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,中央空調將展廳的溫濕度控制在一個合理的范圍內,再利用微環(huán)境控制系統(tǒng)對展拒內的濕度進行更精確的調節(jié)。實驗結果表明: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。
關鍵詞:微環(huán)境控制 應用 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防性保護措施,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,即對展廳與展柜實施獨立控制。展廳與展柜的獨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)境則應該完全考慮文物保存的要求。
相對濕度的調節(jié)通常分為機械控制方法和非機械控制方法,其中機械控制方法包括空調、除濕機和加濕器等,主要用于較大空間的濕度調節(jié),如文物庫房和展廳或是體積較大的展柜;非機械控制方法主要包括各種調濕材料,即通過材料本身吸收或放出水分達到調節(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格的要求,如果采用中央空調或是除濕機等設備,不能達到精確控制相對濕度的目的,若使用調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。鑒于以上原因,在布展前進行了一系列實驗,發(fā)現(xiàn)利用MCG4微氣候控制系統(tǒng)調節(jié)展柜中的微環(huán)境,可以取得較好的應用效果,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。據廠家介紹,他們采用的是加拿大Mieorelimate Tehnologies International Ine.公司的技術,·其給出的資料顯示:在工作溫度17一26℃時,設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。
設備技術規(guī)格：
主機大小400mm(寬)*270mm(深)*150mm(高);
重量：≤10kg(水箱空), ≤llkg(水箱滿);
電源:220V,47~63ZH;
功耗:75W(當在21℃產生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小于4次/d)。=
2.實驗過程及測試結果
為了檢驗MCG4設備調控展柜微環(huán)境的效果,首先設計了模擬實驗方案。
2.1第一階段
此階段的目的主要是測試該設備控制相對濕度的穩(wěn)定性能,并測定其可以達到的最高相對濕度和最低相對濕度值,從而判斷設備的加濕和除濕能力。
實驗時間:2007年10月一0日至10月16日;
實驗地點:午門技術科值班室。
實驗所用展柜體積約為.065耐。10月10日14:50實驗開始時展柜中溫度為2.49℃(圖1),相對濕度為31.4%。首先將相對濕度設定為35%。當達到設定的相對濕度時,再將相對濕度提高3%一5%(根據相對濕度提高的速度決定下一步的設定值),這樣逐步提高,到當天23:35達到55%。維持設定值為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達到69.2%,并維持相對濕度設定值在69%一70%(該機器的設定值最高為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達到30.6%,并維持相對濕度設定值在30%(該機器的設定值最低為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)調低相對濕度直至達到最低極限,實測出其極限值為23%。
2.2第二階段
由于午門實驗所用的展柜體積僅有.065m3,而廠家所提供的恒濕設備最大可滿足10m3的空間使用,是此展柜的15倍,故上述實驗中的加濕、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上,使用接近實際展出要求的展柜開展中期實驗,這樣得出的結果更科學,也更具有說服力。經研究和協(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的俯視柜內做進一步的恒濕試驗。實驗時間:2007年12月12日至12月21日:實驗地點:武英殿展廳。
12月初,武英殿恒濕設備安裝完畢,開始第二階段實驗。恒濕設備安裝于展柜的下部,外表看不見設備,因此對展出效果沒有任何影響。同時,安排專人負責日常維護,并且每天查看和記錄數(shù)據。設備開啟前,展柜內的相對濕度大約為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,并進行了相應的調整后效果仍不明顯。經過與廠家聯(lián)系,12月19日,廠家派技術人員對設備進行了檢修,但相對濕度仍達不到設定要求。一方面,12月19日10點50分,將相對濕度值設定為45%,經過2h4,濕度沒有任何提升。另一方面,雖然設備的最大容量是展柜體積的2.5倍,但由于展柜很長,內部空氣的相對濕度很不均勻,相差超過10%。同時,實驗中常常出現(xiàn)展柜送風口處的相對濕度高于設定值,而回風口處的相對濕度低于設定值的情況,原因應該是展廳環(huán)境比較干燥,加濕過程中送風口的相對濕度有可能高于設定值,但由于展柜的形狀狹長,而回風口與送風口距離達到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
由于第二階段的實驗效果不理想,沒有達到預期目標,因此,在采取了一系列改進措施后,又進行了第三階段的實驗測試
實驗時間:2008年l月11日至l月21日;
實驗地點:武英殿展廳。
實驗所用展柜為第二階段所用展柜2008年1月3日武英殿展覽結束后,重新對展柜進行了仔細地密封,并使用專用設備對展柜密封度進行檢測。展柜密封工作于1月1閉館前完成,臨走時將設備的相對濕度設定值從55%調整至50%,并維持不變,直到l月21日實驗結束(圖3)。
從1月13日上午8點至1月21日上午9點之間,南回風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24m,形狀狹長,且展室內的溫濕度并不恒定,展柜內相對濕度日變化幅度絕大部分時間保持在4%之內,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。當泄漏率超過允許值時,設備所提供的理想相對濕度的氣體量就無法彌補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并重新進行密封。檢查展柜泄漏的方法根據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濟同時也是使用最普遍的方法。
展柜密封度的高低關系到能否使展柜保持一個合適的相對濕度。若使用調濕劑,對密封度的要求會很高,通過查閱有關資料,并結合初步的實驗研究,發(fā)現(xiàn)換氣量應控制在每天小于1個展柜體積,即展柜的空氣交換率應小于1次d/,如果有條件,最好使空氣交換率更低一些。當然這還與調濕劑的種類、用量、維持目標濕度的時間長短等因素有關;MCG4設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/。
本實驗在第二階段的相對濕度(基本在40%以下)總是不能提升到設定值,而在第三階段實驗中,由于展柜被重新做過仔細的密封,使相對濕度能在50%以上保持恒定。相同的展柜,相同的設備,第二階段與第三階段的結果大相徑庭。以上現(xiàn)象充分說明展柜密封性的好壞對于調濕效果有很大的影響,是能否達到使用要求的關鍵因素。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備前，首先要檢測展柜的密封性，確定展柜泄露率，根據泄露率，計算出調濕設備需要提供的氣體流量。通常是像展柜內通入一定量的示蹤氣體，當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行交換，使展柜內示蹤氣體的濃度不斷下降，通過檢測展柜內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 泄漏率 超過 允 許值 時,設備 所提 供 的理想 相 對 濕 度的 氣體 量 就 無 法 彌補泄 漏所帶 來 的相 對濕度 降 低或 升高,因 此 就需 要查找泄漏 點并 重 新進 行密 封。檢 查展 柜 泄 漏的 方 法 根據 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濟同時也是使用最普遍的方法。展柜密封度的高低關系到能否使展柜保持一個合適的相對濕度。若使用調濕劑,對密封度的要求會很高,通過查閱有關資料,并結合初步的實驗研究,發(fā)現(xiàn)換氣量應控制在每天小于1個展柜體積,即展柜的空氣交換率應小于1次d/,如果有條件,最好使空氣交換率更低一些。當然這還與調濕劑的種類、用量、維持目標濕度的時間長短等因素有關;MCG4設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/。
本實驗在第二階段的相對濕度(基本在40%以下)總是不能提升到設定值,而在第三階段實驗中,由于展柜被重新做過仔細的密封,使相對濕度能在50%以上保持恒定。相同的展柜,相同的設備,第二階段與第三階段的結果大相徑庭。以上現(xiàn)象充分說明展柜密封性的好壞對于調濕效果有很大的影響,是能否達到使用要求的關鍵因素。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的要求,展柜內空氣必須保持比較緩慢的流速。對于武英殿內體積達70m,的展柜,在不允許較大送風溫差的情況下,僅僅依靠送風克服熱負荷是很困難的,因此,適宜的展柜溫度應通過控制展廳溫度來間接實現(xiàn)。
3.3MCG4設備與展柜中的自動溫、濕度記錄儀的濕度差
在實際測試中發(fā)現(xiàn),無論是在午門還是武英殿的實驗中,MCG4設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的testol77型,并按照相關規(guī)定每年在國家計量院做校準,因此,所記錄的數(shù)據是可靠的。2007年9月,廠家曾更換過一次MCG4設備的濕度傳感器(在此之前所用的傳感器與testol77型記錄儀的濕度差平均達到了10%,廠家承認其傳感器有問題),因此,目前MCG4設備的濕度顯示的準確性還有待驗證和提高
3.4相對濕度的均勻性
在第二階段實驗中,展柜中送風口和回風口(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系(整個展柜長達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。對于這種長度很長但橫截面積很小的細長型展柜,在條件允許的情況下可適當考慮增加恒濕設備的數(shù)量。
3.5設備最大輸出容量與展柜體積的關系
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設備的最大輸出容量為10mm3，分別是展柜的15倍和.25倍,整個實驗結果是在設備負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,考慮到實際工作中展柜形狀、開啟方式以及周圍環(huán)境的復雜性,設備容量應留出一定的余量,同時建議生產廠家對于設備的最大輸出容量與展柜的形狀以及體積的關系應予以充分的考慮。此外,為保證設備正常運轉,展室的溫度也要有一個基本的保障。
3.6與調濕劑搭配使用的問題
不得不說,機械調濕設備也有其局限性,如設備投資大、運行及維護費用高于使用調濕劑的費用、需要專人負責并保證2h4供電等。目前,一些調濕劑生產廠家可以根據不同材質文物對相對濕度的要求,設計不同的調濕劑。使用前,先將調濕劑在預設的濕度環(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。將調濕劑與微環(huán)境控制系統(tǒng)配合使用,可以使展柜內的相對濕度更均勻、平穩(wěn),同時也可降低運行成本,最重要的是可以避免當設備或供電系統(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)運行時展柜內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)還具有防盜報警的功能—因為一旦展柜遭到破壞或有非法進人的情況發(fā)生,展柜內的壓力就會突然下降,計算機程序會自動識別出變化并發(fā)出報警信號.制室的技術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)的應用研究,可以得出以下結論:
(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)對于本次實驗中未涉及的大型展柜,在實際應用中,應充分考慮設備的最大輸出容量與展柜的形狀以及體積的相關性。
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,一些細節(jié)問題和機理研究還需要深人,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,其計算方法也有所不同,不同的方法之間不能作對比,到底哪一種更科學、更準確;系統(tǒng)運行時,展柜內的氣流變化規(guī)律及相對濕度分布情況等,這些都有待今后的進一步研究。
參考文獻
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