高湿地区典型住宅室内墙壁表面全年霉菌生长风险评价*

重庆大学 李必成 李百战 杜晨秋 蔡 姣 要颖慧 王玉珏 姚润明

0 引言

建筑室内潮湿暴露如水损坏、结露、可见霉菌或湿斑等，是影响室内人员健康和舒适的主要原因之一[1-2]。霉菌是室内潮湿的主要表征之一，而潮湿会引起多余的水分在建筑材料或者墙体表面累积，当达到霉菌孢子萌芽的临界温湿度时，会诱发建筑墙体表面霉菌生长。建筑内霉菌生长不仅会增加一些疾病的患病风险，如哮喘、咳嗽、喘息和上呼吸道感染等[3-4]，一些室内真菌孢子甚至还会产生真菌毒素，严重影响人体健康[5]。此外，建筑表面一些霉菌生长还会造成建筑材料变色和变质[6]，破坏建筑结构和表面，影响建筑美观。

许多国家和地区的研究表明，住宅中的潮湿风险很大[7-10]。流行病学横断面调研显示，在美国、欧洲、澳大利亚、印度和日本，10%～50%的住宅存在潮湿问题[11-13]。2010—2012年，对中国室内环境与儿童健康的调研发现，中国约10%～20%的住宅存在潮湿问题[14-17]，特别是在全年高温高湿的重庆地区，潮湿情况更加严重，有35.1%的住宅中出现“被褥受潮”现象[16]。此外，由于建筑节能设计标准的提高和建筑设计优化，如建筑气密性的提升、阳台空间的拆除、围护结构的性能改善、墙壁表面材料的使用等，建筑围护结构的保温隔热性能得到提升，减少了建筑室外空气的渗透，但可能会导致室内的水分无法随空气及时排出[18]，造成室内过多的水分在空气中和墙体材料表面聚集，从而导致室内潮湿和霉菌生长风险增大[19-20]。

重庆地区具有典型的夏热冬冷、全年高湿的气候特征，加上全年降水量较大，住宅室内霉菌生长的风险很大。然而，对于该地区真实住宅的室内潮湿和霉菌现状及建筑节能设计标准提高对室内霉菌生长风险的影响等缺少相关研究。基于此，本文首先采用问卷对重庆地区住宅室内潮湿和发霉情况进行调研，进而结合WUFI Plus和WUFI-Bio软件对典型样本住宅进行全年室内和墙体热湿情况模拟，评估墙体内表面全年霉菌生长风险，分析影响霉菌生长的显著因素，从而为改善住宅室内热湿环境、降低霉菌生长风险提出合理有效建议。

1 调研现状与分析

1.1 调研对象及方法

为了解重庆地区住宅室内环境现状，笔者所在课题组于2019年对重庆市沙坪坝、九龙坡、渝北3个区，共计34所幼儿园进行了大规模问卷调研，通过幼儿园将问卷发放给幼儿的家长，由幼儿家长填写问卷(该调研为课题组前期横断面调研基础上的二次重复调研，具体信息见文献[21-23])。

调研问卷的设计参考了瑞典一项关于室内潮湿和儿童健康[24]的项目，该调研问卷已经在大量建筑室内环境的流行病学调研中得到使用。

调研问卷涵盖了建筑基本信息、建筑年代、建筑室内环境、潮湿和霉菌污染状况等问题，共发放问卷6 547份，回收有效问卷4 943份，问卷回收率75.5%。具体信息见文献[23]。

结合研究目标，本文主要研究不同建筑年代、不同卧室/客厅墙壁材料下居民自报告的潮湿表征及相互的关联性，因此本文重点针对建筑年代、墙壁表面材料和建筑潮湿表征这几个问题进行数据整合，并采用SPSS 23.0软件，用皮尔逊(Pearson)卡方检验统计分析室内潮湿环境与建筑年代的相关性。

1.2 调研结果分析

1.2.1建设年代

一般而言，不同年份建造的建筑物按照当时颁布的标准采用了不同的设计参数[25-27]。而具有不同设计参数的建筑可能会影响建筑湿热环境及住宅中的潮湿情况。

在本次调研的住宅中，根据不同建筑节能设计标准的颁布时间节点将其划分为3种类型，分别为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给出了不同建设年代住宅的比例情况。

表1 不同建设年代住宅比例

1.2.2墙面材料

本次横断面调研中分别对住宅客厅和儿童卧室内的墙面材料类型展开研究，包括壁纸、乳胶漆、粉刷墙、水泥、木质板、油性漆、海藻泥和其他8种墙面材料，具有完整信息的相关样本量为3 765份。在这些样本中，卧室的墙面材料使用最多的是乳胶漆、粉刷墙和壁纸，依次为1 419、999、923个，占比分别为37.69%、26.53%、24.52%；使用较少的墙面材料分别为水泥(4.22%)、油性漆(1.43%)、海藻泥(0.98%)和木质板(0.35%)；4.28%的人在问卷中选择了其他墙面材料。客厅墙面材料的使用规律与卧室大致相同，从多到少依次为乳胶漆(39.92%)、粉刷墙(25.90%)、壁纸(21.91%)、油性漆(4.36%)、水泥(1.46%)、海藻泥(1.01%)、木质板(0.53%)、其他(4.91%)。

图1和图2显示了上述8种墙面材料在不同建设年代住宅中的使用比例。可以发现：无论是在客厅还是卧室中，随着建设年代的推移，壁纸的使用频率逐步增加，乳胶漆在2001年之后成为使用最多的墙面材料；粉刷墙在2001年之前使用最多，但是随着建设年代的推移，使用频率正在逐步降低；除了壁纸、乳胶漆、粉刷墙这3种主流的墙面材料，其余墙面材料的使用频率都比较小。

图1 不同建设年代住宅卧室墙面材料使用比例

图2 不同建设年代住宅客厅墙面材料使用比例

1.2.3建筑潮湿表征

本次调研分别对现有住宅的客厅和卧室进行6项潮湿表征调查：可见的霉斑、可见的湿斑、水损坏、窗户结露、衣物/床褥潮湿发霉和发霉的气味，具有完整信息的相关样本量为3 843份。有747份问卷显示室内有潮湿问题，占样本量的19.48%。

表2给出了调研对象住宅室内6项潮湿表征的分布情况。可以看出，在近12个月的6项潮湿表征的报告中，衣物/床褥潮湿发霉和发霉的气味2项最为严重。有493份问卷显示有衣物/被褥潮湿发霉的情况，占样本量的12.8%；有236份问卷显示卧室有发霉的气味，占样本量的6.1%；有162份问卷显示客厅有发霉的气味，占样本量的4.3%。通过对比卧室和客厅的潮湿情况发现，卧室各项潮湿表征的比例都高于客厅，这也意味着卧室发霉的情况和潮湿的情况比客厅更加严重。

不同建设年代住宅的室内潮湿情况如表3所示。

表3 室内潮湿环境与建设年代和房间类型的现状与相关性

从表3可以看出，当前住宅中潮湿暴露(可见的霉斑、水损坏、发霉的气味)和建设年代存在显著性联系(P<0.05)，表明上述3项潮湿表征在不同建设年代住宅中的分布差异具有统计学意义。住宅的建设年代越早，室内发现可见的霉斑、可见的湿斑、水损坏和发霉的气味的比例越高，而且各个建设年代下依旧是卧室的潮湿和发霉情况高于客厅。

2 建筑热湿性能模拟和霉菌生长模拟

上述研究结果显示，该地区住宅室内潮湿/霉菌暴露比例较高，且不同建设年代、不同墙面材料对住宅全年室内热湿环境和室内潮湿有显著影响。但是由于问卷调研多是基于用户自报告的室内潮湿和霉菌暴露，无法定量评价不同建筑特点对室内霉菌生长风险的影响。因此本文进一步结合建筑热湿模拟，探究不同建设年代、不同墙面材料和不同换气次数对墙壁内表面霉菌生长风险的影响，并评价各个因素对霉菌生长风险的影响。

2.1 模拟软件

为了评估住宅霉菌的生长风险，首先需获得建筑围护结构内表面的详细温湿度数据。本文选择WUFI Plus软件进行典型样本建筑建模，并对其进行热湿模拟，然后把得到的热湿数据导入WUFI-Bio计算霉菌生长情况。

WUFI-Bio广泛应用于霉菌生长预测领域[28]，其中瞬时生物热湿模型如图3所示，霉菌孢子具有一定的吸水潜力，这使其能够从环境中吸收水分。从数学上讲，这种潜力可以通过水分存储功能来描述，水分通过孢子壁的扩散进行传输，孢子壁的扩散特性通过与水分有关的扩散阻力来描述，扩散阻力会使孢子水分与环境水分的交换有一定的延迟。随着环境温度和湿度的变化，孢子中的含水量也会发生变化，当孢子中的含水量达到临界含水量时，孢子开始萌发。

图3 墙壁表面的霉菌孢子生长示意图

临界含水量可由实验数据确定，把曲霉孢子在不同温度和相对湿度下发芽所需的时间在温湿度图上标出，得到曲霉生长等值线，如图4所示。以霉菌生长最低的等值线为边界，把霉菌生长划分为可能生长区域和不可能生长区域。把不同霉菌种类的最低等值线统计到一个图中，这个图中的下包络线就是所有霉菌生长的最低等值线，如图5所示。在这条曲线之下，所有种类的霉菌都不会生长；在这条曲线之上，有一些霉菌能够生长。

图4 曲霉生长等值线[28]

图5 不同种类霉菌的最低生长等值线[28]

当孢子中的含水量超过临界含水量时，WUFI-Bio就会假定孢子发芽并且菌丝开始生长。WUFI-Bio计算出的孢子中的含水量超过临界含水量时，就会从霉菌生长等值系统中读取对应表面材料和建筑围护结构有关的营养物质下的预期增长率，并在模拟的各个时间段内进行累加。当孢子中的含水量低于临界含水量时，菌丝停止生长，并当再次超过临界含水量时立即恢复生长。因此，霉菌生长程度是指霉菌生长区域的边缘随时间向外移动的距离，最终的霉菌生长程度就是霉菌污染区域的半径。基于此，本文进一步结合WUFI-Bio中的瞬时生物热湿模型，对样本住宅室内墙体表面霉菌生长程度进行模拟与评价。

2.2 物理模型

为简化模拟，使其结果更具有代表性，本文选择一个典型中层公寓的中间层进行模拟。典型样本建筑模型如图6所示，模拟住宅有2间卧室和1间客厅，总建筑面积105 m2。模型布局如图7所示，包括3面外墙和1面内墙(入口门位于内墙)。

图6 住宅模型

图7 住宅平面

2.3 模拟设置

根据表3的统计结果，住宅不同建设年代与潮湿相关指标存在显著差异。随着建筑节能目标的不断提高，夏热冬冷地区于2001年、2010年先后颁布了不同的建筑节能设计标准，更新了建筑设计参数[26-27]。考虑到不同建设年代的建筑执行不同的建筑节能设计标准，其室内热湿环境存在着显著差异，为了进一步模拟不同建设年代对室内霉菌生长的影响，本文参考了不同年代的建筑设计标准来进行参数设置，如表4所示。

表4 居住建筑围护结构与热工性能

参照不同年代的标准选择合适的围护结构材料，如表5所示，2001年之前建筑的换气次数为2 h-1，2001年之后建筑的换气次数均为1 h-1。窗户都没有设置遮阳装置。除此之外，为了验证围护结构热工参数对室内湿热性能和墙壁霉菌生长情况的影响，其余的设置在不同建设年代的建筑中保持一致。

表5 不同建设年代的建筑围护结构热工参数

人员在室时间见表6[29]。

表6 人员在室时间

人员不同状态的散热散湿量如表7所示。

表7 人员不同状态的散热散湿量

假定有3人在家，考虑到他们的工作/学习和休息时间表，默认有人在家时，电气设备为运行状态，人工照明设置为17:00后开启。人工照明密度设定为6 W/m2，设备功率密度设定为4.3 W/m2。

2.4 模拟结果

首先由WUFI Plus软件模拟得到各个墙壁表面和室内的全年逐时温湿度，然后把热湿数据导入WUFI-Bio，根据导入的温湿度数据和所选的基材类别，模拟计算得到一年内逐时的孢子含水量和临界含水量，当计算得到的孢子含水量大于临界含水量时，软件就会从霉菌生长等值系统中读取对应建筑材料和围护结构的预期增长率，并对一年内霉菌生长情况进行累加，从而得到全年逐时霉菌生长程度。

2.4.1不同建设年代住宅霉菌生长风险对比

本文模拟计算了不同建设年代住宅各个方向的内表面霉菌生长情况，如表8所示。

表8 各方向墙体内表面霉菌生长程度对比 mm

根据WUFI-Bio的霉菌风险评价标准，除了2001年之前住宅的东北侧墙体，其他墙体的霉菌生长程度均小于129 mm，属于可容忍的霉菌风险程度[28]。由表8可以看出，霉菌生长风险与房间朝向和建设年代有很大的相关性。就朝向而言，西北侧房间和西南侧房间的内表面霉菌生长程度相对较小，东北侧房间的内表面霉菌生长程度最大，并且明显大于其他房间墙体内表面。结合重庆市太阳辐射总量分布(如图8所示)可以发现，重庆市北向和东向太阳辐射总量最少，导致东北侧的房间相比其他方位房间获得的太阳辐射总量最少，空气温度较低，相对湿度较大，从而墙体表面孢子含水量相对较高，导致墙体霉菌生长程度较大。

图8 重庆市太阳辐射总量分布

就建设年代而言，由表8可以看出，2001年之前的住宅总体霉菌生长程度明显大于2001年之后的住宅，特别是非东北侧墙体霉菌生长差异更加显著，总体来说，2001—2010年的住宅相比2001年之前的住宅可减少68.9%的霉菌生长风险，2010年以后的住宅相比2001—2010年的住宅可减少74.2%的霉菌生长风险。这是因为2001—2010年的住宅和2010年以后的住宅热工性能有了明显改善，以东北侧房间为例，图9、10显示了不同建设年代住宅东北侧房间温湿度的变化。可以看出，2001—2010年的住宅和2010年以后的住宅室内温湿度基本相同，但是2001年之前的住宅室内温度普遍偏低，而且大部分时间相对湿度更大，室内相对湿度波动也更大，这是因为2001年之前的住宅与2001年之后的住宅相比保温性能和吸放湿性能相对较差，墙体干燥过程较慢，容易对室内造成过多的湿负荷[30]。

图9 不同建设年代住宅东北侧房间空气温度变化

2.4.2不同建设年代住宅霉菌生长含水量对比

选取霉菌生长风险最大的东北侧北向的墙壁为例分析不同建设年代住宅的墙壁临界含水量和孢子含水量全年逐时变化情况，如图11所示。

图11 不同建设年代住宅的墙壁临界含水量和孢子含水量全年变化情况

由图11可以看出，不同建设年代住宅的墙壁临界含水量和孢子含水量变化趋势大致相同，霉菌生长风险较大的时间段大致相同，主要集中在2—7月，但是由于建筑围护结构的不同，显然可以看到2010年之前的建筑在10—12月更容易发霉，特别是2001年之前的住宅在此阶段更加明显。由图11进一步分析可得到图12、13。图12给出了不同建设年代住宅的霉菌生长风险小时数，也就是临界含水量大于孢子含水量的小时数，可以看出随着建设年代的推迟，霉菌生长风险的小时数明显降低。图13给出了不同建设年代住宅的霉菌生长风险小时数下的临界含水量和孢子含水量的平均值，可以看出随着建设年代的推迟，不仅霉菌生长风险的小时数得到了明显的降低，孢子含水量平均值和临界含水量平均值的差值也在进一步缩小，说明在霉菌生长的时间段霉菌生长的速率也在减慢。图12、13进一步表明了随着建设年代的推迟，建筑性能有了明显改善，对霉菌生长有明显的抑制作用。

图12 不同建设年代住宅的霉菌生长风险小时数

图13 不同建设年代住宅的霉菌生长风险小时数下的含水量

此外，从图11还可以发现，不同建设年代住宅墙壁的孢子临界含水量不同，每一时刻的临界含水量取决于当时的温度，且临界含水量越高，霉菌越不容易生长[28]。2001—2010年的住宅和2010年以后的住宅孢子临界含水量大致相同，但是2001年之前的住宅临界含水量明显高于2001年之后的住宅。分析东北侧墙壁的温湿度可以发现，由于2001年之前的住宅隔热性能较差，空气渗透较多，导致室内空气温度和墙壁温度比2001年之后的住宅低，这对抑制霉菌生长是有利条件，但是2001年之前的住宅霉菌生长风险却更大，所以进一步分析模拟结果中的墙壁表面相对湿度，发现墙壁表面相对湿度大于80%的时间2001年之前的住宅为4 406 h，2001—2010年的住宅为3 761 h，2010年以后的住宅只有3 198 h，这也是随着建设年代的推迟，霉菌生长风险降低的主要原因，从这个结果也可以看出湿度比温度对霉菌生长的影响更大。

2.4.3墙面材料对霉菌生长的影响

墙体内表面使用材料的不同，会显著影响其表面温湿度和水分在墙体表面的积累情况。图1、2结果显示，2001—2010年的住宅最多，且使用最多的墙面材料为乳胶漆、粉刷墙和壁纸，因此这里选取2001—2010年住宅霉菌生长风险最大的东北侧北向的墙壁作为典型墙壁进行不同表面材料的霉菌生长模拟，模拟结果如图14、15所示。

图14 不同材料表面孢子含水量和临界含水量

图14显示了模拟出的不同材料表面孢子含水量和临界含水量随时间的变化，在相同的模拟条件下，不同墙面材料的临界含水量相同，但是由于墙面材料对水分的吸收能力和扩散能力不同，导致不同表面材料的孢子含水量不同，壁纸材料的孢子含水量明显大于其余材料。

从图15可以看出，各个表面材料的霉菌生长风险明显不同，壁纸的发霉风险最高，其次是乳胶漆、粉刷墙，水泥砂浆和粉刷墙的霉菌生长程度基本相同，在图中线条重合。对比4种表面材料的物性参数(见表9)可以发现，墙面材料的水蒸气扩散阻力系数与霉菌生长程度存在明显的相关性，意味着降低水蒸气扩散阻力系数可以有效地降低霉菌的生长速率，水蒸气扩散阻力系数低的粉刷墙相比水蒸气扩散阻力系数高的壁纸可减少54.5%的霉菌生长风险，相比于水蒸气扩散阻力系数较高的乳胶漆可减少18.6%的霉菌生长风险。

图15 不同材料表面霉菌生长情况

表9 墙体不同材料内表面霉菌生长程度对比

2.4.4不同换气次数对霉菌生长的影响

室内通风量的变化会显著影响室内空气及墙体内表面温湿度变化。因此，这里以2001—2010年的住宅为例，选取不同通风换气次数(1、2、3、4、5、10 h-1)进行热湿模拟，考虑到建筑东北侧墙壁霉菌生长风险最大，以东北侧北向的墙壁作为典型墙壁进行霉菌生长模拟，墙面材料为粉刷墙，模拟结果如图16所示。

图16 不同换气次数下霉菌随时间的生长情况

图16显示了不同换气次数下霉菌一年内的生长情况，可以发现，当换气次数从1 h-1增加到2 h-1时，霉菌生长情况得到了显著的缓解，霉菌生长风险降低了94%，但当换气次数继续增加时，霉菌生长程度却又缓慢增加，而且当通风换气次数为1 h-1时，霉菌在春季的生长程度很严重而且速率最大，换气次数继续增加时，春季几乎没有发霉风险，由此可见换气次数2 h-1为最优值。这是由于重庆大部分时间室外空气湿度较大，通风换气次数增加，会导致室外的湿气进入室内，水分在室内积累，导致霉菌生长风险升高，所以并不是通风量越大越好，要合理地进行通风，从而降低霉菌生长风险。

3 结论

1) 对重庆地区住宅潮湿情况的调研显示，重庆潮湿情况严重，有747家住户表示室内有潮湿问题，占样本量的19.48%，且住宅建设年代越早，室内发现可见的霉斑、可见的湿斑、水损坏和发霉的气味的比例越高。

2) 对不同建设年代住宅进行霉菌模拟发现，重庆市2001年之前、2001—2010年和2010年以后建造的住宅室内潮湿情况存在显著差异，2001年之前的住宅霉菌生长程度明显大于2001年之后的住宅，说明建筑围护结构的改善能显著降低霉菌生长风险，与调研结果相同。且在全年中，霉菌生长风险严重的时间段为2—5月，在所有朝向中，东北侧的房间内表面霉菌生长程度最大。

3) 对不同墙面材料进行模拟发现，霉菌生长程度与不同墙面材料的水蒸气扩散阻力系数存在明显的相关性，表面材料水蒸气扩散阻力系数越小，霉菌生长风险越小。水蒸气扩散阻力系数低的粉刷墙相比水蒸气扩散阻力系数高的壁纸可减少54.5%的霉菌生长风险，相比乳胶漆可减少18.6%的霉菌生长风险。

4) 对不同换气次数进行模拟发现，通风换气次数对霉菌生长有很大的影响，但并不是通风量越大霉菌生长程度越小，换气次数从1 h-1增加到2 h-1时，霉菌生长程度显著降低，但换气次数再增加时，霉菌生长程度却慢慢增加。