遺址博物館特殊環境溫度場調控系統的設計及優化

王宇昂,路昭,羅昔聯,孟祥兆,孫艷軍,金立文

(1.西安交通大學人居環境與建筑工程學院,710049,西安;2.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

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遺址博物館特殊環境溫度場調控系統的設計及優化

王宇昂1,路昭2,羅昔聯1,孟祥兆1,孫艷軍1,金立文1

(1.西安交通大學人居環境與建筑工程學院,710049,西安;2.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

為保護遺址博物館中的文物,確定適宜遺址文物長久安全保存的空氣溫度參數,根據遺址博物館的特殊復雜環境(“大氣-文物-土壤”多參數耦合),研制了遺址文物適宜的封閉式多場耦合實驗艙本體及空氣溫度調控系統。該多場耦合實驗艙既包括上部空氣環境,也包括底部土壤環境,采用了對下部遺址文物影響最小的低風速上進上回送風方式以滿足遺址文物的坑道陳列模式。在艙內換氣次數固定的情況下,空氣溫度調控系統通過鉸鏈機構調節送風角度以優化實驗艙內部的氣流組織。通過實驗并借助CFD軟件FLUENT,研究了送風角度對實驗艙內部溫度場及流場的影響,獲得了優化方案。實驗及數值模擬結果均表明,對于所設計的多場耦合實驗艙,小角度送風有利于實驗艙內部溫度場及流場的均勻分布,同時可降低系統能耗。研究結果可應用于漢陽陵或兵馬俑這類坑式陳列,并可為送風式艙體結構的溫度場分布研究提供參考。

遺址博物館; 特殊環境;多場耦合實驗艙;溫度控制系統;實驗研究

遺址博物館環境具有室內人員流動不均勻、由空氣和開放土壤共同組成室內空間等特點,其溫濕度控制受到眾多因素的影響,不適當的環境參數將嚴重影響遺址文物的保存。遺址博物館(如漢陽陵地下遺址博物館、秦始皇兵馬俑博物館)是在大型古跡遺址上建立的集文物保護、考古、展覽于一體的多功能博物館,這類博物館能有效避免風吹、日曬和雨淋等外界自然環境對遺址文物的影響,對于保護文物原貌和開展考古發掘具有重要意義,是國際遺址文物保護的重要發展趨勢[1-2]。遺址博物館中遺址文物所處的區域不僅包括上部空氣環境,而且還包括底部土壤環境。由于底部土壤環境是遺址文物的原位環境,難以實現有效調控,因此,合理調控遺址文物所處區域上部的空氣溫度是遺址文物長久安全保存的關鍵手段。

遺址博物館中不適宜的保存環境會導致遺址文物出現不同程度的病害[3]。過高的環境溫度會加快文物發生化學反應的速度,從而加速對文物的損害,并容易滋生微生物腐蝕文物。研究表明:每當溫度升高10 ℃,化學反應速度就會增加2～4倍[3];環境溫度的波動還將引起文物的熱脹冷縮[4];多環境因素共同作用下文物的受損速度遠大于單一因素對文物的影響[5]。因此,為實現遺址文物長期妥善保存,迫切需要對文物病害與空氣溫度的定性、定量關系進行研究,從而確定遺址文物適宜的環境控制參數。

目前,環境模擬技術已廣泛應用于航空航天、軍事、汽車、機電工業及農業等各領域的科學研究中。通過環境模擬技術,可以全面、快速地研究環境參數對產品性能的影響,對產品長期高效運行具有重要意義。然而,環境模擬技術在遺址文物保護方面的應用目前還鮮有涉及。因此,本文建立了適合遺址文物的多場耦合實驗艙本體及空氣溫度調控系統,借助該實驗艙可以模擬空氣環境參數對遺址文物的影響,從而確定遺址文物適宜的空氣環境參數。實驗艙內部良好的溫度場、流場是研究空氣環境參數與文物病害定量、定性關系的必要保證,而氣流組織正是影響多場耦合實驗艙內部空氣溫度及流場的關鍵因素?，F有的研究結果表明,送風角度和送風方式是影響室內氣流組織的關鍵因素[6-12]。為滿足遺址文物的坑道陳列模式,本文采用了上進上回的送風方式,因此送風角度是影響、優化實驗艙氣流組織的關鍵因素?；谝陨戏治?為確保多場耦合實驗艙具有良好的溫度場及流場,滿足遺址文物實驗環境要求,本文首先完成了實驗艙的設計和搭建,通過實驗測試研究了送風角度對實驗艙內部溫度場的影響,借助CFD軟件FLUENT研究了送風角度對實驗艙內部流場的影響,最后通過對比實驗和數值模擬結果確定了實驗艙的最佳送風角度,并優化了實驗艙內部的溫度場及流場。

1 實驗艙系統設計

1.1 多場耦合實驗艙本體設計

本文所設計的多場耦合實驗艙是根據遺址博物館的特殊環境(“大氣-文物-土壤”多參數耦合)而建立的用于研究遺址文物適宜環境參數的實驗平臺,因此實驗艙本體結構與常規環境調控室不同,是既包括上部空氣環境又包括底部土壤環境的有效組合體。實驗艙本體上部空間的內部凈尺寸為2.9 m(長)×2.4 m(寬)×1.2 m(高),采用內外均為不銹鋼材料、中間填充聚氨酯發泡保溫材料的板材(厚度D1=100 mm)作為圍護結構,以實現優良的保溫隔熱性能和耐腐蝕性能,同時采用卡扣的方式將4塊板材進行有效連接;實驗艙頂部采用導熱系數較小的輕質透明有機玻璃結構(玻璃厚度D2=10 mm)。實驗艙本體下部空間為土壤環境,其內部基本結構與遺址文物坑道展出模式接近,內部凈尺寸為2.9 m×2.4 m×1.1 m。因此,多場耦合實驗艙的內部凈尺寸為2.9 m×2.4 m×2.3 m。這樣的實驗艙本體設計有利于形成與遺址博物館相同的“大氣-文物-土壤”多參數耦合環境,便于進行遺址文物的相關實驗研究及陳列展出。同時,在實驗艙本體上部空間的圍護結構上安裝了2組可移動的輔助支架(如圖1中虛線所示),用于連接溫度傳感器。多場耦合實驗艙本體結構示意圖及實物圖分別如圖1、圖2所示。

(a)主視圖

(b)俯視圖圖1 多場耦合實驗艙本體結構示意圖

圖3 空氣溫度調控系統示意圖

1.2 多場耦合實驗艙空氣溫度調控系統設計

圖2 多場耦合實驗艙實物圖

實驗艙的空氣溫度調控系統如圖3所示,主要由室外冷熱水機組、水箱、水泵、水-空氣熱交換器、送風機、加濕器、電加熱器以及空氣整流裝置、送風角度調節裝置等部件組成。其中:室外機組根據實驗要求產生冷/熱水;水箱采用新型圓柱形保溫水箱,容積為150 L,采用保溫水箱是為了避免室外機的頻繁啟停,有利于延長室外機的使用壽命;水泵為整個水系統提供循環動力,型號為威樂RS25/6,最大流量為58、37和15 t/h(3檔變速);水-空氣熱交換器置于風管中,通過室外機組產生的冷/熱水與經過其表面的空氣進行熱交換,從而冷卻/加熱風管內的空氣;送風機(26NF3C-3200-BX型靜音送風機,最大風量為3 200 m3/h)置于風管中,為整個風系統提供循環動力,并且可通過VFD015EL43A型變頻器實現不同風速;空氣整流裝置置于近送風口處,用于降低氣流湍流強度及均勻分配送風氣體,采用蜂窩狀多孔板;加濕器置于風管中,采用超聲波十頭霧化器調控風管內的空氣濕度;電加熱器置于水-空氣熱交換器之后,用于調控風管內的空氣濕度,其控制流程如圖4所示;送風角度調節裝置安裝于實驗艙風管的送風口處,可通過調整送風角度改善實驗艙內部的氣流組織,采用鉸鏈機構及帆布軟連接的方式實現送風角度的調節功能。

2 數值模擬

2.1 物理模型

本文所設計的多場耦合實驗艙尺寸為2.9 m(x)×2.4 m(y)×2.3 m(z),其中上部空氣環境為2.9 m(x)×2.4 m(y)×1.2 m(z),下部土壤環境為2.9 m(x)×2.4 m(y)×1.1 m(z)。實驗艙的物理模型如圖5所示。

圖4 電加熱器控制流程

圖5 多場耦合實驗艙三維物理模型示意圖

2.2 數學模型

2.2.1 控制方程 采用三維雷諾平均N-S方程結合標準k-ε兩方程湍流模型。模型的通用控制方程可以寫成如下形式[13]

(1)

式中:φ為通用變量,分別表示動量方程中的速度u、v、w,能量方程中的溫度T,湍流動能方程中的湍動能k和耗散率ε;?(ρφ)/?t為非穩態項;div(ρUφ)為對流項;div(Γφgradφφ)為擴散項;Sφ為源項。

采用Gambit軟件建立實驗艙的物理模型,然后用結構化網格(四邊形和六面體網格)對空間進行網格劃分,在壁面、送回風口附近采用適當的網格加密。經過網格數獨立性測試判斷,數值計算時選取的網格數為597 520(97×80×77)。在數值計算時,采用一階迎風格式對控制方程進行離散化,并選用SIMPLE算法對離散方程進行求解。

2.2.2 基本假設 為了簡化問題,做如下假設:①由于實驗艙內部氣流低速流動,壓力較低,因此假設實驗艙內部空氣為理想不可壓縮流體;②實驗艙內部氣流流動為穩態、湍流;③實驗艙內部氣流為自然對流、強迫對流都存在的混合對流流動;④采用Boussinesq假設,忽略黏性耗散,假設除密度以外的其他物性參數為常數,密度變化只考慮動量方程中與體積力有關的項;⑤不考慮實驗艙內表面的輻射換熱量,固體壁面上滿足無滑移條件。

2.2.3 邊界條件 入口邊界:采用速度入口邊界條件,并假設同一送風口所有位置的送風速度和送風溫度均相同,垂直送風。送風速度和送風溫度均取實驗測量值。

出口邊界:采用自由流出邊界條件,即所有的空氣都從出口流出。

壁面邊界:實驗艙上部空間圍護結構和頂部有機玻璃蓋板采用恒定熱流密度邊界條件,底部土壤環境各壁面采用恒定溫度邊界條件。

3 實驗結果分析

實驗主要研究不同工況下送風角度(30°送風、60°送風和水平送風)對實驗艙內部溫度場的影響,從而獲得適用于不同運行工況的最佳送風角度。采用T型熱電偶測量實驗艙外部的空氣溫度及水-空氣熱交換器的供/回水溫度;采用TR-72wf型溫濕度記錄儀測量實驗艙內部的空氣溫度,采集時間均為10 min,記錄儀的具體布置如圖6所示。

圖6 實驗艙內部溫濕度記錄儀布置示意圖

3.1 制冷工況

運行工況:實驗艙內部空氣的目標溫度ta,set=20 ℃,室外機的目標溫度tw,set=13 ℃,調整變頻器至20 Hz,風速v=2.0 m/s。

圖7～圖9分別描繪了送風角度為30°、60°和水平送風時,實驗艙內部各測點的溫度隨時間的變化趨勢。

(a)水平測點

(b)垂直測點圖7 30°送風時實驗艙內部各測點的溫度隨時間的變化趨勢(制冷工況)

由圖7可以看出:在30°送風時,實驗艙內部不同測點處的溫度差異性較小(Δtsf≤±0.5 ℃),即溫度場均勻性較好,同時各個測點處的溫度隨時間的變化范圍均不超過±1 ℃,即溫度控制精度高。

由圖8可以看出:在60°送風時,實驗艙內溫度場的均勻性良好,當艙外溫度在22.0到28.5 ℃范圍內變化時,水系統和風系統間歇運行即可滿足實驗艙的目標溫度要求,且溫度隨時間的變化范圍不超過±1 ℃。

(a)水平測點

(b)垂直測點圖8 60°送風時實驗艙內部各測點的溫度隨時間的變化趨勢(制冷工況)

(a)水平測點

由圖9可以看出:在水平送風時,實驗艙內溫度場的均勻性較好,當艙外溫度在26.0到32.0 ℃范圍內變化時,水系統和風系統需要連續運行才能確保實驗艙內部空氣溫度達到目標溫度值20 ℃;當艙外溫度在22.0到26.0 ℃范圍內變化時,水系統和風系統間歇運行即可滿足實驗艙的目標溫度要求。

(b)垂直測點圖9 水平送風時實驗艙內部各測點的溫度隨時間的變化趨勢(制冷工況)

綜上所述,對于制冷工況而言,不同送風角度時實驗艙內部各測點的溫度差異性均較小(Δtsf≤±0.5 ℃),但是不同的送風角度對風系統和水系統的運行方式具有一定的影響。相比較而言,水平送風時由于水和風系統有時需要連續運行,因此較其他2種送風方式耗能更多。

3.2 采暖工況

運行工況:實驗艙內部空氣的目標溫度ta,set=25 ℃,室外機的目標溫度tw,set=32 ℃,運行整個系統,同時調整變頻器至20 Hz,風速v=2.0 m/s。

圖10～圖12分別是采暖工況送風角度為30°、60°和水平時,實驗艙內部各測點溫度隨時間的變化趨勢。

(a)水平測點

(b)垂直測點圖10 30°送風時實驗艙內部各測點的溫度隨時間的變化趨勢(采暖工況)

由圖10可以看出:在30 ℃送風時,實驗艙內部不同測點處的溫度差異性較小(Δtsf≤±0.5 ℃),即溫度場均勻性較好;當艙外溫度在18.0到24.0 ℃范圍內變化時,水系統和風系統間歇運行即可滿足實驗艙的目標溫度要求,且溫度隨時間的變化范圍不超過±1 ℃。

由圖11可以看出:在60 ℃送風時,實驗艙內部不同測點處的溫度具有一定的差異性(Δtsf≤±1 ℃),即溫度場的均勻性不佳;當艙外溫度在18.0到25.0 ℃范圍內變化時,水系統和風系統需要連續運行才能滿足實驗艙的目標溫度要求,且溫度隨時間的變化范圍不超過±1 ℃。

(a)水平測點

(b)垂直測點圖11 60°送風時實驗艙內部各測點的溫度隨時間的變化趨勢(采暖工況)

由圖12可以看出:在水平送風時,實驗艙內部垂直方向各測點的溫度差異性較大,即溫度場均勻性較差;當艙外溫度在19.0到22.0 ℃范圍內變化時,水系統和風系統需要長時間連續運行才能滿足實驗艙的目標溫度要求。

(a)水平測點

(b)垂直測點圖12 水平送風時實驗艙內部各測點的溫度隨時間的變化趨勢(采暖工況)

綜上所述:對于采暖工況而言,送風角度對實驗艙內部溫度場的均勻性影響較大,其中僅送風角度為30°時實驗艙內部的溫度場均勻性才滿足實驗要求(Δtsf≤±0.5 ℃);不同的送風角度對系統的運行方式有一定的影響,相比其他2種送風角度,送風角度為30°時系統間歇運行即可滿足實驗艙的目標溫度要求,所以此時系統耗能最少。

基于以上分析可知,對于任何實驗工況而言,送風角度為30°時實驗艙內部溫度場的均勻性均滿足實驗要求(Δtsf≤±0.5 ℃),同時系統能耗較小,因此,多場耦合實驗艙的最佳送風角度為30°。

4 數值模擬結果分析

采用CFD軟件FLUENT研究30°和水平送風對實驗艙內部流場的影響,進而揭示送風角度對實驗艙內部溫度場均勻性的影響。計算參數見表1。

表1 實驗艙在不同送風角度下的邊界條件

v:送風速度;t:送風溫度;ts:土壤溫度;q1:頂部換熱量;q2:圍護換熱量。

為研究不同送風角度對實驗艙內部流場的影響,選取實驗艙中心剖面(x=1.45 m)進行分析。

4.1 制冷工況不同送風角度下實驗艙內部的流場分布

圖13a為制冷工況30°送風時實驗艙內部的速度矢量圖。由圖可知,氣流從頂部送風口進入,由于送風角度的影響,氣流迅速向下流動到達實驗艙底部,然后在實驗艙底部形成明顯的“空氣湖”,隨后一部分氣流流向回風口,一部分氣流在實驗艙內部循環流動,實驗艙內部氣流整體分布均勻。

圖13b為制冷工況水平送風時實驗艙內部的速度矢量圖。由圖可知,氣流從頂部送風口進入,在實驗艙頂部形成明顯的貼附射流,貼附射流中心的速度沿程逐漸減小,然后一部分氣流下沉在實驗艙內部循環流動,一部分氣流直接從回風口流出,實驗艙內部氣流整體分布均勻。

(a)30°送風

(b)水平送風圖13 制冷工況不同送風角度下實驗艙中心剖面的速度矢量圖

綜上所述:在制冷工況下,送風角度對實驗艙內部的流場分布影響較小;艙內流場分布均勻,與艙內的溫度場分布一致。

4.2 采暖工況不同送風角度下實驗艙內部的流場分布

圖14a為采暖工況30°送風時實驗艙內部的速度矢量圖。由圖可知,氣流從頂部送風口進入,迅速向下流動到達實驗艙底部,然后在實驗艙底部形成明顯的“空氣湖”,隨后一部分氣流流向回風口,一部分氣流在實驗艙內部循環流動,艙內氣流整體分布均勻。

圖14b為采暖工況水平送風時實驗艙內部的速度矢量圖。由圖可知,氣流從頂部送風口進入,在實驗艙頂部形成明顯的貼附射流,貼附射流中心的速度沿程逐漸減小,然而由于熱浮力的影響,熱空氣難以下沉,從而導致實驗艙底部出現明顯的靜風區域,即實驗艙內部氣流整體分布不均勻。

(a)30°送風

(b)水平送風圖14 采暖工況不同送風角度下實驗艙中心剖面的速度矢量圖

綜上所述:在采暖工況下,送風角度對實驗艙內部的流場分布影響較大;小角度送風有利于實驗艙內部流場均勻分布。該模擬結果與實驗艙內部的溫度場分布一致。

5 結 論

為了保護遺址文物,確定遺址文物適宜的空氣環境參數,本文結合遺址博物館中遺址文物所處區域的特殊環境,成功地研制了適合遺址文物的封閉式多場耦合實驗艙本體及空氣溫度調控系統。該多場耦合實驗艙既包括上部的空氣環境,又包括底部的土壤環境;采用對下部遺址文物影響最小的低風速上進上回的送風方式,以滿足遺址文物的坑道陳列模式。在艙內的換氣次數固定的情況下,通過調整送風角度研究了實驗艙內部溫度場和流場的分布情況,最終得到了優化方案;通過實驗及數值模擬的方法,研究了送風角度對實驗艙內部溫度場及流場的影響。實驗及數值模擬結果均表明,對于本文所設計的多場耦合實驗艙而言,小角度送風有利于實驗艙內部溫度場及流場的均勻分布,同時可以降低系統能耗。本文的研究結果可應用于漢陽陵或兵馬俑這類坑式陳列,將有益于遺址文物的長久安全保存,并且可以為送風式艙體結構的溫度場分布研究提供參考。

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(編輯 葛趙青)

Design and Optimization of Temperature Control System for Special Environment in Site Museums

WANG Yuang1,LU Zhao2,LUO Xilian1,MENG Xiangzhao1,SUN Yanjun1,JIN Liwen1

(1. School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To protect the unearthed relics and investigate the temperature related parameters for appropriate preservation environments, a multi-field-coupled test chamber and a temperature control system were developed according to the complex environment in actual site museums in terms of the parameters of air, unearthed relics and soil. The multi-field-coupled system reproduced both the upper air condition and the lower soil environment within the designed chamber. It uses the upper air supply and exhaust flow configuration with minimum impact on the unearthed relics to realize a gallery display layout for the unearthed relics. When the air change number is a given constant in this chamber, the temperature field and flow field distributions can be optimized by changing the angle of air flow supplied to the test chamber via an articulated mechanism. The influences of air feeding angle on the internal temperature and flow fields were investigated by experiment using CFD software FLUENT, and the optimized protection scheme was achieved correspondingly. The experimental and numerical results show that for the multi-field-coupled test chamber developed in this research, uniform internal temperature and flow fields can be obtained under relatively small air feeding angle, while the energy loss can be reduced simultaneously. The designed multi-field-coupled control system may provide a reference to the investigation of air supplied temperature field in similar relics protection sites for such as Han Yang Ling Mausoleum and Terra-Cotta Warriors.

site museum; special environment; multi-field-coupled test chamber; temperature control system; experimental investigation

2015-12-10。 作者簡介:王宇昂(1992—),女,碩士生;孟祥兆(通信作者),男,高級工程師。 基金項目:國家科技支撐計劃資助項目(2012BKA14B01)。

時間:2016-04-28

10.7652/xjtuxb201607020

TU83

A

0253-987X(2016)07-0131-09

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160428.2222.008.html