氣密展儲空間內(nèi)溫濕度穩(wěn)定性分析
——以秦始皇帝陵博物院內(nèi)氣密展柜為例

郭曉光，馬生濤，周華華，張愛華

(1． 天津森林科技股份有限公司，天津 300402； 2． 秦始皇帝陵博物院，陜西西安 710600)

0 引 言

做好文物預防性保護工作，關(guān)鍵在于控制好文物的保存環(huán)境。影響文物保存的因素很多，比如溫度、濕度、氧含量、光照等；其中，溫濕度是重要影響因素之一。例如木漆器，存放環(huán)境相對濕度過低，會造成器物的干裂和變形；相對濕度過高則造成腐朽和蟲害霉變等。濕度頻繁變化，會加速石質(zhì)、金屬等類型文物的老化。溫度變化則會引起文物的熱脹冷縮，溫度升高會加快老化速度，加速微生物對文物(尤其是有機質(zhì)文物)的腐蝕[2]。保持文物保存環(huán)境中溫濕度的穩(wěn)定性對保護文物安全非常重要，其關(guān)鍵是降低溫濕度波動，我國推薦的溫度日波動小于2 ℃，相對濕度日波動幅度應小于5%[3]。

文物展儲空間良好的氣密性能夠有效減緩外界環(huán)境溫濕度對文物展儲空間內(nèi)溫濕度的影響，長期維持空間內(nèi)環(huán)境濕度的穩(wěn)定性，增強濕度的可控性，有利于文物的長期預防性保護與儲藏[4-5]。為此，秦始皇帝陵博物院利用氣密展柜，在非調(diào)控狀態(tài)下，對氣密空間內(nèi)外的溫濕度進行了7個月的實時檢測。本工作旨在研究氣密展儲空間內(nèi)溫濕度的變化情況，為文物的長期“穩(wěn)定”展儲奠定理論與實踐基礎。

1 儀器與試驗

氣密展柜(CDZG-0.3LW型)，換氣率為0.02 d-1，天津森羅科技股份有限公司生產(chǎn)。Testo175H1溫濕度記錄儀兩個，展柜內(nèi)外各放一個，精度等級為：溫度±0.4 ℃(-20～+55 ℃)，相對濕度±2%(25 ℃)，數(shù)據(jù)均為瞬時值，采樣間隔為10 min。

將展柜置于秦始皇帝陵博物院的半地下庫房，溫濕度監(jiān)測從2017年3月30日開始，至2017年10月26日截止，中間未對展柜進行任何操作或移動。

2 結(jié)果與討論

2．1 從不同的季節(jié)看密封展柜內(nèi)溫濕度的變化

秦始皇帝陵博物院位于西安市，該市屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明：春季溫暖干燥；夏季炎熱多雨；秋季涼爽，氣溫速降，秋淋明顯；冬季寒冷，少雨雪。試驗展柜的溫濕度監(jiān)測歷經(jīng)春夏秋3個季節(jié)，用時將近7個月。在不同的季節(jié)，密封展柜內(nèi)外的濕度呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，為了便于分析博物館不同展陳環(huán)境條件下密封展柜內(nèi)的溫濕度變化，特選取4個有代表性的月份對展柜內(nèi)外的溫濕度數(shù)據(jù)進行匯總畫圖，詳見圖1～5。

注：四月上旬溫度下降有博物館停止供暖因素圖1 四月份展柜內(nèi)外溫濕度比較Fig.1 Comparison of internal and external humiture in April

四月份正值春季，溫度和濕度變化幅度均比較大，如圖1所示。西安春季空氣較為干燥，有時會出現(xiàn)濕度極低的情況，如第20日，柜外環(huán)境相對濕度由50%降至23%，如此劇烈的濕度變化對文物的保存是極為不利的。對比柜外濕度的劇烈波動柜內(nèi)濕度穩(wěn)定得多，當日柜內(nèi)濕度維持在53%左右，波動幅度低于1%。四月份柜外環(huán)境濕度波動范圍是22.8%～70.2%；柜內(nèi)濕度波動范圍47.6%～56.7%，日變化在5%以內(nèi)?？梢娒芊饪臻g能夠有效降低外界環(huán)境濕度的干擾，保持柜內(nèi)濕度穩(wěn)定性。

氣密展柜內(nèi)外濕度差距較大(例如圖1中第20天和第24天)，與柜內(nèi)外濕度變化的影響因素密切相關(guān)。氣密展柜與外界庫房的氣體交換緩慢，內(nèi)部的相對濕度波動主要由溫度波動引起，隨庫房內(nèi)的溫度變化而出現(xiàn)反向波動，在庫房溫度變化不大的情況下，相對濕度變化不會很大。柜外環(huán)境濕度則不同，不僅受溫度的影響，還受自然界中水分蒸發(fā)、空氣對流的影響，空氣濕度常常出現(xiàn)大幅波動，因此展柜內(nèi)外濕度偏差較大。通過對比，進一步證實氣密圍護結(jié)構(gòu)能有效減緩外界環(huán)境溫濕度對內(nèi)部濕度的影響。

圖2反映的是夏季展柜內(nèi)外的溫濕度變化情況，可以看到展柜內(nèi)外的溫度和濕度出現(xiàn)周期性的劇烈波動。這是由于展柜所在庫房配置空調(diào)，炎熱的夏季該庫房通過人工開啟和關(guān)閉空調(diào)控制溫濕度，下午閉館后空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)，圖3是第24天(即2017年7月23日，星期一)的溫濕度變化，從圖中可以看出工作人員上班期間(9∶00～17∶30)展柜外庫房溫度出現(xiàn)兩次明顯下降，在該段時間內(nèi)，庫房的濕度與溫度有相同的變化趨勢，即隨著室內(nèi)空調(diào)的開啟，溫度、濕度均明顯下降，而展柜內(nèi)溫度與外部環(huán)境變化趨勢一致，但是柜內(nèi)濕度與柜外變化不同，與溫度呈反向變化。庫房內(nèi)氣溫日變化最大5.0 ℃，相對濕度最大日變化為29.1%；展柜內(nèi)部溫度日變化最大3.7 ℃，相對濕度日變化最大9.2%?？梢娍照{(diào)晝夜間歇運行情況下，庫房內(nèi)溫濕度波動頻繁，日變化值比較大，密封展柜可以起到一定緩沖作用，但是由于溫度波動較大，濕度波動也比較明顯。

圖2 七月份展柜內(nèi)外溫濕度比較Fig.2 Comparison of internal and external humiture in July

圖3 2017年7月23日(周一)展柜內(nèi)外溫濕度比較Fig.3 Comparison of internal and external humitureon July 23， 2017 (Monday)

文物在某一溫度下有一緩慢適應過程，溫度的頻繁波動，會使文物頻繁熱脹冷縮而引起疲勞老化，溫度的波動還會引起濕度波動，不利于文物的保存[6]。根據(jù)圖中的波動周期可以看出，在周末非溫度調(diào)控時間段內(nèi)，庫房內(nèi)的溫度變化較為平穩(wěn)，展柜內(nèi)的溫度和濕度均是比較穩(wěn)定的。

從圖4可以看出，九月份雖然柜外濕度波動范圍較大，但由于溫度波動不大，柜內(nèi)濕度變化很小。其中環(huán)境溫度最大日變化為1.1 ℃，柜內(nèi)溫度最大日變化0.7 ℃，展柜內(nèi)相對濕度最大日變化為2.4%。對比九月份和七月份展柜內(nèi)外的溫濕度變化，說明控制好展儲空間環(huán)境或所在空間周圍的環(huán)境溫度，密封空間內(nèi)濕度將會維持在相對穩(wěn)定的水平。

圖4 九月份展柜內(nèi)外溫濕度比較Fig.4 Comparison of internal and external humiture in September

從圖5觀察十月份的溫濕度曲線，從第二天開始展柜內(nèi)部濕度出現(xiàn)較大幅度上升，此后柜內(nèi)濕度一直高于外界環(huán)境，且有較大差距。溫度曲線同樣是在第二天出現(xiàn)大幅的下降，直到第12天溫度趨于平穩(wěn)，且持續(xù)在較低水平。對比柜內(nèi)外濕度和同期溫度，不難看出柜內(nèi)相對濕度的上升是由溫度下降引起的。十月份柜外環(huán)境相對濕度平均值為70.9%，與九月份平均值74.9%相比，十月份柜外環(huán)境濕度平均值有所下降。由于環(huán)境溫度下降導致柜內(nèi)濕度相對上升，同時氣候原因造成環(huán)境濕度下降，進而導致柜內(nèi)外相對濕度相差懸殊。倘若展柜氣密性差，柜內(nèi)濕度與柜外濕度將會同步變化，不會長時間出現(xiàn)如此大的偏差。

圖5 十月份展柜內(nèi)外溫濕度比較Fig.5 Comparison of internal and external humiture in October

與四月份相比，在相同溫度下十月份展柜內(nèi)的相對濕度要高一些(例如，4月9日，展柜內(nèi)溫度18 ℃，柜內(nèi)相對濕度約為55%；10月11日，溫度同樣18 ℃時，相對濕度超過了85%)。十月份柜內(nèi)濕度較高，與經(jīng)歷了高溫高濕的夏季和秋淋天氣有關(guān)，展柜外環(huán)境濕度長期高于展柜內(nèi)部，長時間積累導致柜內(nèi)濕度有所升高。可見，即使是高密封展柜，若要長期保持濕度在一定范圍內(nèi)，也要采取必要的調(diào)控措施。

通過對以上幾個月氣密展柜內(nèi)外的溫濕度對比和分析，可歸納出以下幾點：

1) 從以上各個月份的溫濕度變化情況都可以看出，氣密展柜內(nèi)的溫度隨環(huán)境溫度的改變而改變，變化幅度較環(huán)境略??；展柜內(nèi)濕度變化主要受展柜內(nèi)的溫度影響，隨著溫度的改變呈反向變化，由于展柜內(nèi)的溫度是隨環(huán)境變化的，因而氣密展柜內(nèi)濕度波動是與環(huán)境溫度緊密相關(guān)的。

2) 從氣密展柜內(nèi)部九月份的平均濕度明顯高于四月份的平均濕度，以及十月中下旬的濕度變化可以看出，如果外界環(huán)境濕度長期高于或低于氣密展柜內(nèi)的濕度，展柜內(nèi)濕度會緩慢上升或下降。

3) 結(jié)合以上兩點，控制好所處環(huán)境的溫度，有利于減小氣密展柜內(nèi)的溫濕度波動；在外界環(huán)境總是高于或低于氣密展柜內(nèi)的適宜濕度時，若要維持氣密展柜內(nèi)的濕度在適宜范圍內(nèi)，對氣密展柜的濕度調(diào)控是必要的。

2．2 氣密展柜內(nèi)外溫濕度變化分析

為了更清楚地說明溫度和外部環(huán)境濕度對氣密展柜內(nèi)部相對濕度的影響，將試驗開始后，前40天(即2017-3-30 10∶40至2017-5-9 10∶30)實測數(shù)據(jù)與假設展柜完全密封狀態(tài)下柜內(nèi)理論相對濕度(即與環(huán)境無氣體交換的理想狀態(tài)下，根據(jù)Antoine公式計算出展柜內(nèi)部理論相對濕度隨柜內(nèi)溫度變化的曲線)的數(shù)據(jù)進行對比(圖6)。通過對實測值、理論值及外界環(huán)境濕度進行對比可以看出，柜外濕度(即環(huán)境濕度)波動最大，柜內(nèi)實際濕度與理論濕度波動相對較小，柜內(nèi)實際濕度與理論濕度變化趨勢基本一致。

圖6 試驗的前40 d相對濕度對比圖Fig.6 Comparison chart of relative humidity of the first 40 days of the experiment

對比展柜內(nèi)實際和理論相對濕度兩條曲線，可以發(fā)現(xiàn)以下兩點現(xiàn)象：第一，雖然整體變化趨勢一致，但在大部分時間段兩者差距會比較大(例如第1天至第3天)；第二，在40天內(nèi)因為溫度的變化，柜內(nèi)理論相對濕度的波動范圍是41.0%～66.0%，柜內(nèi)實際相對濕度變化范圍是40.3%～56.7%。

為了說明柜內(nèi)相對濕度與理論值之間差距大小變化的原因，計算出了同時間段展柜內(nèi)外的絕對濕度，繪制曲線如圖7所示，通過展柜內(nèi)外絕對濕度的變化曲線可以看出，展柜內(nèi)部絕對濕度隨柜外環(huán)境絕對濕度的變化有微小波動，但是柜內(nèi)變化比柜外小得多。柜外環(huán)境絕對濕度的變化范圍是3.82～13.16 g/m3，柜內(nèi)絕對濕度的變化范圍是8.03～9.40 g/m3。

露點與溫度的差值可以表示空氣中的水蒸氣距離飽和的程度。柜內(nèi)的露點溫度在8～11 ℃之間，柜外環(huán)境的露點的變化范圍是-2～16 ℃之間。如圖7，第33天柜外環(huán)境的濕度相對于露點是16 ℃，環(huán)境的實際溫度為21.1 ℃(柜內(nèi)20.7 ℃)，易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，而柜內(nèi)無此威脅。

由于展柜具有一定的氣密性，其內(nèi)部濕度較外部環(huán)境穩(wěn)定，主要隨柜內(nèi)溫度的變化而變化，但因其與外界環(huán)境仍存在一定氣體交換，致使展柜內(nèi)部濕度與理論值有所偏差。正如圖7所示，當展柜內(nèi)外濕度相差不大時，內(nèi)部的絕對濕度變化相對較?。画h(huán)境濕度與柜內(nèi)濕度相差較大時，柜內(nèi)絕對濕度變化隨之增大。相對濕度比理論值波動小的原因是柜內(nèi)與環(huán)境有限的氣體交換降低了溫度變化帶來的影響。展柜氣密性以及展柜內(nèi)外的濕度差均會對柜內(nèi)濕度的變化趨勢造成影響。

圖7 試驗的前40 d絕對濕度對比圖Fig.7 Comparison chart of absolute humidity of the first 40 days of the experiment

3 結(jié) 語

通過對秦始皇帝陵博物院內(nèi)氣密展柜內(nèi)外的溫濕度的數(shù)據(jù)分析表明：氣密展柜內(nèi)的溫度隨展柜所處環(huán)境的溫度變化而變化；氣密展柜內(nèi)的絕對濕度維持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)，相對濕度會隨展柜所處環(huán)境溫度的變化呈反向波動；氣密展柜內(nèi)相對濕度比較穩(wěn)定，受外界環(huán)境濕度干擾小。通過以上分析可以看出，采用氣密性良好的展柜，有助于維持氣密空間內(nèi)相對濕度的穩(wěn)定；另外，若氣密展柜所處環(huán)境的濕度長期偏高或偏低，可借助于必要的調(diào)控設施更好地維持其內(nèi)部濕度的穩(wěn)定性。