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当建筑商在20世纪20年代和30年代开始为房屋隔热时,外部油漆开始脱落。许多油漆工得出结论,绝缘会吸干水分,因此拒绝粉刷有绝缘的房子。到1938年,这个问题已经很普遍了建筑记录发表了一篇题为“防止绝缘结构中的冷凝”的文章。作者是一位名叫泰勒·斯图尔特·罗杰斯(Tyler Stewart Rogers)的建筑师,他认为隔热材料不是问题所在;室内湿度为。他提出了一个两部分的解决方案:蒸汽屏障和阁楼通风。
不幸的是,罗杰斯在没有完全理解问题的情况下就采取了规定的解决方案,伊利诺伊大学的研究建筑师、我国最受尊敬的建筑科学家之一比尔·罗斯(Bill Rose)说。罗杰斯没有考虑温度对木墙板的影响,他也没有提到雨水漏进来的问题,罗斯说这是“建筑围护结构中最大的水源”。
蒸汽屏障和阁楼通风系统并没有阻止外部油漆剥落,这让几代石棉、铝和乙烯壁板的推销员感到非常高兴。尽管如此,罗杰斯的文章发表不到五年,他的建议就被写入了我们最早的建筑规范,而刚刚起步的住宅建筑科学学科也开始了坎坷的开端。
70年后,我们的房子更大了,更复杂了,更密不透风了,隔热层更高了,而且依赖于越来越昂贵的化石燃料能源。因此,建造科学的赌注比以往任何时候都要高——舒适、健康、耐用和能源账单。尽管如此,大多数建筑师、建筑商和规范官员仍然不了解水分在房屋中的运动。更糟糕的是,他们没有简单的方法来了解它。
建筑科学在舒适方面取得了进步
我们为使住宅更舒适所做的努力——室内管道、保温、集中供暖——以及这些努力所产生的问题催生了第一代建筑科学家,尽管他们大多自称工程师。
第二次世界大战后,胶合板和双窗格窗户等人造建筑材料使我们的房子变得更紧凑,使它们不那么通风,更舒适。但存在于房屋中的空气泄漏并不都是坏事。首先,渗入墙壁和屋顶的暖空气有助于干燥已经存在的水分,无论是来自水管、湿度还是坏的闪光。也许更重要的是,那些随机的漏风也在为我们的房子通风。新鲜空气通过地基和地板周围的渗漏(渗透)进入房屋,而污浊空气则通过墙壁和屋顶上的小孔(渗漏)排出。
尽管有这些变化,我们的房子在20世纪60年代仍然表现得相当不错。我们没有腐烂或发霉的大问题。然后在20世纪70年代,能源危机爆发。
建筑科学走到了最前沿
当我们的家庭供暖成本飙升时,我们更有效率地供暖的动机也在飙升。我们开始试验——被动太阳能、主动太阳能、超级绝缘、双层墙、拉尔森桁架、信封房子——这意味着我们必须问什么可行,什么不可行,以及为什么。结果,科学家们对房子产生了兴趣。
1977年,普林斯顿大学(Princeton University)的工程师高塔姆·杜特(Gautam Dutt)在阁楼上爬来爬去,想弄清楚为什么真正的房子流失的热量比他的模型预测的多3到7倍。Martin Holladay说环保建筑顾问在美国,他的顿悟时刻发生了,当时他拉开了一些绝缘材料,发现在一个未密封的公用事业通道里有一个巨大的漏气。杜特被认为是发现热旁路这让人们意识到,隐藏的漏气问题比门窗周围明显的漏气严重得多,而门窗周围的漏气一直是人们关注的焦点。从那时起,密封隐藏的空气泄漏成为追求能源效率和降低水电费的优先事项。几年之内,第一批鼓风机门开始在商业上销售,并用于发现空气泄漏和测试房屋的气密性。
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在20世纪70年代,我们也经历了第一次灾难性的失败,一些超紧的房子由于霉菌和腐烂在一年内就无法居住了。这些失败让我们意识到,虽然紧凑的房子节省了能源,但它们也需要通风。同样是在20世纪70年代,美国能源部成立,田纳西州橡树岭和加利福尼亚州劳伦斯伯克利等原子研究实验室的科学家开始研究房屋。在美国,住宅建筑科学已经准备好成为一门严肃、正式的学科。
然而,这并没有发生。在20世纪80年代中期,石油价格下跌,对能源效率的兴趣减弱,研究经费被削减,住宅建筑科学失去了关键的动力,至少在美国是这样。在加拿大和许多欧洲国家,包括德国和瑞典,对建筑科学(欧洲人称之为科学)很感兴趣建筑物理)的势头有增无减,主要是受到政府资助的刺激。例如,1983年,美国的住宅建筑业是瑞典的20倍,但瑞典建筑研究委员会在建筑研究上的投入是美国住房和城市发展部的三倍多。同年,加拿大国家研究委员会出版了加拿大第一本建筑科学教科书,为寒冷气候建造科学,尼尔·b·哈钦和古斯塔夫·O.P.汉德戈德著。近30年过去了,美国的同类著作仍未出版。
霉菌、哮喘和建筑缺陷的发病率在上升
今天,我们正处于提高房屋气密性和绝缘性的另一个重大推动的门槛。无论是2012年国际节能规范(IECC)、能源之星3.0、被动式房屋认证、净零能耗房屋,还是仅仅是提高现有房屋效率的运动,结果都是一样的——更紧凑的房屋——这让一些专家感到担忧。
罗斯·格兰特是国家农场保险建筑技术研究部门的研究建筑师,也是比尔·罗斯在伊利诺伊大学的前同事。“我认为我们正处于一些严重的建筑科学问题的风口浪尖,”格兰特说,“而霉菌是煤矿里的金丝雀。”2001年,房屋所有者的保单索赔花费了保险公司13亿美元,是前一年的5倍多。2002年,这个数字又翻了一番,超过了30亿美元。很难说2002年以后发生了什么,因为大多数保险公司开始将霉菌排除在保险范围之外。
过去,专家们一直在争论霉菌是否会对健康造成严重威胁,但根据美国环保署2007年资助的一项研究,“在美国报告的2180万哮喘患者中,大约460万病例估计是由于家中潮湿和霉菌暴露造成的。”同一项研究还说,“全国每年因家中潮湿和霉菌暴露而导致哮喘的成本估计为35亿美元。”这些只是医疗费用;它们不包括霉菌修复。作者还估计47%的家庭潮湿或发霉。
潮湿和发霉可能是维修问题的迹象。但2011年2月10日的一篇文章彭博商业周刊报告称,从2000年到2005年,与前六年相比,每个住房单元的建筑缺陷增加了一倍。这篇文章引用了2007年佛罗里达大学的一项研究,其中审查的17,000个缺陷声明中有69%被发现与水分渗透有关。
你可能会说,糟糕的闪光或未能正确重叠的建筑纸是由于工艺差造成的,而不是由于不了解建筑科学,但两者之间的区别可能并不重要。当我们向更高性能的房子迈进时,我们不仅要把耐风雨的屏障做好,而且还必须把高水平的工艺带到它上面。要做到这一点,每个参与建筑的人——框架木匠、水管工、电工、暖通空调安装工、绝缘子、屋顶工、壁板工——都需要了解基本的建筑科学,而这在今天的大多数工作现场是不存在的。
无知的代价
为了保持舒适和降低能源成本,我们正在为我们的房屋添加越来越多的绝缘材料,并以报复的方式密封漏风。然而,如果没有对建筑科学的全面了解,你很容易在墙壁和屋顶上滞留水分,这可能导致油漆脱落、发霉、腐烂和哮喘。忽视空气泄漏,你将年复一年地付出高昂的能源代价。
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建筑科学没有很好的定义
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房子不再那么简单了。现代建筑的复杂性在当今的能源建模软件中表现得最为明显。BEopt,如图所示,是使用最简单的一种。其他项目,如被动式房屋规划包(PHPP),则需要密集培训。所有程序都要求各种输入,包括每一英寸的壁板、屋顶、护套、框架、窗户、热断裂、气候等细节。然后,复杂的程序将预测任何变化——比如多出一英寸硬质泡沫——将如何影响能源使用,或者这种变化将如何导致墙壁凝结。
建筑科学仍然是一门不成熟的学科,其范围还没有很好地界定。最狭义的定义集中在建筑围护结构中的热量、空气和水分传递,因为这是大多数问题的所在。广义的定义还包括照明和采光、声学、防火和结构。
无论定义如何,建筑科学给住宅建筑带来的最重要的事情之一是强调房屋作为一个系统。随着房屋多年来变得越来越复杂,专业行业网络也变得越来越复杂,我们在其中分配建筑责任。这种劳动分工使得任何一个人都很难监控所有事情是如何一起工作(或不一起工作)的。例如,电工安装浴室通风机,木匠切割烘干机通风口,厨房专家悬挂抽油烟机,暖通空调承包商安装炉子,管道工安装燃气热水器,泥瓦匠建造烟囱。谁负责家里的通风?
良好的建筑科学不仅要求房子的所有部件一起工作,而且还要求它们提前被计算出来。计算的人不那么重要。它可以是建筑师、建筑商、能源专家,甚至是真正的建筑科学家,假设你能找到一个。
尽管这些条款建筑科学而且建筑学家虽然没有很好地定义,但它们肯定被很好地使用。波士顿附近的建筑和咨询公司Building Science Corp. (BSC)的创始人约瑟夫·斯提布里克(Joseph Lstiburek)可能是这个国家最有资格称自己为建筑科学家的人,但他对所有人滥用这个词感到非常沮丧,所以现在他称自己为工程师。
如果你从未听说过,建筑科学公司是波士顿附近的建筑科学咨询和全面服务建筑公司。在公司的网站上,BuildingScience.com,你可以找到许多免费的资源来设计和建造耐用、可持续和经济的建筑——建筑科学的核心问题。平衡记分卡还为各种技能和经验水平的人提供了涵盖广泛的建筑科学主题的面对面课程、讲习班和研讨会。
有趣的是,这种教育推广活动的一部分是由美国能源部通过“建设美国计划”资助的。由于这一倡议,建筑科学公司加入了北极星、落基山研究所、中佛罗里达大学和其他几个受尊敬的组织,共同致力于减少能源消耗,走向更可持续的未来。参赛团队是在竞争激烈的申请过程中从众多候选人中挑选出来的。这些团队尤其有动力开发更智能的室内空气质量解决方案,使房屋不容易受潮和凝结的方法,以及降低建筑物热负荷(热能需求)的系统。
对于Lstiburek在BSC的合伙人John Straube来说,对建筑有基本理解的人与真正的建筑科学家之间的分界线是在建筑发生之前预测性能并在之后定量解释性能的能力。“我会要求建筑科学家能够计算或预测一些东西——r值、热损失、露点,”斯特劳布说。
不幸的是,要成为一名建筑科学家并不容易。奥本大学、宾夕法尼亚州立大学和明尼苏达大学等都有建筑科学专业。麻省理工学院、南加州大学和加州大学伯克利分校提供建筑科学硕士学位。但是,Lstiburek以他一贯坦率的方式说:“这完全是废话。他们与真正的建筑科学没有任何联系。”埃里克·伯内特(Eric Burnett)在加拿大教了20年建筑科学,他在宾夕法尼亚州立大学(Penn State)花了10年时间试图建立这个项目,这让他很沮丧。“其中一个问题是,目前的建筑和土木工程教师未能接受建筑科学的教学,”伯内特说。“他们有其他优先考虑的事情。”
然而,有人正在研究这个问题。美国国家建筑科学研究所(National Institute of Building Sciences)有一个委员会,致力于加强美国建筑科学和技术方面的教育。华盛顿特区的执业工程师保罗·托滕(Paul Totten)是该委员会的主席。他说:“我们远远落后于加拿大和几乎所有欧洲国家。”该委员会在未来五到十年的目标之一是拥有“全面的建筑科学硕士和博士课程,并在教学内容上保持一定的一致性”。现在,热量、空气和水分的传递还没有得到足够的重视。”
但即使拿到学位也只是个开始。斯特劳布说:“没有办法根据物理学证明窗户漏水。我们知道窗户漏水的方法是凭经验。当人们学习物理却没有经验时,这是很危险的。”如果我们期待着成群结队的年轻建筑科学家从大学里涌出来,帮我们修理所有的房子,我们还得等上一段时间。
建筑师应该接受建筑科学方面的训练
因为建筑科学的目标是预测房子的性能,所以建筑师和设计师应该理解它是有道理的,但大多数建筑学校都不强调建筑科学。卡特琳·克林伯格(Katrin Klingenberg)是一名德国建筑师,目前居住在伊利诺伊州,她是美国被动式房屋研究所(Passive House Institute US)的负责人。她说,当她研究美国建筑师的科学培训水平时,“我完全震惊了。”她说,在德国,建筑系学生必须在两年的时间里学习六门建筑科学课程,并参加考试。如果你三次都没有通过考试,“你就得去找另一份工作。”
如今,许多美国建筑师正在成为被动式房屋认证顾问,因为为期九天的培训课程包含了大量的建筑科学知识。“我们基本上是在重新教育一整代建筑师,”Klingenberg说。事实上,卡内基梅隆大学和俄勒冈大学正在寻求与美国被动式房屋研究所合作,并将其认证计划的部分内容纳入他们的课程。
瑞秋·瓦格纳(Rachel Wagner)是一位接受过被动式房屋顾问培训的建筑师。她形容建筑学院的建筑科学教学“严重不足”。Wagner认为部分解决方案是将建筑科学作为建筑师注册考试的一部分。“除非你的执照,你的认证,取决于它,否则它不会坚持下去。它不会被认真对待,”瓦格纳说。
尽管建筑师参与的住宅项目很少(可能只有5%),Lstiburek认为提高建筑科学知识的关键是完善建筑教育。他说:“建筑师将自己从建筑技术中分离出来。”“如果他们在做他们的工作,我就失业了。”他相信,如果你从建筑师开始,其他行业的人也会效仿。
建筑商许可是答案吗?
培养更多的建筑科学家和对建筑师进行建筑科学教育,无论多么重要,都不会改变房屋的建造方式。要做到这一点,建造者需要接受教育。明尼苏达大学寒冷气候住房项目主任帕特·胡尔曼说:“我们可以有最好的设计,最好的配置,我们可以有正确的捕鼠器,但如果建造它的人不明白它应该做什么,当你完成时,它可能无法工作。”Paul Totten表示同意。他说:“真正建造建筑的人需要对这个主题有很深的了解。”“只是在现场犯了一些小错误,就可能让你失去本应在工作中获得的所有表现。”
至少俄勒冈州的一些人认为,解决问题的办法是获得建筑工人执照,并要求获得包括建筑科学在内的继续教育。相关立法于2009年通过,并于去年秋天开始逐步实施。当被问及是什么促使这项立法时,俄勒冈住宅建筑商协会的首席执行官乔恩·钱德勒说,在2007年的立法会议期间,“建筑商因建筑缺陷——霉菌索赔、水侵入索赔等等——在媒体上受到了猛烈抨击。整整一个星期,报纸的头版和版面上方都有文章。这是一个转折点。”
并不是所有人都同意承包商执照和继续教育是解决问题的办法。早在20世纪90年代,明尼苏达州的要求与俄勒冈州的要求相似,而Huelman是建筑科学课程的教授之一。“我开始有点失去信心了,”胡尔曼说,“因为公司老板或一些代表去上课,学习建筑科学或能源,但这并没有影响到安装窗户的人,也没有影响到搞乱房屋包装的墙板承包商。”
马克·拉利伯特(Mark LaLiberte)帮助在这两个州建立了培训项目,他不愿推荐任何会给建筑商带来更多监管负担的解决方案,但他确实主张继续教育,尤其是在解决建筑科学问题方面。“这是唯一的解决方案,可以让建筑商说,‘我要这样做,因为这是我的声誉,这是我的生意,我是专业人士。’”他希望建筑商能够自己寻求这种教育。
每个人都同意的一点是,建筑科学就像魔鬼一样,在于细节。这就是为什么斯特劳布说:“如果我必须选择一个人来进行培训,我总是会把现场主管放在第一位。”时不时地,一些建筑商通过会议和网络,通过绿色建筑认证项目,通过“能源之星”和“建设美国”接受培训,但没有一个单一的项目是全面或充分的。所提供的教育质量参差不齐,小贩们开设了商店来利用这种迫切的需求。即使是最认真的建造者也很难了解他们需要了解的建筑科学。
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水是如何进入房子的。在下雨和管道泄漏之后,空气中的水分是墙壁和屋顶上最大的水源,这就是为什么密封空气泄漏——创造一个空气屏障——是如此重要。空气屏障和蒸汽缓凝剂之间的区别(和相对重要性)可能是高性能住宅建筑中最被广泛误解的概念。
少量的水可以通过蒸汽扩散通过固体干墙。更多的水——100倍的水——可以通过1-in。由1。石膏板上有洞。
基于性能的代码会有所帮助
“代码开发并不是基于良好的建筑科学,”Huelman说。“这是一场政治谈判。”他解释说,通常需要几年的时间,建筑故障才会显现出来。然后,需要花费数年时间在代码中开发语言,从而解决问题。然后又需要几年的时间才能采用准则,又需要几年的时间才能对准则官员进行充分的培训。“你已经落后了10到15年,”Huelman说。
考虑到代码更改过程的复杂性,Totten担心另一个风险。他指出,例如,当你改变了家庭气密性的规范要求时,你也必须改变通风率的规范。“如果我们有一个滞后,特别是通风率,我们将会产生一系列新问题。”
也许从建筑科学的角度来看,规范最大的问题是它们是规定性的。他们建议,如果你对爬行空间进行通风,或者如果你安装了具有正确r值的绝缘材料,你就不会有潮湿的问题。然而,成功与否取决于你如何安装绝缘材料,如何密封空气屏障,这就是为什么瑞典,例如,已经采用了基于性能的能源法规。与被动式房屋标准一样,瑞典的能源法规也限制了每平方米的总能源使用量,并规定了空气换能率。要满足这些要求,建造者就必须理解科学,并正确处理细节,这给他们带来了相当大的压力。
无论我们的规范发生了什么,我们的建筑检查员需要彻底了解建筑科学。他们是在能源细节被掩盖之前评估其质量的人。检查员也有权允许替换规范要求,如果没有对建筑科学的深刻理解,这可能是危险的。但是,与建筑工人相比,检查员自学并不容易,也不可能。
让我们承认这很复杂
在过去30年的某个时刻,我们的房子越过了一个复杂的门槛,没有大张旗鼓,我们大多数人也从未承认过这一点。它们成为动态系统,其构造和性能超出了我们许多业内人士的能力和理解。大多数架构师、建造者和代码官员仍然无法解释蒸汽缓阻器和空气屏障之间的区别。这并不是说我们愚蠢。我们知道很多其他的东西,但我们不需要知道建筑科学。现在我们知道了。
建造舒适、健康、耐用和高效的房屋意味着要学会建造密封、高度绝缘的房屋。我们不能一直抱怨太贵了。我们不能一直说“房子需要呼吸”,然后以此为借口,对我们如何将它们组合在一起毫不在意。我们不能懒惰,不能依赖规定的解决方案。我们这些建造房屋的人真的需要了解它们是如何工作的科学。我们必须承担起教育自己的责任。
建立科学的里程碑
1822法国科学家约瑟夫·傅里叶提出了计算热传导的关键方程。
1894美国采暖和通风工程师协会成立。
1910美国林产品实验室在威斯康辛州麦迪逊成立。
1938《建筑记录》出版了泰勒·斯图尔特·罗杰斯的《防止绝缘结构中的冷凝》。
1941利比-欧文斯-福特玻璃公司为其双窗格中空玻璃注册了商品名称thermopane。
1942联邦住房管理局在其“住宅财产标准和最低建筑要求”中增加了蒸汽屏障、爬行空间通风和阁楼通风。
1944小型住宅委员会在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校成立。
1955被《华尔街日报》(The Wall Street Journal)称为“北美建筑科学院长”的乔·斯提布拉克(Joe Lstiburek)诞生了。
1959美国胶合板产量超过70亿平方英尺。英国《金融时报》。
1973阿拉伯国家的石油禁运导致油价翻了两番。
1974国家建筑科学研究所成立。
1977普林斯顿大学的工程师高塔姆·杜特(Gautam Dutt)在爬过阁楼时发现了热旁路;美国能源部成立。
1978瑞典制定了世界上第一个要求建筑密封性的建筑规范。
1980第一款商用鼓风机门Gadsco上市。在这里,马克·罗森鲍姆操作着明尼阿波利斯的吹风机门(FHB# 86)。
1982加拿大推出R-2000计划,以促进节能住宅的建设。
1983为寒冷气候建造科学由尼尔·b·哈钦和古斯塔夫·O.P.汉德戈尔德出版。
2007美国环保署的一项研究估计,460万例哮喘病例可归因于家中潮湿和发霉。
2009俄勒冈州通过了一项立法,要求承包商每两年接受16小时的继续教育,其中一些必须涵盖建筑科学问题。
2011彭博商业周刊报告称,2000年至2005年间,建筑缺陷增加了一倍。
2012国际规范委员会发布了第一个美国规范,要求对住宅进行空气渗透测试。