基于文物熱安全度的文物保護(hù)環(huán)境控制研究

張鏡心

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040)

1 前言

博物館是一個城市，乃至一個國家的文化符號，承載了豐富的國家歷史和文化內(nèi)涵，作為文物最為主要的儲存地之一，做好相應(yīng)的文物保護(hù)工作必然是重中之重[1]。

當(dāng)前保護(hù)文物最基本且最有效的途徑就是給文物提供一個適宜的保存環(huán)境[2]，如溫度、相對濕度、風(fēng)速、光照這些對文物有著重要影響的環(huán)境因素就是重點(diǎn)關(guān)注對象，通過空調(diào)控制手段，可為文物創(chuàng)造出一個非常合適的保存環(huán)境，避免文物由于被侵蝕而遭受損害，達(dá)到長期保護(hù)的目的[3]。但在這個科技發(fā)展迅速且能源消耗巨大的社會，對博物館文物保護(hù)和管理的要求也在逐步提高。為此，本文提出了一種可對博物館文物保護(hù)、空調(diào)節(jié)能進(jìn)行科學(xué)評估的文物熱安全度，并以北京市某博物館的文物展廳為研究對象，對展廳內(nèi)文物環(huán)境與系統(tǒng)耗能進(jìn)行了分析研究。

2 文物熱安全度

2.1 文物熱安全度的提出

現(xiàn)行規(guī)范對文物保護(hù)環(huán)境的控制溫度就是文物周圍的環(huán)境溫度，傳統(tǒng)的博物館微環(huán)境控制系統(tǒng)也沒有考慮到燈光輻射溫度和空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)速對文物溫度的影響，環(huán)境溫度與文物表面的溫度還是存在著較大的差異，以環(huán)境溫度為空調(diào)系統(tǒng)的控制參數(shù)對文物保護(hù)環(huán)境來說并不準(zhǔn)確。針對這一問題，本文提出了文物熱安全度，可真正反映文物本身溫度且以此衡量文物的熱安全，它受環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速和輻射四種指標(biāo)對文物溫度的綜合影響。

文物熱安全度(Tgw)計算公式和方法與人體體感溫度完全相同，具體計算公式如下:

式中，Tgw為文物熱安全度(℃)；Taw為環(huán)境干球溫度(℃)；Trw為輻射作用對熱安全度的修正(℃)；Tuw為濕度對熱安全度的修正(℃)；Tvw為風(fēng)速對熱安全度的修正(℃)，展柜內(nèi)文物可忽略不計。

2.2 文物熱安全度的分析

在沒有外窗的室內(nèi)，燈光是重要的環(huán)境影響因素之一，其所具備的能量，會產(chǎn)生一定的熱輻射反應(yīng)[4]。如果文物長時間暴露在光的照射之下，室內(nèi)環(huán)境溫度可能還處于適宜的范圍，但由于熱輻射對文物的直接作用，文物表面溫度會隨之增加或產(chǎn)生波動[5]，這可能會導(dǎo)致文物的熱安全度超標(biāo)或大幅度波動，進(jìn)而加速文物發(fā)生物理或者化學(xué)變化，使文物產(chǎn)生變色、氧化等不利的影響。

建設(shè)部2015年發(fā)布的《博物館建筑設(shè)計規(guī)范》[6]46除了在第十章規(guī)定了博物館陳列展覽區(qū)的室內(nèi)空氣設(shè)計計算參數(shù)，如:夏季舒適區(qū)的溫度范圍為25～27℃，相對濕度范圍為45%～60%外，還明確規(guī)定了文物所處環(huán)境的溫度需控制在16～22℃，相對濕度控制在40%～60%，同時由于溫濕度的波動對文物有著很大的破壞，因此溫度的波動一般不能超過±1.0℃，相對濕度的波動不超過±5.0%[7]。而規(guī)范中的文物環(huán)境控制范圍即為附加上濕度、輻射、風(fēng)速對文物溫度影響后的文物熱安全度的控制范圍，且波動須≤±1.0℃。

3 測試實驗

3.1 測試對象

本研究選取北京市某博物館的文物展廳(見圖1)作為研究對象。該展廳共陳列出土文物70余件，建筑面積約809 m2，采用中央空調(diào)的形式提供適宜的室內(nèi)環(huán)境。

圖1 博物館外觀

3.2 測試內(nèi)容

測試實驗的時間為2021年7月2～4日的上午時間段，實驗儀器采用分體式數(shù)字溫濕度計、熱敏式風(fēng)速風(fēng)量計和熱度指數(shù)計，分別測量溫度、相對濕度、風(fēng)速和黑球溫度。現(xiàn)場測試根據(jù)展廳空間規(guī)模和文物布置特點(diǎn)選擇展柜周邊測點(diǎn)共33個，測量各測點(diǎn)在不同時間段的各項環(huán)境參數(shù)。本文以代表性時間7月4日的測試結(jié)果為例，進(jìn)行分析研究，其中，室內(nèi)風(fēng)速測試數(shù)據(jù)較小，本文不予研究。

3.3 測試結(jié)果

3.3.1 干、黑球溫度測試的結(jié)果分析

由圖2可知，同一時間段展廳內(nèi)不同測點(diǎn)溫度波動范圍在±1℃以內(nèi)，但室內(nèi)干球溫度維持在21.8～22.4℃之間，低于《博物館建筑設(shè)計規(guī)范》[6]46的夏季展覽區(qū)溫度設(shè)計參數(shù)25～27℃，這降低了室內(nèi)參觀人員舒適度，還增加了空調(diào)系統(tǒng)的能源消耗。

圖2 展廳干、黑球溫度的各測點(diǎn)分布

此外，室內(nèi)黑球溫度在22～23.1℃之間波動，大多測點(diǎn)的黑球溫度tg均比干球溫度taw高，最大差值為1℃，說明燈光作為博物館內(nèi)主要的熱輻射源對文物熱安全度起著非常重要的影響。

3.3.2 相對濕度測試的結(jié)果分析

圖3是展廳內(nèi)各測點(diǎn)相對濕度的變化圖，該廳內(nèi)各測點(diǎn)相對濕度波動較為穩(wěn)定，波動僅在±2.3%之內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國內(nèi)外公認(rèn)的相對濕度±5%波動要求。但相對濕度維持在65.7%～68%之間，超過了《博物館建筑設(shè)計規(guī)范》[6]46夏季展覽區(qū)相對濕度的設(shè)計參數(shù)45%～60%的上限，濕度太高容易滋生微生物及病蟲害，對于書畫、卷軸類的文物保存十分不利，而且，一般認(rèn)為人體最適宜的相對濕度為50%～60%[8]，因此，該文物展廳的相對濕度偏高，對文物安全保護(hù)與人員舒適度的影響都是不利的，還有待改善。

圖3 展廳相對濕度的各測點(diǎn)分布

3.3.3 文物熱安全度計算的結(jié)果分析

本研究基于測試展廳內(nèi)的室內(nèi)干球溫度、黑球溫度、相對濕度和風(fēng)速各參數(shù)的值，以確定Taw、Trw、Tuw、Tvw，進(jìn)而得到文物的熱安全度Tgw。

圖4即為展廳內(nèi)各測點(diǎn)的文物熱安全度分布圖，整體文物熱安全度處于22.14～23.28℃，不滿足文物熱安全度的所要求的控制范圍16～22℃，且波動值最大為1.14℃，說明該展廳環(huán)境的控制對文物保護(hù)是不夠的。

圖4 展廳熱安全度的各測點(diǎn)分布

測試期間7月4日，由于該日的黑球溫度和室內(nèi)相對濕度均較高，對熱安全度的影響較大，使得環(huán)境溫度大多處于規(guī)范要求的文物環(huán)境溫度控制范圍內(nèi)，但文物熱安全度卻超出了該范圍?？梢姡原h(huán)境干球溫度作為空調(diào)控制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對文物保護(hù)是不準(zhǔn)確的。而且，展廳內(nèi)熱安全度的波動相較于環(huán)境溫度更大，忽冷忽熱對文物的熱脹冷縮和衰變問題的影響也相應(yīng)較大[9]。

4 文物熱安全度指標(biāo)用于智能空調(diào)的節(jié)能性分析

傳統(tǒng)文物環(huán)境智能控制方法是以文物周圍環(huán)境的溫濕度參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)，將測得的參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而智能地調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組或設(shè)備的運(yùn)行情況[10]。根據(jù)前述研究可知，室內(nèi)環(huán)境中的光照等輻射溫度對文物造成的影響不可忽視，將文物熱安全度指標(biāo)用于智能空調(diào)控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)對文物安全的高精度調(diào)控和節(jié)能性運(yùn)維。

研究對展廳內(nèi)文物周圍環(huán)境的干球溫度、黑球溫度、相對濕度和風(fēng)速進(jìn)行了連續(xù)3.5 h的測試，每隔15 min測取一組數(shù)據(jù)。本文以典型的某測點(diǎn)為例，將11個時間點(diǎn)的干球溫度、黑球溫度和文物熱安全度的數(shù)據(jù)繪制如圖5所示。

圖5 某測點(diǎn)溫度逐時變化分布

如圖5所示，室內(nèi)測點(diǎn)的文物熱安全度均大于干球溫度，差值均大于1℃，最大可達(dá)1.97℃。據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)局統(tǒng)計資料表明，如果在夏季溫度值上調(diào)1℃，將減少9%的能耗[11]，因此，將文物熱安全度作為智能空調(diào)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[12]，本展廳將平均減少約17.73%的能耗。

5 結(jié)論

結(jié)合博物館環(huán)境調(diào)控現(xiàn)狀及要求，本文以北京市某博物館的夏季文物展廳環(huán)境為研究對象，通過測試實驗對比研究了整個展廳在中央智能空調(diào)調(diào)控下的室內(nèi)干球溫度、相對濕度、文物熱安全度，結(jié)果表明:

(1)當(dāng)展廳內(nèi)環(huán)境溫度處于規(guī)范要求的文物保存環(huán)境溫度需控制范圍內(nèi)時，由于室內(nèi)燈光等熱輻射效應(yīng)的影響，會出現(xiàn)文物熱安全度不滿足控制要求的情況，而且環(huán)境溫度波動較小的時候，文物熱安全度未必也小，因此，以環(huán)境溫度作為智能空調(diào)的控制參數(shù)是不合理的。而將文物熱安全度引入到智能空調(diào)中，并作為基礎(chǔ)調(diào)控參數(shù)，一方面，可有效減少空調(diào)調(diào)控的波動，這不僅有利于文物的高精度保護(hù)，避免文物溫度的起伏，而且溫差調(diào)節(jié)區(qū)間的縮小還可降低能耗。另一方面，文物熱安全度較干球溫度更高，相當(dāng)于提高了空調(diào)系統(tǒng)的溫度設(shè)計參數(shù)，這將更進(jìn)一步實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

(2)展廳內(nèi)環(huán)境溫度較低，不滿足《博物館建筑設(shè)計規(guī)范》[6]46的夏季展覽區(qū)溫度設(shè)計參數(shù)的要求。這是因為展廳內(nèi)人員與文物微環(huán)境均由中央空調(diào)集中控制，為保證文物安全，室內(nèi)溫度控制較低，但測試結(jié)果卻是文物保護(hù)環(huán)境沒有得到保證，人體舒適度也降低了，還造成了大量的能源浪費(fèi)。因此，本文建議博物館內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)該分區(qū)進(jìn)行控制，展廳內(nèi)的大環(huán)境溫濕度應(yīng)放寬要求，以滿足人體舒適度為主，而保證文物安全所需溫濕度則靠展柜內(nèi)加裝微環(huán)境的恒溫恒濕設(shè)備來局部調(diào)控，這是最行之有效的兼顧文物安全、人員舒適和低碳節(jié)能的智能空調(diào)控制系統(tǒng)模式[13]。

(3)燈光對文物的影響是不可忽視的，長期照射會對光敏文物材料造成褪色、老化等輻照損傷，尤其對字畫、染色絲綢、彩繪陶器等顏色非常豐富的光敏性文物損傷巨大，不利文物安全[14]，光源選擇要嚴(yán)格遵循博物館設(shè)計的照明標(biāo)準(zhǔn)，盡量減少燈光對文物的輻射強(qiáng)度。

(4)展廳內(nèi)相對濕度波動較小，但是廳內(nèi)濕度較高依然也是不利于文物安全的，會給文物帶來蟲、霉、銹蝕等潛在危機(jī)。因此，該展廳需要根據(jù)實際情況進(jìn)行降濕處理，將調(diào)控的目標(biāo)值降低至文物安全保存的限值內(nèi)。

本文提出的將文物熱安全度應(yīng)用于博物館智能空調(diào)系統(tǒng)，以保證文物熱安全為原則，可在高精度要求下保證文物保護(hù)的環(huán)境舒適和系統(tǒng)運(yùn)維的低碳節(jié)能，通過測試實驗證明該方法具有可行性，值得在博物館設(shè)計中大力推廣、借鑒和應(yīng)用，具有較大的社會、經(jīng)濟(jì)效益[15]。