基于文物熱安全度的文物保護環境控制研究

張鏡心

(中鐵建設集團有限公司 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涵，作為文物最為主要的儲存地之一，做好相應的文物保護工作必然是重中之重[1]。

當前保護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境[2]，如溫度、相對濕度、風速、光照這些對文物有著重要影響的環境因素就是重點關注對象，通過空調控制手段，可為文物創造出一個非常合適的保存環境，避免文物由于被侵蝕而遭受損害，達到長期保護的目的[3]。但在這個科技發展迅速且能源消耗巨大的社會，對博物館文物保護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、空調節能進行科學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，對展廳內文物環境與系統耗能進行了分析研究。

2 文物熱安全度

2.1 文物熱安全度的提出

現行規范對文物保護環境的控制溫度就是文物周圍的環境溫度，傳統的博物館微環境控制系統也沒有考慮到燈光輻射溫度和空調系統風速對文物溫度的影響，環境溫度與文物表面的溫度還是存在著較大的差異，以環境溫度為空調系統的控制參數對文物保護環境來說并不準確。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，它受環境溫度、濕度、風速和輻射四種指標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為風速對熱安全度的修正(℃)，展柜內文物可忽略不計。

2.2 文物熱安全度的分析

在沒有外窗的室內，燈光是重要的環境影響因素之一，其所具備的能量，會產生一定的熱輻射反應[4]。如果文物長時間暴露在光的照射之下，室內環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生波動[5]，這可能會導致文物的熱安全度超標或大幅度波動，進而加速文物發生物理或者化學變化，使文物產生變色、氧化等不利的影響。

建設部2015年發布的《博物館建筑設計規范》[6]46除了在第十章規定了博物館陳列展覽區的室內空氣設計計算參數，如:夏季舒適區的溫度范圍為25～27℃，相對濕度范圍為45%～60%外，還明確規定了文物所處環境的溫度需控制在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]。而規范中的文物環境控制范圍即為附加上濕度、輻射、風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，采用中央空調的形式提供適宜的室內環境。

圖1 博物館外觀

3.2 測試內容

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字溫濕度計、熱敏式風速風量計和熱度指數計，分別測量溫度、相對濕度、風速和黑球溫度。現場測試根據展廳空間規模和文物布置特點選擇展柜周邊測點共33個，測量各測點在不同時間段的各項環境參數。本文以代表性時間7月4日的測試結果為例，進行分析研究，其中，室內風速測試數據較小，本文不予研究。

3.3 測試結果

3.3.1 干、黑球溫度測試的結果分析

由圖2可知，同一時間段展廳內不同測點溫度波動范圍在±1℃以內，但室內干球溫度維持在21.8～22.4℃之間，低于《博物館建筑設計規范》[6]46的夏季展覽區溫度設計參數25～27℃，這降低了室內參觀人員舒適度，還增加了空調系統的能源消耗。

圖2 展廳干、黑球溫度的各測點分布

此外，室內黑球溫度在22～23.1℃之間波動，大多測點的黑球溫度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 相對濕度測試的結果分析

圖3是展廳內各測點相對濕度的變化圖，該廳內各測點相對濕度波動較為穩定，波動僅在±2.3%之內，遠遠低于國內外公認的相對濕度±5%波動要求。但相對濕度維持在65.7%～68%之間，超過了《博物館建筑設計規范》[6]46夏季展覽區相對濕度的設計參數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分布

3.3.3 文物熱安全度計算的結果分析

本研究基于測試展廳內的室內干球溫度、黑球溫度、相對濕度和風速各參數的值，以確定Taw、Trw、Tuw、Tvw，進而得到文物的熱安全度Tgw。

圖4即為展廳內各測點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℃，說明該展廳環境的控制對文物保護是不夠的。

圖4 展廳熱安全度的各測點分布

測試期間7月4日，由于該日的黑球溫度和室內相對濕度均較高，對熱安全度的影響較大，使得環境溫度大多處于規范要求的文物環境溫度控制范圍內，但文物熱安全度卻超出了該范圍。可見，以環境干球溫度作為空調控制的基礎數據對文物保護是不準確的。而且，展廳內熱安全度的波動相較于環境溫度更大，忽冷忽熱對文物的熱脹冷縮和衰變問題的影響也相應較大[9]。

4 文物熱安全度指標用于智能空調的節能性分析

傳統文物環境智能控制方法是以文物周圍環境的溫濕度參數作為標準，將測得的參數與設定值進行比較，從而智能地調節空調系統機組或設備的運行情況[10]。根據前述研究可知，室內環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用于智能空調控制系統，可實現空調系統對文物安全的高精度調控和節能性運維。

研究對展廳內文物周圍環境的干球溫度、黑球溫度、相對濕度和風速進行了連續3.5 h的測試，每隔15 min測取一組數據。本文以典型的某測點為例，將11個時間點的干球溫度、黑球溫度和文物熱安全度的數據繪制如圖5所示。

圖5 某測點溫度逐時變化分布

如圖5所示，室內測點的文物熱安全度均大于干球溫度，差值均大于1℃，最大可達1.97℃。據美國國家標準局統計資料表明，如果在夏季溫度值上調1℃，將減少9%的能耗[11]，因此，將文物熱安全度作為智能空調控制系統的基礎數據[12]，本展廳將平均減少約17.73%的能耗。

5 結論

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

(1)當展廳內環境溫度處于規范要求的文物保存環境溫度需控制范圍內時，由于室內燈光等熱輻射效應的影響，會出現文物熱安全度不滿足控制要求的情況，而且環境溫度波動較小的時候，文物熱安全度未必也小，因此，以環境溫度作為智能空調的控制參數是不合理的。而將文物熱安全度引入到智能空調中，并作為基礎調控參數，一方面，可有效減少空調調控的波動，這不僅有利于文物的高精度保護，避免文物溫度的起伏，而且溫差調節區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，相當于提高了空調系統的溫度設計參數，這將更進一步實現節能降耗的目的。

(2)展廳內環境溫度較低，不滿足《博物館建筑設計規范》[6]46的夏季展覽區溫度設計參數的要求。這是因為展廳內人員與文物微環境均由中央空調集中控制，為保證文物安全，室內溫度控制較低，但測試結果卻是文物保護環境沒有得到保證，人體舒適度也降低了，還造成了大量的能源浪費。因此，本文建議博物館內空調系統應該分區進行控制，展廳內的大環境溫濕度應放寬要求，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加裝微環境的恒溫恒濕設備來局部調控，這是最行之有效的兼顧文物安全、人員舒適和低碳節能的智能空調控制系統模式[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]，光源選擇要嚴格遵循博物館設計的照明標準，盡量減少燈光對文物的輻射強度。

(4)展廳內相對濕度波動較小，但是廳內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。因此，該展廳需要根據實際情況進行降濕處理，將調控的目標值降低至文物安全保存的限值內。

本文提出的將文物熱安全度應用于博物館智能空調系統，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的環境舒適和系統運維的低碳節能，通過測試實驗證明該方法具有可行性，值得在博物館設計中大力推廣、借鑒和應用，具有較大的社會、經濟效益[15]。