遺址博物館游客與文物環(huán)境調(diào)控模式研究

(1 西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院 西安 710049； 2 北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100044)

我國境內(nèi)遺址文物非常豐富，在氣候變化、環(huán)境污染及人類經(jīng)濟活動等影響下，很多遺址文物正遭受日益嚴重的污損，根據(jù)第三次全國文物普查結(jié)果，我國現(xiàn)存77萬處遺址文物中，保存狀況較差的占17.77%，保存狀況很差的占8.43%，每年消失的遺址達2000多處[1]。在遺址文物原址建立博物館可以有效緩解由風(fēng)吹、日曬、雨淋等自然危害導(dǎo)致的文物污損，是遺址文物保護的重要手段。但遺址博物館本身并不能完全解決由文物保存微環(huán)境所導(dǎo)致的文物本體風(fēng)化和病害問題，我國很多著名的遺址博物館，如秦始皇兵馬俑、漢陽陵博物館等均存在文物病害，這些病害的發(fā)生與遺址博物館文物保存環(huán)境控制不當(dāng)密切相關(guān)[2-3]。

利用空調(diào)系統(tǒng)對文物展廳進行環(huán)境控制是改善文物保存環(huán)境和提高游客熱舒適性的重要途徑，相關(guān)研究工作已經(jīng)廣泛開展。為了控制展陳文物與環(huán)境之間的熱濕平衡，B. Laura等[4]利用DOE軟件對文物展廳空調(diào)系統(tǒng)的溫濕度控制特性進行了分析，提出變風(fēng)量全空氣系統(tǒng)在環(huán)境控制精度及系統(tǒng)節(jié)能方面均具有優(yōu)勢，適于博物館展廳全年環(huán)境調(diào)控。2010年以后，博物館的環(huán)境調(diào)控開始重視系統(tǒng)運行能耗和系統(tǒng)優(yōu)化。 R.P. Kramer等[5]在綜合各種節(jié)能方法的基礎(chǔ)上，研究了文物保存環(huán)境的控制精度與系統(tǒng)運行能耗的關(guān)聯(lián)，研究表明通過優(yōu)化環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的參數(shù)控制范圍，可以在提高文物保存環(huán)境的同時實現(xiàn)77%節(jié)能。這些研究基本都是針對陳列式博物館環(huán)境控制，對于遺址博物館較少涉及。

遺址博物館具有開放式大空間建筑布局特點，文物與游客之間缺乏有效的隔離，導(dǎo)致環(huán)境調(diào)控還面臨著環(huán)境調(diào)控需求多樣化、保存環(huán)境包含土壤與空氣兩種介質(zhì)、環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)運行能耗高等問題。為了解決開放式遺址展廳游客與文物不同的環(huán)境需求，我國進行了很多探索并提出了很多解決方法，其中最直接的就是對展廳文物與游客區(qū)域進行物理空間分區(qū)，如漢陽陵遺址博物館的全封閉模式[6]，該方法適于新建的遺址博物館，對于已經(jīng)建成的遺址博物館推廣難度較大。針對兵馬俑和漢陽陵等葬坑結(jié)構(gòu)遺址文物環(huán)境調(diào)控需求，Luo Xilian等[7-8]提出采用空氣幕系統(tǒng)對文物區(qū)與游客區(qū)進行隔離調(diào)控，可以有效阻止大氣污染氣體進入文物保存區(qū)，但該方法溫濕度調(diào)控能力不足，且風(fēng)口送風(fēng)速度過大，易引起震動，對遺址本體產(chǎn)生不利影響；提出采用輻射毛細管對文物保存區(qū)域進行調(diào)控，研究表明該方法可以實現(xiàn)對文物保存局部區(qū)域的溫度精確調(diào)控，且具有運行能耗低、對文物區(qū)擾動小等優(yōu)點，但該方法仍存在不足：首先，文物保存區(qū)相對濕度高，當(dāng)冷水流過輻射末端時易在毛細管表面產(chǎn)生凝結(jié)水并流入文物保存區(qū)，對文物產(chǎn)生破壞；其次，輻射冷卻系統(tǒng)缺乏有效的通風(fēng)換氣，高濕文物保存環(huán)境內(nèi)易滋生霉菌，引起文物的生物病害。為了實現(xiàn)遺址文物保存環(huán)境“穩(wěn)定、潔凈”的綜合要求[9]，Luo Xilian等[10]進一步提出了利用置換通風(fēng)系統(tǒng)對文物保存區(qū)環(huán)境進行調(diào)控的思路，通過實驗研究了系統(tǒng)運行能耗及換氣量對調(diào)控性能的影響，取得了較好的實驗效果。

針對遺址博物館環(huán)境需求復(fù)雜，調(diào)控模式多樣化的問題，本文在置換通風(fēng)調(diào)控的基礎(chǔ)上，利用游客與文物兩者環(huán)境需求之間的熱力分層特性，提出文物區(qū)置換通風(fēng)系統(tǒng)與游客區(qū)舒適性空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)對游客區(qū)與文物保存區(qū)的分別調(diào)控，并通過搭建實驗系統(tǒng)對調(diào)控系統(tǒng)不同調(diào)控模式進行了實驗研究。

1 開放式遺址博物館的環(huán)境調(diào)控模式及分層調(diào)控原理

遺址博物館開放式展廳環(huán)境調(diào)控可能存在的模式包括：1)早期建設(shè)的遺址展廳，如兵馬俑1號坑展廳，文物區(qū)與游客區(qū)均沒有任何環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，主要依靠外窗自然通風(fēng)進行環(huán)境調(diào)控，如圖1(a)所示；2)近年來新建的遺址展廳，如兵馬俑百戲俑坑展廳，只有游客區(qū)安裝了空調(diào)調(diào)控系統(tǒng)，根據(jù)展廳對外開放時間運行，為游客提供熱舒適性環(huán)境，如圖1(b)所示；3)只對文物保存局部區(qū)域進行環(huán)境調(diào)控，系統(tǒng)全天24 h連續(xù)運行，該模式主要用于對早期建設(shè)的遺展廳進行改造，以滿足文物對環(huán)境的調(diào)控需求，如圖1(c)所示；4)同時對游客區(qū)與文物區(qū)環(huán)境進行分別調(diào)控，以滿足各自的需求，該模式主要用于今后新建遺址博物館，如圖1(d)所示。

模式1和模式2是目前遺址博物館環(huán)境調(diào)控中最常見的做法，但忽略了遺址文物對環(huán)境的需求，而模式3和模式4則可以滿足遺址文物預(yù)防性保護的需求，但這兩種模式都涉及開放大空間局部區(qū)域環(huán)境調(diào)控，需要滿足空間穩(wěn)定熱力分層特性。游客區(qū)與文物區(qū)的適宜環(huán)境調(diào)控參數(shù)不一致，以常見遺址博物館硅酸鹽類遺址文物(陶器、陶俑、磚瓦等)為例，根據(jù)《博物館建筑設(shè)計規(guī)范》[11]和《民用建筑供暖通風(fēng)與空調(diào)設(shè)計規(guī)范》[12]規(guī)范，游客和文物在夏季對環(huán)境的需求如表1所示，其中游客區(qū)由于屬于短期逗留區(qū)，因此游客區(qū)溫度可在表1所給參數(shù)的基礎(chǔ)上提高1～2 ℃。

表1 舒適性空調(diào)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)Tab.1 Indoor environment parameters of comfort air conditioning

圖1 遺址博物館展廳環(huán)境調(diào)控模式Fig.1 The environmental control model of the exhibition hall of the Ruins Museum

《博物館建筑設(shè)計規(guī)范》所提的文物適宜保存環(huán)境是針對空氣環(huán)境中保存的陳列式文物，不一定適用土壤-空氣耦合環(huán)境下保存的原位遺址文物。Luo Xilian等[8]從耦合環(huán)境平衡角度出發(fā)，提出應(yīng)將空氣溫度維持與土環(huán)境溫度接近，即約20 ℃，這與以上規(guī)范所提參考值一致。而相對濕度的選取則要考慮更多因素：1)從控制土遺址干裂病害發(fā)生角度，相對濕度(RH)應(yīng)該盡可能接近飽和狀態(tài)點，即RH=100%[3]；2)高相對濕度環(huán)境會促進土遺址表面霉菌和孢子的生長速度，當(dāng)環(huán)境RH>90%時生長速度十分迅速[13]，從控制霉菌病害的角度來說，應(yīng)該將RH控制在90%以下。本文綜合以上兩個方面，選取RH的控制范圍約為80%較為適宜。

雖然游客區(qū)與文物區(qū)的環(huán)境調(diào)控存在差異，但兩個環(huán)境需求之間存在穩(wěn)定熱分層分布規(guī)律：即文物保存的環(huán)境溫度<游客的熱舒適性環(huán)境溫度，且從空間分布上文物保存區(qū)平面高度也位于游客區(qū)地平面以下，這種特殊的空間熱力學(xué)分層特性為我們利用分層環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)對游客與文物保存環(huán)境進行分別調(diào)控提供了理論可行性。據(jù)此本文提出采用置換通風(fēng)系統(tǒng)對文物保存區(qū)微環(huán)境進行調(diào)控，并采用常規(guī)舒適性空調(diào)對游客區(qū)進行調(diào)控，實現(xiàn)不同區(qū)域的分別調(diào)控。

2 實驗系統(tǒng)

《中國文物古跡保護準(zhǔn)則》要求所有技術(shù)都必須經(jīng)過實驗測試證明有效，且對遺址文物的長期保存不產(chǎn)生損害，才能推廣使用[9]。由于博物館葬坑現(xiàn)場保存珍貴的遺址文物，無法在展廳內(nèi)直接開展環(huán)境調(diào)控模式實驗研究，本文借鑒博物館的大空間展示模式，在西安交通大學(xué)曲江校區(qū)搭建了展示廳實驗室，并參照博物館葬坑的幾何尺寸設(shè)計了實驗葬坑，基于該展示廳與實驗葬坑，進一步設(shè)計游客區(qū)與文物區(qū)環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。

圖2 置換通風(fēng)調(diào)控系統(tǒng)流程圖Fig.2 The flow chart of displacement ventilation control system

圖2(a)所示為實驗展廳環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)示意圖，文物區(qū)和游客區(qū)分別利用置換通風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)進行環(huán)境調(diào)控，圖2(b)所示為文物保存區(qū)置換通風(fēng)系統(tǒng)流程圖。整個系統(tǒng)由制冷機組、冷水管道系統(tǒng)、空氣處理系統(tǒng)、送回風(fēng)系統(tǒng)組成，其中送回風(fēng)系統(tǒng)由送風(fēng)靜壓箱、回風(fēng)口及循環(huán)風(fēng)管組成，送風(fēng)靜壓箱在長度、高度及厚度方向分別為2.5、0.7、0.2 m，背向坑壁的面加工成送風(fēng)孔板，孔口直徑為2 mm，開孔率為25%。送風(fēng)靜壓箱的作用主要是通過增加送風(fēng)口前管道的面積，將送風(fēng)動能轉(zhuǎn)化為壓能，提高送風(fēng)的均勻性。

實驗中對展廳空間溫濕度、葬坑內(nèi)微風(fēng)速進行了監(jiān)測記錄，傳感器位置如圖3所示。圖中T1～T5為溫濕度傳感器，采用TR-72Ui 溫濕度記錄儀，測量精度為±0.3 ℃，±5.0% RH，用于記錄葬坑中心位置溫濕度的垂直分布，以葬坑底部作為參考面，T1～T5傳感器布置高度分別為0.2、0.5、1.3、1.9、2.6 m。整個文物保存區(qū)(實驗葬坑)深度為2.0 m, T4布置高度為1.9 m，近似代表文物保存區(qū)與游客區(qū)的分界點；T5布置位置高于葬坑上方0.6 m處，代表游客區(qū)環(huán)境的溫濕度。Tav為布置在葬坑中心0.35 m高度處的微風(fēng)速測點，采用Swema03微風(fēng)速儀，測量精度為±0.03 m/s。圖3中陶質(zhì)磚為模擬文物，總長度為0.6 m，一半埋藏在土壤中，一半暴露在葬坑空氣中，Tr1、Tr2為嵌入方磚內(nèi)的溫度傳感器，離地表的距離均為0.25 m。Ts為埋藏深度為0.05 m的土壤測溫點，Tr1、Tr2和Ts的測試儀器均為康銅熱電偶，測量精度為±0.3 ℃。

圖3 傳感器位置圖Fig.3 Sensor position diagram

3 實驗工況及結(jié)果分析

針對博物館4種環(huán)境調(diào)控模式，本文設(shè)計了4個實驗工況進行實驗研究，如表2所示。

表2 實驗工況Tab.2 Experimental working conditions

以上4個實驗工況均在夏季7～8月份之間，屬于西安地區(qū)天氣最炎熱的月份。圖4所示為各實驗工況室外溫濕度參數(shù)分布，表3所示為各工況溫濕度參數(shù)的統(tǒng)計值，可知在4個工況運行期間，室外平均溫度均在30 ℃以上，最高溫度均超過36 ℃，且晝夜溫差較大，對遺址博物館文物保存帶來不利影響。此外在博物館對外開放期間(09∶00～18∶00)，4個工況室外平均溫度分別為36.5、34.2、31.6、33.6 ℃，均超過了游客的熱舒適性要求參數(shù)范圍(24～28 ℃)，因此有必要采取環(huán)境調(diào)控措施進一步改善游客區(qū)和文物區(qū)的熱舒適性。

3.1 實驗展廳內(nèi)溫濕度分布特征

圖5所示為4個工況下實驗展廳內(nèi)的溫度分布，表4所示為展廳溫度統(tǒng)計值。

實驗工況1中，整個展廳均處于自然通風(fēng)狀態(tài)，室內(nèi)溫度分布受室外環(huán)境影響大，呈現(xiàn)晝夜周期性波動，考慮到博物館對游客開放時間通常在09:00～18:00，在該段時間內(nèi)，游客區(qū)測點(T5)的溫度平均值高達36.5 ℃，遠超游客舒適性要求規(guī)定范圍。與此同時，模擬葬坑內(nèi)的溫度波動也較大，離葬坑底部文物最近的測點(T1)溫度波動值達3.0 ℃，遠遠超過文物保存環(huán)境推薦的波動值1.5 ℃[14]，且葬坑中心位置各測點的溫度值和波動值隨高度的升高而升高，受室外環(huán)境的影響增大。葬坑內(nèi)測點的平均溫度達到27.1 ℃，遠遠超過陜西地區(qū)室內(nèi)遺址土環(huán)境的溫度平均值20 ℃，表明遺址文物的土環(huán)境與空氣環(huán)境間存在很大溫差，會加速遺址文物土環(huán)境的失水而引起文物病害。

圖4 室外溫濕度參數(shù)分布Fig.4 The distribution of temperature and relative humidity for outdoor environment

表3 各工況下室外溫濕度環(huán)境的統(tǒng)計值Tab.3 Statistical value of outdoor temperature and humidity environment under various working conditions

實驗工況2中，游客區(qū)的環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)在博物館對外開放時間內(nèi)定期運行，在對外開放周期內(nèi)，游客區(qū)(T5)的溫度平均值為26.6 ℃，在游客熱舒適性要求的參數(shù)范圍(24～28 ℃)內(nèi)，實現(xiàn)了對游客區(qū)環(huán)境的調(diào)控。同時，由于游客區(qū)環(huán)境溫度波動值減少，模擬葬坑內(nèi)的環(huán)境也得到了有效改善，葬坑平均溫度降至24 ℃。雖然在游客區(qū)環(huán)境進行調(diào)控的模式下，葬坑內(nèi)的環(huán)境測點的平均值和波動值也大幅降低，但葬坑平均溫度離實現(xiàn)遺址文物土環(huán)境與空氣環(huán)境平衡的目標(biāo)值20 ℃還存在較大差距，需要進一步對文物環(huán)境進行調(diào)控。

實驗工況3中，采用置換通風(fēng)系統(tǒng)僅對文物保存區(qū)進行環(huán)境調(diào)控，且系統(tǒng)全天24 h連續(xù)運行。該運行模式下，游客區(qū)環(huán)境基本不受環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的影響，呈現(xiàn)晝夜周期性波動；而葬坑內(nèi)的平均溫度為21.6 ℃，且坑底區(qū)域靠近土環(huán)境處測點(T1)的空氣溫度平均值為20.5 ℃，基本滿足了文物的適宜保存溫度要求。

實驗工況4中，游客區(qū)與文物環(huán)境分別采用舒適性空調(diào)系統(tǒng)和置換通風(fēng)系統(tǒng)進行調(diào)控，該調(diào)控模式下，游客區(qū)的環(huán)境(T5)溫度平均值為25.6 ℃，達到了游客熱舒適性要求，同時，在置換通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)控作用下模擬葬坑內(nèi)的平均溫度進一步降至21.5 ℃，且坑底區(qū)域靠近土環(huán)境處測點(T1)的空氣溫度平均值為20.4 ℃，十分接近調(diào)控目標(biāo)溫度20 ℃，近似實現(xiàn)了土環(huán)境與空氣環(huán)境之間的平衡。

圖5 實驗展廳內(nèi)溫度分布Fig.5 The distribution of temperature in the laboratory exhibition hall

工況文物保存區(qū)/℃游客區(qū)/℃T—1T—2T—3T—4T—1-4ΔT1ΔT2ΔT3ΔT4T—5ΔT5124.026.528.229.627.13.04.26.28.231.311.3222.723.624.425.424.01.51.82.63.326.62.1320.521.421.922.821.61.62.13.23.728.59.5420.421.321.722.521.51.41.62.43.125.63.4

圖6所示為各工況實驗展廳內(nèi)相對濕度分布，表5所示為相對濕度統(tǒng)計值?？傮w上，相對濕度的分布特性與溫度分布特性相似，呈現(xiàn)晝夜周期性波動。在工況1和工況2兩種工況下，由于葬坑區(qū)域缺乏有效的通風(fēng)措施，在土壤水分蒸發(fā)的影響下，靠近坑底土環(huán)境界面處(T1)空氣特別潮濕，RH>90%，尤其在工況2中平均RH達到98%，雖然高濕環(huán)境有利于降低土遺址水分的蒸發(fā)，但同時會加快霉菌的生長。對比發(fā)現(xiàn)采用置換通風(fēng)系統(tǒng)的工況3和工況4，模擬坑內(nèi)平均RH分別為77%和81%，基本達到了RH設(shè)定范圍80%～90%。由圖6可知，在工況1和工況2中，文物區(qū)內(nèi)垂直方向RH變化較大，測點T1和測點T4的平均RH差值分別為25.4%和29.3%，而采取置換通風(fēng)調(diào)控系統(tǒng)的工況3和工況4文物區(qū)RH的垂直差值分別為6.9%和7.8%，即置換通風(fēng)系統(tǒng)能有效的提高文物區(qū)相對濕度的均勻性。對比發(fā)現(xiàn)，工況1和工況3在博物館對外開放期間(09∶00～18∶00)，位于游客區(qū)的測點(T5)的RH表現(xiàn)為先減小后增大，波動值分別達到20%和21%，與游客區(qū)采取空調(diào)措施的工況2和工況4相比，RH的波動明顯降低，即空調(diào)系統(tǒng)有效改善了開館期間游客區(qū)相對濕度的穩(wěn)定性。

圖6 實驗展廳內(nèi)相對濕度分布Fig.6 The distribution of relative humidity in the laboratory exhibition hall

表5 展示廳內(nèi)相對濕度統(tǒng)計值Tab.5 The relative humidity statistics of the exhibition hall

綜上所述，由于游客與文物之間的熱環(huán)境需求存在分層特性，即游客的熱屬性要求所對應(yīng)的溫度>文物適宜保存環(huán)境對應(yīng)的溫度，因此，利用分層調(diào)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對兩個區(qū)域的獨立調(diào)控。

3.2 文物保存區(qū)風(fēng)速分布特性

風(fēng)速對文物的主要影響表現(xiàn)在隨著風(fēng)速提高，將加速土環(huán)境-空氣環(huán)境界面之間的水分與能量遷移，導(dǎo)致干裂病害發(fā)生。目前各國并沒有針對土遺址文物的適宜風(fēng)速給出推薦范圍，若參考陳列式博物館的保存環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，則要求環(huán)境風(fēng)速≤0.15 m/s[15]。圖7所示為4個調(diào)控模式下，文物保存區(qū)0.35 m高度處(圖3中測點Tav)的風(fēng)速U(m/s) 分布，表6所示為各工況的統(tǒng)計值。由圖7和表6可以看出，對坑內(nèi)采用置換通風(fēng)系統(tǒng)的工況3和工況4，其風(fēng)速雖然高于其他工況，但平均值只有0.033 m/s和0.032 m/s，遠低于文物保存環(huán)境的容許值0.15 m/s。這主要是因為本文在文物區(qū)所采用的送風(fēng)口為孔板送風(fēng)口，風(fēng)口有效送風(fēng)面積相對較大。從風(fēng)速分布區(qū)統(tǒng)計值可知，本文提出的置換通風(fēng)系統(tǒng)，雖然會提高文物區(qū)的空氣流速，但影響幅度很小，游客區(qū)與文物區(qū)耦合調(diào)控模式可以在同時滿足兩個區(qū)域的環(huán)境需求情況下，給文物區(qū)帶來的擾動可忽略不計。

圖7 不同工況下模擬葬坑文物區(qū)風(fēng)速分布Fig.7 Wind speed distribution in simulated burial pit cultural relics under different working conditions

工況最大風(fēng)速Umax/(m/s)平均風(fēng)速Uavg/(m/s)10.1360.02320.0170.00530.1210.03540.1530.032

3.3 土壤-空氣耦合環(huán)境的平衡性能分析

遺址博物館原址展出的遺址文物由于并未脫離原來埋藏的土環(huán)境，其賦存環(huán)境是土壤-空氣耦合環(huán)境(如圖8所示)，兩環(huán)境介質(zhì)間的平衡是實現(xiàn)遺址文物妥善保存的關(guān)鍵，也是遺址文物賦存環(huán)境調(diào)控的目標(biāo)。為了獲得遺址文物土壤-空氣耦合保存環(huán)境的平衡性能，本文選擇土壤空氣界面下0.05 m深度處土環(huán)境與界面上0.2 m高空氣環(huán)境間的溫差(ΔT= |Ts-T1|)以及文物本體埋藏在土壤中部分溫度與暴露在空氣中部分的溫差(ΔTr=|Tr1-Tr2|作為保存環(huán)境平衡指標(biāo)進行分析。當(dāng)不同環(huán)境介質(zhì)及文物本體不同部位間的溫差越小，表明土壤-空氣耦合保存環(huán)境更接近平衡狀態(tài)，由環(huán)境參數(shù)波動與不均勻所引起的文物本體老化及水鹽遷移會得到有效緩解。

圖8 遺址文物土壤-空氣耦合環(huán)境Fig.8 Soil air coupled environment of relics of ruins

表7所示為各實驗工況下土壤-空氣界面兩側(cè)環(huán)境間的溫差統(tǒng)計。在工況1自然通風(fēng)模式下，遺址文物兩個環(huán)境介質(zhì)間存在較大的溫差，ΔT=2.6 ℃，并且由于空氣溫度波動受氣溫變化影響較大，因此溫差波動也較大。在工況2游客區(qū)環(huán)境單獨調(diào)控時，兩個環(huán)境介質(zhì)間的溫差逐步減小，從工況1的2.6 ℃降至1.3 ℃，降低50%，主要是因為空氣環(huán)境溫度降低所致。在工況3中僅開啟了文物保存區(qū)的環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，兩環(huán)境介質(zhì)間的溫差為0.67 ℃，較工況2降低了48%，進一步當(dāng)在工況4中文物保存區(qū)與游客區(qū)的環(huán)境耦合調(diào)控系統(tǒng)開啟之后，兩個保存環(huán)境介質(zhì)間的溫差降至0.4 ℃，土環(huán)境與空氣環(huán)境基本達到了平衡。

表8所示為埋藏在實驗葬坑里的模擬文物不同部位間的溫差統(tǒng)計值。在工況1自然通風(fēng)模式下，文物不同部位的平均溫差為3.4 ℃，表明存在較大的不平衡溫差，自然通風(fēng)調(diào)控模式無法保證遺址文物本體的熱平衡。當(dāng)游客區(qū)環(huán)境溫度進行調(diào)控后，由于展示廳內(nèi)空氣溫度平均值降低，文物本體溫差降低了29%至2.4 ℃，但該溫差依然較大，表明文物本體不同部位間沒有達到平衡，存在“腳冷頭熱”現(xiàn)象，不利于文物的保存。而在工況3中遺址區(qū)局部環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)運行后，溫差相比自然通風(fēng)降低了76%至0.81 ℃，有效改善了遺址文物不同部位間的溫度均勻分布。當(dāng)工況4開啟文物-游客區(qū)耦合環(huán)境調(diào)控模式時，文物本體溫差低至0.7 ℃，主要是該運行模式實現(xiàn)了文物-游客區(qū)分層調(diào)控的目的，使文物區(qū)的置換通風(fēng)系統(tǒng)較工況3發(fā)揮了更好的效果，更加有利于文物的保存。

表7 各工況下土壤-空氣耦合環(huán)境界面溫差統(tǒng)計值Tab.7 Temperature difference between soil air coupled environment under different working conditions

表8 遺址文物埋藏在土壤中部分與暴露在空氣中部分溫差統(tǒng)計值Tab.8 Part of the temperature difference between the buried part of the historical relics buried in the soil and the exposed air

4 結(jié)論

參照遺址博物館環(huán)境調(diào)控的現(xiàn)狀及需求，本文以陜西地區(qū)葬坑類遺址博物館夏季調(diào)控需求為研究對象，通過實驗對比研究了整個遺址展示廳處于自然通風(fēng)、游客區(qū)單獨環(huán)境調(diào)控，文物區(qū)局部環(huán)境調(diào)控及游客區(qū)-文物區(qū)調(diào)控4種運行模式，結(jié)果表明：

1)在炎熱的夏季，我國早期建設(shè)的遺址展示廳采用的自然通風(fēng)方式既不能滿足游客的熱舒適性要求，也不能滿足文物保存環(huán)境需求。在該調(diào)控模式下，展廳內(nèi)環(huán)境參數(shù)受室外環(huán)境影響較大，文物區(qū)平均溫度為27.1 ℃，空氣-土壤兩環(huán)境介質(zhì)間的溫差為2.6 ℃，文物本體不同部位間的溫差為3.4 ℃，將嚴重威脅文物的妥善保存，同時開館期間游客區(qū)的平均溫度為36.5 ℃，不滿足游客的熱舒適性要求。

2)游客區(qū)單獨調(diào)控模式雖然可以滿足游客的熱舒適性要求，也可以降低外部環(huán)境對文物保存區(qū)的影響，但整體上文物保存區(qū)還存在較大的溫度波動，且遺址文物土壤-空氣環(huán)境處于不平衡狀態(tài)下，無法滿足遺址文物的保存需求。

3)置換通風(fēng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)對文物保存環(huán)境的獨立調(diào)控，且置換通風(fēng)與游客區(qū)舒適性空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合的游客-文物區(qū)調(diào)控模式，可以同時滿足游客熱舒適性與文物保存環(huán)境需求，還可以降低文物保存環(huán)境調(diào)控的能耗，為我國開放式遺址展廳環(huán)境調(diào)控提供可行解決方法。