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热力学驱动着生物和非生物系统的各个方面，包括建筑围护结构。我们的设计经常受到潮湿和高温的影响。雨水、阳光、呼吸、洗澡和烹饪的影响会不断累积，当信封损坏时，后果是昂贵的，令人心痛的。
因此，建筑师花费大量时间试图了解建筑组件的热和水分性能，以及这些变量加起来可能导致灾难的可能性。
还有什么比使用模拟软件建立建筑模型更好的方法呢?这是我在进行为期六周的办公室赞助的研究项目时的想法，在这个项目中，我试图将热和水分模拟集成到我们的设计流程工作流中。虽然我们公司的许多人在以前的项目中使用了热和湿度建模，但这是我们第一次齐心协力分析一种工具作为所有项目标准的潜力。
结果呢?我不再确定模拟方法作为大多数项目或执业架构师的标准实践是否有意义。然而，建筑师和建筑公司不断更新他们的建筑科学知识将使所有的建筑更好。如果您或您的办公室正在考虑接受湿热建模的挑战，我有一些建议可以帮助您管理您的期望。
办公室研究计划
我的调查被选为办公室赞助的研究项目。我选择了仿真工具WUFI Pro (Wärme und Feuchte Instationär这款德国软件具有强大的数字处理能力和工程师友好的界面，可以在一系列正在进行的项目中进行测试。
WUFI能够模拟建筑材料在一段时间内水分的积累和消散。该软件生成图形，以表明在模拟期间，组件内的温度和相对湿度是否可能达到危险的发霉或腐烂水平。
我计划用一周的时间学习软件，用四周的时间测试各种组件，剩下的时间让同事和建筑围护结构专业人员检查我的结果。
我在八个不同的项目中测试了组件，得到了不同的结果。不同的是，工具本身并不难使用，但我在学习软件后花了几个星期的时间试图理解模型输出告诉我什么。
事实上，像WUFI Pro这样复杂的工具最具挑战性的部分不是让模拟运行，而是理解如何读取输出，以及学习何时可以信任它。我对未来建模者的三条建议如下:
- 你最好对建筑科学感兴趣。你将阅读和扩展你的背景知识，以便能够理解这些变量。
- 除了选择基本材料来创建墙壁或屋顶组件之外，还有更多的事情要做。其他关键的建模考虑因素包括组件中关键层的额外热量和水分负荷，以考虑渗透，并正确设置室内和室外气候变量。
- 你需要磨练解释结果的艺术。解释结果的一种方法是将WUFI生成的水分剖面与ASHRAE 160第6.1节“最小化霉菌生长的必要条件”进行比较。创建一份对设计团队有意义的图形报告是一项独立的研究。我了解到，在团队面前摆一张图表，告诉他们他们设计的墙行不通，这是没有帮助的。毕竟，如果你是设计团队的一员，你做这个练习的目的可能是为了给出一个可靠的建议将工作。
项目工作流程中的仿真案例研究
我关于使用模拟软件的结论可以通过两个案例进行最好的总结。第一个是将明尼苏达州的单层无保温混凝土砌块结构改造成商业办公空间的墙体组装。
改造需要增加外部绝缘，设计需要新的金属面板包层，并在内部粉刷暴露的混凝土块。设计团队选择了一种液体应用的空气和蒸汽不渗透膜，应用于混凝土砌块墙的外向一侧，然后覆盖4英寸的矿物板和金属面板包层，并连接热断裂夹。
我在WUFI中构建了这个组件，并为不在WUFI数据库中的产品运行了许多具有不同方向和代理材料的不同场景。我发现了一个令人担忧的模式:在冬天，天气屏障内的水分水平上升到接近危险的水平，可以引发霉菌，根据我赋予混凝土块的属性，随着时间的推移，组件变得越来越潮湿，而不是越来越干燥。
在控制了计算错误(软件错误)和建模错误(我的错误)后，我确定这个问题可能是真的:如果墙按照设计建造，气密膜将会引起问题。我测试了一些膜的渗透性，发现气密，但蒸汽渗透膜在模拟中没有出现同样的故障。
我的发现得到了建筑围护结构顾问的证实，因此，我们将我们的规格换成了透气产品。这感觉像是研究项目的胜利，整个设计团队都能从研究结果中学习。然而，并不是所有测试用例都被证明是有用的。
第二个例子是一座新公寓楼的屋顶组件，也在明尼苏达州。屋顶是木制桁架系统，支撑胶合板护套，锥形聚异氰脲酸酯隔热板和防水屋顶膜。在桁架之间，为了满足消防规范，屋顶空腔将被吹制的纤维素填充，由耐火蒸汽屏障控制，天花板用涂漆的石膏板完成。
简而言之，在我对这个WUFI模型的40多个变种中，很少有几个对这种屋顶显示出良好的结果，即使这是一个常见的多户屋顶结构，包括建筑围护结构顾问在内的多方向我们的团队保证，如果我们使用这种屋顶，它可以并且将会令人满意。
模型告诉我的东西与经验和顾问告诉我的东西之间的冲突令人沮丧。是建模错误还是计算错误?或者，实际上模拟是准确的，而建筑行业忽视了这类屋顶设计中的一些关键问题?只有法医调查才能知道。
根据业主之前的经验，这个屋顶可能会按计划建造，尽管团队现在正在考虑替代方案。
模拟和管理期望的局限性
第二个案例研究是关于执业建筑师的潜在局限性的现实检查，以及他们偶尔使用热和水分建模来预测特定的组件是否会持续。当您的程序集在模拟中出现故障时，当前的模拟工具不会告诉您为什么它是失败或如何改进你的设计。模拟涉及到带有许多变量的复杂软件。要掌握它需要几天的时间，但要精通它需要几周或几个月的练习，这可能很难与项目计划和预算相协调。
更重要的是，一些专家指出，像WUFI这样的工具只能在假设的墙或屋顶中心的一维点上测试蒸汽驱力和体积水。由于它不能考虑诸如房间内空气对流或角落里空气和湿气的行为等变量，影响性能和故障的关键因素可能会在模拟方法中被掩盖。
也就是说，即使没有深入的专业知识，一些热和水分建模也可能是有益的，只要您了解其局限性。以下是使用WUFI Pro建模的一些合理(和不合理)期望:
- 它有助于对给定场景中的不同程序集进行基本比较，并确定某些程序集是否可能比其他程序集更好。换句话说，它将告诉设计团队有关相对性能的一些信息，而不是预测组装的绝对成功或失败。它不会告诉你你有一堵“好墙”还是“坏墙”，但它会让你做出更多的解释，比如“假设建筑与设计意图匹配，这种组合可能是一堵更好的墙，也可能是一堵更差的墙”。
- 它会让你了解哪些层可能最成问题或容易潮湿，这样你就可以确保你的细节画得合适。
实用建筑科学
模拟并不是理解包络设计性能的唯一方法。如果您的最终目标是设计的项目和组件将执行十年又十年，并满足AIA 2030承诺到2030年只设计净零能耗建筑在美国，一个更好的方法是让员工每月花几个小时学习建筑科学原理，这些软件工具的设计初衷就是为了测试这些原理。
在办公室的继续教育中优先考虑建筑科学。例如，你知道水分子比空气分子小吗?这意味着天气屏障可以是密封的，但可以透湿，这个概念一开始可能是违反直觉的。你知道吗?空气中的水分通过外部包层的缝隙或设计不良的细节吹进来，或者通过炉子或淋浴器上方设计不良的通风口吹进来，一天内携带到墙壁和屋顶的水分比通过薄膜扩散的水分多100倍。
制定基本的原则，而不是标准的墙
研究项目的一个关键观察是，为每个项目设计一个完全独特的墙体部分是没有必要的，也是最好的实践。不同的审美驱动因素和天气条件可能会导致设计团队为不同项目的墙壁和屋顶选择不同的材料，但外壳设计仍然可以遵循一套经过深入研究的原则，以适应当地气候的热、冷和水分管理需求。
在这项研究之后，我的项目的第二部分将包括开发一套坚固的典型墙壁、屋顶和地板组件，作为我们工作的不同气候的起点。这些基本组件可以定制用于许多不同的项目。没有必要重新模拟每座建筑的每面墙。
当有疑问时，聘请一个建筑围护结构顾问来审查和帮助你了解设计的潜在弱点是值得的。我们将聘请一位值得信赖的顾问来审查我们在开发典型组装模板方面的工作。在一个具有独特条件的项目中，请使用您定期更新的建筑科学知识宝库，尽情投入模拟。
但最后，如果你有任何疑问，你可能会节省建模的时间和花在困惑神秘结果上的时间，雇佣一个你信任的顾问，或者两个咨询师，让他们告诉你你设计的信封是否能达到预期的效果，以及如何改进。
西蒙娜·费舍尔是一位可持续设计专家MSR。她拥有建筑学硕士学位和建筑可持续设计硕士学位。
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10评论
缩小WUFI结果与现实之间的差距是一项重要需求。
>模具…气密膜会产生问题……
祝贺你超越了“有了外部绝缘，内部蒸汽不会凝结，所以这是一堵好墙”。
在我对这个WUFI模型的40多个变种中，很少有几个对这个屋顶显示出有利的结果
对于这两种情况，了解更多细节(确切的设计、气候等)以及WUFI何时/何地指出了问题将是很有趣的。
“在冬天，天气屏障内的水分水平上升到引发霉菌的危险水平，根据我分配给混凝土块的特性，随着时间的推移，组件变得越来越潮湿，而不是变干。”
不透水的天气屏障是否模拟了会被霉菌破坏的东西?
混凝土可以承受相当高水平的水分而不受损，但在某些时候，如果渗透不足，蒸汽压力可能会导致内部侧漆失效。
西蒙娜,
感谢这篇文章。以下是我的理解:当WUFI的结果与使用该软件的人的期望相匹配时，用户会惊呼:“WUFI是一个多么棒的工具啊!”
当WUFI结果与用户的期望不匹配时，用户会说，“我的输入一定是错误的”，因此会调整输入，直到获得所需的结果。
一些工具!
Simona—感谢您的文章并分享您的经验。但我有几件事肯定需要推迟。作为背景——我从20世纪90年代起就在Building Science Corporation(即Joe Lstiburek Inc.)工作，从21世纪初开始就一直在与WUFI对抗，其中包括与John Straube和Chris Schumacher(现在在RDH)一起工作的大量时间。
当有人告诉我，在明尼苏达州的气候条件下，“完美的墙壁”显示出危险的水分积累，而内部条件不是一个冷冻室的存储区域，这让我挠头。更多关于完美的墙壁(所有外部保温):
BSI-001:完美之墙
https://buildingscience.com/documents/insights/bsi-001-the-perfect-wall
当人们问我“你对完美的墙壁做过湿热分析吗?”我通常的回答是，这有点像让物理学家证明圆轮子是有效的。经过实地经验和基本原理的证明，尽管在智力上可能很有趣。
我想知道你面临的问题之一是不是你正在使用ASHRAE标准160节6.1标准。研究界已经知道这一点有一段时间了:使用这些标准会告诉你，在现场(即现实)工作良好的墙壁不符合ASHRAE标准。Steven Winter的Lois Arena和森林产品实验室的Samuel Glass等人一直在为这场斗争而战。以下是Sam关于这个主题的一份报告:
https://web.ornl.gov/sci/buildings/2016/docs/presentations/workshops/workshop-5/Workshop5_Glass_pt1.pdf
相反，ASTM目前正在从标准160-2009中使用的模具标准转向欧洲Viitanen模具指数。以下是Sam关于这一提议变化的论文(我是合著者，但功劳很小):
ASHRAE标准160中霉菌生长的改进标准与现场观察的比较分析
https://www.researchgate.net/publication/320352326_Analysis_of_Improved_Criteria_for_Mold_Growth_in_ASHRAE_Standard_160_by_Comparison_with_Field_Observations
此外，为了完整，这里是Joe目前对WUFI的想法——网页包括两篇建设美国(doe资助)论文的链接，关于我们将如何建议调整WUFI输入以提供更有用的结果。
BSI-089: WUFI* -找错对象了?
https://buildingscience.com/documents/building-science-insights-newsletters/bsi-089-wufi%E2%80%94barking-wrong-tree
最后一个问题是:“例如，你知道水分子比空气分子小吗?这意味着天气屏障可以是空气密封的，但是透湿的，这个概念一开始可能是违反直觉的。”
我想知道这是否可能是对其他现象的误解。空气屏障/防水屏障，但蒸汽开放材料(例如，房屋包装)的功能，因为*液体*水形成分子簇(25到75个)，不能通过微观孔。看看这一栏，乔提到了篮球和高尔夫球:
BSI-066:漏洞和泄漏
https://buildingscience.com/documents/insights/bsi-066-holes-and-leaks
所以液态水被挡住了，但是水蒸气(单个分子)通过了。那么空气(N2/O2)呢?记住——像家居布这样的材料有可测量的非零透气性……但将气流降低到足够低的水平，使它们成为空气屏障材料(低于0.02 l/(s-m2)@75 Pa)。所以任何通过的空气分子，都不重要。
Kohta,
谢谢你非常详尽的评论。
如果GBA读者对描述室内条件的ASHRAE 160方法如何绊倒Lois Arena和Pallavi Mantha的WUFI建模练习感兴趣，请参阅我的文章，“WUFI快把我逼疯了。”
使用WUFI *和*的经验来创建更保守的设计(即，两者都支持它)是有意义的。我们经常会看到“对于相同的成本，我可以做x或y。这两种方法都有效，但哪个更好?”
上面的案例1很有趣，因为它类似于Lstiburek的“我们知道如何建造的最好的墙”——它指定了I类蒸汽缓阻器。显然，WUFI的模拟和强烈的建议并不一致。我很想知道解释。
如果“始终准确”是一个要求，那么大多数规范性的、基于经验的设计早就被抛弃了。
在其他地方，我已经详细阐述了我对WUFI等工具的看法。这里有更深层次的东西人类需要理解复杂的现象，再加上对计算神圣不可侵犯的文化信仰．当我们用精致的围护结构建造高性能建筑，并使用智能薄膜等产品时，问题不应该是“它能起作用吗?”，而应该是“我们如何设计它，使它不至于失败?”如果使用得当，像WUFI这样的工具可以轻松而明确地回答后一个问题。但是，正如Simona、Kohta和Martin所指出的那样，表面上的精确性，以及对顾问的过度依赖，也会使我们忽视了增加对基本建筑科学原理的理解的必要性每一个人在建筑行业。
Trans / Jonathan，
谢谢你的观察。如今，GPS技术也在经历着类似的过程。在陌生的城市里，人们都盯着自己的手机，手机会告诉他们什么时候向右拐，什么时候向左拐。这样做了一个星期后，他们仍然迷失在他们访问的新城市。
一个老式的游客环顾四周寻找地标，在一两天内就掌握了主要街道并可以自己导航。
直到他们遇到不寻常的情况(比如交通堵塞或事故)。然后他们希望他们使用了现代技术。
还有“我已经走这条路一周了，没有意识到还有一条更短/更快的路”。
我通常会建议反对你描述的天花板屋顶组件，因为它听起来不像是至少有一个蒸汽扩散干燥方向的规定-结合木材和吹散的纤维素，增加了一个潜在的坏情况。
不过这篇文章很棒。
了解基础科学和已建立的施工实践比学习一种新的计算机工具更有价值和有益。但是新的计算机工具可以帮助我们。
谢谢
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