重慶大學 李必成 李百戰(zhàn) 杜晨秋 蔡 姣 要穎慧 王玉玨 姚潤明

0 引言

建筑室內潮濕暴露如水損壞、結露、可見霉菌或濕斑等，是影響室內人員健康和舒適的主要原因之一[1-2]。霉菌是室內潮濕的主要表征之一，而潮濕會引起多余的水分在建筑材料或者墻體表面累積，當達到霉菌孢子萌芽的臨界溫濕度時，會誘發(fā)建筑墻體表面霉菌生長。建筑內霉菌生長不僅會增加一些疾病的患病風險，如哮喘、咳嗽、喘息和上呼吸道感染等[3-4]，一些室內真菌孢子甚至還會產生真菌毒素，嚴重影響人體健康[5]。此外，建筑表面一些霉菌生長還會造成建筑材料變色和變質[6]，破壞建筑結構和表面，影響建筑美觀。

許多國家和地區(qū)的研究表明，住宅中的潮濕風險很大[7-10]。流行病學橫斷面調研顯示，在美國、歐洲、澳大利亞、印度和日本，10%～50%的住宅存在潮濕問題[11-13]。2010—2012年，對中國室內環(huán)境與兒童健康的調研發(fā)現(xiàn)，中國約10%～20%的住宅存在潮濕問題[14-17]，特別是在全年高溫高濕的重慶地區(qū)，潮濕情況更加嚴重，有35.1%的住宅中出現(xiàn)“被褥受潮”現(xiàn)象[16]。此外，由于建筑節(jié)能設計標準的提高和建筑設計優(yōu)化，如建筑氣密性的提升、陽臺空間的拆除、圍護結構的性能改善、墻壁表面材料的使用等，建筑圍護結構的保溫隔熱性能得到提升，減少了建筑室外空氣的滲透，但可能會導致室內的水分無法隨空氣及時排出[18]，造成室內過多的水分在空氣中和墻體材料表面聚集，從而導致室內潮濕和霉菌生長風險增大[19-20]。

重慶地區(qū)具有典型的夏熱冬冷、全年高濕的氣候特征，加上全年降水量較大，住宅室內霉菌生長的風險很大。然而，對于該地區(qū)真實住宅的室內潮濕和霉菌現(xiàn)狀及建筑節(jié)能設計標準提高對室內霉菌生長風險的影響等缺少相關研究?；诖?，本文首先采用問卷對重慶地區(qū)住宅室內潮濕和發(fā)霉情況進行調研，進而結合WUFI Plus和WUFI-Bio軟件對典型樣本住宅進行全年室內和墻體熱濕情況模擬，評估墻體內表面全年霉菌生長風險，分析影響霉菌生長的顯著因素，從而為改善住宅室內熱濕環(huán)境、降低霉菌生長風險提出合理有效建議。

1 調研現(xiàn)狀與分析

1.1 調研對象及方法

為了解重慶地區(qū)住宅室內環(huán)境現(xiàn)狀，筆者所在課題組于2019年對重慶市沙坪壩、九龍坡、渝北3個區(qū)，共計34所幼兒園進行了大規(guī)模問卷調研，通過幼兒園將問卷發(fā)放給幼兒的家長，由幼兒家長填寫問卷(該調研為課題組前期橫斷面調研基礎上的二次重復調研，具體信息見文獻[21-23])。

調研問卷的設計參考了瑞典一項關于室內潮濕和兒童健康[24]的項目，該調研問卷已經在大量建筑室內環(huán)境的流行病學調研中得到使用。

調研問卷涵蓋了建筑基本信息、建筑年代、建筑室內環(huán)境、潮濕和霉菌污染狀況等問題，共發(fā)放問卷6 547份，回收有效問卷4 943份，問卷回收率75.5%。具體信息見文獻[23]。

結合研究目標，本文主要研究不同建筑年代、不同臥室/客廳墻壁材料下居民自報告的潮濕表征及相互的關聯(lián)性，因此本文重點針對建筑年代、墻壁表面材料和建筑潮濕表征這幾個問題進行數據整合，并采用SPSS 23.0軟件，用皮爾遜(Pearson)卡方檢驗統(tǒng)計分析室內潮濕環(huán)境與建筑年代的相關性。

1.2 調研結果分析

1.2.1建設年代

一般而言，不同年份建造的建筑物按照當時頒布的標準采用了不同的設計參數[25-27]。而具有不同設計參數的建筑可能會影響建筑濕熱環(huán)境及住宅中的潮濕情況。

在本次調研的住宅中，根據不同建筑節(jié)能設計標準的頒布時間節(jié)點將其劃分為3種類型，分別為2001年之前(不包含2001年)、2001—2010年(不包含2010年)和2010年以后(包含2010年)。表1給出了不同建設年代住宅的比例情況。

表1 不同建設年代住宅比例

1.2.2墻面材料

本次橫斷面調研中分別對住宅客廳和兒童臥室內的墻面材料類型展開研究，包括壁紙、乳膠漆、粉刷墻、水泥、木質板、油性漆、海藻泥和其他8種墻面材料，具有完整信息的相關樣本量為3 765份。在這些樣本中，臥室的墻面材料使用最多的是乳膠漆、粉刷墻和壁紙，依次為1 419、999、923個，占比分別為37.69%、26.53%、24.52%；使用較少的墻面材料分別為水泥(4.22%)、油性漆(1.43%)、海藻泥(0.98%)和木質板(0.35%)；4.28%的人在問卷中選擇了其他墻面材料。客廳墻面材料的使用規(guī)律與臥室大致相同，從多到少依次為乳膠漆(39.92%)、粉刷墻(25.90%)、壁紙(21.91%)、油性漆(4.36%)、水泥(1.46%)、海藻泥(1.01%)、木質板(0.53%)、其他(4.91%)。

圖1和圖2顯示了上述8種墻面材料在不同建設年代住宅中的使用比例。可以發(fā)現(xiàn)：無論是在客廳還是臥室中，隨著建設年代的推移，壁紙的使用頻率逐步增加，乳膠漆在2001年之后成為使用最多的墻面材料；粉刷墻在2001年之前使用最多，但是隨著建設年代的推移，使用頻率正在逐步降低；除了壁紙、乳膠漆、粉刷墻這3種主流的墻面材料，其余墻面材料的使用頻率都比較小。

圖1 不同建設年代住宅臥室墻面材料使用比例

圖2 不同建設年代住宅客廳墻面材料使用比例

1.2.3建筑潮濕表征

本次調研分別對現(xiàn)有住宅的客廳和臥室進行6項潮濕表征調查：可見的霉斑、可見的濕斑、水損壞、窗戶結露、衣物/床褥潮濕發(fā)霉和發(fā)霉的氣味，具有完整信息的相關樣本量為3 843份。有747份問卷顯示室內有潮濕問題，占樣本量的19.48%。

表2給出了調研對象住宅室內6項潮濕表征的分布情況?？梢钥闯觯诮?2個月的6項潮濕表征的報告中，衣物/床褥潮濕發(fā)霉和發(fā)霉的氣味2項最為嚴重。有493份問卷顯示有衣物/被褥潮濕發(fā)霉的情況，占樣本量的12.8%；有236份問卷顯示臥室有發(fā)霉的氣味，占樣本量的6.1%；有162份問卷顯示客廳有發(fā)霉的氣味，占樣本量的4.3%。通過對比臥室和客廳的潮濕情況發(fā)現(xiàn)，臥室各項潮濕表征的比例都高于客廳，這也意味著臥室發(fā)霉的情況和潮濕的情況比客廳更加嚴重。

不同建設年代住宅的室內潮濕情況如表3所示。

表3 室內潮濕環(huán)境與建設年代和房間類型的現(xiàn)狀與相關性

從表3可以看出，當前住宅中潮濕暴露(可見的霉斑、水損壞、發(fā)霉的氣味)和建設年代存在顯著性聯(lián)系(P<0.05)，表明上述3項潮濕表征在不同建設年代住宅中的分布差異具有統(tǒng)計學意義。住宅的建設年代越早，室內發(fā)現(xiàn)可見的霉斑、可見的濕斑、水損壞和發(fā)霉的氣味的比例越高，而且各個建設年代下依舊是臥室的潮濕和發(fā)霉情況高于客廳。

2 建筑熱濕性能模擬和霉菌生長模擬

上述研究結果顯示，該地區(qū)住宅室內潮濕/霉菌暴露比例較高，且不同建設年代、不同墻面材料對住宅全年室內熱濕環(huán)境和室內潮濕有顯著影響。但是由于問卷調研多是基于用戶自報告的室內潮濕和霉菌暴露，無法定量評價不同建筑特點對室內霉菌生長風險的影響。因此本文進一步結合建筑熱濕模擬，探究不同建設年代、不同墻面材料和不同換氣次數對墻壁內表面霉菌生長風險的影響，并評價各個因素對霉菌生長風險的影響。

2.1 模擬軟件

為了評估住宅霉菌的生長風險，首先需獲得建筑圍護結構內表面的詳細溫濕度數據。本文選擇WUFI Plus軟件進行典型樣本建筑建模，并對其進行熱濕模擬，然后把得到的熱濕數據導入WUFI-Bio計算霉菌生長情況。

WUFI-Bio廣泛應用于霉菌生長預測領域[28]，其中瞬時生物熱濕模型如圖3所示，霉菌孢子具有一定的吸水潛力，這使其能夠從環(huán)境中吸收水分。從數學上講，這種潛力可以通過水分存儲功能來描述，水分通過孢子壁的擴散進行傳輸，孢子壁的擴散特性通過與水分有關的擴散阻力來描述，擴散阻力會使孢子水分與環(huán)境水分的交換有一定的延遲。隨著環(huán)境溫度和濕度的變化，孢子中的含水量也會發(fā)生變化，當孢子中的含水量達到臨界含水量時，孢子開始萌發(fā)。

圖3 墻壁表面的霉菌孢子生長示意圖

臨界含水量可由實驗數據確定，把曲霉孢子在不同溫度和相對濕度下發(fā)芽所需的時間在溫濕度圖上標出，得到曲霉生長等值線，如圖4所示。以霉菌生長最低的等值線為邊界，把霉菌生長劃分為可能生長區(qū)域和不可能生長區(qū)域。把不同霉菌種類的最低等值線統(tǒng)計到一個圖中，這個圖中的下包絡線就是所有霉菌生長的最低等值線，如圖5所示。在這條曲線之下，所有種類的霉菌都不會生長；在這條曲線之上，有一些霉菌能夠生長。

圖4 曲霉生長等值線[28]

圖5 不同種類霉菌的最低生長等值線[28]

當孢子中的含水量超過臨界含水量時，WUFI-Bio就會假定孢子發(fā)芽并且菌絲開始生長。WUFI-Bio計算出的孢子中的含水量超過臨界含水量時，就會從霉菌生長等值系統(tǒng)中讀取對應表面材料和建筑圍護結構有關的營養(yǎng)物質下的預期增長率，并在模擬的各個時間段內進行累加。當孢子中的含水量低于臨界含水量時，菌絲停止生長，并當再次超過臨界含水量時立即恢復生長。因此，霉菌生長程度是指霉菌生長區(qū)域的邊緣隨時間向外移動的距離，最終的霉菌生長程度就是霉菌污染區(qū)域的半徑?；诖耍疚倪M一步結合WUFI-Bio中的瞬時生物熱濕模型，對樣本住宅室內墻體表面霉菌生長程度進行模擬與評價。

2.2 物理模型

為簡化模擬，使其結果更具有代表性，本文選擇一個典型中層公寓的中間層進行模擬。典型樣本建筑模型如圖6所示，模擬住宅有2間臥室和1間客廳，總建筑面積105 m2。模型布局如圖7所示，包括3面外墻和1面內墻(入口門位于內墻)。

圖6 住宅模型

圖7 住宅平面

2.3 模擬設置

根據表3的統(tǒng)計結果，住宅不同建設年代與潮濕相關指標存在顯著差異。隨著建筑節(jié)能目標的不斷提高，夏熱冬冷地區(qū)于2001年、2010年先后頒布了不同的建筑節(jié)能設計標準，更新了建筑設計參數[26-27]?？紤]到不同建設年代的建筑執(zhí)行不同的建筑節(jié)能設計標準，其室內熱濕環(huán)境存在著顯著差異，為了進一步模擬不同建設年代對室內霉菌生長的影響，本文參考了不同年代的建筑設計標準來進行參數設置，如表4所示。

表4 居住建筑圍護結構與熱工性能

參照不同年代的標準選擇合適的圍護結構材料，如表5所示，2001年之前建筑的換氣次數為2 h-1，2001年之后建筑的換氣次數均為1 h-1。窗戶都沒有設置遮陽裝置。除此之外，為了驗證圍護結構熱工參數對室內濕熱性能和墻壁霉菌生長情況的影響，其余的設置在不同建設年代的建筑中保持一致。

表5 不同建設年代的建筑圍護結構熱工參數

人員在室時間見表6[29]。

表6 人員在室時間

人員不同狀態(tài)的散熱散濕量如表7所示。

表7 人員不同狀態(tài)的散熱散濕量

假定有3人在家，考慮到他們的工作/學習和休息時間表，默認有人在家時，電氣設備為運行狀態(tài)，人工照明設置為17:00后開啟。人工照明密度設定為6 W/m2，設備功率密度設定為4.3 W/m2。

2.4 模擬結果

首先由WUFI Plus軟件模擬得到各個墻壁表面和室內的全年逐時溫濕度，然后把熱濕數據導入WUFI-Bio，根據導入的溫濕度數據和所選的基材類別，模擬計算得到一年內逐時的孢子含水量和臨界含水量，當計算得到的孢子含水量大于臨界含水量時，軟件就會從霉菌生長等值系統(tǒng)中讀取對應建筑材料和圍護結構的預期增長率，并對一年內霉菌生長情況進行累加，從而得到全年逐時霉菌生長程度。

2.4.1不同建設年代住宅霉菌生長風險對比

本文模擬計算了不同建設年代住宅各個方向的內表面霉菌生長情況，如表8所示。

表8 各方向墻體內表面霉菌生長程度對比 mm

根據WUFI-Bio的霉菌風險評價標準，除了2001年之前住宅的東北側墻體，其他墻體的霉菌生長程度均小于129 mm，屬于可容忍的霉菌風險程度[28]。由表8可以看出，霉菌生長風險與房間朝向和建設年代有很大的相關性。就朝向而言，西北側房間和西南側房間的內表面霉菌生長程度相對較小，東北側房間的內表面霉菌生長程度最大，并且明顯大于其他房間墻體內表面。結合重慶市太陽輻射總量分布(如圖8所示)可以發(fā)現(xiàn)，重慶市北向和東向太陽輻射總量最少，導致東北側的房間相比其他方位房間獲得的太陽輻射總量最少，空氣溫度較低，相對濕度較大，從而墻體表面孢子含水量相對較高，導致墻體霉菌生長程度較大。

圖8 重慶市太陽輻射總量分布

就建設年代而言，由表8可以看出，2001年之前的住宅總體霉菌生長程度明顯大于2001年之后的住宅，特別是非東北側墻體霉菌生長差異更加顯著，總體來說，2001—2010年的住宅相比2001年之前的住宅可減少68.9%的霉菌生長風險，2010年以后的住宅相比2001—2010年的住宅可減少74.2%的霉菌生長風險。這是因為2001—2010年的住宅和2010年以后的住宅熱工性能有了明顯改善，以東北側房間為例，圖9、10顯示了不同建設年代住宅東北側房間溫濕度的變化?？梢钥闯?，2001—2010年的住宅和2010年以后的住宅室內溫濕度基本相同，但是2001年之前的住宅室內溫度普遍偏低，而且大部分時間相對濕度更大，室內相對濕度波動也更大，這是因為2001年之前的住宅與2001年之后的住宅相比保溫性能和吸放濕性能相對較差，墻體干燥過程較慢，容易對室內造成過多的濕負荷[30]。

圖9 不同建設年代住宅東北側房間空氣溫度變化

2.4.2不同建設年代住宅霉菌生長含水量對比

選取霉菌生長風險最大的東北側北向的墻壁為例分析不同建設年代住宅的墻壁臨界含水量和孢子含水量全年逐時變化情況，如圖11所示。

圖11 不同建設年代住宅的墻壁臨界含水量和孢子含水量全年變化情況

由圖11可以看出，不同建設年代住宅的墻壁臨界含水量和孢子含水量變化趨勢大致相同，霉菌生長風險較大的時間段大致相同，主要集中在2—7月，但是由于建筑圍護結構的不同，顯然可以看到2010年之前的建筑在10—12月更容易發(fā)霉，特別是2001年之前的住宅在此階段更加明顯。由圖11進一步分析可得到圖12、13。圖12給出了不同建設年代住宅的霉菌生長風險小時數，也就是臨界含水量大于孢子含水量的小時數，可以看出隨著建設年代的推遲，霉菌生長風險的小時數明顯降低。圖13給出了不同建設年代住宅的霉菌生長風險小時數下的臨界含水量和孢子含水量的平均值，可以看出隨著建設年代的推遲，不僅霉菌生長風險的小時數得到了明顯的降低，孢子含水量平均值和臨界含水量平均值的差值也在進一步縮小，說明在霉菌生長的時間段霉菌生長的速率也在減慢。圖12、13進一步表明了隨著建設年代的推遲，建筑性能有了明顯改善，對霉菌生長有明顯的抑制作用。

圖12 不同建設年代住宅的霉菌生長風險小時數

圖13 不同建設年代住宅的霉菌生長風險小時數下的含水量

此外，從圖11還可以發(fā)現(xiàn)，不同建設年代住宅墻壁的孢子臨界含水量不同，每一時刻的臨界含水量取決于當時的溫度，且臨界含水量越高，霉菌越不容易生長[28]。2001—2010年的住宅和2010年以后的住宅孢子臨界含水量大致相同，但是2001年之前的住宅臨界含水量明顯高于2001年之后的住宅。分析東北側墻壁的溫濕度可以發(fā)現(xiàn)，由于2001年之前的住宅隔熱性能較差，空氣滲透較多，導致室內空氣溫度和墻壁溫度比2001年之后的住宅低，這對抑制霉菌生長是有利條件，但是2001年之前的住宅霉菌生長風險卻更大，所以進一步分析模擬結果中的墻壁表面相對濕度，發(fā)現(xiàn)墻壁表面相對濕度大于80%的時間2001年之前的住宅為4 406 h，2001—2010年的住宅為3 761 h，2010年以后的住宅只有3 198 h，這也是隨著建設年代的推遲，霉菌生長風險降低的主要原因，從這個結果也可以看出濕度比溫度對霉菌生長的影響更大。

2.4.3墻面材料對霉菌生長的影響

墻體內表面使用材料的不同，會顯著影響其表面溫濕度和水分在墻體表面的積累情況。圖1、2結果顯示，2001—2010年的住宅最多，且使用最多的墻面材料為乳膠漆、粉刷墻和壁紙，因此這里選取2001—2010年住宅霉菌生長風險最大的東北側北向的墻壁作為典型墻壁進行不同表面材料的霉菌生長模擬，模擬結果如圖14、15所示。

圖14 不同材料表面孢子含水量和臨界含水量

圖14顯示了模擬出的不同材料表面孢子含水量和臨界含水量隨時間的變化，在相同的模擬條件下，不同墻面材料的臨界含水量相同，但是由于墻面材料對水分的吸收能力和擴散能力不同，導致不同表面材料的孢子含水量不同，壁紙材料的孢子含水量明顯大于其余材料。

從圖15可以看出，各個表面材料的霉菌生長風險明顯不同，壁紙的發(fā)霉風險最高，其次是乳膠漆、粉刷墻，水泥砂漿和粉刷墻的霉菌生長程度基本相同，在圖中線條重合。對比4種表面材料的物性參數(見表9)可以發(fā)現(xiàn)，墻面材料的水蒸氣擴散阻力系數與霉菌生長程度存在明顯的相關性，意味著降低水蒸氣擴散阻力系數可以有效地降低霉菌的生長速率，水蒸氣擴散阻力系數低的粉刷墻相比水蒸氣擴散阻力系數高的壁紙可減少54.5%的霉菌生長風險，相比于水蒸氣擴散阻力系數較高的乳膠漆可減少18.6%的霉菌生長風險。

圖15 不同材料表面霉菌生長情況

表9 墻體不同材料內表面霉菌生長程度對比

2.4.4不同換氣次數對霉菌生長的影響

室內通風量的變化會顯著影響室內空氣及墻體內表面溫濕度變化。因此，這里以2001—2010年的住宅為例，選取不同通風換氣次數(1、2、3、4、5、10 h-1)進行熱濕模擬，考慮到建筑東北側墻壁霉菌生長風險最大，以東北側北向的墻壁作為典型墻壁進行霉菌生長模擬，墻面材料為粉刷墻，模擬結果如圖16所示。

圖16 不同換氣次數下霉菌隨時間的生長情況

圖16顯示了不同換氣次數下霉菌一年內的生長情況，可以發(fā)現(xiàn)，當換氣次數從1 h-1增加到2 h-1時，霉菌生長情況得到了顯著的緩解，霉菌生長風險降低了94%，但當換氣次數繼續(xù)增加時，霉菌生長程度卻又緩慢增加，而且當通風換氣次數為1 h-1時，霉菌在春季的生長程度很嚴重而且速率最大，換氣次數繼續(xù)增加時，春季幾乎沒有發(fā)霉風險，由此可見換氣次數2 h-1為最優(yōu)值。這是由于重慶大部分時間室外空氣濕度較大，通風換氣次數增加，會導致室外的濕氣進入室內，水分在室內積累，導致霉菌生長風險升高，所以并不是通風量越大越好，要合理地進行通風，從而降低霉菌生長風險。

3 結論

1) 對重慶地區(qū)住宅潮濕情況的調研顯示，重慶潮濕情況嚴重，有747家住戶表示室內有潮濕問題，占樣本量的19.48%，且住宅建設年代越早，室內發(fā)現(xiàn)可見的霉斑、可見的濕斑、水損壞和發(fā)霉的氣味的比例越高。

2) 對不同建設年代住宅進行霉菌模擬發(fā)現(xiàn)，重慶市2001年之前、2001—2010年和2010年以后建造的住宅室內潮濕情況存在顯著差異，2001年之前的住宅霉菌生長程度明顯大于2001年之后的住宅，說明建筑圍護結構的改善能顯著降低霉菌生長風險，與調研結果相同。且在全年中，霉菌生長風險嚴重的時間段為2—5月，在所有朝向中，東北側的房間內表面霉菌生長程度最大。

3) 對不同墻面材料進行模擬發(fā)現(xiàn)，霉菌生長程度與不同墻面材料的水蒸氣擴散阻力系數存在明顯的相關性，表面材料水蒸氣擴散阻力系數越小，霉菌生長風險越小。水蒸氣擴散阻力系數低的粉刷墻相比水蒸氣擴散阻力系數高的壁紙可減少54.5%的霉菌生長風險，相比乳膠漆可減少18.6%的霉菌生長風險。

4) 對不同換氣次數進行模擬發(fā)現(xiàn)，通風換氣次數對霉菌生長有很大的影響，但并不是通風量越大霉菌生長程度越小，換氣次數從1 h-1增加到2 h-1時，霉菌生長程度顯著降低，但換氣次數再增加時，霉菌生長程度卻慢慢增加。