遗址博物馆展厅内文物保存局部环境调控平台的研发

温 赫， 罗昔联， 孟祥兆， 顾兆林

(西安交通大学 人居环境与建筑工程学院,西安 710049)

0 引 言

文物保护类博物馆主要可以分为室内陈列式博物馆(如陕西历史博物馆)和遗址博物馆(如兵马俑博物馆)。室内陈列式博物馆将文物保存在小型封闭展示柜中，因此外部环境和游人对文物影响小，文物整体保存较好，目前关于这类馆藏文物保存环境的研究开展比较多[1-3]。遗址博物馆是针对那些不可移动的大型古迹遗址，在原址建立的集文物保护、考古、展览等多种功能于一体的博物馆。这类博物馆对保护历史文化原貌和开展考古发掘工作具有重要意义，但从文物保存环境的调控来说，该类博物馆存在的问题比室内陈列式博物馆要更为复杂，并且由于对遗址博物馆文物保存环境的特殊性认识不够，目前大多数的研究工作集中在对大环境的调查以及文物污损原因的分析[4-6],而对环境调控所开展的工作还比较有限，主要原因在于遗址文物的保存环境是一个依附于土壤-空气的耦合环境，而现有的环境调控手段主要是针对大空间的空气环境，而各种环境调控的思路和手段在未经充分实验验证前，不能直接在遗址博物馆中使用。本文根据遗址博物馆对文物保存环境调控实验需求，设计并建造一个模拟出土文物保存环境的实验平台，对提升我国出土遗址文物保存水平具有重要意义。

1 实验平台设计目的和意义

为了全面保存和展示遗址文物原貌，我国早期设计建造的遗址博物馆，如半坡遗址博物馆、兵马俑博物馆等，在建筑构造上主要采用如图1所示的开放式大空间布局。

(a) 秦始皇帝陵博物院

(b) 金沙遗址博物馆展示厅

经过多年的观察，研究者们意识到这种开放式大空间建筑构造给文物保存环境带来很多不利影响，包括：

(1) 文物与外界缺乏有效的隔离。遗址文物与游客直接暴露在同一大气环境中，这种大气环境会对文物的长期保存造成许多不利影响。兵马俑遗址博物馆展示厅内NO2、NOx、SO2等污染性气体浓度[7]远大于Thomson[1]推荐的上限值:SO2<10 μg/m3、NOx<10 μg/m3、SO3<2 μg/m3。这些污染性气体及其化学反应生成的产物，对长期保存和展示的文物造成了严重的损害[8-9]。

(2) 文物合理保存与游人舒适性对环境参数的要求不一致。以夏季为例，人体热舒适性要求的室内环境为：温度24～28 ℃，相对湿度40%～65%[10]，而文物因材质不同，所需要的适宜环境参数各异，对于一个开放式大空间的展厅而言，难以在同一大空间内创造多个迥异的环境来同时满足文物与游人的需求[11]；此外，游客区与文物保存区对于环境调控的时间要求也不同，游客区的调控时间与博物馆开放时间相同，大部分情况下是从早上9:00～17:00，而文物保存区则要求1天24 h长期的调控。对于一个开放式大空间展厅而言，已有的环境调控系统难以在同一大空间内创造多个迥异环境来同时满足文物与游人的需求。

(3) 虽然遗址展示厅面积大，但其中文物保存区只占很小的比率。例如兵马俑1号坑展示厅和汉阳陵地下遗址展示厅，文物保存区面积分别只占展厅总面积的34%和29%，并且近年来，为了提高游客的参观体验，更好地开发遗址的经济价值，遗址博物馆展示厅在设计时，面积越来越大，而文物保存区面积所占比率却一直在降低，这也导致博物馆环境调控时会消耗更多的能源。

综上所述，虽然遗址博物馆建筑使遗址文物本体的保存环境由户外环境变为室内环境，为遗址发掘、展示、保护和管理提供了较好的基础和环境条件，但遗址文物的保存环境依然面临很多问题，并且由于遗址博物馆具有原址修建、遗址文物本体脆弱及环境影响因素众多等特点，现有环境调控技术及调控标准难以满足遗址文物的特殊需求，因此必须要进一步根据遗址文物特殊需求，开展遗址文物保存环境调控技术研究，为遗址文物保存提供“洁净/稳定”的适宜环境。

基于对遗址文物保存环境的现状及其对环境调控的需求，提出利用空气幕隔离、毛细管辐射等环境调控技术对具有坑式结构的文物保存局部区域进行独立调控的研究思路[12-13]。《中国文物古迹保护准则》(2015)规定[14]：对文物保护使用的保护措施和工艺都必须经过前期试验，证明其切实有效，对文物古迹长期保存无害、无碍，方可使用。为了充分论证遗址文物保存局部环境调控系统的有效性，本文借鉴博物馆的大空间展示模式，设计并建造了一个遗址博物馆展厅文物保存局部环境的调控平台，该平台包含游客区与文物保存区，设计并安装了空气幕系统与毛细管辐射调控系统，可以实现遗址文物保存局部区域环境的隔离调控，为遗址博物馆文物保存环境调控技术的研究与示范提供了综合平台。

2 实验系统的设计及实现

该实验系统的组成部分主要包括展示厅空间、出土文物保存区、环境隔离系统、局部环境调控系统以及系统运行控制系统，可以开展文物保存区隔离实验、局部环境调控实验及土环境-空气环境耦合环境调控等多种实验。

2.1 展示厅空间及文物保存区域的模拟现场再现

现有遗址博物馆大都建设在文物遗址保护区内，博物馆周围环境的自然风貌保存比较好，为了尽量减少人类工农业活动对环境的影响，再现遗址博物馆周围的自然环境，本试验台建筑选址于西安交通大学曲江校区闲置的绿化用地区域。选址区的土壤的土质条件与兵马俑、半坡、汉阳陵等土遗址博物馆中的土壤相似。整个实验室占地面积100 m2，建筑高度为4 m，室内坑道的设计尽可能模拟出土遗址博物馆坑道的原样，目前兵马俑和汉阳陵博物馆大部分坑道宽度在3 m左右，深度普遍在1.8 m左右，因此坑道的设计尺寸中长度、宽度以及深度分别为4 m、3 m以及1.8 m，其中长度和深度可以根据实验需求进行扩充，同时坑底还进行了微雕土柱的制作，为后续开展土遗址本体的相关实验提供了实验平台。

2.2 局部环境调控系统

实验平台包含两套局部环境调控系统：空气幕系统与毛细管辐射调控系统，其中空气幕系统主要功能是将葬坑文物保存区与游客区进行无遮挡隔离，实现文物保存区环境的净化与调控，属于全空气环境调控系统，适用于外部环境调控较差的开放式遗址展示厅, 风幕系统主要包括空气源热泵,空气处理系统(空调机箱)，射流风口及回风口等；而毛细管辐射调控系统主要是通过辐射传热方式对文物保存局部区域进行换热调控，属于全水空调系统，具有扰动小，运行能耗低，换热均匀等优点，适用于外部环境相对洁净的遗址博物馆展示厅,毛细管空调系统的组成主要包括有空气源热泵，敷设在坑道内壁的毛细管网，水箱及供回水水泵等。实验室内外实体图及环境调控系统流程如图2所示。

(a) 实验室外观图

2.3 数据监测及测点分布

文物保存区局部环境的温湿度分布及空气流动情况与遗址文物的土壤-空气耦合保存环境平衡的参数是评估环境调控系统性能的重要指标。实验系统监测的参数包括葬坑内外空气环境的温湿度、坑内空气流动的速度、空气幕送风口风速的均匀特性等。图3所示为实验中数据监测点的分布情况。图中T1～T5表示葬坑内空气温湿度监测点沿葬坑中心线垂直分布，T1～T5距离坑底的距离分别为0.2、0.7、1.3、1.9和2.6 m，其中T4测量点处于文物保存区与游客区域的边界层，T5位于边界层上方0.6 m处，用于获得游客区域的温湿度数据；Ts和Tr分别表示土壤环境和遗址文物本体的温度监测点；TaV处利用微风速仪监测文物保存区的空气流动速度，实验中各监测点环境数据每隔2 min采集一次，所用仪器及其精度如表1所示。

图3 实验监测点布置图

监测点测量参数测量仪器精确度T1-T5空气温度与相对湿度TR-72Ui温湿度记录仪±0.3 ℃,±5%RHTaV空气微风速Swema 03 空气速度传感器±0.03 m/s室外空气温度与相对湿度TR-72Ui温湿度记录仪±0.3 ℃,±5%RH

2.4 实验流程及可开展的实验项目

实验中的风幕系统是将自控技术与空调设计相结合的新型风幕系统，比普通风幕系统要求要高，流程也更为复杂。整个系统的运行起点是变频风机，变频风机启动后推动空气在管道中运行，进入冷热交换器，系统可根据温度传感器的数据反馈判定冷热交换器是否进行冷热交换。坑内的温度高于设定温度时，启动室外空气源热泵将空气处理系统的冷冻水温度降低到设定值，水箱中的水供给冷热交换器进行风幕气体冷量的交换，当坑内温度低于设定温度时则不进行冷量交换。系统根据湿度传感器的反馈数据判定加湿器是否开启，当坑内湿度低于设定湿度时，启动加湿器对流入空气进行加湿，反之则不启动加湿器，直接形成风幕。最后风幕经回风口回收进入回风风道，进行循环送风。

毛细管系统控制主要通过室外机对蓄热水箱中水温的控制来调控毛细管的温度，再利用毛细管终端来调控局部区域的温度。毛细管系统室外部分控制流程为：室外机开启后对蓄热水箱的水温进行判定，水温高于设定温度时，室外机将蓄热水箱中的循环水进行冷却，冷却达到目标温度后，室外机停止工作，当水箱温度超过设定值时，室外机将再次运行进行冷却。水流进入毛细管后开始对局部空间的温度进行调控，当坑内温度达到设定值时，控制室内循环的水泵关闭，当温度回升超过设定值时，水泵将重新开启，继续控制局部空间温度。

3 实验效果分析

3.1 空气幕隔离调控实验

空气幕隔离调控实验主要目的是评价空气幕系统单独运行时的情况，包括空气幕的稳定性和隔离环境效果，选择空气温度、相对湿度和坑内微风速为评价指标。

3.1.1 空气幕风口送风特性研究

适宜的送风条件与文物保存区域的几何结构有关，一般文物保存区域边长尺寸往往较大，这要求空气幕送风口也应具有相近的长度，因此风幕出口送风速度与风机频率之间的关系以及风口送风速度的均匀性是控制隔离空气幕运行特性与实现空气幕隔离效果的重要因素。图4所示为空气幕系统的送风口平均风速与风机频率之间的关系。实验过程中使用转轮风速仪直接测量送风口的平均风速，风机频率从10 Hz开始上调，每隔5 Hz作为一个工况，标定至变频风机的最大频率50 Hz，由图4可以看出，平均风速与风机频率之间基本呈线性相关，这为系统送风速度的调控与控制提供实验基础。

图4 隔离空气幕系统送风速度与风机频率关系

由于遗址博物馆的葬坑在长度方向上尺度都比较大，因此空气幕送风口在长度方向的风速均匀性是影响系统隔离性能的重要指标。本文选择空气幕在变频风机频率为15、25和45 Hz时出口处的风速为研究对象，在4 m长的风幕出口处间隔0.4 m布置风速监测点，测得的风幕出口处的速度分布图如图5所示。虽然同一频率下，不同监测点的出风口风速有一定差异，但频率为15、25、45 Hz时对应风速的平均相对误差值仅为4.17%、5.56%和5.24%，说明出口风速的均匀性良好。

图5 不同频率监测点风速分布图

3.1.2 空间温湿度分布特性

文物保存区域的温湿度分布情况是衡量文物保存环境适宜性的重要指标。本文选择空气幕系统关闭时的自然状态与空气幕系统在风机频率为15Hz时的工作状态为研究对象，实验展厅内的温度分布如图6所示，其中图6(a)、(b)为空气幕系统关闭时，坑内外空气环境的一天内温湿度变化图，可以发现空气的温度和相对湿度在白天都有明显的波动，T1～T5处温度的波动范围分别为3.3、4.5、7.2、10.4和12.3 ℃，这些值都远大于室内博物馆文物保存允许的温度变化范围(≤1.5 ℃)。因为温湿度的明显波动主要发生在白天，所以空气幕在夜间运行的主要功能是防止污染物和微尘进入葬坑，而白天不仅要防止污染物的影响，还要能调节葬坑内的温湿度使其处于较为稳定的状态。图6中(c)、(d)展示了当空气幕系统开启时，葬坑内外空气温度和相对湿度在白天的变化情况。图6(c)中相对于坑外温度的变化，坑内的变化范围要小，且从空气幕向坑底，波动趋势越来越小，靠近坑底的文物保存区域温差变化在1.5 ℃以内；图6(d)中坑内相对湿度的变化范围要明显小于坑外的相对湿度变化，坑内区域越靠近坑底相对湿度的波动变化就越小，尤其是坑底文物的保存区域相对湿度几乎不变化。因此，该空气幕系统可以较好的隔绝葬坑内外空气环境，减轻坑外环境对坑内环境的影响。

(a) 系统关闭时温度分布

(b) 系统关闭时相对湿度分布

(c) 系统开启时温度分布

(d) 系统开启时相对湿度分布

图6 葬坑空间温湿度分布图

文物保存区空气运动会影响土环境与空气环境之间的热量和水分的速度，当空气运动越明显，风速越高，土遗址失水速度就越快[15-16]，目前并没有专门针对遗址文物保存环境风速限制值得相关标准，如果参照陈列式博物馆的研究结果，文物保存区风速应该控制在0.15 m/s以内[17]。传统的大空间博物馆空调系统，为了实现送风气体与馆内空气的充分混合，送风口的送风速度很大，这会导致馆内空气的剧烈流动，从而加速土遗址的失水干裂过程。因此，文物保存区的空气流速也是衡量送风式环境调控系统的重要指标。空气幕系统在单独运行和关闭时坑底文物区微风速的变化情况如图7所示，两种工况下葬坑内风速都很小，即便是在空气幕系统开启的情况下，文物保护区内的平均风速都在6 mm/s以下，符合相关文献给出的推荐值(≤0.15 m/s)。说明空气幕系统并没有引起葬坑内空气的剧烈流动，这有利于减少土壤-空气界面水分和热量的迁移，从而起到保护遗址文物的作用。

3.2 文物保存局部区域毛细管辐射调控实验

3.2.1 空间温湿度分布

图8所示为毛细管辐射调控系统在关闭和开启工况下实验展厅环境的温湿度分布。在毛细管辐射系统停止运行，整个空间处于自然通风时，文物区内两个测点的平均温度(T1、T2)分别为25.5、26.5 ℃，并且在环境温度变化的影响下，文物区温度受室外环境影响比较明显，呈上升趋势，温度昼夜波动幅度超过3.5 ℃，无法满足遗址温度保存所要求的“稳定、均匀”环境。当毛细管辐射冷却系统开启后，文物区测点的平均温度降低至21.4 ℃和21.9 ℃，与土壤环境的平均温度时分接近，并且温度昼夜波动值缩小为1.6 ℃，表明毛细管辐射系统可以有效地实现文物保存土壤环境和空气环境之间温度的平衡。此外，在两个工况下游客区温度(T5)温度一直存在较大的波动，基本不受毛细管辐射系统的影响，说明利用辐射冷却系统达到了对葬坑内局部区域进行温度调控目的。

(a) 空气幕系统关闭工况微风速分布

(b) 空气幕系统运行工况微风速分布

图7 坑底文物区微风速分布图

(a) 毛细管系统关闭工况温度分布

(b) 毛细管系统关闭工况相对湿度分布

(c) 毛细管系统开启工况温度分布

(d) 毛细管系统开启工况相对湿度分布

图8 葬坑空间温湿度分布图

维持文物保存区的高相对湿度可以减少土遗址水分蒸发速度，防止土遗址干裂病害的发生，由于文物保存区的温度通常要低于大空间建筑内游客区的温度，并且潮湿土环境水分蒸发会产生气态水分，因此从图8(b)和(d)可以看出，无论系统关闭还是开启，文物区测点的相对湿度都维持很高，甚至接近接近饱和，达到100%，表明毛细管辐射调控系统在维持遗址文物保存区温度分布稳定的同时，并没有影响相对湿度的分布。

因文物保存区域的毛细管辐射调控系统导致的葬坑内空气流动十分微弱，所以该实验不对坑内微风速变化情况进行监测。

3.2.2 不同环境介质温度分布对比

遗址文物出土后依附于原位环境保存与展出的方式，有利于维持文物的历史原貌，但同时会导致文物的保存环境包括土壤与空气两种环境介质。由土环境与空气环境之间的温差所所导致的水分与能量迁移，是造成文物本体发生干裂、盐析病害的重要原因。因此对遗址文物保存环境进行调控的一个重要目标是要减少土环境与空气环境之间的温差，实现耦合环境的平衡。图9所示为毛细管辐射系统关闭和开启两个工况下，土环境(Ts)与空气环境(T1)的温度分布情况，由图9可以看出，当毛细管辐射系统关闭时(图9(a))，两种环境之间存在较大的温差，平均温差达2.1 ℃；而当毛细管系统开启时(图9(b))，两个环境介质之间的温度基本保持相同，平均温差降低到0.3 ℃，这表明通过毛细管系统辐射的调控，使得大气温度和土壤温度基本达到了平衡。

(a) 毛细管系统关闭工况

(b) 毛细管系统开启工况

图9 遗址文物土壤-空气耦合环境温度分布图

4 结 语

本文依据我国遗址博物馆文物保存环境调控的需求，开发了一个环境调控系统实验平台，该实验平台可以完全模拟遗址博物馆的土壤与空气环境，满足各种环境调控系统的开发与测试，为遗址文物保护的环境测评提供了实验基础，解决了在真实遗址博物馆中无法直接进行实验验证的局限性问题，为遗址文物保护提供了一个合理完善的实验研究条件，使得很多文物保护方法得以实现。

基于该实验平台对空气幕系统和毛细管辐射调控系统两种文物保存局部环境调控系统进行了实验研究，结果表明：①空气幕系统可以成功将文物保存区域从大空间展厅的环境中隔离出来，在葬坑内部形成一个相对独立的空间，同时又不影响游客对文物的观赏，该系统对我们研究隔离环境污染及环境温湿度波动对文物的影响具有重要实用价值；②毛细管辐射系统可以实现对文物保存局部区域的独立调控，使文物保存区局部环境温湿度处于一个均匀稳定的状态，符合文物保存对环境的要求。