博物館文物環(huán)境溫濕度調(diào)控手段效果初探

□金紫琳 周羿辰 孟元亮 李倩

博物館展廳，是博物館向公眾展示其所藏的重要場(chǎng)所， 不同于庫房相對(duì)較為穩(wěn)定的環(huán)境，展廳環(huán)境因展陳氛圍營造、參觀人流等客觀因素的影響變得比較復(fù)雜[1]。 為了最大限度延緩環(huán)境對(duì)文物本體的破壞、延長(zhǎng)文物壽命，需要對(duì)展出文物的展柜微環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。 在全部環(huán)境因素中，溫度和濕度是尤為重要的兩個(gè)因素，它們之間相互影響、相互作用，并會(huì)對(duì)其他物理、化學(xué)、生物作用產(chǎn)生影響，有時(shí)甚至發(fā)揮決定作用[2-3]，因此，微環(huán)境的溫濕度狀況直接影響文物的保存。 由于沒有一種理想的展柜能夠完全控制展柜內(nèi)微環(huán)境的溫濕度處于適宜狀態(tài)，博物館會(huì)通過控制展廳大環(huán)境和展柜內(nèi)微環(huán)境兩種方式使展柜維持合適的溫濕度。

對(duì)于多數(shù)博物館，展廳大環(huán)境的溫濕度主要依靠中央空調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。中央空調(diào)一般采用“溫控+監(jiān)控”的方式調(diào)節(jié)，這對(duì)展廳內(nèi)溫濕度控制、調(diào)節(jié)有良好的效果。 中央空調(diào)為組合式空調(diào)箱集中送風(fēng)，可以控制、調(diào)節(jié)空調(diào)箱送風(fēng)口的溫濕度。 另外，再配備加熱段、電熱加濕器，用于加濕或除濕。 同時(shí)，為保證空調(diào)能夠及時(shí)感知及調(diào)節(jié)溫濕度，一般在展廳出風(fēng)口及回風(fēng)口處裝有溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)控。 對(duì)展品環(huán)境溫濕度要求嚴(yán)格的博物館，還會(huì)為文物展柜配備恒濕機(jī)，用于調(diào)節(jié)展柜內(nèi)文物所處微環(huán)境濕度。 恒濕機(jī)一般安裝在展柜下層，能夠設(shè)置目標(biāo)濕度參數(shù)，在不影響文物的展覽效果的同時(shí)將展柜內(nèi)濕度維持在合適條件[1,4]。

為了解博物館常用環(huán)境溫濕度調(diào)控手段的實(shí)際效果， 我們對(duì)中央空調(diào)和恒濕機(jī)這兩種手段的調(diào)控能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。 由于展廳是博物館向公眾開放的場(chǎng)所， 因此實(shí)驗(yàn)受到多種影響因素的限制， 其中尤為突出的一條是不能影響文物安全和游客參觀體驗(yàn)。 針對(duì)這一難題，此次研究，我們采取較短時(shí)間啟用和不啟用調(diào)控措施， 在不影響展覽的情況下， 獲得了不同調(diào)控手段作用下溫濕度的變化情況， 并通過研究實(shí)驗(yàn)期間溫濕度的變化規(guī)律，揭示了調(diào)控手段的實(shí)際效用，為文物環(huán)境溫濕度精細(xì)化調(diào)控決策提供了科學(xué)依據(jù)。

一、實(shí)驗(yàn)與儀器

（一）研究對(duì)象

此次研究，以陜西歷史博物館“唐墓壁畫珍品館”展廳文物的溫濕度作為研究對(duì)象，以展廳中的兩臺(tái)文物展柜——展柜A、 展柜B 微環(huán)境的溫濕度作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。 監(jiān)測(cè)的展柜A 位于展廳中部，展柜B 位于展廳出口處。 （圖1）

圖1 展柜A、展柜B 位置示意圖

展廳中安裝的中央空調(diào)，用于控制展廳溫濕度從而調(diào)節(jié)展柜微環(huán)境溫濕度。 中央空調(diào)采用組合式空調(diào)箱集中送風(fēng)，能夠直接調(diào)節(jié)溫度。 此外，空調(diào)組合風(fēng)柜內(nèi)安裝有加濕系統(tǒng)， 系統(tǒng)感應(yīng)到展廳環(huán)境濕度較低時(shí)能夠自動(dòng)開啟， 增加展廳環(huán)境濕度使之達(dá)到目標(biāo)值。 中央空調(diào)出于壽命和節(jié)約能源考慮， 設(shè)置為分時(shí)段開關(guān)， 每日打開時(shí)間為02:00—06:00、08:00—12:00、14:00—18:00、20:00—24:00，其余時(shí)間中央空調(diào)關(guān)閉。 一年中，中央空調(diào)會(huì)根據(jù)室外大氣環(huán)境情況設(shè)定送風(fēng)口溫濕度目標(biāo)值，一般冬季空調(diào)送風(fēng)口目標(biāo)值為溫度22℃、濕度55%。

文物展柜內(nèi)安裝的恒濕機(jī)，用于調(diào)節(jié)展柜微環(huán)境濕度。 根據(jù)文物展柜大小，安裝1～8 臺(tái)不等數(shù)量的恒濕機(jī)。 恒濕機(jī)設(shè)定濕度目標(biāo)值為（50±5）%。 恒濕機(jī)通過工作人員定期加水或排水來維持環(huán)境濕度的穩(wěn)定，展柜內(nèi)濕度低時(shí)恒濕機(jī)增加濕度，濕度高時(shí)恒濕機(jī)降低濕度。

（二）監(jiān)測(cè)儀器

溫濕度監(jiān)測(cè)儀器， 選用元智公司的室內(nèi)型大氣溫濕度監(jiān)測(cè)儀。

1.儀器測(cè)量數(shù)據(jù)范圍

（1）溫度。

測(cè)量范圍：-20℃～+70℃；

分辨率：0.01℃；

測(cè)量精度：±0.3℃(15℃～30℃)，±0.6℃(-20℃～50℃)。

（2）濕度。

測(cè)量范圍：0～100 %RH；

分辨率：0.05%RH；

測(cè)量精度：±2%RH（40%RH～80%RH），±4%RH（0～40%RH & 80%RH～98%RH）。

2.儀器測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)間

儀器測(cè)量數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為20 秒。

（三）實(shí)驗(yàn)方法

出于文物安全和游客參觀的考慮， 結(jié)合實(shí)際因素，此實(shí)驗(yàn)設(shè)定同時(shí)開啟中央空調(diào)和除濕機(jī)、同時(shí)關(guān)閉中央空調(diào)和恒濕機(jī)、 中央空調(diào)開啟除濕機(jī)關(guān)閉三種情況，分析其中展柜溫濕度的變化情況。在時(shí)間的選擇上， 為了減少游客參觀和西安市大氣環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響， 選取旅游淡季同時(shí)又是西安市大氣環(huán)境變化不大的23 天， 即12 月6 日至12 月27 日作為研究時(shí)段。2020 年12 月6 日0 時(shí)至12 月11 日17 時(shí)第一時(shí)段內(nèi)，中央空調(diào)和恒濕機(jī)開啟；2020 年12 月11 日17 時(shí)至12 月15 日9時(shí)第二時(shí)段內(nèi)， 中央空調(diào)和恒濕機(jī)關(guān)閉；2020 年12 月15 日9 時(shí)至12 月23 日10 時(shí)第三時(shí)段內(nèi)，中央空調(diào)開啟， 恒濕機(jī)關(guān)閉；2020 年12 月23 日10 時(shí)至12 月27 日24 時(shí)第四時(shí)段內(nèi)， 中央空調(diào)和展柜下方恒濕機(jī)開啟。

由于博物館每周一閉館，周二至周日開放，故需要對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)段內(nèi)開放和閉館期間的環(huán)境影響因素進(jìn)行探討。分析發(fā)現(xiàn)區(qū)別是：開放期間展廳大門打開，有游客參觀，但實(shí)驗(yàn)期間是旅游淡季，游客數(shù)量很少； 閉館期間展廳大門關(guān)閉， 沒有游客參觀，但在7 日、14 日、21 日這3 天，有工作人員在展廳進(jìn)行檢查和設(shè)備更換工作。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）溫濕度變化情況

根據(jù)展柜A、展柜B 溫濕度變化曲線圖（圖2，圖3），可以得知：

第一時(shí)段，中央空調(diào)和恒濕機(jī)均開啟，展柜A、 展柜B 溫濕度變化呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)， 溫度波動(dòng)與濕度波動(dòng)趨勢(shì)相反。

第二時(shí)段，中央空調(diào)和恒濕機(jī)均關(guān)閉，起初展柜A、展柜B 溫濕度還能維持與第一時(shí)段大體相同的波動(dòng)，約48 小時(shí)之后，兩個(gè)展柜內(nèi)溫濕度大幅度下降，溫濕度迅速降低，這與西安市冬季溫度低、濕度低的氣象環(huán)境相符。 出于保護(hù)文物和維持展廳適宜參觀環(huán)境的考慮， 無法將空調(diào)、恒濕機(jī)都關(guān)閉的情況持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，但可以從曲線下降的趨勢(shì)判斷， 若繼續(xù)關(guān)閉空調(diào)和恒濕機(jī)，溫濕度會(huì)繼續(xù)降低直至數(shù)值穩(wěn)定。

第三時(shí)段，中央空調(diào)開啟、恒濕機(jī)關(guān)閉，展柜A、展柜B 溫度逐漸上升，并且恢復(fù)周期性波動(dòng)，一段時(shí)間后，溫濕度逐漸穩(wěn)定。

第四時(shí)段，保持中央空調(diào)繼續(xù)開啟，打開恒濕機(jī)，展柜A、展柜B 溫濕度與第三時(shí)段相比變化幅度不大。

圖2、圖3 中，最明顯的特征是：4 個(gè)時(shí)段中，兩個(gè)展柜溫濕度在兩種調(diào)控措施都關(guān)閉的第二時(shí)段變化最大，在慣性維持短時(shí)間相近于之前的波動(dòng)后，出現(xiàn)溫度、濕度明顯大幅度下降的情況， 其余三個(gè)時(shí)段溫濕度基本呈現(xiàn)著周期性的波動(dòng)。 這表明，關(guān)閉兩種調(diào)控措施后，溫濕度會(huì)出現(xiàn)極不穩(wěn)定、 受外界大氣環(huán)境影響劇烈變化的情況， 調(diào)控措施的啟用對(duì)于維持展柜溫濕度的穩(wěn)定起到顯著效果。

此外，對(duì)比圖2、圖3 溫度曲線和濕度曲線，發(fā)現(xiàn)溫度值兩者比較接近， 濕度值展柜A 明顯低于展柜B。 展柜A、展柜B 的溫濕度變化范圍，如表1 所示。

表1 展柜A、展柜B 溫濕度變化范圍

（二）調(diào)控手段效果分析

為了解展柜A、展柜B 溫濕度的差異情況，我們對(duì)各個(gè)時(shí)段兩個(gè)展柜溫濕度的平均值進(jìn)行了計(jì)算（表2）。從表2 中可以發(fā)現(xiàn)：展柜A 和展柜B 溫度差值不大、約在0.5℃；濕度差值較大，濕度差約為7%。 此情況，與兩個(gè)展柜溫濕度曲線圖（圖2，圖3）反映出的濕度曲線數(shù)值相差大的情況相符。這表明， 雖然有空調(diào)和恒濕機(jī)兩種調(diào)控手段用于調(diào)節(jié)展柜的溫濕度， 但不同位置的展柜內(nèi)微環(huán)境溫濕度存在差異，甚至存在濕度相差較大的情況，空調(diào)和恒濕機(jī)開啟和關(guān)閉都不影響兩個(gè)展柜間的濕度差，產(chǎn)生濕度差異的原因與展柜的位置、展柜附近設(shè)施等有關(guān)。

圖2 展柜A 溫濕度變化曲線圖

圖3 展柜B 溫濕度變化曲線圖

表2 展柜A、展柜B 溫濕度平均值表

在兩個(gè)展柜濕度相差較大的情況下， 這里探討兩種調(diào)控手段啟用能否維持展柜中的文物處于合適的溫濕度條件。國家科技支撐計(jì)劃課題“館藏文物保存環(huán)境應(yīng)用技術(shù)研究” 對(duì)溫濕度控制目標(biāo)提出了“適宜、穩(wěn)定”的準(zhǔn)則，“適宜”要根據(jù)文物長(zhǎng)期保存環(huán)境中的溫濕度指標(biāo)來定， 通常指溫濕度在一個(gè)沒有對(duì)文物保存不利的、 并且文物已經(jīng)平衡適應(yīng)的指標(biāo)，“穩(wěn)定”是指溫濕度在“適宜”條件下波動(dòng)要小[5-7]。 首先，針對(duì)此次研究對(duì)象，研究在兩種調(diào)控手段都啟用的情況下， 其是否滿足 “適宜”條件。 國家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)壁畫類文物的推薦溫度為18℃～22℃，推薦濕度為45%～65%[8-9]。 表1 中，兩個(gè)展柜的溫度和濕度處于推薦溫濕度范圍內(nèi)，表明兩個(gè)展柜溫濕度均符合“適宜”的溫濕度調(diào)控指標(biāo)。 從中可以看出，對(duì)于不同文物，甚至是同一展廳的不同文物，雖然其濕度值相差較大，但只要是其已經(jīng)平衡適應(yīng)的、對(duì)它保存無不利影響的濕度，均可以稱為各自“適宜”的濕度。 其次，針對(duì)此次研究對(duì)象， 研究在兩種調(diào)控手段都啟用的情況下，其是否滿足“穩(wěn)定”條件，即研究溫濕度波動(dòng)情況。 根據(jù)ASHRAE-2007 美國采暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì)的文物溫濕度波動(dòng)范圍要求， 溫濕度波動(dòng)有兩層指標(biāo)，分別為“理想范圍”和“可接受范圍”，“理想范圍”為±2℃，±5%，“可接受范圍”設(shè)定為±5℃，±10%。 分析兩種調(diào)控措施都啟用時(shí)，即第一時(shí)段溫濕度的波動(dòng)范圍，結(jié)果如表3。

表3 第一時(shí)段展柜A、展柜B 溫濕度波動(dòng)范圍

從表3 可以看出： 兩個(gè)展柜溫濕度均滿足并且優(yōu)于“理想范圍”，實(shí)際的波動(dòng)范圍為±0.9℃，±0.9%，滿足“穩(wěn)定”的要求。 這表明，在中央空調(diào)和恒濕機(jī)都開啟的情況下， 展廳的溫濕度調(diào)控達(dá)到“穩(wěn)定”的溫濕度調(diào)控目標(biāo)。因此，在兩種調(diào)控手段都啟用的情況下， 展廳中不同位置的兩個(gè)展柜溫濕度均處于“適宜、穩(wěn)定”的溫濕度條件下。

為了更直觀地對(duì)比開啟空調(diào)、恒濕機(jī)和關(guān)閉空調(diào)、恒濕機(jī)兩種情況下溫濕度的波動(dòng)情況，我們繪制了第一時(shí)段和第二時(shí)段的溫濕度分布散點(diǎn)圖進(jìn)行對(duì)比。（圖4）在通常的溫濕度評(píng)價(jià)中，人們往往會(huì)把溫度和濕度分開評(píng)價(jià)，人為割裂了溫濕度間的耦合性[6]，而“溫濕度分布散點(diǎn)圖”把濕度作為橫坐標(biāo)，溫度作為縱坐標(biāo)，橫縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)能夠準(zhǔn)確反映每個(gè)時(shí)刻測(cè)得的溫濕度，通過散點(diǎn)的聚集程度能準(zhǔn)確反映該時(shí)段溫濕度的穩(wěn)定程度。從圖4 可以直觀地看出：第一時(shí)段的溫濕度數(shù)據(jù)更集中，溫濕度波動(dòng)相對(duì)??；第二時(shí)段溫濕度數(shù)據(jù)更分散，溫濕度波動(dòng)更大。 這表明，打開空調(diào)和恒濕機(jī)對(duì)于維持展柜內(nèi)溫濕度穩(wěn)定有明顯效果。

圖4 展柜A、展柜B 不同時(shí)段溫濕度分布散點(diǎn)圖

（三）兩種措施調(diào)控能力對(duì)比

查看圖2、圖3“溫濕度曲線圖”，可對(duì)比中央空調(diào)和恒濕機(jī)兩種調(diào)控措施各自的調(diào)控能力。 從圖2、圖3 中可以看出：第二時(shí)段、第三時(shí)段對(duì)比表明，僅在中央空調(diào)開啟的情況下，溫濕度就能回歸大體正常的波動(dòng)范圍。 第三時(shí)段、第四時(shí)段對(duì)比表明，當(dāng)溫濕度在中央空調(diào)下已經(jīng)開始規(guī)律波動(dòng)時(shí)，再打開恒濕機(jī)，濕度變化幅度較小，從而溫度變化幅度也較小，這表明單獨(dú)使用中央空調(diào)就有較好的調(diào)控效果。 展柜A 第三時(shí)段后期，濕度維持在49.5%左右， 展柜B 第三時(shí)段后期，濕度維持在57.5%左右，由于恒濕機(jī)設(shè)定濕度參數(shù)為（50±5）%，因此第四時(shí)段打開恒濕機(jī)后，展柜A 濕度出現(xiàn)緩慢上升， 展柜B 濕度出現(xiàn)緩慢下降， 兩個(gè)展柜的濕度都更趨近于恒濕機(jī)的設(shè)定參數(shù)，這說明恒濕機(jī)起到了一定的濕度調(diào)節(jié)作用。

在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)中央空調(diào)和恒濕機(jī)均開啟即日常調(diào)控狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，我們選取第一時(shí)段中的12 月7日作研究，并繪制了“展柜A 溫濕度24 小時(shí)變化曲線圖（12 月7 日）”（圖5）。 分析展柜A 溫濕度數(shù)據(jù)變化情況，可以得出展柜內(nèi)溫濕度圍繞一個(gè)平衡指標(biāo)進(jìn)行頻繁波動(dòng)的結(jié)論。 這種波動(dòng)，與中央空調(diào)開啟時(shí)間（02:00—06:00、08:00—12:00、14:00—18:00、20:00—24:00）有關(guān)，表現(xiàn)為：中央空調(diào)開啟，溫度逐漸升高；中央空調(diào)關(guān)閉，溫度逐漸降低，同時(shí)濕度與溫度呈現(xiàn)相反的波動(dòng)。 這表明，在兩種措施都啟用的情況下，展柜內(nèi)溫濕度受中央空調(diào)影響極大。結(jié)合前文所述，僅啟用中央空調(diào)一種調(diào)節(jié)方式就能把展柜溫濕度維持在一個(gè)比較正常的情況，說明雖然兩種調(diào)控措施都有效果，但中央空調(diào)的調(diào)控作用對(duì)調(diào)控效果起到主導(dǎo)作用。 因此，在實(shí)際工作中，如受到經(jīng)費(fèi)等限制時(shí)，需要優(yōu)先保證中央空調(diào)的正常使用。

圖5 展柜A 溫濕度24 小時(shí)變化曲線圖（12 月7 日）

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)中央空調(diào)和恒濕機(jī)均開啟即日常調(diào)控狀態(tài)下溫濕度的變化情況，我們還繪制了“展柜B溫濕度48 小時(shí)變化曲線圖”（圖6）。分析研究“展柜B 溫濕度48 小時(shí)變化曲線圖”，可以發(fā)現(xiàn)展柜B 日常的波動(dòng)呈規(guī)律性：大體上，9 時(shí)左右，濕度逐漸升高， 至13 時(shí)左右達(dá)到最高后開始下降。 下降至17時(shí)30 分左右，溫度與濕度的變化大體相反。 由此可以看出，展柜B 的波動(dòng)規(guī)律與展柜A 不同，與展廳每天開關(guān)時(shí)間（9 時(shí)開放，17 時(shí)30 分關(guān)閉）關(guān)系更大。 此外，實(shí)驗(yàn)中我們還繪制了第三時(shí)段“展柜B 溫濕度變化曲線圖”（圖7）。 圖上，用陰影部分標(biāo)出每天的9 時(shí)至17 時(shí)30 分，周一展廳不對(duì)外開放用橙色陰影表示， 周二至周日對(duì)外開放用藍(lán)色陰影表示。 通過圖7，可以發(fā)現(xiàn)：展廳在周二到周日的開放期間，展柜B 溫濕度的變化情況大體一致，但周一展廳不對(duì)外開放期間展柜B 溫濕度變化極小。 究其原因，是因?yàn)橹芤浑m然有工作人員出入，但展廳大門多數(shù)時(shí)間處于關(guān)閉的狀態(tài)。 這表明，與空調(diào)的開關(guān)情況相比，展柜B 由于位于展廳出口處，溫濕度波動(dòng)情況受展廳出口大門開關(guān)的影響更大。 以上現(xiàn)象說明，展柜內(nèi)溫濕度雖然受中央空調(diào)調(diào)控的作用制約，但不同的展柜由于位置等因素的影響，中央空調(diào)對(duì)其調(diào)控作用存在著顯見的差別。

圖6 展柜B 溫濕度48 小時(shí)變化曲線圖（12 月9—10 日）

圖7 第三時(shí)段展柜B 溫濕度變化曲線圖

三、結(jié)論

通過對(duì)展廳中兩個(gè)展柜文物環(huán)境溫濕度變化情況分析，得出以下結(jié)論：

調(diào)控措施對(duì)于文物所處環(huán)境溫濕度穩(wěn)定具有很重要的作用。 關(guān)閉中央空調(diào)和恒濕機(jī)后， 溫濕度會(huì)出現(xiàn)極不穩(wěn)定、 受外界大氣環(huán)境影響而變化的情況。 打開中央空調(diào)和恒濕機(jī)， 溫濕度能達(dá)到“適宜”“穩(wěn)定”的目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)期間兩個(gè)展柜內(nèi)的溫濕度數(shù)值均在國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的范圍內(nèi)，溫濕度波動(dòng)也很小。

在中央空調(diào)和恒濕機(jī)的作用下， 不同位置展柜的溫度、濕度存在著差異。調(diào)控措施啟用、 不啟用都不改變這種差異。這種差異，是由于展廳面積大、 不同展柜位置不同、 展柜附近設(shè)施不同等因素導(dǎo)致。 展柜A 和展柜B 溫度差值不大， 約在0.5℃；濕度差值較大，約為7%。

中央空調(diào)和恒濕機(jī)都有一定的溫濕度調(diào)控作用，但中央空調(diào)的調(diào)控對(duì)調(diào)控效果起主導(dǎo)作用。在實(shí)際工作中，如受到經(jīng)費(fèi)等限制時(shí)， 需要注意優(yōu)先保證中央空調(diào)的正常使用。

中央空調(diào)設(shè)定為分時(shí)段開關(guān)。 展柜A 位于展廳中部， 溫濕度變化規(guī)律與中央空調(diào)間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)相關(guān)；中央空調(diào)開啟，溫度升高，濕度降低；中央空調(diào)關(guān)閉，溫度降低，濕度升高。 展柜B 由于離展廳出口較近， 波動(dòng)規(guī)律與展廳大門的開關(guān)時(shí)間關(guān)系更密切，大門關(guān)閉，溫濕度波動(dòng)減小。這說明，文物所處微環(huán)境溫濕度變化規(guī)律雖然與空調(diào)開關(guān)有關(guān)聯(lián)，但不同的展柜由于位置等其他因素影響，中央空調(diào)對(duì)其調(diào)控作用存在著顯見的差別。