王方 (故宮博物院北京100009）
摘要:
本研究采用兩套系統(tǒng)分別控制展廳和展拒的環(huán)境,中央空調(diào)將展廳的溫濕度控制在一個合理的范圍內(nèi),再利用微環(huán)境控制系統(tǒng)對展拒內(nèi)的濕度進(jìn)行更精確的調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對于密封性較高的展柜,微環(huán)境控制不僅可以節(jié)約能源、減少顆粒物等空氣污染物對文物的影響,使用和維護(hù)簡單,而且保證較精確的濕度控制,使文物微環(huán)境的相對濕度保持恒定。
關(guān)鍵詞:微環(huán)境控制 應(yīng)用 相對濕度 空氣交換率
1.引言
文物保存環(huán)境的改善是減少文物受損的預(yù)防性保護(hù)措施,但文物保存和展出的理想環(huán)境與人的舒適性要求存在一定的差異,如何在滿足文物保存環(huán)境的同時,也能較好地滿足人體的基本舒適要求,是一個需要綜合考慮的問題。采用空調(diào)系統(tǒng)對展廳的環(huán)境集中控制是不可能同時滿足兩種不同的要求的,只是在一定程度上緩和了兩者之間的矛盾,真正解決問題的方法則是將兩者分開處理,即對展廳與展柜實(shí)施獨(dú)立控制。展廳與展柜的獨(dú)立控制就是采用兩套不同的系統(tǒng)分別控制展廳和展柜的環(huán)境,展廳的控制可以滿足人體的基本舒適要求,展柜環(huán)境則應(yīng)該完全考慮文物保存的要求。
相對濕度的調(diào)節(jié)通常分為機(jī)械控制方法和非機(jī)械控制方法,其中機(jī)械控制方法包括空調(diào)、除濕機(jī)和加濕器等,主要用于較大空間的濕度調(diào)節(jié),如文物庫房和展廳或是體積較大的展柜;非機(jī)械控制方法主要包括各種調(diào)濕材料,即通過材料本身吸收或放出水分達(dá)到調(diào)節(jié)濕度的目的,一般用于相對密閉的較小空間,如文物陳列柜、保存柜和包裝箱中的濕度調(diào)節(jié)〔`1。故宮博物院武英殿作為書畫展廳,展柜中既有體積超過70m,的大型沿墻柜,也有體積較小的俯視柜,對于溫濕度的控制有較嚴(yán)格的要求,如果采用中央空調(diào)或是除濕機(jī)等設(shè)備,不能達(dá)到精確控制相對濕度的目的,若使用調(diào)濕劑控制較大的展柜不僅人力、物力成本高,而且這種方法也不現(xiàn)實(shí)。鑒于以上原因,在布展前進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)利用MCG4微氣候控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)展柜中的微環(huán)境,可以取得較好的應(yīng)用效果,在文物展出環(huán)境的控制方面做出了一些有益的探索,故此拋磚引玉,希望對于今后文物微環(huán)境方面更深人的研究能夠提供點(diǎn)滴幫助。
MCG4微氣候控制系統(tǒng)由致美科技(南京)有限公司生產(chǎn)。據(jù)廠家介紹,他們采用的是加拿大Mieorelimate Tehnologies International Ine.公司的技術(shù),·其給出的資料顯示:在工作溫度17一26℃時,設(shè)備可提供氣流給一個10m2的展柜,以保證其中的相對濕度得到。
設(shè)備技術(shù)規(guī)格：
主機(jī)大小400mm(寬)*270mm(深)*150mm(高);
重量：≤10kg(水箱空), ≤llkg(水箱滿);
電源:220V,47~63ZH;
功耗:75W(當(dāng)在21℃產(chǎn)生50%相對濕度時);
最大工作電流:5A;
去水:地面去水口,去水盤;出人氣管:25mm內(nèi)徑。
輸出容量:在工作溫度17一26℃,濕度35%一70%及控制精度為1.5%時,可提供氣流給一個10m2的展柜(其前提條件是展柜的空氣交換率應(yīng)小于4次/d)。=
2.實(shí)驗(yàn)過程及測試結(jié)果
為了檢驗(yàn)MCG4設(shè)備調(diào)控展柜微環(huán)境的效果,首先設(shè)計(jì)了模擬實(shí)驗(yàn)方案。
2.1第一階段
此階段的目的主要是測試該設(shè)備控制相對濕度的穩(wěn)定性能,并測定其可以達(dá)到的最高相對濕度和最低相對濕度值,從而判斷設(shè)備的加濕和除濕能力。
實(shí)驗(yàn)時間:2007年10月一0日至10月16日;
實(shí)驗(yàn)地點(diǎn):午門技術(shù)科值班室。
實(shí)驗(yàn)所用展柜體積約為.065耐。10月10日14:50實(shí)驗(yàn)開始時展柜中溫度為2.49℃(圖1),相對濕度為31.4%。首先將相對濕度設(shè)定為35%。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的相對濕度時,再將相對濕度提高3%一5%(根據(jù)相對濕度提高的速度決定下一步的設(shè)定值),這樣逐步提高,到當(dāng)天23:35達(dá)到55%。維持設(shè)定值為55%的相對濕度到10月11日14:50,在此期間,相對濕度一直在54.5%一56.6%變化,穩(wěn)定度較好。再將相對濕度逐步提高到70%,至n日16:45達(dá)到69.2%,并維持相對濕度設(shè)定值在69%一70%(該機(jī)器的設(shè)定值最高為70%)之間,直到10月12日09:15,在此期間,相對濕度一直在67.4%一70.5%變化,穩(wěn)定度較好。再將相對濕度逐步降低到30%,到10月13日02:05達(dá)到30.6%,并維持相對濕度設(shè)定值在30%(該機(jī)器的設(shè)定值最低為35%),直到10月14日18:05,在此期間,相對濕度一直在29.1%一31.1%變化,穩(wěn)定度較好。之后繼續(xù)調(diào)低相對濕度直至達(dá)到最低極限,實(shí)測出其極限值為23%。
2.2第二階段
由于午門實(shí)驗(yàn)所用的展柜體積僅有.065m3,而廠家所提供的恒濕設(shè)備最大可滿足10m3的空間使用,是此展柜的15倍,故上述實(shí)驗(yàn)中的加濕、除濕、恒濕的效果雖然很好,但還不足以說明問題。因此,決定在前期小試的基礎(chǔ)上,使用接近實(shí)際展出要求的展柜開展中期實(shí)驗(yàn),這樣得出的結(jié)果更科學(xué),也更具有說服力。經(jīng)研究和協(xié)商,決定在武英殿利用一個長24m(由16個短展柜組成,每個展柜長1.5m)、體積約4mm3的俯視柜內(nèi)做進(jìn)一步的恒濕試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時間:2007年12月12日至12月21日:實(shí)驗(yàn)地點(diǎn):武英殿展廳。
12月初,武英殿恒濕設(shè)備安裝完畢,開始第二階段實(shí)驗(yàn)。恒濕設(shè)備安裝于展柜的下部,外表看不見設(shè)備,因此對展出效果沒有任何影響。同時,安排專人負(fù)責(zé)日常維護(hù),并且每天查看和記錄數(shù)據(jù)。設(shè)備開啟前,展柜內(nèi)的相對濕度大約為24%(圖2)。開啟后,濕度上升一直比較緩慢。在排查了可能出現(xiàn)的故障,并進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整后效果仍不明顯。經(jīng)過與廠家聯(lián)系,12月19日,廠家派技術(shù)人員對設(shè)備進(jìn)行了檢修,但相對濕度仍達(dá)不到設(shè)定要求。一方面,12月19日10點(diǎn)50分,將相對濕度值設(shè)定為45%,經(jīng)過2h4,濕度沒有任何提升。另一方面,雖然設(shè)備的最大容量是展柜體積的2.5倍,但由于展柜很長,內(nèi)部空氣的相對濕度很不均勻,相差超過10%。同時,實(shí)驗(yàn)中常常出現(xiàn)展柜送風(fēng)口處的相對濕度高于設(shè)定值,而回風(fēng)口處的相對濕度低于設(shè)定值的情況,原因應(yīng)該是展廳環(huán)境比較干燥,加濕過程中送風(fēng)口的相對濕度有可能高于設(shè)定值,但由于展柜的形狀狹長,而回風(fēng)口與送風(fēng)口距離達(dá)到1Zm,加之展柜密封狀態(tài)較差,因此相對濕度下降明顯。
第三階段
由于第二階段的實(shí)驗(yàn)效果不理想,沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo),因此,在采取了一系列改進(jìn)措施后,又進(jìn)行了第三階段的實(shí)驗(yàn)測試
實(shí)驗(yàn)時間:2008年l月11日至l月21日;
實(shí)驗(yàn)地點(diǎn):武英殿展廳。
實(shí)驗(yàn)所用展柜為第二階段所用展柜2008年1月3日武英殿展覽結(jié)束后,重新對展柜進(jìn)行了仔細(xì)地密封,并使用專用設(shè)備對展柜密封度進(jìn)行檢測。展柜密封工作于1月1閉館前完成,臨走時將設(shè)備的相對濕度設(shè)定值從55%調(diào)整至50%,并維持不變,直到l月21日實(shí)驗(yàn)結(jié)束(圖3)。
從1月13日上午8點(diǎn)至1月21日上午9點(diǎn)之間,南回風(fēng)口相對濕度最大值為58.7%(表1、圖4),最小值為52.4%,日濕度差最大的是l月14日,為6.0%(表2、圖5、圖6),日濕度差最小的是1月20日,為1.0%,日均濕度差為2.5%;溫度最大值為15.2℃,最小值為11.3℃,日溫差最大的是1月13日,為.27℃,日溫差最小的是l月19日,為.04℃,日均溫差為1.2℃。北回風(fēng)口相對濕度最大值為57.0%,最小值為51.0%,日濕度差最大的是1月14日,為.40%,日濕度差最小的是1月17日,為1.5%,日均濕度差為2.7%;溫度最大值為1.42℃,最小值為9.9℃,日溫差最大的是1月13日,為3.3℃,日溫差最小的是1月19日,為.05℃,日均溫差為1.5℃?？紤]到展柜長達(dá)24m,形狀狹長,且展室內(nèi)的溫濕度并不恒定,展柜內(nèi)相對濕度日變化幅度絕大部分時間保持在4%之內(nèi),因此,其穩(wěn)定性令人滿意。檢測方便等。曾被用作示蹤氣體的有COZ、SF6、02、HZO等,其中CoZ比較常用。當(dāng)泄漏率超過允許值時,設(shè)備所提供的理想相對濕度的氣體量就無法彌補(bǔ)泄漏所帶來的相對濕度降低或升高,因此就需要查找泄漏點(diǎn)并重新進(jìn)行密封。檢查展柜泄漏的方法根據(jù)原理的不同大致可以分成3類:超聲波檢測法、紫外熒光檢測法和鹵素泄漏探測法,其中,鹵素泄漏探測法是最經(jīng)濟(jì)同時也是使用最普遍的方法。
展柜密封度的高低關(guān)系到能否使展柜保持一個合適的相對濕度。若使用調(diào)濕劑,對密封度的要求會很高,通過查閱有關(guān)資料,并結(jié)合初步的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)換氣量應(yīng)控制在每天小于1個展柜體積,即展柜的空氣交換率應(yīng)小于1次d/,如果有條件,最好使空氣交換率更低一些。當(dāng)然這還與調(diào)濕劑的種類、用量、維持目標(biāo)濕度的時間長短等因素有關(guān);MCG4設(shè)備對密封度的要求相對寬松一些,但也要求空氣交換率不大于4次d/。
本實(shí)驗(yàn)在第二階段的相對濕度(基本在40%以下)總是不能提升到設(shè)定值,而在第三階段實(shí)驗(yàn)中,由于展柜被重新做過仔細(xì)的密封,使相對濕度能在50%以上保持恒定。相同的展柜,相同的設(shè)備,第二階段與第三階段的結(jié)果大相徑庭。以上現(xiàn)象充分說明展柜密封性的好壞對于調(diào)濕效果有很大的影響,是能否達(dá)到使用要求的關(guān)鍵因素。此前,武英殿展柜基本沒有做過專門的密封處理,由此影響到設(shè)備性能的充分發(fā)揮是毫無疑問的。
3 問題討論
3.1 展柜密封度問題及其檢測
在為展柜安裝控濕設(shè)備前，首先要檢測展柜的密封性，確定展柜泄露率，根據(jù)泄露率，計(jì)算出調(diào)濕設(shè)備需要提供的氣體流量。通常是像展柜內(nèi)通入一定量的示蹤氣體，當(dāng)示蹤氣體與展柜的空氣充分混合后，若展柜有任何縫隙，混合的氣體就會與展柜外的空氣進(jìn)行交換，使展柜內(nèi)示蹤氣體的濃度不斷下降，通過檢測展柜內(nèi)示蹤氣體的濃度變化速率可以評價出展柜的換氣率，示蹤氣體選擇的基本要求是無毒、無害，分子量與空氣比較接近，在空氣中的含量穩(wěn)定（最好是含量稀少或沒有檢 測 方 便 等。曾 被 用 作 示 蹤 氣體 的 有 C OZ、S F 6、02 、HZ O等,其 中 C oZ 比 較 常 用。當(dāng) 泄漏率 超過 允 許值 時,設(shè)備 所提 供 的理想 相 對 濕 度的 氣體 量 就 無 法 彌補(bǔ)泄 漏所帶 來 的相 對濕度 降 低或 升高,因 此 就需 要查找泄漏 點(diǎn)并 重 新進(jìn) 行密 封。檢 查展 柜 泄 漏的 方 法 根據(jù) 原 理 的 不 同大致 可 以 分 成 3類:超 聲波檢測 法、紫 外 熒 光檢 測法 和 鹵 素 泄漏探 測 法,其 中,鹵素泄漏探測法是最經(jīng)濟(jì)同時也是使用最普遍的方法。展柜密封度的高低關(guān)系到能否使展柜保持一個合適的相對濕度。若使用調(diào)濕劑,對密封度的要求會很高,通過查閱有關(guān)資料,并結(jié)合初步的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)換氣量應(yīng)控制在每天小于1個展柜體積,即展柜的空氣交換率應(yīng)小于1次d/,如果有條件,最好使空氣交換率更低一些。當(dāng)然這還與調(diào)濕劑的種類、用量、維持目標(biāo)濕度的時間長短等因素有關(guān);MCG4設(shè)備對密封度的要求相對寬松一些,但也要求空氣交換率不大于4次d/。
本實(shí)驗(yàn)在第二階段的相對濕度(基本在40%以下)總是不能提升到設(shè)定值,而在第三階段實(shí)驗(yàn)中,由于展柜被重新做過仔細(xì)的密封,使相對濕度能在50%以上保持恒定。相同的展柜,相同的設(shè)備,第二階段與第三階段的結(jié)果大相徑庭。以上現(xiàn)象充分說明展柜密封性的好壞對于調(diào)濕效果有很大的影響,是能否達(dá)到使用要求的關(guān)鍵因素。此前,武英殿展柜基本沒有做過專門的密封處理,由此影響到設(shè)備性能的充分發(fā)揮是毫無疑問的。
3.2
展柜溫度的控制出于對文物保護(hù)的要求,展柜內(nèi)空氣必須保持比較緩慢的流速。對于武英殿內(nèi)體積達(dá)70m,的展柜,在不允許較大送風(fēng)溫差的情況下,僅僅依靠送風(fēng)克服熱負(fù)荷是很困難的,因此,適宜的展柜溫度應(yīng)通過控制展廳溫度來間接實(shí)現(xiàn)。
3.3MCG4設(shè)備與展柜中的自動溫、濕度記錄儀的濕度差
在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn),無論是在午門還是武英殿的實(shí)驗(yàn)中,MCG4設(shè)備自帶的濕度傳感器的顯示值與我院放在展柜中的自動溫、濕度記錄儀所顯示的濕度存在一定的差異,平均濕度差約為5%一6%。我院所用的自動溫、濕度記錄儀是德國德圖公司生產(chǎn)的testol77型,并按照相關(guān)規(guī)定每年在國家計(jì)量院做校準(zhǔn),因此,所記錄的數(shù)據(jù)是可靠的。2007年9月,廠家曾更換過一次MCG4設(shè)備的濕度傳感器(在此之前所用的傳感器與testol77型記錄儀的濕度差平均達(dá)到了10%,廠家承認(rèn)其傳感器有問題),因此,目前MCG4設(shè)備的濕度顯示的準(zhǔn)確性還有待驗(yàn)證和提高
3.4相對濕度的均勻性
在第二階段實(shí)驗(yàn)中,展柜中送風(fēng)口和回風(fēng)口(相距12m)的相對濕度差異較大,與展柜太長、空氣流動性差有直接關(guān)系(整個展柜長達(dá)24m,但寬度不足0.8m,最大高度僅約.03m),也與展柜的密封度有關(guān)。對于這種長度很長但橫截面積很小的細(xì)長型展柜,在條件允許的情況下可適當(dāng)考慮增加恒濕設(shè)備的數(shù)量。
3.5設(shè)備最大輸出容量與展柜體積的關(guān)系
本研究第一階段所用展柜的體積約為0.65m,,第二和第三階段所用展柜體積約為4m,,而MCG設(shè)備的最大輸出容量為10mm3，分別是展柜的15倍和.25倍,整個實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在設(shè)備負(fù)荷較小的情況下取得的。廠家宣稱的最大輸出容量僅僅是理想情況下的數(shù)值,考慮到實(shí)際工作中展柜形狀、開啟方式以及周圍環(huán)境的復(fù)雜性,設(shè)備容量應(yīng)留出一定的余量,同時建議生產(chǎn)廠家對于設(shè)備的最大輸出容量與展柜的形狀以及體積的關(guān)系應(yīng)予以充分的考慮。此外,為保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn),展室的溫度也要有一個基本的保障。
3.6與調(diào)濕劑搭配使用的問題
不得不說,機(jī)械調(diào)濕設(shè)備也有其局限性,如設(shè)備投資大、運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用高于使用調(diào)濕劑的費(fèi)用、需要專人負(fù)責(zé)并保證2h4供電等。目前,一些調(diào)濕劑生產(chǎn)廠家可以根據(jù)不同材質(zhì)文物對相對濕度的要求,設(shè)計(jì)不同的調(diào)濕劑。使用前,先將調(diào)濕劑在預(yù)設(shè)的濕度環(huán)境中充分平衡,使其相對濕度值保持恒定,再放人使用環(huán)境中。將調(diào)濕劑與微環(huán)境控制系統(tǒng)配合使用,可以使展柜內(nèi)的相對濕度更均勻、平穩(wěn),同時也可降低運(yùn)行成本,最重要的是可以避免當(dāng)設(shè)備或供電系統(tǒng)出現(xiàn)異常時,相對濕度出現(xiàn)較大的波動。
4.結(jié)論
展柜微環(huán)境的控制不僅可以節(jié)約能源、保證較高的精度,而且將展柜與展廳獨(dú)立控制可以保證文物與觀眾都能有一個適宜的溫濕度環(huán)境。由于系統(tǒng)運(yùn)行時展柜內(nèi)將保持一個微正壓的狀態(tài),這樣就可以減少顆粒物等空氣污染物對文物的影響。從安全角度考慮,如果增加一套差壓變送器,該系統(tǒng)還具有防盜報(bào)警的功能—因?yàn)橐坏┱构裨獾狡茐幕蛴蟹欠ㄟM(jìn)人的情況發(fā)生,展柜內(nèi)的壓力就會突然下降,計(jì)算機(jī)程序會自動識別出變化并發(fā)出報(bào)警信號.制室的技術(shù)人員就會馬上知道并采取措施。通過對展柜微環(huán)境控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究,可以得出以下結(jié)論:
(l)微環(huán)境控制系統(tǒng)對于相對密閉的小環(huán)境具有恒濕的功能;
(2)該系統(tǒng)使用和維護(hù)相對簡單,能耗不高,但對于展柜的密封性有較高的要求;
(3)對于本次實(shí)驗(yàn)中未涉及的大型展柜,在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)充分考慮設(shè)備的最大輸出容量與展柜的形狀以及體積的相關(guān)性。
目前,針對展柜微環(huán)境控制系統(tǒng)所做的研究在濕度控制方面取得了較好的效果,但還只是初步的研究,一些細(xì)節(jié)問題和機(jī)理研究還需要深人,如泄漏率的測試方法不止一種,示蹤氣體的選擇上有C02、SF6、從0、02等,各有優(yōu)缺點(diǎn),其計(jì)算方法也有所不同,不同的方法之間不能作對比,到底哪一種更科學(xué)、更準(zhǔn)確;系統(tǒng)運(yùn)行時,展柜內(nèi)的氣流變化規(guī)律及相對濕度分布情況等,這些都有待今后的進(jìn)一步研究。
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