美術(shù)館類建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境的研究

侯書新 郝學(xué)軍 李 銳

(北京建筑工程學(xué)院，北京 100044)

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境的要求也在不斷提高，室內(nèi)環(huán)境的優(yōu)劣直接影響到人們工作生活的質(zhì)量。舒適性空調(diào)系統(tǒng)的室內(nèi)要求滿足人體對(duì)溫度濕度的舒適度感覺(jué)，而美術(shù)館類建筑室內(nèi)除了要求滿足人體的舒適度，還要滿足各種美術(shù)作品對(duì)溫濕度的要求。

1 室內(nèi)熱濕環(huán)境的概念

室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)是室內(nèi)空氣品質(zhì)、舒適度、噪聲、照明、社會(huì)心理壓力、工作壓力、工作區(qū)背景等因素對(duì)室內(nèi)人員生理和心理上的單獨(dú)和綜合的作用［1］。其中的舒適度是指室內(nèi)熱濕環(huán)境的舒適度，影響人體熱舒適的熱濕環(huán)境參數(shù)主要有四個(gè):空氣溫度、氣流速度、空氣的相對(duì)濕度和平均輻射溫度;人的自身參數(shù)有兩個(gè):衣服熱阻和勞動(dòng)強(qiáng)度［2］。通常用空氣溫度、相對(duì)濕度和氣流速度三個(gè)參數(shù)來(lái)衡量空調(diào)室內(nèi)熱濕環(huán)境的舒適度。

人體通過(guò)自身的熱平衡條件和感覺(jué)到的環(huán)境狀況并綜合起來(lái)獲得是否舒適的感覺(jué)。舒適的感覺(jué)是生理和心理上的，它與人的主觀意識(shí)有直接關(guān)系。一種觀點(diǎn)認(rèn)為熱舒適就是熱感覺(jué)，是人們對(duì)環(huán)境表示滿意的意識(shí)狀態(tài)，或是人體處于不冷不熱的“中性”狀態(tài)。但是也有另一種觀點(diǎn)認(rèn)為熱舒適與熱感覺(jué)不同，而是隨著熱舒適的部分消除而產(chǎn)生的。

熱濕環(huán)境主要反映在空氣環(huán)境的熱濕特性中，建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境形成的最主要的原因是各種外擾和內(nèi)擾的影響。外擾主要包括室外氣候參數(shù)，對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境產(chǎn)生影響。內(nèi)擾主要包括室內(nèi)設(shè)備、照明、人員等室內(nèi)熱濕源［1］。

2 美術(shù)館藏品和展品與室內(nèi)熱濕環(huán)境的關(guān)系

美術(shù)館館藏美術(shù)品一般有:國(guó)畫、油畫、水彩水粉、年畫、版畫、漆畫、漫畫、連環(huán)畫、雕塑、陶瓷、服飾、玩具、風(fēng)箏、剪紙及皮影等。美術(shù)館展出的展品主要包括:書畫、攝影作品、紡織品、漆木器、象牙、各種雕塑品、石刻、陶器及金屬文物等。大部分文物的收藏保護(hù)與室內(nèi)溫濕度有關(guān)。其中書畫的收藏保護(hù)，最基本而且一直在起作用的因素是空氣中的溫度和濕度。溫度和相對(duì)濕度在一定條件下是相互影響、相互作用的。隨著溫度的變化，相對(duì)濕度也會(huì)發(fā)生變化，各種文物的光氧化速度也會(huì)受到它們的影響。

2.1 溫度對(duì)美術(shù)作品的影響

書畫質(zhì)地多為紙本或絹本，從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度講，溫度的高低直接影響著化學(xué)反應(yīng)的速度。溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速度越快，反之，則化學(xué)反應(yīng)速度減慢。書畫展品的老化也同樣遵循這一規(guī)律。據(jù)研究，在室內(nèi)溫度每升高10℃，化學(xué)反應(yīng)速度就會(huì)增加1倍～2倍。溫度每升高或降低20℃，紙張壽命會(huì)降低或增加7倍～8倍。

2.2 濕度對(duì)美術(shù)作品的影響

相對(duì)濕度比溫度對(duì)書畫的破壞更為嚴(yán)重。紙、絹均為吸濕性物質(zhì)，在高濕環(huán)境下，其纖維容易吸水膨脹，從而造成書畫的卷曲變形;且易滋生病蟲害，霉菌和苔蘚等微生物也極易發(fā)展;同時(shí)在這種環(huán)境下，書畫還會(huì)吸附空氣中的SO2和NO2等有害氣體，在表面形成酸性水環(huán)境，導(dǎo)致纖維素發(fā)生酸性水解。相反，在低濕環(huán)境下，書畫又會(huì)面臨失水干裂的危險(xiǎn)［3］。相對(duì)濕度對(duì)各種文物的破壞可以歸結(jié)為三類:物理破壞、化學(xué)破壞、生物腐蝕。

2.2.1 物理破壞

書畫、紡織品、漆木器、象牙等有機(jī)類文物都是由纖維素構(gòu)成的。這就決定了它們對(duì)空氣中的水分是很敏感的，容易使纖維發(fā)生收縮。這些變化表現(xiàn)在每一種文物上則發(fā)生紙張、紡織品脆化，強(qiáng)度下降;裝裱后的書、木板框架等彎翹不平，漆器胎體開(kāi)裂，漆皮翹曲;同樣對(duì)無(wú)機(jī)類文物如石刻、陶器等，氣候潮濕時(shí)，易吸水潮解;氣候干燥時(shí)，易結(jié)晶析出鹽，結(jié)晶產(chǎn)生的應(yīng)力將使石刻、陶器等粉化或剝落。

2.2.2 化學(xué)破壞

光會(huì)使書畫、染料變色、紡織品等纖維類文物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這是光化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。書畫、紡織品、金屬均會(huì)受到濕度的影響，使其光化學(xué)反應(yīng)速度和化學(xué)腐蝕速度增大。而光氧化速度也與濕度有關(guān)，高濕度下，光氧化作用迅速增大，加劇了光對(duì)紡織品、染料的破壞作用。又如:金屬類文物在高濕度條件下，容易與空氣中的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成有害銹，嚴(yán)重影響文物的安全與壽命。

2.2.3 生物腐蝕

水分是微生物和細(xì)菌生長(zhǎng)的必要條件，相對(duì)濕度過(guò)高，易于微生物的繁殖及生長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)使霉菌蔓延。霉菌在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一種酵素，這種酵素能加速纖維素的水解作用，變成水解纖維素，從而大大降低了有機(jī)類文物的強(qiáng)度并且使一些有機(jī)類文物的顏料變色或褪色［4］。

2.3 美術(shù)作品展出和保存環(huán)境的室內(nèi)溫濕度標(biāo)準(zhǔn)

要控制美術(shù)作品及文物展出和保存環(huán)境的溫濕度，保持恒溫恒濕環(huán)境，美術(shù)作品及文物展室應(yīng)該建立適合自己的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)。《中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)匯編》中對(duì)博物館、美術(shù)館展室規(guī)定的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)為溫度18℃ ～28℃，相對(duì)濕度45%～65%，這主要是考慮到觀眾的舒適和普通展品的需要，是一個(gè)比較寬泛的標(biāo)準(zhǔn);而專門用于存放書畫、織品的庫(kù)房，或特殊重要的展覽，要求溫度控制在16℃～17℃，相對(duì)濕度58%～60%才是較為理想的。冬季能使室內(nèi)環(huán)境溫度保持在12℃ ～18℃，夏季不超過(guò)25℃;相對(duì)濕度保持在50%～65%，基本上符合書畫的保存條件。但是，必須注意，每天溫度的變化(即白天和夜間的溫差變化)不超過(guò)2℃ ～5℃，相對(duì)濕度每天的變化不超過(guò)3%～5%［3，5］。

3 美術(shù)館室內(nèi)熱濕環(huán)境的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 一般要求

舒適性空調(diào)是為了使室內(nèi)人員處于舒適狀態(tài)，保證良好的工作條件和生活條件，其室內(nèi)計(jì)算參數(shù)，主要以滿足人體的熱平衡和舒適感要求來(lái)確定的。影響人體舒適感的主要因素有空氣溫度t、相對(duì)濕度φ、流動(dòng)速度v、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和其他物體表面溫度。通常將前面三個(gè)因素稱為氣象條件。除上述因素外，還與空氣新鮮程度、人的年齡、性別、生活習(xí)慣、活動(dòng)程度及衣著情況有關(guān)［6］。室內(nèi)空氣參數(shù)的確定對(duì)于民用和公共建筑而言，主要取決于對(duì)舒適性的要求，并考慮經(jīng)濟(jì)節(jié)能等因素。表1是對(duì)于室內(nèi)計(jì)算參數(shù)的一般要求，從節(jié)能角度出發(fā)，在滿足使用要求的前提下，不應(yīng)提高供暖室內(nèi)計(jì)算溫度或降低空調(diào)室內(nèi)計(jì)算溫度［7］。《簡(jiǎn)明空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中列出了民用與公共建筑空調(diào)室內(nèi)空氣參數(shù)［8］，表2摘錄了美術(shù)館、博物館等建筑室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 室內(nèi)計(jì)算參數(shù)的一般要求

表2 美術(shù)館等建筑室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 某美術(shù)館室內(nèi)熱濕環(huán)境指標(biāo)要求

某美術(shù)館室內(nèi)熱濕環(huán)境指標(biāo)要求溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度(50±5)%，即室內(nèi)空氣含濕量在6 g/kg(DA)～9 g/kg(DA)之間，焓值在33 kJ/kg(DA)～45 kJ/kg(DA)之間。室內(nèi)溫度濕度設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 某美術(shù)館室內(nèi)溫度濕度設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 高級(jí)畫展要求的室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

一些高級(jí)畫展對(duì)展廳室內(nèi)溫濕度要求比較嚴(yán)格，根據(jù)展品種類、展出季節(jié)對(duì)美術(shù)館展廳提出特殊溫濕度要求。例如:某美術(shù)館法國(guó)印象派畫展室內(nèi)溫度濕度設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 某美術(shù)館法國(guó)印象派畫展室內(nèi)溫度濕度設(shè)計(jì)參數(shù)

4 美術(shù)館類建筑的空調(diào)及室內(nèi)熱濕環(huán)境的研究

從上述研究及文獻(xiàn)對(duì)美術(shù)館空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)可以看出，對(duì)于不同的美術(shù)作品的保存與展出、不同級(jí)別的展覽室內(nèi)溫濕度要求不同。隨著建筑設(shè)備專業(yè)人員對(duì)美術(shù)館類大空間建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境特殊性認(rèn)識(shí)的提高，要對(duì)美術(shù)館類建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境有深入的研究，還應(yīng)研究在供暖條件下美術(shù)館的熱濕環(huán)境，發(fā)展供暖技術(shù)并達(dá)到節(jié)能。

美術(shù)館類建筑一般室內(nèi)空間較大，其空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的特殊性。

4.1 高度方面

美術(shù)館類大空間建筑按照高度不同可分為兩類:一類是高度有限，空調(diào)和氣流組織可采用全面空調(diào)(全空氣系統(tǒng))及較常規(guī)的氣流組織方式。另一類是高度過(guò)高(H≥10 m)，室內(nèi)空氣溫度分層現(xiàn)象非常嚴(yán)重，如果采用全室性空調(diào)，則能耗和初投資都較大，從節(jié)能出發(fā)，可采用分層空調(diào)。分層空調(diào)是指僅對(duì)下部區(qū)域進(jìn)行空調(diào)，而對(duì)上部區(qū)域不空調(diào)的空調(diào)方式。與全室空調(diào)相比，夏季可節(jié)省冷量30%左右。分層空調(diào)適于高大建筑，可降低初投資和運(yùn)行費(fèi)用。當(dāng)高大建筑物高度H≥10 m，建筑物體積V＞1萬(wàn)m3，空調(diào)區(qū)高度h與建筑高度H之比h/H≤0.5時(shí)，才經(jīng)濟(jì)合理［9］。

4.2 氣流組織方面

氣流組織影響人體熱舒適及室內(nèi)環(huán)境，合理的氣流組織不僅提高人體熱舒適感，還可以消弱室內(nèi)垂直溫度梯度，減小熱壓作用，維持室內(nèi)正壓。

4.3 室內(nèi)正壓方面

美術(shù)館類大空間建筑可采取多種措施保證室內(nèi)正壓。選用能消弱室內(nèi)垂直溫度梯度的室內(nèi)氣流組織方式，減小熱壓作用，維持室內(nèi)正壓;空調(diào)系統(tǒng)最小新風(fēng)量應(yīng)大于機(jī)械排風(fēng)量，保證系統(tǒng)的最小新風(fēng)量運(yùn)行方式;由于公共建筑人員流動(dòng)大，對(duì)建筑出入口應(yīng)加強(qiáng)密封，并改善房間的密封性能，這樣不僅能夠保證室內(nèi)正壓，還可減少室外空氣環(huán)境對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境的干擾。

4.4 溫濕度方面

夏季空調(diào)露點(diǎn)送風(fēng)不能保證夏季室內(nèi)相對(duì)濕度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫度濕度同時(shí)精確自動(dòng)控制。空調(diào)機(jī)組中設(shè)置足夠的表冷器及二次加熱設(shè)備，系統(tǒng)除濕能力大大提高，二次加熱設(shè)備也能有效地控制室內(nèi)溫度和相對(duì)濕度。二次加熱設(shè)備使送風(fēng)溫差Δts減小，送風(fēng)量增大，可以提高空調(diào)精度，有利于室內(nèi)溫濕度均勻性和穩(wěn)定性。大風(fēng)量送風(fēng)會(huì)增加空調(diào)運(yùn)行能耗，為了節(jié)能，可以利用變頻風(fēng)機(jī)根據(jù)室外環(huán)境的變化改變送風(fēng)量。

4.5 節(jié)能方面

如果美術(shù)館類大空間建筑空調(diào)系統(tǒng)按照舒適工藝性空調(diào)設(shè)計(jì)，空調(diào)能耗勢(shì)必很大。某美術(shù)館試驗(yàn)改造增加了二次加熱設(shè)備，對(duì)提高室內(nèi)相對(duì)濕度控制能力具有相當(dāng)重要的意義，同時(shí)也帶來(lái)了一個(gè)巨大的能源消耗問(wèn)題。如果大面積采用電加熱器，勢(shì)必需要增加用電容量，實(shí)際運(yùn)行能耗和運(yùn)行費(fèi)用也會(huì)大大增加，這與當(dāng)前我國(guó)的能源(特別是高峰用電)緊張形勢(shì)和大力推廣建筑節(jié)能的宏觀調(diào)控政策相悖。因此，建議采用一些節(jié)能技術(shù)(如:熱泵技術(shù))降低能耗。另外，還應(yīng)該考慮新風(fēng)能耗問(wèn)題，及室內(nèi)空氣質(zhì)量和運(yùn)行能耗的綜合優(yōu)化運(yùn)行控制。建議增加排風(fēng)能量回收裝置，進(jìn)一步節(jié)省空調(diào)運(yùn)行能耗。

5 結(jié)語(yǔ)

建筑環(huán)境控制的目標(biāo)就是要提供新鮮宜人、激發(fā)活力并且對(duì)健康無(wú)負(fù)面影響的室內(nèi)空氣，提供一個(gè)絕大多數(shù)人認(rèn)可的舒適的熱濕環(huán)境。一直以來(lái)，美術(shù)館類建筑空調(diào)系統(tǒng)是按照舒適性空調(diào)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種形式能夠符合舒適性空調(diào)健康、舒適、節(jié)能的設(shè)計(jì)原則，滿足人體的舒適度，但是它沒(méi)有考慮到美術(shù)作品的保存與展出的溫濕度條件。因此，美術(shù)館類建筑空調(diào)不是簡(jiǎn)單的舒適性空調(diào)，其室內(nèi)環(huán)境除了滿足人體的熱舒適感覺(jué)，還應(yīng)該考慮到美術(shù)館館藏作品及展出作品所要求的室內(nèi)溫濕度指標(biāo)，同時(shí)還應(yīng)考慮節(jié)約能源。建議今后的美術(shù)館空調(diào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)增加對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的特殊要求，參照舒適工藝性空調(diào)進(jìn)行設(shè)計(jì)，既要考慮人體的舒適性，又要滿足美術(shù)作品的要求，使空調(diào)系統(tǒng)具備室內(nèi)溫濕度同時(shí)控制的能力。在滿足室內(nèi)恒溫恒濕的前提下，還要考慮采用節(jié)能技術(shù)降低空調(diào)運(yùn)行能耗，充分利用各種能源，提高空調(diào)自動(dòng)控制及運(yùn)行管理水平，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的有效、舒適、低能耗的空調(diào)系統(tǒng)。

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