验证用于绝缘屋顶模型的hamstad基准测试

2020年2月25日

通过对绝缘屋顶中的热和水分传输的影响进行建模，建筑物工程师可以设计耐霉菌和可持续的屋顶结构。为了证明这一点，我们根据热，空气和水分标准化（HAMSTAD）基准分析了隔热屋顶模型中的热和水分传输。然后，我们使用从基准模型计算的温度和相对湿度作为模具生长预测模型的输入。

绝缘屋顶的霉菌生长

几个世纪以来，用绝缘材料设计屋顶一直是一种常见的做法。在古埃及，人们使用干泥砖来建造房屋，这使他们在炎热中保持凉爽，并在寒冷中温暖。古罗马人使用了耐火矿物石棉用于建筑材料中的绝缘。

埃及的泥砖房屋的照片。
沿埃及一条运河建造的泥砖房屋的例子。伯纳德·杜邦（Bernard Dupont）的图像。获得许可CC BY-SA 2.0，通过Wikimedia Commons。

隔热屋顶今天仍然很受欢迎，但是影响它们的问题不是：霉菌的生长。幸运的是，我们有能力使用模拟设计耐霉菌的屋顶。

令人惊讶的是，霉菌本身并不危险（或有毒）。但是，某些模具（例如Stachybotrys Chartarum，或“黑色霉菌”）释放孢子，包括危险物质称为霉菌毒素。一旦霉菌毒素变为空气传播，它们就可以被吸入，吸收在皮肤中并摄入。过度接触霉菌毒素据信会导致无数的健康问题，包括过敏，呼吸系统的炎症，记忆力丧失等等。即使是死霉菌，仍然会导致持久的健康影响。

培养皿中模具的特写照片。
培养皿中的霉菌特写。Rimmakhaz的图像 - 自己的作品。获得许可CC由4.0，通过Wikimedia Commons。

在屋顶和屋顶上发现的大多数模具被认为是无毒的，对人来说是相对无害的，但它仍然是不必要的侵入者。霉菌乘以快速，看起来和闻起来不愉快。另外，它可能会对建筑可持续性产生负面影响。

水分是屋顶霉菌生长的关键原因。霉菌只需要24–48小时水分暴露于生长。水分可以形成的一种方式是由过量的冷凝物中形成。在此示例中，我们分析了一个绝缘屋顶模型，其负载层和绝缘层之间的接触表面有高凝结风险。

建模Hamstad基准案例

2000年，欧盟发展了五个Hamstad基准测试为了标准化建筑结构中的热量，空气和水分传输实践。在测试用于构建物理学的模拟工具的准确性时，这些一维基准案例是一个流行的选择。

在这里，我们专注于使用ComsolMultiphysics®软件和附加组件模拟第一个Hamstad基准案例传热模块。该基准测试覆盖隔热屋顶中的热量和水分传输。

首先，我们对绝缘屋顶进行建模，该屋顶由三个主要部分组成，包括：

水分屏障
负载轴承
绝缘层

绝缘屋顶模型的三层示意图。

对于该模型的几何形状，主要重点是承载和绝缘层。水分屏障不包括在几何形状中，但此处显示出于视觉目的。该结构完全密封。

承重和绝缘层是多孔。但是，承载层是毛细管的（水流吸收剂），而绝缘层是毛细管非活性（耐水水流）。两种材料相反的毛细血管质量会在它们之间的接触表面诱导高相对湿度水平，从而导致内部凝结，从而导致霉菌生长。

承载和绝缘层中的水分传输取决于以下特性功能：

含水量
蒸气渗透性
液体扩散系数，从液体通透性和吸力压力中获得

负载和绝缘层中的热传递取决于以下特性功能：

干燥材料的密度，热容量和导热率
含水量

模拟隔热屋顶中的热量和水分传输

该模拟涵盖了五年的时间，气候负载在一年内施加。绝缘屋顶的外部和内部暴露于不同的温度。外部的对流热通量由不同的季节性温度定义，而内部的对流热通量由20°C（68°F）的恒温定义。基准气候数据的部分蒸气压力用于定义内部的对流水分通量。外部和内部空间的初始温度为20°C（68°F），承重和绝缘层的相对湿度值分别为99.2％和60％。