莫高窟洞窟自然通風(fēng)測(cè)試研究

王江麗 閆增峰 王旭東 張正模 尚瑞華 許江濤 高文強(qiáng)

內(nèi)容摘要：為了研究莫高窟洞窟內(nèi)微氣流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，2014年9月對(duì)第131窟、第138窟及第172窟的窟內(nèi)溫濕度及氣流速度進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示：洞窟內(nèi)氣流速度分布范圍為0.15-0.3m/s，與溫差呈正比，與距門的距離呈反比;夜間，洞窟內(nèi)氣流分布具有特殊性。本研究初步驗(yàn)證了洞窟內(nèi)氣流符合熱壓通風(fēng)原理，并提出了洞窟內(nèi)通風(fēng)有可能還受莫高窟周邊自然環(huán)境影響的猜想。

關(guān)鍵詞：敦煌莫高窟;自然通風(fēng);現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

中圖分類號(hào)：P854.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1000-4106（2015）04-0121-06

Test Research on the Natural Ventilation of

the Mogao Grottoes

WANG Jiangli1，2 ?YAN Zengfeng1 WANG Xudong3，4 ZHANG Zhengmo3

SHANG Ruihua1 XU Jiangtao1 GAO Wenqiang3

（1. Xi？蒺an University of Architecture and Technology， Xi？蒺an， Shaanxi 710055;

2. Henan University of Science and Technology， Luoyang， Henan 471003;

3. Conservation Institute， Dunhuang Academy， Dunhuang， Gansu 736200;

4. School of Civil Engineering & Mechanics， Lanzhou University， Lanzhou， Gansu 730000）

Abstract： In order to study the laws of the micro airflow in the caves of the Mogao Grottoes， the temperature and humidity of the air and the airflow velocity in caves 131， 138， and 17 were tested in September 2014. The results show that the principal velocity range is between 0.15m/s and 0.3m/s， which are in direct proportion to the temperature difference and in inverse proportion to the depth. There is further a special airflow distribution inside the cave at night. The research preliminarily verifies that the law of micro airflow in the Mogao Grottoes conforms with the model of natural ventilation by buoyancy and helps with a conjecture that the micro airflow in caves may also be affected by the natural surroundings of the site.

Keywords： DunhuangMogao Grottoes; natural ventilation; in situ test

0 ?引 ?言

莫高窟位于鳴沙山東麓，東南鄰三危山，北邊隔14km的戈壁灘與敦煌綠洲相望。鳴沙山與三危山東西相鄰，地質(zhì)情況卻截然相反。東南側(cè)三危山地質(zhì)以石為主。鳴沙山西麓地質(zhì)以流沙為主，沙質(zhì)較細(xì)，隨風(fēng)流動(dòng)，山無定形，著名的月牙泉景區(qū)即位于鳴沙山西麓;鳴沙山東麓地質(zhì)以砂礫巖為主，崖體較為堅(jiān)實(shí)，但又較三危山地質(zhì)松軟，便于開鑿。莫高窟位于鳴沙山東麓的西壁上，南北延伸一千多米，窟前有防沙林帶。

1 ?研究現(xiàn)狀

洞窟內(nèi)溫濕度環(huán)境及氣體流動(dòng)狀況直接影響壁畫、雕塑等文物的保存，對(duì)壁畫保護(hù)至關(guān)重要。現(xiàn)在壁畫出現(xiàn)的各種病害[1]，歸根結(jié)底都是由于洞窟內(nèi)溫濕度變化所引起的[2]。研究表明，洞窟內(nèi)空氣相對(duì)濕度的臨界值為62%，超過該值越多，超過該值的時(shí)間越久，都會(huì)增加壁面吸放濕程度，從而增加潛在危害的風(fēng)險(xiǎn)[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)洞窟內(nèi)溫濕度及其影響因素作了大量研究?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為影響洞窟內(nèi)溫濕度的兩個(gè)主要因素是：1.巖體內(nèi)

有水[4-7]，通過巖體向洞窟內(nèi)散濕;2.大氣降水通過窟門向洞窟內(nèi)傳遞濕量，尤其是敦煌出現(xiàn)的強(qiáng)降雨天氣[8，9]，降雨對(duì)洞窟內(nèi)溫濕度的影響更明顯。

洞窟內(nèi)外的熱濕傳遞途徑可通過熱傳導(dǎo)、濕擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)，也可通過窟內(nèi)外空氣交換實(shí)現(xiàn)。熱量傳導(dǎo)及質(zhì)量擴(kuò)散普遍存在于自然界中，在宏觀世界可以忽略不計(jì)。

張國(guó)彬等人對(duì)莫高窟10個(gè)典型洞窟的窟內(nèi)外空氣交換率進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)得被測(cè)洞窟的空氣交換率，并推斷窟內(nèi)外溫差是引起窟內(nèi)外空氣交換的主要原因[10]。

除了洞窟內(nèi)外空氣交換率以外，在內(nèi)外空氣交換時(shí)洞窟內(nèi)微氣流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律更能從原理上詮釋引起洞窟換氣的機(jī)理，從而對(duì)洞窟形制、門的封閉形式提出指導(dǎo)性的建議。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)氣流狀態(tài)的定量研究較少，因此本文擬從微氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的角度進(jìn)行研究。

2 ?現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2.1 測(cè)試對(duì)象

選擇莫高窟第131窟、第138窟、第172窟進(jìn)行窟內(nèi)微環(huán)境的測(cè)試。3個(gè)洞窟均位于莫高窟南區(qū)第二層，從南至北依次為第131窟、第138窟、第172窟。3個(gè)洞窟形制基本相似，均由部分前室、甬道及主室構(gòu)成。從洞窟尺寸上分，第131窟為小型洞窟，主室尺寸約為3m×3.2m;第172窟為中型洞窟，主室尺寸約為4.8m×5m;第138窟為中型偏大洞窟，主室尺寸約為15.6m×12.6m。洞窟坐西向東，即窟門位于洞窟東壁，佛龕位于洞窟內(nèi)西壁。

2.2 門的形式

莫高窟洞窟現(xiàn)有兩種形制的門，一種為早期的木門、窗（見圖1），門的密閉性差，窗多為鏤空格窗[11]，利于窟內(nèi)外氣體交換;一種為現(xiàn)代的鋁合金門（見圖2），密封性好，上下有常開通風(fēng)換氣的百葉窗，出于防砂功能，百葉窗后側(cè)設(shè)有防沙網(wǎng)，這種門窗構(gòu)造使換氣阻力較大。第131、172窟均為現(xiàn)代鋁合金門，第138窟為傳統(tǒng)木門窗。

2.3 測(cè)試儀器

測(cè)試于2014年9月13日至2014年9月24日進(jìn)行，在洞窟內(nèi)安設(shè)9—11個(gè)溫度塊，6—8個(gè)風(fēng)速傳感器，測(cè)試自窟門向洞窟西壁各測(cè)點(diǎn)的溫濕度及氣流速度;洞窟外布一個(gè)風(fēng)速傳感器，測(cè)量正對(duì)窟門方向的氣流。

2014年9月13日17：51至15日9：03，對(duì)第131窟進(jìn)行了空氣溫濕度、氣流速度的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示：洞窟中各個(gè)測(cè)點(diǎn)氣流都比較微弱，2號(hào)測(cè)點(diǎn)在整個(gè)測(cè)試時(shí)段內(nèi)偶爾能測(cè)到0.15m/s的氣流速度，證明窟內(nèi)外有氣體交換，但交換量不大;4號(hào)測(cè)點(diǎn)僅在白天能測(cè)到微弱氣流，其余測(cè)點(diǎn)基本測(cè)不到氣流速度。測(cè)點(diǎn)分布及測(cè)試結(jié)果見圖3—5。

2014年9月17日17：29 至18日17：48，對(duì)第172窟進(jìn)行了空氣溫濕度、氣流速度的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示：1、2、3號(hào)測(cè)點(diǎn)均在日間測(cè)到氣流，夜間未測(cè)到氣流，且三個(gè)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)相似;4號(hào)測(cè)點(diǎn)未測(cè)到氣流，6號(hào)測(cè)點(diǎn)持續(xù)測(cè)到氣流，但氣流較弱;8號(hào)測(cè)點(diǎn)僅在夜間測(cè)到明顯氣流，且氣流較強(qiáng)。測(cè)點(diǎn)分布及測(cè)試結(jié)果見圖6—8（測(cè)點(diǎn)記錄時(shí)間為每5秒記錄一個(gè)數(shù)據(jù)，由于測(cè)點(diǎn)過密，圖示不清晰;對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：每4分鐘隨機(jī)選取一個(gè)數(shù)據(jù)，便于圖示，同時(shí)仍然反映時(shí)間間隔為5秒的氣流速度的變化趨勢(shì)）。

2014年9月23日11：33至24日14：58，對(duì)第138窟進(jìn)行了空氣溫濕度、氣流速度的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示：門下百葉窗的2號(hào)測(cè)點(diǎn)處氣流速度最大，甬道3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)處氣流速度依次減小，總體來說這三處風(fēng)速的變化趨勢(shì)相似;主室中8號(hào)測(cè)點(diǎn)僅在凌晨測(cè)到有風(fēng)，變化趨勢(shì)與2、3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)相似，持續(xù)時(shí)間短;主室內(nèi)5、6、7號(hào)測(cè)點(diǎn)基本未測(cè)到風(fēng)速。測(cè)點(diǎn)分布及測(cè)試結(jié)果見圖9—12。

總結(jié)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

洞窟入口處、前室、甬道及主室的氣流有以下規(guī)律：

1）窟內(nèi)外溫度基本為大氣溫度日間高于窟內(nèi)空氣溫度，夜間低于窟內(nèi)空氣溫度。洞窟內(nèi)的氣體流動(dòng)速度基本與窟內(nèi)外溫差呈正比，即溫差越大，氣流速度越大。

2）窟內(nèi)氣流速度在0.15—0.3m/s范圍間。

3）窟內(nèi)氣流速度與距窟門的距離呈反比，與空間截面積呈反比。即甬道較窟門通風(fēng)百葉窗處的氣流速度小，持續(xù)時(shí)間短;甬道較前室、主室氣流速度顯著。

4）夜間氣流分布具有特殊性：第172窟在夜間沒有測(cè)到氣流;第138窟窟內(nèi)外最大溫差夜間為4℃，日間為11℃，但夜間的氣體流動(dòng)更顯著。

在第172窟的測(cè)試中，窟外設(shè)置了測(cè)試垂直于窟門方向的氣流的測(cè)點(diǎn)（5號(hào)風(fēng)速傳感器）。圖13反映了5號(hào)風(fēng)速傳感器的測(cè)試結(jié)果。分析5號(hào)探頭及其與窟內(nèi)探頭的測(cè)試情況，對(duì)比圖8和圖13，發(fā)現(xiàn)窟內(nèi)無氣流的時(shí)間與5號(hào)探頭氣流較強(qiáng)的時(shí)間吻合。

由圖13可知，在0：00—9：00這段時(shí)間內(nèi)，窟外垂直于窟門方向有較為強(qiáng)烈的氣流，約為0.6m/s;其余時(shí)間窟外垂直于窟門方向的氣流較微弱，約為0.2m/s。垂直于窟門的氣流在夜間較白天顯著，且在夜間總體呈拋物線形狀。分析該氣流有可能是以下兩種：

1）窟前林帶與崖體溫差引起的林原風(fēng)。

2）氣象站數(shù)據(jù)表明窟前以南風(fēng)、北風(fēng)為主，平行于窟門，使窟前形成負(fù)壓，抽吸窟內(nèi)空氣向窟外流動(dòng)，形成自西向東的氣流。

但氣象風(fēng)速具有很強(qiáng)的不定性，測(cè)點(diǎn)分布應(yīng)該是隨意的，因此原因2）的可能性不大。

日間，受太陽輻射，崖體與窟前林帶的溫差形成由林帶吹向崖體的氣流;夜間長(zhǎng)波輻射形成由崖體吹向林帶的氣流。林原風(fēng)同樣與溫度相關(guān)，在日出、日落時(shí)刻崖體與林帶的溫差小時(shí)林園風(fēng)弱，在凌晨與正午溫差大時(shí)林原風(fēng)強(qiáng)，因此林園風(fēng)的可能性較大。

林原風(fēng)的存在有可能是引起夜間洞窟內(nèi)氣流產(chǎn)生特殊性的原因。

第138窟為早期木門（圖1），氣密性差。林原風(fēng)的滲透深度更深，位于主室的8號(hào)測(cè)點(diǎn)在夜間也監(jiān)測(cè)到短暫的氣流，且氣流速度分布與窟外5號(hào)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果相似（圖12）。

4 ?結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文在對(duì)熱壓通風(fēng)及林原風(fēng)理論分析的基礎(chǔ)上，分別對(duì)第131、138、172窟進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并得出以下結(jié)論：

1）洞窟內(nèi)外空氣交換是受熱壓、洞窟周邊環(huán)境的綜合作用的結(jié)果。

2）日間，門上通風(fēng)口及甬道內(nèi)的氣流速度分布范圍為0.15—0.3m/s，與窟內(nèi)外溫差呈正比，基本符合熱壓通風(fēng)的規(guī)律。

3）日間，窟內(nèi)氣流速度與測(cè)點(diǎn)深度呈反比，與空間截面積呈反比;主室內(nèi)始終未測(cè)到氣流。

4）夜間，洞窟內(nèi)氣流分布具有特殊性;在木門窗的第138窟主室測(cè)到受窟外環(huán)境影響的氣流。

4.2 展望

洞窟夜間氣流的特殊現(xiàn)象與窟外垂直于窟門的0.6m/s的氣流是否有直接關(guān)系仍待考證。學(xué)者利用恒含量示蹤氣體技術(shù)測(cè)量風(fēng)壓和熱壓分別獨(dú)立的兩間房子的空氣滲透，發(fā)現(xiàn)在低風(fēng)速（1.5m/s）下主壓力僅僅與熱壓相關(guān)[12];并且針對(duì)多種不同的窗子研究了熱壓和風(fēng)壓對(duì)流動(dòng)的影響，從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的換氣量數(shù)據(jù)中，得到通過開著的窗子的有效風(fēng)速的表達(dá)式[12]，同樣也證明0.6m/s的風(fēng)速對(duì)窟內(nèi)氣流影響很小，可以忽略不計(jì)。

但是實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，夜間在第172窟通風(fēng)確實(shí)被削弱，而在第138窟通風(fēng)則得到加強(qiáng)。需進(jìn)一步研究揭示夜間洞窟內(nèi)外空氣交換的原因，完善洞窟自然通風(fēng)物理模型，為減小降雨對(duì)洞窟微環(huán)境影響的保護(hù)措施打下理論基礎(chǔ)。

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