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建筑墙体霉菌生长特性的模拟分析 湖南大学土木工程学院 李炳华，李念平，胡锦华 摘 要：本文以长沙地区实测气候数据为边界条件，应用WUFI-BIO软件模拟房间室内和室外墙面霉菌孢子萌发的特性。结果表明，霉菌孢子的初始含水量对孢子自身萌发的影响小于环境相对湿度。不考虑太阳辐射及雨水侵蚀等不利因素，室外墙体表面除了冬季期间不容易发霉，其他季节都可能促使孢子萌发及菌丝体的生长。室内墙体表面发霉主要集中在五月中旬至六月中旬以及八月至九月中旬这两个时段。在这些霉菌可能生长的时间段，需采取必要的措施降低霉菌生长的几率。 关键词：生物热湿模型 临界含水量 霉菌生长预测 建筑墙体长霉一直是个令人苦恼的问题。建筑外墙面由于长霉导致饰面层褪色甚至脱落[1]，不仅影响了建筑的美观，也破坏墙体的结构，降低墙体的使用寿命。室内墙体发霉更是给人带来极大的危害，长期接触和吸入霉菌可引发, 产生流行性感冒、鼻粘膜炎、过敏反应、结核等症状[2]。同时霉菌代谢产物包含微生物有机挥发物[3, 4]（MVOC）,也可能引起病态建筑综合症。 霉菌的生命周期一般分为四个阶段[5]：芽孢的产生、萌芽期、菌丝长成期、繁殖期。其中孢子的萌芽期是霉菌生长的关键时期，也是控制霉菌生长的最佳时期。霉菌的孢子会通过气流、人和动物活动等传播到室内、室外各处，并慢慢沉积在建筑墙体表面或建材表面，此时孢子处于休眠状态。一旦这些孢子吸收到足够的水分和营养物质后, 便开始萌发。如果要这个期间抑制孢子的萌发就需要控制孢子所处环境的相对湿度及营养物质的供给。由于孢子所需的营养物质量少，且其来源可能是建材本身或是其所含的污染物，也可能来源于空气中的粉尘及油脂性物质等，因此不太容易控制。相比较而言，环境中的相对湿度是比较容易测定和控制。国际能源署[5]推荐将80%平均相对湿度定为霉菌生长的临界值。事实上，影响霉菌生长的因素众多，在不同的条件下霉菌生长的临界相对湿度都会改变。 1 霉菌生长的主要因素分析 霉菌生长的主要影响因素[6]：温度、相对湿度（水分活性）、营养物质、暴露时间，而PH值、氧气、光线、表面粗糙度、生物体的相互作用等的影响相对较小。大部分霉菌能够在PH值为3至9范围生长，部分霉菌甚至能够PH值为2至11范围生长[7]。尽管有多种建材（如混凝土）的PH值大于12，但是依然能够在上面发现霉菌的存在，其主要原因是这些霉菌能够释放有机酸[8]改变环境PH值来适合自身生长，也就是说PH值对霉菌生长不起决定性作用。霉菌生长所需氧气量最低值为0.14%-0.25%[6]，大部分建材表面含氧量都超过这个值。在光滑的表面上霉菌也能够生长，只是粗糙的表面更容易沉积养料和水分。生物体的相互作用只会引发建材表面不同种类霉菌此消彼长，不影响对整体霉菌生长情况的研究。 国内外学者针对霉菌生长的四个主要因素做了许多研究，并提出一些霉菌生长预测模型。苏向辉等[9]对建筑墙体内湿气迁移过程进行研究，通过对热流和水蒸气流迁移过程的分析，确定水蒸气迁移的方式和迁移量，寻找控制湿度的方法，并分析了霉菌污染产生的原因。O.Adan等[10]在室内稳态和瞬态条件下研究了黄青霉TOW（time of wetness）TOW≤0.5时霉菌在石膏板材上生长受相对湿度影响的时间较短，当TOW＞0.5J.A.Clarke等[11]通过对6种普通霉菌实验分析，得到在一定温度下建筑材料中霉菌能够生长所需的最小相对湿度，最终绘制出这些霉菌在稳态条件下生长的温度和相对湿度的组合曲线。H.A.Viitanen等[12]以木材为研究对象, 得出了霉菌在木材中繁殖的临界条件、恒温恒湿条件霉菌生长所需暴露时间以及霉菌生长速度等的数学模型。该模型可用于预测瞬态霉菌生长的情况。H.J.Moon等[13]提出一种在影响霉菌生长的各种因素不确定条件下，霉菌生长几率的概率性指数，并基于此提出对现有建筑物霉菌生长的Klaus Sedlbauer等[6]提出生物热湿模型及等值线模型，并开发WUFI-BIO软件来预测墙体表面霉菌的生长。软件计算模型将霉菌生长的基质划分为四类：class0、class1、class2、class3。同时一些霉菌可能对人体健康构成不利的影响，为了能够评估这类霉菌生长的风险，模型还引入class K。 2.1 瞬态生物热湿模型 瞬态生物热湿模型（如图1所示）建立在霉菌孢子内部具有一定的渗透势能，能够从环境中吸收水分的基础上。在数学方法上用水分储存函数来表示这个渗透势能。孢子吸收水分是以扩散方式通过孢子壁进入孢子内部。孢子壁的扩散阻力（Sd值）是随着孢子内部含水量变化而变化，它能够延迟孢子内与外界环境水分的交换。 图1 孢子在墙面上示意图 2.2 等值线模型 将霉菌孢子置于完全培养基里培养，在不同温湿度的环境下可获得其萌芽所需的时间，将