通风模式对大连地区建筑内壁面霉菌污染的影响

Effects of ventilation modes on mold contamination of building inner wall surfaces in Dalian area

摘要

大连等滨海城市受到季风气候和海洋湿润气候的影响，建筑墙体内表面发霉现象尤为严重，易通过气溶胶及真菌孢子的代谢产物等途径危害人体健康。本研究采用WUFI-Plus与WUFI-Bio软件，模拟分析了钢筋混凝土、烧结粘土砖、加气混凝土分别采用外保温墙体构造下建筑墙体全年热湿传递过程及其对霉菌生长污染的影响，其中钢筋混凝土外保温墙体全年霉菌生长直径最大可达80 mm，霉菌污染风险较大。此外，还针对大连地区不同季节分别采用白天通风、夜间通风、全天通风以及不通风四种通风模式下，建筑墙体内壁面霉菌生长直径进行了模拟分析，并根据评估结果提出换气次数达到2次/h可有效抑制霉菌生长。

Abstract

Coastal cities such as Dalian， influenced by monsoon and oceanic humid climates， experience particularly severe mold growth on the inner surfaces of building walls， which can easily harm human health through pathways such as aerosols and metabolites of fungal spores. In this study， the WUFI-Plus and WUFI-Bio software were used to simulate and analyze the annual heat and moisture transfer process in building walls and its impact on mold growth contamination， under external insulation wall configurations for reinforced concrete， fired clay brick， and aerated concrete， respectively. Among these， the maximum annual mold growth diameter on externally insulated reinforced concrete walls reached 80 mm， indicating a relatively high risk of mold contamination. In addition， simulations were conducted to analyze the mold growth diameter on the inner surface of building walls in the Dalian area under four ventilation modes—daytime ventilation， nighttime ventilation， all-day ventilation， and no ventilation—across different seasons. Based on the evaluation results， it is proposed that an air change rate of 2 times per hour can effectively inhibit mold growth.

Graphical abstract

关键词

通风模式 / 热湿传递 / 霉菌污染 / WUFI

Key words

ventilation mode / heat and moisture transfer / mold contamination / WUFI

建筑围护结构使用不同墙体材料及构造设计会导致不同的传热传湿特性^［1］。建筑墙体内表面霉菌生长并脱落进入空气中对人体健康和生活质量的危害不可忽视，因此，加强建筑室内霉菌污染防控至关重要。近年来，诸多报导^［2-6］显示潮湿环境和建筑霉菌污染会导致室内空气质量恶化、病态建筑综合症（Sick Building Syndrome， SBS）、建筑相关疾病（Building-Related Illnesses， BRI）以及其他问题，国际移民组织（IOM）认为应重视由潮湿引发建筑滋生霉菌现象引起的健康影响，并应采取措施来预防建筑潮湿问题^［7］。2009年世界卫生组织（WHO）明确建筑结构潮湿和微生物生长会损害居民的呼吸系统和免疫系统^［8］。据调查，各国居民80%的时间是在室内度过^［9］，室内霉菌污染对人体健康的影响远大于室外。

霉菌分布情况因地理区域而异，并受到环境因素的极大影响。El-Morsy^［10］等人对位于埃及沿海城市的10栋建筑进行研究，发现住在这些建筑物内的儿童大多患有呼吸系统疾病，这是因为沿海城市建筑常年受到海洋湿气的影响，建筑内部相对湿度高，潮湿现象明显，容易滋生霉菌。Su等^［11］调查了我国台湾南部地区居住建筑室内空气中的真菌浓度，发现由于当地温度和相对湿度都很高，因此，平均总真菌浓度也处于较高的水平。陈国杰^［12］对吸湿性墙体霉菌滋生风险室内温湿度临界值进行研究，发现受到南方地区湿热气候的影响，热湿迁移在吸湿性墙体内同时进行，二者相互耦合，容易导致建筑墙体发霉。霉菌生长受到多种因素的影响，包括主要影响因素，即温度^［13-14］、相对湿度^［15-17］和次要影响因素，如营养物质^［18］、PH值^［19］等。建筑围护结构的发霉现象会对居民健康、室内环境质量以及建筑围护结构的使用寿命产生不同程度的影响。霉菌通过分泌胞外酶破坏建筑材料，导致经济损失和建筑结构损害，从而影响房屋的耐久性^［20］。此外，建筑墙体发霉还会导致饰面层褪色、脱落、墙体开裂等现象，这不仅会影响建筑的美观，也会降低室内卫生质量，从而影响居民的正常生活和工作^［21］。

因此，本研究以大连为例，针对围护结构材料、外保温形式、通风模式三种因素对建筑墙体内表面霉菌生长的影响开展模拟研究，提出室内最佳通风换气次数阈值范围，对营造滨海城市建筑室内健康、舒适环境具有重要意义。此外，本研究结果可为其他滨海城市的防霉抑菌工作提供参考，且该模拟方法可用于霉菌污染评估并提出抑制霉菌生长的合适措施。

1 建筑围护结构形式

建筑外保温围护结构如图1所示，在模拟计算及分析的过程中，分别设置5个温湿度监测点在不同材料的交界面以及保温层和围护结构中心处。由于墙体的内外表面均为20 mm的石灰砂浆层，所以1点和5点被设置在墙体内外构造层中。监测点布置情况如图1所示。材料物性参数列于表1。

2 控制方程及条件设置

利用WUFI-Plus与WUFI-Bio软件可以较准确地计算建筑围护结构的非稳态热湿传递过程，并且设置边界条件，能够动态输出墙体内部各点温湿度的逐时变化结果，并且模拟结果可以更直观地反映全年围护结构热湿传递变化情况。

2.1 热湿耦合传递方程

热平衡方程：

\frac{\partial H}{\partial t}=-\nabla \cdot q+S_h（1）

式中：H为总焓，\mathrm{J}/{\mathrm{m}}^{\mathrm{3}}；q为热流密度，\mathrm{W}/{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}；S_h为热源或热汇，\mathrm{W}/{\mathrm{m}}^{\mathrm{3}}。

湿平衡方程：

\frac{\partial w}{\partial t}=-\nabla \cdot \left(g_w+g_v\right)+S_w（2）

式中：w为建筑材料中水分含量，kg/m³；g_w为液体输运通量密度，kg/m²·s；g_v为水汽扩散通量密度，kg/m²·s；S_w为湿源，kg/m³·s。

一维热湿输运方程：

\frac{dH}{d\vartheta }\cdot \frac{\partial \vartheta }{\partial t}=\nabla \cdot \left(\lambda \nabla \vartheta \right)+h_v\nabla \cdot \left({\delta }_p\nabla \left(\phi p_{sat}\right)\right)（3）

\frac{\mathrm{d}w}{\mathrm{d}\phi }\frac{\partial \phi }{\partial t}=\nabla \left(D_{\phi }\nabla \phi +{\delta }_p\nabla \left(\phi P_{sat}\right)\right)（4）

式中：\lambda为建材导热系数，W/m·K；D_{\phi }为建材液相传导系数，kg/m·s；{\delta }_p为建材水蒸气渗透性，kg/m·s·Pa；h_v为水蒸发焓，J/kg；p_{sat}为饱和水汽压，Pa；\vartheta 为温度，℃；\phi为相对湿度，%。

2.2 边界条件

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736—2012规定的满足人体热舒适的室内温湿度条件，即24~28 ℃和40%-80%。结合问卷中居民空调使用行为的结果，居民空调使用时间为6月到8月。本研究将空调季通风行为划分为全天通风、白天通风、夜间通风、不通风四种工况。夜间通风模式设置室内温度为25 ℃、相对湿度为50%；白天通风模式设置室内温度为28 ℃、相对湿度为60%。选取夏季典型气象日（以典型气象年最热月中的温度、日较差、湿度、太阳辐射照度的日平均值与该月平均值最接近的一日）中的温湿度作为模拟的边界条件。另外，选取霉菌生长风险较小的白天通风模式，设置换气次数分别0.5次/h~6次/h，其余条件不变，模拟换气次数对霉菌生长直径的影响。

3 WUFI-Plus模拟结果准确性验证

为得到更加准确的分析结果，本研究选用皮尔逊相关系数来证明实测结果与模拟结果的相似程度。皮尔逊相关系数计算公式如下：

r=\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}(X_i-\overline{X})(Y_i-\overline{Y})}{\sqrt[]{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{\left(X_i-\overline{X}\right)}^{\mathrm{2}}}\sqrt[]{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{\left(Y_i-\overline{Y}\right)}^{\mathrm{2}}}}（5）

对于A和B的相关系数r，如果绝对值在0.8以上，即可认为有强相关性；在0.3到0.8之间，认为有弱的相关性；低于0.3则认为没有相关性。相关性越强，则越相似。通过本研究的温湿度实测值与模拟值之间的相关系数计算，结果分别为0.81和0.83，均大于0.8，表明两组数据有强相关性，很好的验证了WUFI-Plus软件模拟的准确性。

4 结果分析

4.1 不同墙体材料全年热湿传递变化

不同围护结构外保温墙体内表面全年温湿度变化情况如图2所示。对室内自然通风时段（4月20日至5月20日）进行分析，可以发现，由于传热系数由大到小的顺序是：钢筋混凝土＞烧结粘土砖＞加气混凝土。因此，在室外温度较低时，传热系数较小的加气混凝土墙体内表面温度可以保持在一个较高的水平，内表面的相对湿度也保持在一个相对安全的范围内。对于自然通风时段，外保温墙体内表面平均相对湿度为：钢筋混凝土>烧结粘土砖>加气混凝土。因此，加气混凝土墙体内表面边界层相对湿度平均下降约4%，有效地缓解了墙体发霉现象。

对于室内空调时段（7月20日至8月20日）进行分析，可以得到该时段三种墙体内表面温湿度相差较小，墙体内表面相对湿度受到室外相对湿度上升的影响，钢筋混凝土墙体内表面边界层相对湿度最高为84.81%。在供暖时段（11月20日至12月20日），由于室内供暖，换气次数较小，虽然墙体内表面温度相差不大，但墙体内表面边界层相对湿度下降10%~15%，从而降低了霉菌生长风险。由于加气混凝土热惰性更强，因此在自然通风阶段和供暖阶段墙体内表面相对湿度更低，且温度变化更加稳定。然而，在室内相对湿度较高的空调时段，加气混凝土墙体内表面相对湿度值最高，从而有效提高了墙体内表面霉菌滋生风险。

4.2 墙体湿分质量密度和平均液态水含量对比

图3可以看出，钢筋混凝土外保温墙体保温层的湿分质量密度以及平均液态水含量很快可以达到稳定，且分别稳定在了3.79 kg/m³和0.004 m³/m³左右，均要小于内保温墙体保温层。内保温墙体保温层内的湿分质量密度和平均液态水含量呈现全年逐渐上升的趋势，在每年的十月份趋于稳定，湿分质量密度稳定在26.59 kg/m³左右，要比外保温墙体保温层超出85.74%。这是因为受到钢筋混凝土阻湿性能的影响，水分由室内向室外传递的过程中，内保温墙体的保温层内会聚集一些水分。另外，冬季受墙体热量传递的影响，保温层内平均液态含水量可达0.027 m³/m³，比外保温墙体超出了85.13%，从而使保温层的导热性能受到较大影响，降低了墙体的保温效果。

通过对比，发现烧结粘土砖墙体各监测点温度普遍大于钢筋混凝土墙体，而相对湿度低于钢筋混凝土墙体相对湿度。这是因为烧结粘土砖热惰性更强，保温性能更好。烧结粘土砖内外保温层湿分质量密度分别稳定在2.68 kg/m³和22.18 kg/m³，平均液态水含量分别稳定在0.003 m³/m³和0.020 m³/m³，均要小于钢筋混凝土墙体保温层。因为烧结粘土砖的水蒸气阻力因子比钢筋混凝土小，阻湿能力更弱，因此在湿量由室内向室外传递的过程中，保温层内累积的湿量更小。

由于监测点1位置靠近室内环境，所以其相对湿度趋近于71%；受到加气混凝土的水蒸气扩散阻力因子小于EPS板的影响，加气混凝土层的吸水性比EPS板更强，易导致湿量由室内向室外传递的过程中，墙体内部有一定湿累积；而靠近外侧壁面的相对湿度变化趋势与室外相对湿度变化特征相似。

4.3 墙体内表面全年霉菌生长情况

将以上三种墙体的全年内表面温湿度值导入WUFI-Bio软件中，来模拟预测全年霉菌生长情况，结果如图4所示。通过对比分析得到，加气混凝土外保温墙体内表面霉菌生长直径均小于50 mm/a，霉菌污染风险相对较低。三种结构墙体内表面全年霉菌生长直径从大到小的顺序为：钢筋混凝土外保温墙体>烧结粘土砖外保温墙体>加气混凝土外保温墙体。其中钢筋混凝土外保温墙体全年霉菌生长直径最大可达80 mm，霉菌污染风险较大。

4.4 不同通风模式下霉菌生长情况

通过模拟得到不同通风模式下建筑围护结构各监测点全年霉菌生长直径变化图见图5，可知处于寒冷地区的大连市，霉菌污染风险大小为：夜间通风>全天通风>不通风>白天通风，空调季采用白天通风模式相比于其他模式可以使霉菌生长风险降低13.92%~28.97%。不同通风模式下，墙体内各构造层由外壁面向内壁面方向的霉菌污染风险依次降低。另外，空调季随着换气次数由0.5次/h增加至2次/h，霉菌生长风险逐渐降低。在换气次数>2次/h，霉菌生长直径变化不大，考虑到机械通风的能耗问题，建议将通风量控制在2次/h以内。

尽管钢筋混凝土是目前大多数建筑墙体的主要构造材料，但由于其较大的水蒸气扩散阻力因子会阻碍室内的湿气向室外传递，从而易造成墙体内侧的湿积累，进而引起霉菌的生长和繁殖，甚至对墙体结构造成深度损坏。相比之下，使用加气混凝土作为主要墙体结构，可以大大减少湿积累现象，从而达到缓解霉菌滋生的作用，同时也可以提高保温效果。此外，对于水蒸气扩散阻力因子大于保温板的材料，采用墙体外保温方式可以减缓相对湿度的上升，避免湿积累的发生。而对于水蒸气扩散阻力因子小于保温板的材料，则采用内保温方式更为合适。

5 结论

通过对比分析不同材料墙体的全年传热传湿特征，以及墙体内表面霉菌生长变化情况，得到如下结论：

（1）三种材料墙体内表面全年霉菌生长直径从大到小的顺序为：钢筋混凝土>烧结粘土砖>加气混凝土。其中钢筋混凝土外保温墙体全年霉菌生长直径最大可达80 mm，霉菌污染风险较大。

（2）通过对比通风模式对霉菌生长的影响，得到，大连地区建筑墙体内表面霉菌污染风险由大到小的顺序为：夜间通风>全天通风>不通风>白天通风，不同通风模式下，墙体各构造层由外壁面向内壁面方向的霉菌污染风险依次降低。

（3）大连地区空调季采用白天通风模式相比于其他模式可以使霉菌生长风险降低13.92%~28.97%；空调季换气次数达到2次/h，可有效抑制霉菌生长；综合考虑防霉效果及机械通风能耗等问题，建议将换气次数控制在2次/h以内。

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基金资助

辽宁省自然科学基金面上项目(2025-MSLH-163)

大连理工大学基本科研业务费项目(DUT25Z2523)

大连理工大学基本科研业务费项目(DUT25YG305)