澳門古壁畫保存環(huán)境的全年模擬分析及評價

李崢嶸 徐之銳 趙群 修同斌 孫靜婷

同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院

澳門地處低緯，又位于海岸地區(qū)，深受海洋和季風(fēng)影響，其所處氣候具有溫暖、多雨、濕熱和干濕季明顯等特點。本文研究的澳門圣母雪地殿教堂建于東望洋山之炮臺上，是澳門最古老的建筑。1996年澳門政府對教堂進行內(nèi)部保護和修復(fù)工程時，發(fā)現(xiàn)了珍貴的壁畫。根據(jù)壁畫保護項目組現(xiàn)場測試觀察,結(jié)合業(yè)主介紹，教堂內(nèi)的壁畫目前存在諸多病害，主要有：褪色、脫落起甲、苔蘚和昆蟲。為了進一步探求古壁畫病害的原因，項目組展開了此次相關(guān)研究。

在古壁畫存放環(huán)境方面，國內(nèi)外學(xué)者都有較深的研究。Adriana Bernardi[1]等研究了內(nèi)塞巴爾古教堂內(nèi)的壁畫保存現(xiàn)狀，分析了教堂內(nèi)的溫濕度梯度和壁面冷凝的可能性，得出該古壁畫保存環(huán)境良好的結(jié)論。Maria La Gennusa等[2]研究了油畫、壁畫和陶器的保存環(huán)境指標(biāo)，結(jié)合實測數(shù)據(jù)，給出了保存建議。我國的劉剛[3]等監(jiān)測了莫高窟85窟3年的微環(huán)境，分析了洞窟熱濕環(huán)境的變化規(guī)律對壁畫保存的影響。吳依茜等[4]研究了魏晉壁畫墓的保存現(xiàn)狀以及溫濕度變化規(guī)律，認(rèn)為墓室濕度過高是導(dǎo)致病害的主要原因。

1 建筑現(xiàn)狀

1.1 建筑本體概況

澳門圣母雪地殿教堂始建于1637年，是典型的葡萄牙17世紀(jì)修道院建筑，其構(gòu)造具有羅馬式建筑的特點。該古教堂由一間主殿和一間側(cè)面的圣器室組成，平面為長方形，主體結(jié)構(gòu)為磚砌筒拱。教堂的主殿建筑長寬高尺寸為17.3m×4.6m×6m，教堂天花板采用弧頂，半徑為2.3m。

該古教堂每天9:00至17:30對游客開放，期間VRV空調(diào)開啟，晚上關(guān)閉。各個空調(diào)末端夏季都設(shè)定溫度為23℃。8個空調(diào)末端箱體對稱安裝于走道的兩側(cè)，貼近地面的高度安裝?？照{(diào)采用下送風(fēng)形式，然后回風(fēng)由側(cè)面回到空調(diào)箱中。

1.2 建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境現(xiàn)狀

2011年7月，課題組對該古教堂進行了近一周的實地測試和調(diào)研。重點測試的是古教堂室內(nèi)空氣的溫濕度、近壁面溫濕度和墻體表面溫度以及墻體的熱成像情況。測試以自動溫濕度記錄儀為主，手持式測試為輔，在近壁面位置的測試為重點。對于壁畫保存環(huán)境的評價指標(biāo)，參考我國文物局2003年發(fā)布的《博物館藏品保存環(huán)境試行規(guī)范》。對于壁畫類，要求存放室內(nèi)空氣溫度 20℃，日較差為 2～5℃，濕度 40%～50%，濕度日波動5%以內(nèi)。

實試結(jié)果表明[5]，古教堂夏季溫度在空調(diào)期間能基本滿足壁畫存放指標(biāo)規(guī)定的溫度范圍，但是在非空調(diào)期間溫度值偏高。另外由于空調(diào)的開停過程，致使教堂短時間內(nèi)溫度波動偏大。教堂夏季的濕度全天都較高。另外在空調(diào)的開停過程中，也致使教堂相對濕度波動很大，全天的濕度最大和最小峰值相差接近10%，不利于壁畫保存。

2 室內(nèi)熱濕環(huán)境的全年預(yù)測分析

結(jié)合夏季實測數(shù)據(jù)，以及建筑本體和空調(diào)的設(shè)計參數(shù)，利用TRNSYS軟件模擬古建筑全年室內(nèi)空氣熱濕環(huán)境現(xiàn)狀，為古壁畫的保存提供參考依據(jù)。

2.1 室內(nèi)全年溫濕度模擬

2.1.1 TRNSYS建模理論基礎(chǔ)

TRNSYS即瞬時系統(tǒng)模擬程序，最早是由美國Wisconsin-Madison大學(xué)Solar Energy實驗室開發(fā)，是一款優(yōu)秀的模塊化的系統(tǒng)模擬軟件。在本次模擬中，對于建筑全年的熱濕平衡理論基礎(chǔ)是熱濕平衡方程。

熱平衡方程：

濕平衡方程：

式中：ca，ci為室內(nèi)外空氣水蒸氣密度，kg/m3；gwj為室內(nèi)墻體表面的濕通量，kg/m2s；WIMP為產(chǎn)濕量，kg/h；n 為換氣次數(shù)，1/h；V 為房間容積，m3；j為房間各表面數(shù)量為通風(fēng)所產(chǎn)生的濕量變化，kg/h；WHVAC為空調(diào)所導(dǎo)致的濕量變化，kg/h。

2.1.2 TRNSYS建模參數(shù)設(shè)定

古教堂建筑外形尺寸的建模都是依據(jù)實測數(shù)據(jù)設(shè)定。由于建筑面積較小，空調(diào)的布置和運行都一致，故沒有再分區(qū)。根據(jù)夏季實測和機組設(shè)計參數(shù)，設(shè)定夏季空調(diào)末端送風(fēng)溫度為17.5℃，濕度為88.1%，風(fēng)速為1.5m/s。冬季出風(fēng)溫度28℃，不加濕，風(fēng)速不變。

古教堂進出人流數(shù)量表的設(shè)定也是典型日的人流數(shù)量的實地統(tǒng)計值。每個人的散熱散濕量視為中等勞動強度的散熱散濕量。

作為開放的教堂，其門窗的開啟和滲透也會將室外較多濕空氣帶入到室內(nèi)。建筑的換氣次數(shù)也會隨著門窗開啟次數(shù)以及門窗滲透量的變化而變化。這部分的模擬計算方法參考設(shè)計手冊中的計算公式[6]。

2.2 模擬結(jié)果及分析

2.2.1 全年室內(nèi)熱濕環(huán)境特點

通過模擬結(jié)果分析可知，澳門古教堂全年室內(nèi)溫度波動幅度整體較為平緩，如圖1所示，室內(nèi)各月平均溫度在20～26℃之間；濕度波動較大，各月平均在55%～85%之間。在夏季為高溫高濕狀態(tài)，冬季則相對低溫低濕。夏季空調(diào)制冷作用時間較長，幾乎5～9月每天都會開啟，而冬季空調(diào)供熱的情況僅在1月份較多。夏季，空調(diào)對室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響明顯，維持了室內(nèi)溫度的相對穩(wěn)定，但是夏季濕度控制明顯不當(dāng)，也不符合保存指標(biāo)要求。在冬季和過渡季節(jié)，則情況相對較好。

圖1 古教堂室內(nèi)逐月溫濕度圖

2.2.2 夏季室內(nèi)濕熱環(huán)境特點

夏季由于VRV空調(diào)的作用，致使室內(nèi)熱濕環(huán)境波動情況明顯，故對夏季典型日室內(nèi)環(huán)境做詳盡分析，如圖2所示。在夏季典型日里，室外溫度在26～32℃之間，室外濕度整體偏高，夜間則高達90%。而室內(nèi)溫度相對平緩，建筑熱惰性很好，僅僅在空調(diào)開停前后有明顯波動，波幅為3℃左右。室內(nèi)濕度全天都處于較高位置，空調(diào)的除濕作用有限，在有較多游客參觀時，更是無法有效除濕。

圖2 典型日室內(nèi)外溫濕度對比圖

3 壁畫表層全年溫濕度預(yù)測分析

考慮到墻體的實測周期以及測量技術(shù)有限，而教堂的圍護結(jié)構(gòu)不宜損壞，故采用數(shù)值模擬的方式來分析壁畫載體層的溫濕度情況。本文采用軟件CHAMPS來進行數(shù)值模擬。CHAMPS是由德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)和美國雪城大學(xué)聯(lián)合開發(fā)而成。它可以幾何建模、網(wǎng)格劃分以及個性化的添加室內(nèi)外邊界條件，模擬結(jié)果更加符合實際情況。

3.1 外墻熱濕傳遞模擬

3.1.1 CHAMPS建模理論基礎(chǔ)

多孔介質(zhì)的墻體熱濕傳遞方程主要為能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程。它體現(xiàn)了液態(tài)水和水蒸汽的同時傳遞，體現(xiàn)了熱濕耦合的過程，突出了傳濕對傳熱的影響。

能量守恒方程：

質(zhì)量守恒方程：

3.1.2 CHAMPS建模參數(shù)設(shè)定

根據(jù)對古建筑墻體材料的實測分析，其外墻由內(nèi)向外構(gòu)成如表1所示。網(wǎng)格劃分在壁畫基層的較密，其他層相對稀疏。

表1 建筑外墻結(jié)構(gòu)組成表

邊界條件文件是專門設(shè)定的，使內(nèi)外邊界條件一致。CHAMPS軟件中的室內(nèi)溫濕度邊界文件是來源于TRNSYS模擬所得全年的逐時值。澳門室外天氣條件與TRNSYS模擬所用數(shù)據(jù)一致，考慮室外天氣的溫度、濕度、直射輻射、散射輻射、風(fēng)速等影響因素。

由于墻體較厚，而且多孔介質(zhì)的熱濕傳遞較慢，所以模擬設(shè)置時間為4年，此時達到周期性的平衡，取用第4年的數(shù)據(jù)來分析。時間步長設(shè)定為0.5h，墻體朝向為南向。

3.2 模擬結(jié)果及分析

3.2.1 壁畫層全年溫濕度特點

墻體壁畫層的數(shù)據(jù)分析取用靠近室內(nèi)空氣的節(jié)點上的壁畫表層的平均數(shù)值，如圖3所示。全年墻體壁畫表層溫度在22～27℃之間，平均值為24.1℃。濕度在55%～75%之間變動，全年濕度平均值為68.8%。高濕狀態(tài)集中在夏季，夏季壁畫表層濕度均值為75.6%。

圖3 古教堂壁畫表層逐月溫濕度圖

3.2.2 壁畫表層夏季溫濕度特點

壁畫表層在夏季的溫濕度受室內(nèi)空氣溫濕度變化的直接影響。如圖4所示，在夏季典型日，空調(diào)起到了一定的降溫除濕的作用。壁畫表層溫度一直高于室內(nèi)空氣溫度，而濕度比室內(nèi)濕度稍低。壁畫層沒有明顯的結(jié)露危險，但是在空調(diào)的啟停前后，壁畫層的溫濕度波動明顯，為1℃/h和4%/h，會引起一定的熱濕膨脹風(fēng)險，對壁畫保存不利。在濕通量圖中，可以發(fā)現(xiàn)空調(diào)開啟時，由于空氣含濕量下降，壁畫層則向室內(nèi)空氣傳濕。在開空調(diào)前期，其傳濕通量最大。而夜間則壁畫表層吸收室內(nèi)空氣中的濕氣。

圖4 典型日壁畫層溫濕度對比圖

圖5 典型日壁畫表層濕通量圖

4 小結(jié)與建議

澳門古教堂全年室內(nèi)溫度分布較均勻，但是在夏季空調(diào)開停前后，短時間內(nèi)波動較大。濕度全年波動明顯，夏季高濕情況明顯，不符合古壁畫保存指標(biāo)。這與夏季實測的結(jié)果十分吻合。墻體壁畫表層全年溫度分布均勻，但是也受夏季空調(diào)的間歇性作用而短時有溫度的突變。其濕度相對稍低于室內(nèi)濕度，沒有明顯結(jié)露風(fēng)險。

綜合以上分析，本文認(rèn)為古建筑室內(nèi)環(huán)境不宜用于保存珍貴壁畫，提出改造建議如下：

1）減少夏季室內(nèi)濕負(fù)荷。方法包含加強門窗的密閉性，管理進出教堂人流等。

2）改變空調(diào)形式以及管理方式。建議采用溫濕度獨立控制空調(diào)，并且保持空調(diào)的連續(xù)運行[7]。

3）增強外墻的隔水隔氣性。可以在外墻的外側(cè)重新做防水層隔氣層，進一步減小室外環(huán)境影響。

[1]Adriana Bernardi,ValentinTodorov.Microclimatic analysis in St.Stephan’s church,Nessebar Bulgaria after interventions for the conservation of frescoes[J].Cultural Heritage,2000,(1):281-286

[2]Maria La Gennusa.Control of indoor environments in heritage buildings:experimental measurements in an old Italian museum and proposal of a methodology[J].Cultural Heritage,2005,(6):147-155

[3]劉剛,薛平,侯文芳,等.莫高窟85窟微氣象環(huán)境的監(jiān)測研究[J].敦煌研究,2000,(1):36-42

[4]吳依茜,張健全,俄軍.甘肅省博物館館藏嘉峪關(guān)新城魏晉壁畫墓環(huán)境分析研究[J].考古與考察,2012,(10):23-25

[5]李崢嶸,徐之銳.澳門古壁畫保存環(huán)境夏季實測與評價[J].建筑科學(xué),2012,(8):36-39

[6]陸耀慶.實用供熱空調(diào)手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007

[7]徐方圓,解玉林,吳來明.文物保存環(huán)境中溫濕度研究[J].文物