基于底板下空气腔的氡减排系统分析：实验案例中的计算流体动力学模型开发与验证

氡是一种由土壤中铀衰变产生的放射性气体，其在室内高浓度渗流与积聚会显著提升肺癌风险。基于负压或通风型底板下空气腔的减排策略已被证实具有高效性。本研究旨在开发并验证一套计算流体动力学(CFD)模型，用于分析采用底板下空气腔时的氡输运、渗入及减排性能，涵盖负压与强制通风两种构型。模型纳入了几何参数、建模简化假设及未知因素估算等关键输入，并利用两个案例的实验数据进行了验证。参数分析探究了腔体高度、气流速率及建筑长度对减排效率的影响。对于负压系统，增大腔体高度可增强降压效果，而提高流量对氡浓度降低的边际收益递减；在不同建筑长度下，氡浓度可降低45%至90%，小型结构降幅最大。相反，在强制通风系统中，增大腔体高度与送风流量会引发超压，导致室内氡浓度升高，而更大的建筑长度可缓解该效应。上述发现可为优化氡减排设计提供依据，支持以最小施工代价实现高效系统设计。

研究背景与意义

氡（Rn）是地壳矿物中镭（Ra）自然衰变产生的放射性气体，可通过土壤孔隙渗流进入建筑物内积聚。其衰变产物被人体吸入后，会显著提升肺癌发病风险。当前，氡的输运机制、渗入路径及减排措施涉及地形特征、建筑构造、气象条件等多参数耦合，其中底板下空气腔（sub-slab air chamber）技术因结合界面阻氡屏障与腔体通风/负压抽气，成为最成熟高效的改造措施之一。然而，该系统性能受腔体尺寸、运行参数及建筑形态影响显著，传统集总参数模型难以精准表征复杂结构下的多物理场耦合过程。为此，研究人员依托西班牙国家研究委员会（CSIC）下属Eduardo Torroja建筑科学研究所，针对西班牙Torrelodones镇高氡背景建筑，开发了基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）的精细化数值模型，并通过现场实测数据完成验证，相关成果发表于《Journal of Environmental Radioactivity》。

关键技术方法

研究人员采用COMSOL Multiphysics 6.1有限元软件构建三维稳态模型，耦合自由与多孔介质流动模块（Free and Porous Media Flow Module）及稀物质多孔介质输运模块（Transport of Diluted Species in Porous Media Module）。模型以西班牙Torrelodones镇Punto Limpio建筑为实证对象，该建筑实测平均氡浓度为1423 Bq/m³，经气密性测试换气次数为1 h^-1。研究通过对比原始状态、安装封闭空气腔、负压抽气及强制通风四种工况的模拟值与实测值完成模型校准，随后开展腔体高度（5–50 cm）、气流速率（50–500 m³/h）及建筑长度（5–50 m）的单变量参数分析。材料属性参考典型建材与当地土壤文献取值，裂缝简化为等效开口，土壤块尺寸经收敛性分析确定为建筑基底的4倍以上。

研究结果

3.1 实际案例描述

研究对象为单层砌体建筑，使用面积27.17 m²，层高2.55 m，坐落于中粗粒黑云母花岗岩地基。干预前两周平均氡浓度达1423 Bq/m³，安装5 cm厚混凝土顶板形成的底板下空气腔后，封闭状态下浓度降至613 Bq/m³。

3.2 模拟模型描述与校准

模型包含建筑域（6.11 m边长立方体）与土壤域（55×55×25 m³），通过25 cm厚混凝土板连接。原始楼板裂缝简化为4个6×6 cm开口，排水系统渗入设为4×10^-2Bq/m²·s的表面通量。土壤²²⁶Ra活度为80 Bq/kg，孔隙率0.5，扩散系数随体积含水率通过Rogers and Nielson公式修正。

3.3 不同工况下的模型验证

稳态模拟与实测值吻合良好：原始状态误差约10%（模拟1570 Bq/m³vs 实测1423 Bq/m³），封闭腔体误差约11%（模拟527 Bq/m³vs 实测590 Bq/m³），负压抽气误差约19%（模拟49 Bq/m³vs 实测61 Bq/m³），强制通风误差约29%（模拟330 Bq/m³vs 实测233 Bq/m³），验证了模型的可靠性。

3.4 底板下腔体系统的能力分析

引入无通风空气腔可使基准浓度（1264.9 Bq/m³）降低81%至236.6 Bq/m³。参数敏感性分析表明，所有工况下室内氡浓度均主要受腔体内外压差控制。

3.5 系统能力测试结果讨论

3.5.1 场景1：腔体高度的影响

负压模式下，腔体高度从7 cm增至30 cm可增强降压效果，使氡浓度较封闭腔体降低78%–88%，但边际效益递减（每增10 cm仅降约10 Bq/m³）。强制通风模式下，腔体增高会导致进气量大于排气量，引发超压，反而促进氡渗入，大高度下腔体浓度甚至超过封闭状态。

3.5.2 场景2：流量变化的影响

负压模式下，抽气流量从50增至500 m³/h可进一步降低浓度，但呈渐近趋势，高流量下能耗与收益失衡。强制通风模式下，送风流量增加会因排气不畅导致腔体超压，浓度随流量上升而增加，需配套机械排风控制压力。

3.5.3 建筑尺寸变化的影响

负压模式下，建筑长度从5 m增至50 m，腔体降压效果减弱，减排率从90%降至45%。强制通风模式下，浓度随建筑增大而降低，但主要归因于单位体积氡生成量减少，而非通风效率提升，减排率稳定在30%–60%。

3.5.4 误差分析与不确定性来源

偏差主要来自监测设备±10%的不确定性、模型未考虑气象波动导致的瞬态压力变化，以及通风工况下进排风平衡模拟的固有难度。尽管存在局限，模型仍能可靠复现减排趋势，适用于方案比选与设计优化。

结论与讨论

研究人员成功开发了经实验验证的稳态CFD模型，可精准预测底板下空气腔系统的氡减排性能。参数分析明确了腔体高度、气流速率与建筑尺寸的耦合影响规律：负压模式下降压增效与尺寸负相关，通风模式需严防超压。该模型为复杂结构氡减排设计提供了量化工具，虽未知参数估算仍存局限，但通过文献类比可获可靠预测。研究同时指出，未来需加强压力动态监测与气象因素影响量化，以进一步提升模型精度。