WUFI-Bio 在墙面霉菌污染研究中的应用

刘显茜，赵振超，邹三全，张雪波

（昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500）

0 引言

霉菌对人体与建筑材料都有一定危害［1-5］。霉菌孢子会通过气流以及人和动物活动等方式传播到室内，并慢慢沉积或附着在建筑墙体及建材表面［6］。此时孢子没有萌发，处于休眠状态。当孢子吸收够萌发所需的水分和营养物质后，便开始萌发。孢子萌发需要的营养物质较少，且其来源可能是建材本身附带的污染物，或空气中的粉尘及油脂性物质等［7］。适宜孢子萌发的温度和相对湿度是由室内外环境共同决定的。

国内外学者针对影响霉菌生长的主要因素（温度、相对湿度、营养物质）进行研究，并提出一些霉菌生长预测模型［8］。如苏向辉等［9］对建筑墙体内热湿耦合传递过程进行研究，通过分析热流和湿分迁移过程，确定湿分迁移方式和迁移量，提出控制湿分传递的方法，并分析了霉菌污染产生的原因；Hukk 等［10］以木材为基质进行霉菌萌发实验，提出一个预测霉菌生长繁殖临界条件及生长速率的数学模型；Moon 等［11］提出在各种不确定因素下霉菌生长的概率性指数，并提出建筑物霉菌生长控制策略；Sedlbauer［12］提出用于预测霉菌萌发与生长的生物热湿模型及等值线模型，并开发出霉菌预测软件WUFI-Bio；于水等［13-14］利用WUFI-Bio 软件研究空调系统内的霉菌生长情况，发现环境清洁程度、温湿度都会对霉菌生长产生影响，提示人们在使用空调时应注意空调的清洁和干燥；李念平等［15］通过对建筑墙体霉菌生长特性进行实验分析，得出霉菌孢子初始含水量对孢子萌发的影响小于环境相对湿度，在5 月中旬—6 月中旬以及8 月初—9 月中旬两个时段需采取有效措施降低霉菌生长概率；曾思景［16］、陈国杰等［17］利用数值方法预测不同构造墙体的霉菌滋生风险，并基于层次分析法，以建筑能耗、霉菌滋生情况及经济性3 个因素作为优选指标，选择出最优构造的墙体；He 等［18-19］结合WUFI-Bio与多物理场仿真软件对室内墙壁的霉菌生长情况进行预测，发现室内温湿度存在季节性变化，霉菌生长预测模型结果与实验结果较为吻合，且大大降低了实验所需成本。

国内外学者通常采用实验方法研究墙面霉菌污染原因，但实验研究存在成本高、时间长、易受不可控因素影响等缺点。鉴于此，本文通过数值方法获取室内墙面的温湿度数据，再使用WUFI-Bio 软件预测霉菌生长情况，从而得到霉菌一年中的生长特性，提出控制霉菌萌发的对策。

1 热湿耦合传递模型

1.1 数学模型

因建筑墙体表面湿度与空气湿度并不相等，其是由建筑墙体两侧温湿度以及墙体的热湿性能共同决定的。为获得墙面的温湿度数据，需要对墙体内部的热湿传递过程进行模拟。目前使用的建筑材料基本属于多孔介质，因此对墙体内部热湿传递过程进行数值计算时可使用多孔介质内部热湿耦合传递模型。

为模拟建筑墙体的热湿传递过程，本文提出以下假设：①所有材料均为各向同性，且分布均匀、连续，无形变及化学反应；②不考虑湿分相变，湿空气被视为理想气体；③始终存在局部水分平衡；④忽略不同材料之间的热湿接触阻力；⑤温度对蒸汽扩散系数和物料平衡含水率的影响可以忽略；⑥材料性能不随时间变化。

在考虑空气相对湿度和温度等关键因素的前提上，基于Fourier 定律、Fick 定律、Darcy 定律及能量守恒定律，建立墙体热湿耦合传递的数学模型：

其中，cp，m、cp，l是干材料和液态水的比热容，单位为J/（kg·K）；ρm是干材料密度，单位为kg/m3；w 是含水量函数，单位为kg/m3；λ是导热系数，单位为W（/m·K）；hlv是水的汽化潜热，单位为kJ/kg；δp、Kl是水蒸气与液态水传导系数，单位为kg（/m·s·Pa）；ps是饱和蒸汽分压，单位为Pa；ξ是材料的等温吸附曲线；RD是气体常数，单位为J（/kg·K）。

边界条件表示为：

其中，qn是热通量，单位为J（/m2·s）；gn是水分通量，单位为kg（/m2·s）；h 是对流传热系数，单位为W（/m2·K）；hm是对流传质系数，单位为kg（/m2·s）；T、Ts是空气温度与墙面温度，单位为K；φ、φs是空气与墙面相对湿度；ps、ps，s是饱和蒸汽分压，单位为Pa；I 是太阳辐射强度，单位为W/m2；α是外墙面的太阳辐射吸收系数。两个下标i 与e 分别代表内部边界条件及外部边界条件。

1.2 模型有效性验证

为保证模型的有效性及准确性，将热湿耦合传递模型的模拟结果与HAMSTAD 平台实验得出的数据进行对比，该模型验证方法是国际公认的用于验证模型是否科学的方法。HAMSTAD 包含5 个验证实例，其中实例2 是均质墙体的验证实例。

HAMSTAD 验证实例2 对200 mm 厚的单层各向同性墙体的等温干燥过程进行分析。墙体的初始温度与相对湿度分别为293.15K、95%，模拟过程中因受外界环境影响，室外边界条件为293.15 K、45%，室内边界条件为293.15 K、65%。其室内外对流换热系数均为25 W（/m2·K），对流传质系数为1×10-3s/m。墙体材料的热湿参数如表1 所示，吸附等温曲线如式（7）所示。

Table 1 Thermal and moisture parameters of isotropic wall表1 各向同性墙体热湿参数

计算步长为1，计算时间分别为100 h、300 h 和1 000 h时，墙体内部水分含量如图1 所示（彩图扫OSID 码可见，下同）。通过对比可知，该热湿耦合传递模型模拟结果与HAMSTAD 验证实例2 中的测量数据较为吻合。

2 霉菌生长预测模型

霉菌生长预测模型采用生物热湿模型，也即WUFI-Bio使用的预测模型，通过孢子的水分储存函数和扩散阻力值计算孢子内部水分含量，利用等值线模型计算不同温湿度环境下孢子萌发的临界水分含量。基于瞬态气候环境数据，通过对比孢子内含水量与当前临界含水量大小，以确定霉菌孢子是否可以萌发。当孢子内部含水量超过临界含水量时，孢子开始萌发。生物热湿模型按照墙面所含营养物质分为3 类：class 0 为最适合霉菌生长的材料，如污染较严重的墙面；class 1 为含有一些生物可利用基质的墙面，如墙纸、石膏等生物降解材料，或污染不严重的墙面；class 2 为含有少量生物可利用基质的墙面，如矿物建筑材料、木制品以及不属于第二类的保温材料。class K 为预测有害霉菌生长情况的墙面模型。在不同基质类别的墙体材料中，只需测出墙体表面温湿度数据，即可计算出霉菌孢子萌发的大概时间。对于已发霉的墙体，可通过模拟计算推测出霉菌生长时间段；对于可能发霉的墙体，则可预测其霉变的大概时间及菌丝生长长度，从而采取相应措施抑制霉变。

Fig.1 Distribution of water content inside the wall at 100h，300h and 1000h图1 100h、300h、1000h 时墙体内部水分含量分布

3 模拟结果及分析

本文以长沙地区一间民用建筑为仿真对象，对房间室内墙体表面的霉菌生长特性进行模拟预测与分析。房间墙体为加气混凝土砖墙，其墙体材料依次为水泥砂浆（20mm）—加气混凝土（240mm）—水泥砂浆（20mm）。模拟的墙体处于阴面，常年无法受到太阳光直射，因此暂不考虑太阳辐射对霉菌生长的影响。利用COMSOL Multiphysics［20］软件对墙体进行仿真，从而获得室内墙面温湿度。对于物理模型的网格划分，采用软件内置的网格划分模块将墙体网格划分为自由三角形网格。根据GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》［21］，设置墙体内外表面的对流传热系数分别为8.7W（/m2·K）和23W（/m2·K），以及内外表面的对流传质系数分别为3×10-8s/m 和2×10-7s/m。室外边界条件取中国标准气象数据（CSWD）中长沙地区的气候数据，室内边界条件根据GB 50176-2016 规定，空气温度平均值应取室外空气温度平均值+1.5K，温度波幅应取室外空气温度波幅-1.5K，并将其逐时化。长沙地区室外气候数据如图2 所示，模拟时间为两年。为避免墙体初始温湿度对仿真结果的影响，只采用第二年的仿真结果进行预测分析。

通过图2 可看出长沙地区室外天气情况，长沙地区整年温度很少在0 ℃以下，且雨水十分充足，平均空气相对湿度保持在80%以上。由此可知，长沙地区的天气有利于室外墙壁霉菌生长，但不知道其对室内墙面霉菌生长的影响。通过对墙体内部的热湿耦合传递进行仿真模拟，得出室内墙壁的温湿度数据。计算结果如图3 所示，可看出室内温度受室外环境温度的影响，其变化趋势与室外温度相同，但室内平均温度比室外高约2 K，而室内相对湿度维持在80%左右。

Fig.2 Outdoor temperature and relative humidity in Changsha图2 长沙地区室外温度与相对湿度

Fig.3 Indoor wall temperature and relative humidity图3 室内墙面温度与相对湿度

由于模拟墙体墙面为砂浆抹面，按照建筑材料提供霉菌生长所需的营养物质水平划分，其属于class 2 基质类。假设墙面上霉菌孢子的初始相对湿度［10］为40%～80%，分别计算5 种情况下孢子内部水分含量随室内墙面温湿度变化的过程，如图4、图5 所示。在室内墙面温湿度相同的条件下，不管霉菌孢子内的初始水分含量是否相同，其萌发所需临界水分含量都是一样的。经过预测模型计算得出，对于初始水分含量不同的霉菌孢子，在孢子萌发前3 个月的吸水速率不同，初始水分含量越低，其水分含量增长速率越快。孢子内部初始水分含量与环境水分含量均为80%时，其吸水速率最低。初始含水量不同的霉菌孢子在前3个月的吸水过程中，孢子内部的水分含量存在一定差别，但随着对水分的不断吸收，差别逐渐缩小。在霉菌孢子吸收水分3 个月后，初始水分含量不同的孢子水分含量已基本相同。

Fig.4 Spore moisture content and critical moisture content of indoor wall图4 室内墙面孢子水分含量与临界水分含量

Fig.5 Partial diagram of indoor wall spore moisture content and critical moisture content图5 室内墙面孢子水分含量与临界水分含量局部图

室内墙面菌丝生长长度如图6 所示。由图4、图6 可以看出，当霉菌孢子内部水分含量高于萌发所需的临界水分含量，即在2 月中旬时，孢子萌发，菌丝开始生长。3 月初至10 月末，菌丝生长速率保持一定，呈线性关系。当菌丝开始生长后，不同初始含水量对菌丝最终的生长长度影响很小，最终菌丝生长长度均约为64 mm。

Fig.6 Indoor wall hypha growth length图6 室内墙面菌丝生长长度

霉菌孢子的萌发与室内环境温湿度有直接关系，而墙体墙面可为孢子萌发提供营养基质，因此墙面材料会对孢子萌发产生巨大影响。由于空气流通以及人或动物活动会污染墙面，有可能产生class 1 基质类，甚至有可能因长期没有清理墙面而产生class 0 基质类。假定孢子内部初始相对湿度为80%，在室内温湿度相同的条件下，计算生长在不同基质类中孢子萌发的临界水分含量。如图7 所示，霉菌孢子在不同的生长基质中，其萌发所需的临界水分含量也有所不同。class 0、class1、class 2 基质类随着营养基质的减少，孢子萌发所需的临界水分含量逐渐增加，时间也逐渐延长。在春夏两季，当墙面材料属于class 0 基质类时，霉菌孢子内部水分含量达到180kg/m3即可萌发，而当墙面材料属于class 2 基质类时，墙面含有孢子萌发所需的营养物质较少，因此需要孢子内部水分含量达到224kg/m3才能萌发。因为本文模拟的房间没有空调及供暖设备，所以在秋冬两季室外环境温度较低，会影响到室内环境温度。因此，从10 月份至来年3 月份的秋冬两季，孢子萌发所需的临界水分含量高于3-10 月份春夏两季孢子萌发的临界水分含量。

Fig.7 Critical moisture content of spore germination on indoor wall under different substrates图7 不同基质条件下室内墙面孢子萌发临界水分含量

室内环境作为人们日常生活的主要场所，墙体内墙面经常会生长出对人体健康不利的霉菌，如烟曲霉、黄曲霉、纸葡萄穗霉等。基质类别class K 可预测有害霉菌孢子萌发所需的临界水分含量，由图7 中的class K 曲线可看出，在class K 基质类墙面上生长的有害霉菌孢子萌发的临界水分含量为230.4kg/m3，而生长在class 0、class 1、class 2 基质类墙面上的孢子萌发临界水分含量分别为180.4kg/m3、193.3kg/m3、223.6kg/m3。因此，生长在class K 基质中的霉菌孢子萌发所需临界水分含量高于class 0、class 1与class 2。

4 结语

本文首先利用COMSOL Multiphysics 软件对处于夏热冬冷气候区的民用建筑墙体进行热湿耦合传递仿真分析，然后通过WUFI-Bio 软件分析生长在内墙面的霉菌一年时间内的生长特性。通过研究得出了孢子内初始水分含量、环境温湿度、霉菌生长基质等因素对霉菌孢子萌发的影响程度：孢子内初始水分含量对孢子萌发的影响小于环境温湿度，并且随着孢子内部水分含量的增加，其影响力逐渐减弱；室内墙壁在秋冬季两个温度较低的季节不容易发霉；墙面含有的有机物质增多会导致孢子萌发时间缩短；在春夏两季，有害霉菌孢子更容易萌发。因此，要注意保持墙面洁净，降低室内相对湿度，有利于抑制孢子萌发。同时，本研究存在一定误差，如外边界条件的取值为长沙市典型的气象数据，与墙体外表面的实际温湿度数据相比存在一定误差。因此，在后续研究中将使用墙体外表面的实际温湿度数据，进一步减少仿真误差，从而对墙体霉菌滋生原因进行更深入的研究。