遺址博物館游客與文物環境調控模式研究

(1 西安交通大學人居環境與建筑工程學院 西安 710049； 2 北京建筑大學環境與能源工程學院 北京 100044)

我國境內遺址文物非常豐富，在氣候變化、環境污染及人類經濟活動等影響下，很多遺址文物正遭受日益嚴重的污損，根據第三次全國文物普查結果，我國現存77萬處遺址文物中，保存狀況較差的占17.77%，保存狀況很差的占8.43%，每年消失的遺址達2000多處[1]。在遺址文物原址建立博物館可以有效緩解由風吹、日曬、雨淋等自然危害導致的文物污損，是遺址文物保護的重要手段。但遺址博物館本身并不能完全解決由文物保存微環境所導致的文物本體風化和病害問題，我國很多著名的遺址博物館，如秦始皇兵馬俑、漢陽陵博物館等均存在文物病害，這些病害的發生與遺址博物館文物保存環境控制不當密切相關[2-3]。

利用空調系統對文物展廳進行環境控制是改善文物保存環境和提高游客熱舒適性的重要途徑，相關研究工作已經廣泛開展。為了控制展陳文物與環境之間的熱濕平衡，B. Laura等[4]利用DOE軟件對文物展廳空調系統的溫濕度控制特性進行了分析，提出變風量全空氣系統在環境控制精度及系統節能方面均具有優勢，適于博物館展廳全年環境調控。2010年以后，博物館的環境調控開始重視系統運行能耗和系統優化。 R.P. Kramer等[5]在綜合各種節能方法的基礎上，研究了文物保存環境的控制精度與系統運行能耗的關聯，研究表明通過優化環境調控系統的參數控制范圍，可以在提高文物保存環境的同時實現77%節能。這些研究基本都是針對陳列式博物館環境控制，對于遺址博物館較少涉及。

遺址博物館具有開放式大空間建筑布局特點，文物與游客之間缺乏有效的隔離，導致環境調控還面臨著環境調控需求多樣化、保存環境包含土壤與空氣兩種介質、環境調控系統運行能耗高等問題。為了解決開放式遺址展廳游客與文物不同的環境需求，我國進行了很多探索并提出了很多解決方法，其中最直接的就是對展廳文物與游客區域進行物理空間分區，如漢陽陵遺址博物館的全封閉模式[6]，該方法適于新建的遺址博物館，對于已經建成的遺址博物館推廣難度較大。針對兵馬俑和漢陽陵等葬坑結構遺址文物環境調控需求，Luo Xilian等[7-8]提出采用空氣幕系統對文物區與游客區進行隔離調控，可以有效阻止大氣污染氣體進入文物保存區，但該方法溫濕度調控能力不足，且風口送風速度過大，易引起震動，對遺址本體產生不利影響；提出采用輻射毛細管對文物保存區域進行調控，研究表明該方法可以實現對文物保存局部區域的溫度精確調控，且具有運行能耗低、對文物區擾動小等優點，但該方法仍存在不足：首先，文物保存區相對濕度高，當冷水流過輻射末端時易在毛細管表面產生凝結水并流入文物保存區，對文物產生破壞；其次，輻射冷卻系統缺乏有效的通風換氣，高濕文物保存環境內易滋生霉菌，引起文物的生物病害。為了實現遺址文物保存環境“穩定、潔凈”的綜合要求[9]，Luo Xilian等[10]進一步提出了利用置換通風系統對文物保存區環境進行調控的思路，通過實驗研究了系統運行能耗及換氣量對調控性能的影響，取得了較好的實驗效果。

針對遺址博物館環境需求復雜，調控模式多樣化的問題，本文在置換通風調控的基礎上，利用游客與文物兩者環境需求之間的熱力分層特性，提出文物區置換通風系統與游客區舒適性空調系統相結合，實現對游客區與文物保存區的分別調控，并通過搭建實驗系統對調控系統不同調控模式進行了實驗研究。

1 開放式遺址博物館的環境調控模式及分層調控原理

遺址博物館開放式展廳環境調控可能存在的模式包括：1)早期建設的遺址展廳，如兵馬俑1號坑展廳，文物區與游客區均沒有任何環境調控系統，主要依靠外窗自然通風進行環境調控，如圖1(a)所示；2)近年來新建的遺址展廳，如兵馬俑百戲俑坑展廳，只有游客區安裝了空調調控系統，根據展廳對外開放時間運行，為游客提供熱舒適性環境，如圖1(b)所示；3)只對文物保存局部區域進行環境調控，系統全天24 h連續運行，該模式主要用于對早期建設的遺展廳進行改造，以滿足文物對環境的調控需求，如圖1(c)所示；4)同時對游客區與文物區環境進行分別調控，以滿足各自的需求，該模式主要用于今后新建遺址博物館，如圖1(d)所示。

模式1和模式2是目前遺址博物館環境調控中最常見的做法，但忽略了遺址文物對環境的需求，而模式3和模式4則可以滿足遺址文物預防性保護的需求，但這兩種模式都涉及開放大空間局部區域環境調控，需要滿足空間穩定熱力分層特性。游客區與文物區的適宜環境調控參數不一致，以常見遺址博物館硅酸鹽類遺址文物(陶器、陶俑、磚瓦等)為例，根據《博物館建筑設計規范》[11]和《民用建筑供暖通風與空調設計規范》[12]規范，游客和文物在夏季對環境的需求如表1所示，其中游客區由于屬于短期逗留區，因此游客區溫度可在表1所給參數的基礎上提高1～2 ℃。

表1 舒適性空調室內環境參數Tab.1 Indoor environment parameters of comfort air conditioning

圖1 遺址博物館展廳環境調控模式Fig.1 The environmental control model of the exhibition hall of the Ruins Museum

《博物館建筑設計規范》所提的文物適宜保存環境是針對空氣環境中保存的陳列式文物，不一定適用土壤-空氣耦合環境下保存的原位遺址文物。Luo Xilian等[8]從耦合環境平衡角度出發，提出應將空氣溫度維持與土環境溫度接近，即約20 ℃，這與以上規范所提參考值一致。而相對濕度的選取則要考慮更多因素：1)從控制土遺址干裂病害發生角度，相對濕度(RH)應該盡可能接近飽和狀態點，即RH=100%[3]；2)高相對濕度環境會促進土遺址表面霉菌和孢子的生長速度，當環境RH>90%時生長速度十分迅速[13]，從控制霉菌病害的角度來說，應該將RH控制在90%以下。本文綜合以上兩個方面，選取RH的控制范圍約為80%較為適宜。

雖然游客區與文物區的環境調控存在差異，但兩個環境需求之間存在穩定熱分層分布規律：即文物保存的環境溫度<游客的熱舒適性環境溫度，且從空間分布上文物保存區平面高度也位于游客區地平面以下，這種特殊的空間熱力學分層特性為我們利用分層環境調控系統對游客與文物保存環境進行分別調控提供了理論可行性。據此本文提出采用置換通風系統對文物保存區微環境進行調控，并采用常規舒適性空調對游客區進行調控，實現不同區域的分別調控。

2 實驗系統

《中國文物古跡保護準則》要求所有技術都必須經過實驗測試證明有效，且對遺址文物的長期保存不產生損害，才能推廣使用[9]。由于博物館葬坑現場保存珍貴的遺址文物，無法在展廳內直接開展環境調控模式實驗研究，本文借鑒博物館的大空間展示模式，在西安交通大學曲江校區搭建了展示廳實驗室，并參照博物館葬坑的幾何尺寸設計了實驗葬坑，基于該展示廳與實驗葬坑，進一步設計游客區與文物區環境調控系統。

圖2 置換通風調控系統流程圖Fig.2 The flow chart of displacement ventilation control system

圖2(a)所示為實驗展廳環境調控系統示意圖，文物區和游客區分別利用置換通風系統和空調進行環境調控，圖2(b)所示為文物保存區置換通風系統流程圖。整個系統由制冷機組、冷水管道系統、空氣處理系統、送回風系統組成，其中送回風系統由送風靜壓箱、回風口及循環風管組成，送風靜壓箱在長度、高度及厚度方向分別為2.5、0.7、0.2 m，背向坑壁的面加工成送風孔板，孔口直徑為2 mm，開孔率為25%。送風靜壓箱的作用主要是通過增加送風口前管道的面積，將送風動能轉化為壓能，提高送風的均勻性。

實驗中對展廳空間溫濕度、葬坑內微風速進行了監測記錄，傳感器位置如圖3所示。圖中T1～T5為溫濕度傳感器，采用TR-72Ui 溫濕度記錄儀，測量精度為±0.3 ℃，±5.0% RH，用于記錄葬坑中心位置溫濕度的垂直分布，以葬坑底部作為參考面，T1～T5傳感器布置高度分別為0.2、0.5、1.3、1.9、2.6 m。整個文物保存區(實驗葬坑)深度為2.0 m, T4布置高度為1.9 m，近似代表文物保存區與游客區的分界點；T5布置位置高于葬坑上方0.6 m處，代表游客區環境的溫濕度。Tav為布置在葬坑中心0.35 m高度處的微風速測點，采用Swema03微風速儀，測量精度為±0.03 m/s。圖3中陶質磚為模擬文物，總長度為0.6 m，一半埋藏在土壤中，一半暴露在葬坑空氣中，Tr1、Tr2為嵌入方磚內的溫度傳感器，離地表的距離均為0.25 m。Ts為埋藏深度為0.05 m的土壤測溫點，Tr1、Tr2和Ts的測試儀器均為康銅熱電偶，測量精度為±0.3 ℃。

圖3 傳感器位置圖Fig.3 Sensor position diagram

3 實驗工況及結果分析

針對博物館4種環境調控模式，本文設計了4個實驗工況進行實驗研究，如表2所示。

表2 實驗工況Tab.2 Experimental working conditions

以上4個實驗工況均在夏季7～8月份之間，屬于西安地區天氣最炎熱的月份。圖4所示為各實驗工況室外溫濕度參數分布，表3所示為各工況溫濕度參數的統計值，可知在4個工況運行期間，室外平均溫度均在30 ℃以上，最高溫度均超過36 ℃，且晝夜溫差較大，對遺址博物館文物保存帶來不利影響。此外在博物館對外開放期間(09∶00～18∶00)，4個工況室外平均溫度分別為36.5、34.2、31.6、33.6 ℃，均超過了游客的熱舒適性要求參數范圍(24～28 ℃)，因此有必要采取環境調控措施進一步改善游客區和文物區的熱舒適性。

3.1 實驗展廳內溫濕度分布特征

圖5所示為4個工況下實驗展廳內的溫度分布，表4所示為展廳溫度統計值。

實驗工況1中，整個展廳均處于自然通風狀態，室內溫度分布受室外環境影響大，呈現晝夜周期性波動，考慮到博物館對游客開放時間通常在09:00～18:00，在該段時間內，游客區測點(T5)的溫度平均值高達36.5 ℃，遠超游客舒適性要求規定范圍。與此同時，模擬葬坑內的溫度波動也較大，離葬坑底部文物最近的測點(T1)溫度波動值達3.0 ℃，遠遠超過文物保存環境推薦的波動值1.5 ℃[14]，且葬坑中心位置各測點的溫度值和波動值隨高度的升高而升高，受室外環境的影響增大。葬坑內測點的平均溫度達到27.1 ℃，遠遠超過陜西地區室內遺址土環境的溫度平均值20 ℃，表明遺址文物的土環境與空氣環境間存在很大溫差，會加速遺址文物土環境的失水而引起文物病害。

圖4 室外溫濕度參數分布Fig.4 The distribution of temperature and relative humidity for outdoor environment

表3 各工況下室外溫濕度環境的統計值Tab.3 Statistical value of outdoor temperature and humidity environment under various working conditions

實驗工況2中，游客區的環境調控系統在博物館對外開放時間內定期運行，在對外開放周期內，游客區(T5)的溫度平均值為26.6 ℃，在游客熱舒適性要求的參數范圍(24～28 ℃)內，實現了對游客區環境的調控。同時，由于游客區環境溫度波動值減少，模擬葬坑內的環境也得到了有效改善，葬坑平均溫度降至24 ℃。雖然在游客區環境進行調控的模式下，葬坑內的環境測點的平均值和波動值也大幅降低，但葬坑平均溫度離實現遺址文物土環境與空氣環境平衡的目標值20 ℃還存在較大差距，需要進一步對文物環境進行調控。

實驗工況3中，采用置換通風系統僅對文物保存區進行環境調控，且系統全天24 h連續運行。該運行模式下，游客區環境基本不受環境調控系統的影響，呈現晝夜周期性波動；而葬坑內的平均溫度為21.6 ℃，且坑底區域靠近土環境處測點(T1)的空氣溫度平均值為20.5 ℃，基本滿足了文物的適宜保存溫度要求。

實驗工況4中，游客區與文物環境分別采用舒適性空調系統和置換通風系統進行調控，該調控模式下，游客區的環境(T5)溫度平均值為25.6 ℃，達到了游客熱舒適性要求，同時，在置換通風系統的調控作用下模擬葬坑內的平均溫度進一步降至21.5 ℃，且坑底區域靠近土環境處測點(T1)的空氣溫度平均值為20.4 ℃，十分接近調控目標溫度20 ℃，近似實現了土環境與空氣環境之間的平衡。

圖5 實驗展廳內溫度分布Fig.5 The distribution of temperature in the laboratory exhibition hall

工況文物保存區/℃游客區/℃T—1T—2T—3T—4T—1-4ΔT1ΔT2ΔT3ΔT4T—5ΔT5124.026.528.229.627.13.04.26.28.231.311.3222.723.624.425.424.01.51.82.63.326.62.1320.521.421.922.821.61.62.13.23.728.59.5420.421.321.722.521.51.41.62.43.125.63.4

圖6所示為各工況實驗展廳內相對濕度分布，表5所示為相對濕度統計值。總體上，相對濕度的分布特性與溫度分布特性相似，呈現晝夜周期性波動。在工況1和工況2兩種工況下，由于葬坑區域缺乏有效的通風措施，在土壤水分蒸發的影響下，靠近坑底土環境界面處(T1)空氣特別潮濕，RH>90%，尤其在工況2中平均RH達到98%，雖然高濕環境有利于降低土遺址水分的蒸發，但同時會加快霉菌的生長。對比發現采用置換通風系統的工況3和工況4，模擬坑內平均RH分別為77%和81%，基本達到了RH設定范圍80%～90%。由圖6可知，在工況1和工況2中，文物區內垂直方向RH變化較大，測點T1和測點T4的平均RH差值分別為25.4%和29.3%，而采取置換通風調控系統的工況3和工況4文物區RH的垂直差值分別為6.9%和7.8%，即置換通風系統能有效的提高文物區相對濕度的均勻性。對比發現，工況1和工況3在博物館對外開放期間(09∶00～18∶00)，位于游客區的測點(T5)的RH表現為先減小后增大，波動值分別達到20%和21%，與游客區采取空調措施的工況2和工況4相比，RH的波動明顯降低，即空調系統有效改善了開館期間游客區相對濕度的穩定性。

圖6 實驗展廳內相對濕度分布Fig.6 The distribution of relative humidity in the laboratory exhibition hall

表5 展示廳內相對濕度統計值Tab.5 The relative humidity statistics of the exhibition hall

綜上所述，由于游客與文物之間的熱環境需求存在分層特性，即游客的熱屬性要求所對應的溫度>文物適宜保存環境對應的溫度，因此，利用分層調控系統可以實現對兩個區域的獨立調控。

3.2 文物保存區風速分布特性

風速對文物的主要影響表現在隨著風速提高，將加速土環境-空氣環境界面之間的水分與能量遷移，導致干裂病害發生。目前各國并沒有針對土遺址文物的適宜風速給出推薦范圍，若參考陳列式博物館的保存環境標準，則要求環境風速≤0.15 m/s[15]。圖7所示為4個調控模式下，文物保存區0.35 m高度處(圖3中測點Tav)的風速U(m/s) 分布，表6所示為各工況的統計值。由圖7和表6可以看出，對坑內采用置換通風系統的工況3和工況4，其風速雖然高于其他工況，但平均值只有0.033 m/s和0.032 m/s，遠低于文物保存環境的容許值0.15 m/s。這主要是因為本文在文物區所采用的送風口為孔板送風口，風口有效送風面積相對較大。從風速分布區統計值可知，本文提出的置換通風系統，雖然會提高文物區的空氣流速，但影響幅度很小，游客區與文物區耦合調控模式可以在同時滿足兩個區域的環境需求情況下，給文物區帶來的擾動可忽略不計。

圖7 不同工況下模擬葬坑文物區風速分布Fig.7 Wind speed distribution in simulated burial pit cultural relics under different working conditions

工況最大風速Umax/(m/s)平均風速Uavg/(m/s)10.1360.02320.0170.00530.1210.03540.1530.032

3.3 土壤-空氣耦合環境的平衡性能分析

遺址博物館原址展出的遺址文物由于并未脫離原來埋藏的土環境，其賦存環境是土壤-空氣耦合環境(如圖8所示)，兩環境介質間的平衡是實現遺址文物妥善保存的關鍵，也是遺址文物賦存環境調控的目標。為了獲得遺址文物土壤-空氣耦合保存環境的平衡性能，本文選擇土壤空氣界面下0.05 m深度處土環境與界面上0.2 m高空氣環境間的溫差(ΔT= |Ts-T1|)以及文物本體埋藏在土壤中部分溫度與暴露在空氣中部分的溫差(ΔTr=|Tr1-Tr2|作為保存環境平衡指標進行分析。當不同環境介質及文物本體不同部位間的溫差越小，表明土壤-空氣耦合保存環境更接近平衡狀態，由環境參數波動與不均勻所引起的文物本體老化及水鹽遷移會得到有效緩解。

圖8 遺址文物土壤-空氣耦合環境Fig.8 Soil air coupled environment of relics of ruins

表7所示為各實驗工況下土壤-空氣界面兩側環境間的溫差統計。在工況1自然通風模式下，遺址文物兩個環境介質間存在較大的溫差，ΔT=2.6 ℃，并且由于空氣溫度波動受氣溫變化影響較大，因此溫差波動也較大。在工況2游客區環境單獨調控時，兩個環境介質間的溫差逐步減小，從工況1的2.6 ℃降至1.3 ℃，降低50%，主要是因為空氣環境溫度降低所致。在工況3中僅開啟了文物保存區的環境調控系統，兩環境介質間的溫差為0.67 ℃，較工況2降低了48%，進一步當在工況4中文物保存區與游客區的環境耦合調控系統開啟之后，兩個保存環境介質間的溫差降至0.4 ℃，土環境與空氣環境基本達到了平衡。

表8所示為埋藏在實驗葬坑里的模擬文物不同部位間的溫差統計值。在工況1自然通風模式下，文物不同部位的平均溫差為3.4 ℃，表明存在較大的不平衡溫差，自然通風調控模式無法保證遺址文物本體的熱平衡。當游客區環境溫度進行調控后，由于展示廳內空氣溫度平均值降低，文物本體溫差降低了29%至2.4 ℃，但該溫差依然較大，表明文物本體不同部位間沒有達到平衡，存在“腳冷頭熱”現象，不利于文物的保存。而在工況3中遺址區局部環境調控系統運行后，溫差相比自然通風降低了76%至0.81 ℃，有效改善了遺址文物不同部位間的溫度均勻分布。當工況4開啟文物-游客區耦合環境調控模式時，文物本體溫差低至0.7 ℃，主要是該運行模式實現了文物-游客區分層調控的目的，使文物區的置換通風系統較工況3發揮了更好的效果，更加有利于文物的保存。

表7 各工況下土壤-空氣耦合環境界面溫差統計值Tab.7 Temperature difference between soil air coupled environment under different working conditions

表8 遺址文物埋藏在土壤中部分與暴露在空氣中部分溫差統計值Tab.8 Part of the temperature difference between the buried part of the historical relics buried in the soil and the exposed air

4 結論

參照遺址博物館環境調控的現狀及需求，本文以陜西地區葬坑類遺址博物館夏季調控需求為研究對象，通過實驗對比研究了整個遺址展示廳處于自然通風、游客區單獨環境調控，文物區局部環境調控及游客區-文物區調控4種運行模式，結果表明：

1)在炎熱的夏季，我國早期建設的遺址展示廳采用的自然通風方式既不能滿足游客的熱舒適性要求，也不能滿足文物保存環境需求。在該調控模式下，展廳內環境參數受室外環境影響較大，文物區平均溫度為27.1 ℃，空氣-土壤兩環境介質間的溫差為2.6 ℃，文物本體不同部位間的溫差為3.4 ℃，將嚴重威脅文物的妥善保存，同時開館期間游客區的平均溫度為36.5 ℃，不滿足游客的熱舒適性要求。

2)游客區單獨調控模式雖然可以滿足游客的熱舒適性要求，也可以降低外部環境對文物保存區的影響，但整體上文物保存區還存在較大的溫度波動，且遺址文物土壤-空氣環境處于不平衡狀態下，無法滿足遺址文物的保存需求。

3)置換通風系統可以實現對文物保存環境的獨立調控，且置換通風與游客區舒適性空調系統相結合的游客-文物區調控模式，可以同時滿足游客熱舒適性與文物保存環境需求，還可以降低文物保存環境調控的能耗，為我國開放式遺址展廳環境調控提供可行解決方法。