博物館庫房環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討與實(shí)踐

李 凱 （南京金宸建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 南京 210036）

0 前言

我國文物古籍保護(hù)事業(yè)起步和發(fā)展明顯晚于發(fā)達(dá)國家，在文物保護(hù)領(lǐng)域沒有良好科學(xué)的保護(hù)經(jīng)驗(yàn)積累和沉淀，但是，隨著近幾年我國文博事業(yè)的發(fā)展，博物館建筑和建筑內(nèi)環(huán)境的設(shè)計(jì)和控制越來越受到廣大專業(yè)人員的重視。博物館庫房作為文物保存的重要場所，對環(huán)境有著復(fù)雜而嚴(yán)格的要求，庫房內(nèi)環(huán)境不合理會造成文物的腐蝕、衰變等不可逆損失，因此如何設(shè)計(jì)并控制博物館庫房環(huán)境成了博物館建筑設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。

1 現(xiàn)狀分析

目前，大多博物館庫房采用中央空調(diào)及簡單的恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組，來滿足庫房內(nèi)存放文物時(shí)所需最基本溫濕度的要求。該系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)大環(huán)境區(qū)域溫度的單一調(diào)節(jié)，濕度往往達(dá)不到目標(biāo)要求，且忽略或未認(rèn)知到文物保護(hù)的差異化和更完善化，無形中影響了因文物種類區(qū)別所對待文物保護(hù)的完整性和壽命。

2 溫濕度環(huán)境的差異化分析

庫房內(nèi)環(huán)境溫濕度的變化對文物保存狀態(tài)有著直接的影響，更為重要的是，不同種類的文物對于空氣溫濕度的要求存在明顯的差異。

《博物館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ66-2015）中對種類不同文物存放環(huán)境的明確規(guī)定：設(shè)置空氣調(diào)節(jié)設(shè)備的藏品庫房，冬季溫度不應(yīng)低于10℃，夏季溫度不應(yīng)高于26℃，相對濕度應(yīng)保持基本穩(wěn)定，并根據(jù)藏品材質(zhì)類別確定參數(shù)，推薦值參照表1。

博物館藏品保存環(huán)境溫度、相對濕度標(biāo)準(zhǔn) 表1

3 工程案例

3.1 工程概況

南京某博物館是一座綜合性歷史藝術(shù)類博物館，1978年該博物館正式掛牌，它不僅以豐富的文物、文獻(xiàn)資料及研究成果為基礎(chǔ)，展示該地區(qū)在中國各個(gè)歷史發(fā)展階段的發(fā)展的軌跡，還擔(dān)負(fù)著該地區(qū)的地下遺址和古墓葬的考古發(fā)掘調(diào)查，文物的保護(hù)、藏品的征集與保管等功能。該博物館環(huán)境參數(shù)具體見表2。

3.2 博物館庫房環(huán)境控制系統(tǒng)要求

根據(jù)規(guī)范要求，針對文物存放庫區(qū)所存放文物種類的不同，及各種類文物對環(huán)境溫濕度不同的環(huán)境保存要求的差異性，對文物存放庫房區(qū)采用高精度控制的溫濕度控制系統(tǒng)，提供給文物存放庫房區(qū)科學(xué)的、合理的、優(yōu)質(zhì)的環(huán)境溫濕度。

環(huán)境參數(shù)表 表2

3.3 恒溫恒濕空調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)異性分析

與傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)相比，博物館庫房專用恒溫恒濕空調(diào)，為博物館文物庫房量身定制，具有以下優(yōu)異性。

3.3.1 多重技術(shù)保障系統(tǒng)的溫濕度精準(zhǔn)和穩(wěn)定（圖1、圖2）

圖1 相對濕度隨時(shí)間變化曲線對比圖（目標(biāo)濕度50%）

圖2 溫度隨時(shí)間變化曲線對比圖（目標(biāo)溫度20℃）

①溫濕度獨(dú)立控制技術(shù)精準(zhǔn)控濕控溫。

傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)采用一套制冷系統(tǒng)，當(dāng)需要升溫除濕的時(shí)候，需要用制冷系統(tǒng)來除濕，同時(shí)通過電加熱來升溫，用高品位的電能來加熱，不節(jié)能；當(dāng)需要降溫除濕的時(shí)候，根據(jù)熱負(fù)荷與濕負(fù)荷的比例，采用熱濕比線送風(fēng)，此時(shí)往往只能保證溫度或者濕度中的一個(gè)，難以同時(shí)控制溫濕度。

溫濕度獨(dú)立控制技術(shù)，可以在需要升溫除濕的時(shí)候，只運(yùn)行用于除濕的制冷系統(tǒng)，經(jīng)蒸發(fā)器除濕后的送風(fēng)又經(jīng)過冷凝器來升溫，相當(dāng)于利用此系統(tǒng)本身設(shè)備的發(fā)熱量來升溫，不足的熱量再用電加熱來補(bǔ)充，節(jié)能環(huán)保；在需要降溫除濕的時(shí)候，一套制冷系統(tǒng)用來降溫，另一套制冷系統(tǒng)用來除濕，可同時(shí)精準(zhǔn)控制溫濕度，使溫濕度恒定保持在所需范圍內(nèi)。

②數(shù)碼除濕降溫技術(shù)使?jié)穸群蜏囟雀泳_穩(wěn)定。

傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)采用開停雙位控制，濕度或溫度達(dá)到上限值時(shí)開機(jī)，達(dá)到下限值時(shí)停機(jī)，這樣溫濕度波動(dòng)較大。

本系統(tǒng)采用數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)，實(shí)行時(shí)間數(shù)碼控制。在除濕時(shí)，根據(jù)濕負(fù)荷的大小及時(shí)進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，使除濕能力的輸出與濕度偏離值相匹配，確保濕度恒定保持在設(shè)定范圍內(nèi)，此技術(shù)可使?jié)穸炔▌?dòng)量比傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)減少35%以上；在降溫時(shí)，根據(jù)熱負(fù)荷的大小及時(shí)進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，使降溫能力的輸出與溫度偏離值相匹配，確保溫度恒定保持在設(shè)定范圍內(nèi)，此技術(shù)可使溫度波動(dòng)量比傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)減少25%以上。

③風(fēng)機(jī)變頻控制技術(shù)使除濕能力更強(qiáng)。

傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)采用定速風(fēng)機(jī)，風(fēng)量不能隨負(fù)荷變化而變化，當(dāng)設(shè)備環(huán)境溫度較高時(shí)，表冷器溫度可能達(dá)不到露點(diǎn)溫度以下，無法進(jìn)行除濕。此時(shí)制冷量主要用于顯熱，會降低溫度，為保持溫度的恒定需開電加熱來補(bǔ)償，因此耗能巨大且除濕效果差。

采用變頻風(fēng)機(jī)技術(shù)，可通過調(diào)節(jié)風(fēng)量來控制表冷器的溫度，使該溫度始終處于露點(diǎn)溫度以下，即使在低濕度的環(huán)境中依然有很強(qiáng)的除濕能力。此時(shí)制冷量主要用于潛熱，對溫度影響較小，電加熱只需微微補(bǔ)償即可，既節(jié)能又增強(qiáng)了除濕能力。

④電加熱PID調(diào)節(jié)技術(shù)使溫度更精準(zhǔn)。

傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)的電加熱采用開停雙位控制，制熱量不能調(diào)節(jié)，溫度波動(dòng)較大，溫度的變化又會帶來濕度較大的波動(dòng)。且電加熱管表面溫度非常高，有火災(zāi)隱患，安全性低。

加熱器采用PID調(diào)節(jié)，隨負(fù)荷大小精確調(diào)節(jié)制熱量的大小，當(dāng)溫度偏差小時(shí)，制熱量可以精確地一點(diǎn)點(diǎn)微調(diào)節(jié)，當(dāng)溫度偏差大時(shí)，制熱量可以快速響應(yīng)，快速調(diào)節(jié)，使溫度盡快回到目標(biāo)溫度，從而保證溫度恒定波動(dòng)小，溫度的恒定為濕度的恒定奠定了基礎(chǔ)，避免了濕度隨溫度的變化而變化。為了更加安全，本系統(tǒng)采用PTC半導(dǎo)體加熱器，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)電阻急劇增大，避免加熱器表面溫度過高，使加熱器表面始終處于大多數(shù)可燃物的著火點(diǎn)溫度以下。結(jié)合溫控保護(hù)器的使用，大大提高了加熱器的安全性。

3.3.2 多重技術(shù)保障系統(tǒng)的節(jié)能和安全

①純水超聲波加濕技術(shù)更節(jié)能、更安全。

傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)一般采用電極或者電熱式加濕，需要將水加熱至沸騰狀態(tài)，耗電量巨大，且運(yùn)行中溫度高、電流大容易有安全隱患，且電極式加濕需要用水來導(dǎo)電，不能采用純水，水中的礦物離子會隨風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入庫房內(nèi)部，落在文物表面，容易污染文物，水桶中經(jīng)常結(jié)垢，結(jié)垢后影響加濕效率，甚至喪失加濕能力，水桶需要經(jīng)常拆卸清洗，維護(hù)非常不便。

純水超聲波加濕技術(shù)，水在常溫下直接霧化，不產(chǎn)生高溫，且耗電量很小，連傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)電極或者電熱式加濕功率的1/10都不到，運(yùn)行中電流較小，可采用低電壓供電，非常安全。采用干凈的純水，無礦物離子，永不生垢，也不會對文物造成污染，水箱維護(hù)保養(yǎng)周期長，管理方便。

②多重安全保護(hù)技術(shù)使庫房文物更安全。

電壓保護(hù)、電流保護(hù)、相序保護(hù)、高壓壓力保護(hù)、低壓壓力保護(hù)、漏水檢測、冷凝器高溫保護(hù)、蒸發(fā)器結(jié)冰保護(hù)、排氣高溫保護(hù)、缺水保護(hù)、溢水保護(hù)、濕度過高保護(hù)、濕度過低保護(hù)等，全面保障恒溫恒濕空調(diào)的正常運(yùn)行。

③高效過濾凈化技術(shù)。

高效過濾凈化裝置，大體量的活性炭可對文物散發(fā)的各種有害氣體進(jìn)行吸附凈化，此過程是純物理凈化，不會產(chǎn)生其他有害物質(zhì)，也不產(chǎn)生反應(yīng)熱，非常安全有效，配合無紡布進(jìn)行過濾，不會有炭灰吹出，可以使文物庫房保持干凈清新的空氣，改善人員工作環(huán)境。

3.3.3 物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)使運(yùn)行管理變得簡單高效

無線傳感裝置可以把庫房內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，并自動(dòng)記錄、自動(dòng)保存，并有一定的數(shù)據(jù)分析功能，可通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)查看文物庫房內(nèi)的溫濕度，也可調(diào)出歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、分析，可直接生成各種溫濕度曲線，界面更加友好、更加直觀，溫濕度數(shù)據(jù)一目了然。

4 結(jié)束語

博物館庫房環(huán)境無線監(jiān)測及物聯(lián)網(wǎng)式恒溫恒濕控制系統(tǒng)作為博物館設(shè)計(jì)的重要組成部分，在室內(nèi)空氣的溫濕度、潔凈度、速度及噪聲控制方面，都有著比傳統(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)更強(qiáng)的針對性和技術(shù)優(yōu)勢，能較好的保障文物保存質(zhì)量并延長文物保存時(shí)間。