多介質耦合環境下的遺址文物原位保護

張哲,宋朋龍,賀沅平,羅昔聯

(1.西北大學城市與環境學院,710127,西安;2.西安交通大學人居環境與建筑工程學院,710049,西安)

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多介質耦合環境下的遺址文物原位保護

張哲1,宋朋龍2,賀沅平2,羅昔聯2

(1.西北大學城市與環境學院,710127,西安;2.西安交通大學人居環境與建筑工程學院,710049,西安)

根據遺址博物館對文物保存環境調控的特殊需求,提出了一種控制土壤文物空氣多介質耦合環境內變量的梯度、實現出土文物原位環境重建的保護策略;進一步搭建了遺址博物館實驗葬坑,采用毛細管輻射系統對文物保存區原位環境進行了調控實驗。研究表明:毛細管輻射調控系統可以實現文物保存環境的穩定,相比輻射調控系統關閉工況,環境溫度晝夜波動值從3.6 ℃減小到1.6 ℃,文物土壤空氣間的溫差從2.1 ℃減小到0.3 ℃,文物本體不同部位的溫差從3.8 ℃減小至0.8 ℃,同時文物保存區的風速控制在0.06 m/s以下,遠低于文物保存標準規定的上限值0.15 m/s;毛細管輻射調控系統可以有效地抑制文物保存環境之間的物質與能量遷移,實現遺址文物原位保存環境的平衡保護。

遺址博物館;文物保護;原位環境;環境調控

陜西作為中華民族的發祥地之一,是文物大省,現已查明的古遺址超過10 000處,古墓葬4 000多處,歷代帝王陵72座[1]。這些遺址文物作為一種重要的歷史文化遺跡,具有很高的科學價值與文化價值。但是,在風吹、雨淋及太陽輻射等自然環境的作用下,很多遺址文物面臨著日益嚴重的損壞,此外,環境污染與氣候變化帶來的環境問題對遺址文物的影響和損害也日趨明顯地暴露出來[2-3]。同時,隨著旅游事業的發展,遺址作為一種公共文化資源,如何通過科學規劃、在保護的同時更好地加以合理利用,如向社會開放、展示,已成為文物部門考慮的重點。

為了更好地實現對遺址文物的保護與傳承,近年來在遺址資源比較集中的陜西、四川、江蘇、河南和新疆等省區,文物界與建筑規劃界聯手,已就遺址的保護、展示與利用的模式進行了許多規劃保護及預防性保護技術方面的探索和實踐,形成了包括在發掘后進行標識保護、建立遺址博物館保護等多種保護模式和方法。在技術上,這些方法能解決遺址文物面臨的風吹、雨淋、日曬等自然危害,改善保護條件,但不能解決遺址文物面臨的環境污損。國家文物局于2002年至2005年組織開展的全國館藏文物腐蝕損失調查顯示:全國共有50.66%的館藏文物存在不同程度的腐蝕損害。即使是規劃和保護工作做得比較好的陜西著名文物遺址,也面臨著比較嚴重的問題:陜西半坡土遺址本體表層風化深度已超過了40 cm[3];秦始皇兵馬俑遺址出現了遺址土隔梁開裂、局部表面風化病害;漢陽陵叢葬坑全封閉式地下保護遺址開放8年以來,已在局部出現了明顯可察的土遺址干化、開裂、局部泛堿等問題[4-5]。

本文從傳質傳熱學角度對文物土遺址博物館文物保存中出現的干裂等環境問題進行了分析,認為控制并減少保存環境內各參數的梯度,是減緩文物遭受污損的重要方法;同時,搭建了一個土遺址局部環境調控實驗平臺,對文物保存的土壤-文物-空氣耦合環境進行綜合調控,實現了文物保存多介質環境內溫濕度參數分布的均勻一致。

(a)土遺址文物展示現場

(b)水分和熱量遷移圖1 遺址文物現場及土壤-空氣耦合環境中的水分和能量遷移示意圖

1 問題描述

圖1a所示為漢陽陵博物館遺址文物出土保存現場,從中可以看出,遺址文物部分暴露在空氣中,部分埋藏在土壤中,形成了一個土壤-文物-空氣多介質耦合的復雜保存環境,其中空氣通常被稱為上環境,而土壤稱為下環境。溫度和相對濕度等參數在土壤-空氣耦合環境的分布存在梯度差時,能量和水分就會從溫度(濃度)高的位置向溫度(濃度)較低的位置遷移。由于大氣土壤在一年四季中存在周期性的變化,再加上游客、空調等的影響,導致這一耦合環境內的溫度參數出現頻繁波動,從而造成文物表面發生熱應力破壞。此外,當土壤中的水分向空氣中遷移時,一起遷移的鹽分會沉積在土壤或文物表面,這些鹽分中的鈉離子和鈣離子會與空氣污染物中的硫酸根離子發生化學反應生成Na2SO4和CaSO4,這2種產物都會導致土遺址和文物本體發生劇烈體積膨脹,從而對文物造成毀滅性的損壞[6-7]。對遺址文物的大氣-土壤耦合環境中物質和能量的遷移過程進行簡化,如圖1b所示,其中Gm、Gh分別代表水分和熱量的遷移通量,根據對流傳質傳熱的基本定理,該通量可以通過下式[8-9]進行計算

Gm=hmΔρv=hm(ρv2-ρv1)

(1)

Gh=hoΔT+hmΔρvλwater=

ho(T2-T1)+hm(ρv2-ρv1)λwater

(2)

式中:hm為界面的對流傳質系數,kg/(m2·s);ho為界面的對流傳熱系數,W/(m2·K);T1、T2分別為靠近土壤的空氣環境溫度和土壤-空氣界面的溫度, ℃;ρv為水蒸氣的密度,kg/m3;λwater為水的汽化潛熱,kJ/kg。根據固體導熱方程可知,圖1b中點2和點3之間的傳熱量可以按下式進行計算

(3)

式中:ksoil為土壤導熱系數,kg/(m·K);T3為土壤溫度, ℃。

根據式(1)～式(3)可知,影響土遺址文物水分和能量遷移的關鍵要素是各環境介質之間的溫差和相對濕度差。對流傳質和傳熱系數hm、ho主要與環境的風速相關,風速越大,則系數的值也越大。從抑制物質和能量遷移、緩解文物所遭受的熱應力破壞和干裂危害的角度出發,要保護處于土壤-文物-空氣耦合環境內的文物,需要盡量減小這一環境內的溫差和相對濕度差,同時還要將環境風速盡量維持在較低的水平。本文根據這一原理,提出采用毛細管輻射調控系統來對文物保存區域進行局部調控,以實現不同環境介質之間的平衡,緩解由不平衡遷移所導致的文物破壞。

2 遺址博物館文物保存局部環境調控實驗

2.1 展示廳空間及文物保存區域的模擬現場再現

由于遺址博物館保存著珍貴的出土文物,因此任何未經嚴格論證的環境調控方法都不能直接在博物館進行使用。本文選擇在西安交通大學曲江校區閑置綠化用地上搭建了一個占地面積100 m2的展示空間作為實驗室,用于模擬博物館展示廳空間[10]。該實驗室區域的土壤環境為單一的黃土地質,土質條件和地理位置與兵馬俑、半坡、漢陽陵等土遺址博物館的接近。為了模擬葬坑內土遺址文物的保存環境,參照兵馬俑和漢陽陵博物館多數坑道的寬度,設計了一個長、寬、深分別為4、3、1.8 m的實驗葬坑作為文物保存區,如圖2所示。

圖2 實驗葬坑

2.2 文物保存局部環境調控系統

如圖3所示,遺址博物館展示空間可以分為游客區和文物區,由于游客區與文物區對環境參數的要求及調控時間上存在很大差異[2],導致我國早期建設的遺址博物館大都沒有采用任何環境調控措施。近年來,新建遺址博物館的環境調控以滿足游客舒適性要求為主,但卻忽略了文物保存的需求。遺址博物館具有建筑密封性差、圍護結構熱阻小、外墻面積大、文物區占展示廳空間比率小等很多不利于節能的特點,如果對整個展示廳進行全年連續環境調控將消耗巨量的能源,并且絕大部分能源都會浪費在非文物保存區。為了節約系統運行的能源,本文在葬坑側壁布置毛細管作為輻射冷卻末端,通過在葬坑內形成穩定的逆溫層,實現對葬坑內文物保存局部環境的調控。由于土環境是文物保存的原位環境,且環境參數相對穩定,為了建立土壤-空氣耦合保存環境內的熱質平衡,調控系統運行以土壤的環境參數作為調控目標參數。

圖3 葬坑內文物保存局部環境調控系統流程圖

圖3為本文設計的葬坑局部環境毛細管輻射調控系統流程圖。圖中毛細管網采用懸掛方式敷設在葬坑四周,毛細管內、外徑分別為2.35和3.35 mm,總敷設面積為18.5 m2;系統冷熱源為一臺額定制冷量為5 300 W的空氣源熱泵,該泵與毛細管網之間通過一個容積為0.2 m3的保溫水箱連接;水箱在系統中除了收容和補償循環水的脹縮量外,還起蓄冷和平衡空氣源熱泵制冷速度與毛細管網釋冷速度的作用,可以提高毛細管供水溫度的穩定性,避免室外機的頻繁啟停,有利于延長室外機的使用壽命。

系統運行時,通過控制空氣源熱泵的啟停,保證水箱中的冷水維持在指定溫度范圍內(15～17 ℃),從而保證毛細管供水溫度相對穩定。當水箱中的水溫低于設定下限時,空氣源熱泵將關閉,在毛細管末端的釋冷作用下,水溫將逐步回升;當水溫超過上限時,將再次開啟空氣源熱泵。葬坑內文物保存區的空氣溫度通過控制毛細管回路循環水泵啟停來實現:當坑內空氣溫度低于設定值下限時,毛細管循環水泵關閉,停止冷水流經毛細管;當空氣溫度回升超過設定值上限時,室內循環水泵再次開啟,繼續對葬坑區域進行冷卻。西安地區的表層黃土在夏季平均溫度為21 ℃左右[11],為了維持葬坑內土壤-空氣環境的平衡,實驗中將葬坑內環境控制點溫度設定值取為21～22 ℃。

2.3 數據測量系統

為了評估系統運行時葬坑內文物保存環境參數的分布情況,在葬坑內布置了溫濕度傳感器和風速傳感器對環境參數進行測量,傳感器測點的布置如圖4所示。圖中:T1～T5為溫濕度傳感器,它們的位置到坑底地面的距離分別為0.3、0.7、1.3、1.9和2.6 m,其中T1和T2布置在文物保存區域,測量文物保存環境的溫度和濕度,T5的位置在葬坑上方0.5 m處,測量游客區環境的溫度和濕度,T3和T4則布置在過渡區域內;Tr1、Tr2為布置在葬坑內模擬文物本體中的溫度傳感器,模擬文物為陶質方形磚塊,總高度為0.6 cm,暴露在空氣中的部分與埋藏在土壤中的部分都是0.3 cm,Tr1、Tr2距離地表均為0.25 cm;Ts為布置在坑底土壤環境中的溫度傳感器,埋藏深度為0.05 m;TaV為布置在文物保存區中的微風速測量儀,布置點距坑底0.7 m。

圖4 環境參數監測傳感器布置點

上述測試儀器及其性能參數如下:T1～T5采用TR-72Ui溫濕度記錄儀,溫度測量精度為±0.3 ℃,濕度測量精度為±5%;TaV采用Swema 03風速儀,測量精度為±0.03 m/s;Ts、Tr1和Tr2均采用T型熱電偶,測量精度為±0.004|T|。

3 實驗結果分析

利用以上實驗系統研究葬坑內文物保存局部區域的毛細管輻射調控性能,整個實驗分為2個階段:第一階段為毛細管輻射系統運行的工況,持續時間為2014年7月13—16日;第二階段為毛細管輻射系統關閉、葬坑處于自然狀態的工況,持續時間為2014年7月18—21日。不同工況之間預留1天作為過渡期。

3.1 空間溫濕度分布

圖5所示為2種測量工況下T1～T5測點的溫度和相對濕度分布曲線。由圖5a和5c可以看出:在毛細管輻射系統關閉時,文物區測點T1、T2的溫度平均值分別為25.5和26.5 ℃,且隨著時間推移有明顯的上升趨勢,溫度晝夜分布受室外環境影響比較大,平均波動幅度達到3.6 ℃;當毛細管輻射系統開啟后,T1、T2的溫度平均值分別為21.4和21.9 ℃,接近土壤的平均溫度,晝夜波動幅度減小為1.6 ℃,表明毛細管輻射系統能有效保持文物保存環境溫度的穩定以及土壤與空氣環境溫度之間的平衡;在2種工況下,游客區的溫度(T5)基本不受毛細管輻射系統的影響,都存在較大的溫度波動,說明利用毛細管輻射冷卻系統達到了對葬坑局部區域進行環境調控的目的。

由圖5b、5d可以看出,在2種工況下文物區測點T1、T2的相對濕度都維持在很高的水平,甚至接近100%。然而,2種工況下高相對濕度產生的原因卻并不相同:對于新開挖的實驗葬坑,由于土壤含水量比較高,當毛細管輻射系統關閉時,葬坑內相對高的溫度會導致土壤水分蒸發量增加,從而使坑內的相對濕度提高,這種情況在兵馬俑百戲俑坑剛開挖時也曾出現過[2];在毛細管輻射系統啟動的工況下,相對濕度提高是由文物區溫度降低所致。文物保存區的高相對濕度可以降低土遺址的失水速度,有效緩解土遺址的干裂病害。

(a)毛細管系統關閉工況溫度分布

(b)毛細管系統關閉工況相對濕度分布

(c)毛細管系統開啟工況溫度分布

(d)毛細管系統開啟工況相對濕度分布圖5 葬坑空間溫濕度分布圖

3.2 葬坑內文物保存區的風速分布

遺址文物土環境與空氣環境間的熱量和水分遷移速度與坑內空氣的流速密切相關,空氣流速越大,土環境的失水速度就越快[12]。從文物保存的角度衡量,要求博物館文物保存區的風速控制在0.15 m/s以內[13]。傳統的大空間博物館空調系統為了實現送風與館內空氣的充分混合,風口送風速度都很大,這會導致館內劇烈的空氣流動,加速土遺址的干裂過程。本文所采用的毛細管輻射系統的環境調控過程主要通過輻射與自然對流實現,在降低溫度的同時,坑底處于微風速狀態。圖6所示為毛細管輻射系統關閉與開啟工況下,文物保存區測點TaV處的風速隨時間的變化情況。從圖中可以看出,2種工況下葬坑內的風速都很低,特別是在毛細管輻射系統開啟的工況下,文物保存區的空氣流速都在0.06 m/s以下,遠低于國外文獻的推薦值(≤0.15 m/s[12]),表明毛細管輻射系統在調控葬坑環境的同時,并沒有引起葬坑內空氣流動的顯著變化,有利于減少土壤-空氣界面水分和熱量的遷移。

(a)毛細管系統關閉工況

(b)毛細管系統開啟工況圖6 坑底文物保存區的風速分布圖

3.3 不同環境介質的溫度分布對比

遺址文物保存環境包括土壤和空氣2種介質,兩者之間的能量和物質交換是造成文物干裂、鹽分析出的重要原因,因此,通過環境調控使大氣環境更接近土壤環境、減少兩者之間的溫差、建立2個環境之間的平衡,是實現土遺址環境穩定的重要思路。圖7所示為2種測試工況下土壤環境(Ts)與空氣環境(T1)的溫度分布情況,從中可以看出:當毛細管輻射系統關閉時,2種環境介質之間存在較大的溫差(溫差平均值達2.1 ℃),并且隨著時間的推移有明顯的上升趨勢;當毛細管輻射系統開啟時,2種環境介質之間的溫度基本保持相同,平均溫差降低到0.3 ℃,表明通過毛細管輻射系統的調控,使大氣溫度和土壤溫度基本達到了平衡。

(a)毛細管系統關閉工況

(b)毛細管系統開啟工況圖7 土壤、空氣介質的溫度分布圖

3.4 文物本體溫度分布對比

(a)毛細管系統關閉工況

(b)毛細管系統開啟工況圖8 文物本體溫度分布圖

遺址文物暴露在空氣中的部分與埋藏在土壤中的部分之間的溫度均勻性是衡量保存環境是否適宜的重要指標,當兩者之間的溫差較大時,不但會導致文物本體的熱應力破壞,還會增加水分和鹽分的遷移速度。圖8所示為不同實驗工況下文物本體內各部分的溫度分布情況,從圖中可以看出:當毛細管輻射系統關閉時,同一文物埋藏于土壤中的部分與暴露在空氣中的部分之間存在顯著溫差,平均值達到3.8 ℃;當毛細管輻射系統開啟后,兩者之間的溫差顯著減小,當系統調控設定溫度(Tset)為22 ℃時,平均溫差減小到1.5 ℃,而當調控溫度進一步降低到21 ℃時,平均溫差則減小到0.8 ℃。文物內部溫差減小有利于減小文物本身的熱應力,可抑制文物熱應力開裂病害的發生。

4 結 論

本文根據遺址博物館原位保存文物的土壤-文物-空氣耦合環境內物質與能量遷移的數理方程,提出通過控制耦合環境內各參數的梯度值、實現多介質耦合環境內各參數均勻分布的出土遺址文物保存思路,并搭建了實驗臺開展遺址文物局部原位環境調控研究,得到如下結論:

(1)毛細管輻射調控系統運行時,葬坑內文物保存局部環境溫度分布均勻,文物保存區溫度的晝夜波動值從系統關閉時的3.6 ℃減小為1.6 ℃,降低幅度為56%,同時使文物保存區的風速控制在0.06 m/s以下,幾乎可以忽略不計,實現了文物保存環境的穩定,有利于減輕文物本體的熱應力破壞;

(2)文物保存的土壤-空氣多介質環境之間的溫差從毛細管輻射系統關閉時的2.1 ℃減小為系統運行時的0.3 ℃,減小了86%,同時文物本體不同部分的溫差從3.8 ℃減小至0.8 ℃,實現了不同環境介質之間及文物本體不同部分之間溫度分布均勻,從傳熱角度考慮,可以大幅度減小傳熱溫差,有利于抑制文物保存環境之間的物質與能量遷移。

[1] 羅昔聯. 切削網格算法研究及其在遺址博物館文物保存環境模擬中的應用 [D]. 西安: 西安交通大學, 2013.

[2] GU Z L, LUO X L, MENG X Z, et al. Primitive environment control for preservation of pit relics in archaeology museums of China [J]. Environmental Science & Technology, 2013, 47(3): 1504-1509.

[3] LUO X L, GU Z L, YU C. Desiccation cracking of earthen sites in archaeology museum: a viewpoint of chemical potential difference of water content [J]. Indoor and Built Environment, 2015, 24(2): 147-152.

[4] LUO X L, GU Z L. Numerical study of indoor environment in Yang-ling relics museum heated from the envelop glass [C]∥Proceedings of 5th International Symposium on Heating, Ventilating and Conditioning. Beijing, China: Tsinghua University Press, 2007: 328-332.

[5] 楊雅媚, 曹軍驥, 李庫, 等. 漢陽陵地下博物館土壤、大氣及風化殼的理化特征 [J]. 中國粉體技術, 2009, 15(2): 38-45. YANG Yamei, CAO Junji, LI Ku, et al. Physicochemical characteristics of soil, weathering salt and total suspended particles in the Yang mausoleum of the Han Dynasty [J]. China Powder Science and Technology, 2009, 15(2): 38-45.

[6] HU T F, LEE S C, CAO J J, et al. Atmospheric deterioration of Qin brick in an environmental chamber at Emperor Qin’s Terracotta Museum, China [J]. Journal of Archaeological Science, 2009, 36(11): 2578-2583.

[7] CAMUFFO D, MONTE M D, SABBIONI C, et al. Wetting, deterioration and visual features of stone surfaces in an urban area [J]. Atmospheric Environment, 1982, 16(9): 2253-2259.

[8] LIU W, ZHAO X X, MIZUKAMI K. 2D numerical simulation for simultaneous heat, water and gas migration in soil bed under different environmental conditions [J]. Heat and Mass Transfer, 1998, 34(4): 307-316.

[9] NOVAK M D. Dynamics of the near-surface evaporation zone and corresponding effects on the surface energy balance of a drying bare soil [J]. Agricultural & Forest Meteorology, 2010, 150(10): 1358-1365.

[10]王宇昂, 路昭, 羅昔聯, 等. 遺址博物館特殊環境溫度場調控系統的設計及優化 [J]. 西安交通大學學報, 2016, 50(7): 131-139. WANG Yuang, LU Zhao, LUO Xilian, et al. Design and optimization of temperature control system for special environment in site museums [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2016, 50(7): 131-139.

[11]張小剛. 西安地區巖土綜合熱物性參數分析及土壤源熱泵經濟適宜區域研究 [D]. 西安: 長安大學, 2014.

[12]ROGERS J A, KAVUANY M. Funicular and evaporative-front regimes in convective drying of granular beds [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1992, 35(2): 469-480.

[13]YAU Y H, CHEW B T, AZA S. A field study on thermal comfort of occupants and acceptable neutral temperature at the National Museum in Malaysia [J]. Indoor and Built Environment, 2013, 22(2): 433-444.

(編輯 葛趙青)

In-Situ Relics Preservation under Multi-Media Coupling Environment in Archaeology Museums

ZHANG Zhe1,SONG Penglong2,HE Yuanping2,LUO Xilian2

(1. College of Urban and Environmental Science, Northwest University, Xi’an 710127, China; 2. School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To satisfy the requirement for environmental control of relics preservation in archaeology museums a preservation strategy for reintegrating primitive environment is proposed, in which some environmental parameters are strictly restricted in the soil-air coupled environment. In order to verify this technique, a laboratory room with a funerary pit was constructed to simulate a large open exhibition hall of archaeology museums, and a capillary radiant system was built to perform the environmental control for relics preservation. The field test showed that the capillary radiant system provided a more stable condition for the unearthed relics in the funerary pit. Experimental results proved that the temperature fluctuation of preservation area was reduced from 3.6 to 1.6 ℃, the average temperature difference of soil-air coupled environment decreased from 2.1 to 0.3 ℃, and the average temperature difference across the relic decreased from 3.8 to 0.8 ℃. Meanwhile, the air velocity in the preservation was controlled within 0.06 m/s, which is well below the upper limit value of 0.15 m/s prescribed for museums. The proposed preservation method is effective in mitigating heat and mass transfer and creating a more balanced environment for relics preservation.

archaeology museum; relics preservation; in-situ environment; environmental control

2016-02-29。 作者簡介:張哲(1983—),男,碩士生;羅昔聯(通信作者),男,副教授。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51306150);陜西省重點科技創新團隊計劃資助項目(2016KCT-14)。

時間:2016-09-23

10.7652/xjtuxb201611023

K854

A

0253-987X(2016)11-0150-07

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160923.1550.008.html