor 22)

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

2. Effekt af indendørstryk (2 af 2) Betydning af fast over-/undertryk i bygningen α=1x10E-3 0 Pa tryk 5 Pa undertryk α=10E-5 α=10E-17 10 Pa undertryk 5 Pa overtryk α=2x10E-3

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

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) Betydning af lagdeling for stationære forhold Homogen Lagdeling D Lavpermeabele lag giver lokalt store vertikale koncentrations- gradienter Lokalt ”hul” i det lavpermeable lag under huset giver større koncentrationer under huset

4. Effekt af geologisk lagdeling (2 af 3) Betydning af lagdeling for transiente forhold Lagdeling A Lagdeling C 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)

4. Effekt af geologisk lagdeling (3 af 3) Betydning af lagdeling for transiente forhold 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)

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 Betydning af kilde i umættet zone Kildeplacering har stor betydning for rumlig variation af poreluft (ca. 1 størrelsesorden pr. 10 m horisontalt)

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) Betydning af organisk indhold foc Et højt organisk indhold dæmper variationen i poreluftkoncentration som følge af ændring i kildestyrken Ved højtliggende grundvandsspejl er betydningen af det organiske indhold mindre

6. Effekt af kildestyrke (2 af 2) Betydning af kilde Koc (TCE: Koc=190 VC:Koc=18,6) Koc for VOC har betydning for hvor hurtigt poreluftkoncentrationen ændrer sig ved varierende kildestyrke Ved højtliggende grundvandsspejl er betydningen af Koc mindre

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 Forureningsmæssige forhold 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] 0,18

Valg af modelparametre 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

Valg af modelparametre Meteorologiske forhold Parameter Symbol Værdier Tryk amplitude A [mbar] 1, 5, 15, 25, 30, 50 Tryk periode T [dage] 0,083; 5; 20 Nedbør qw [m/s] Vind v [m/s] Temperatur T [C] 25 Alle simuleringer udføres først som steady-state. Resultatet heraf anvendes som start for den transiente simulering

Valg af modelparametre Transient barometertryk 22 mbar på 7 dage 50 mbar på 6 dage 40 mbar på 20 timer

Valg af modelparametre Bygningsmæssige forhold Parameter Symbol Værdier Bygningens længde l [m] 10 Bygningens bredde b [m] 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