论室外空气对博物馆环境的威胁和应对

吕大伟

（中国国家博物馆）

1 引言

博物馆是征集、典藏、陈列和研究代表自然和人类文化遗产的实物的场所，并对那些有科学性、历史性或者艺术价值的物品进行分类，为公众提供知识、教育和欣赏的文化教育的机构、建筑物、地点或者社会公共机构。博物馆是非营利的永久性机构，对公众开放，为社会发展提供服务，其展品包括书籍和文件、艺术品、历史文物、民族历史标本、通俗文化实例、曾经的贸易商品、技术成就、产品。展品具有象征性，美学，文化，社会，历史价值。因此，被保护 的文物中的任何一种的损失都将影响人类的文化传承和发展。境湿度（EMC），与其化学，物理或生物稳定性一致。当EMC太低或太高时，相关的环境湿度就会成为危险因素。最近的文献经常将与湿度相关的损害称为“不正确的相对湿度”，以强调可接受的水分含量范围的概念，而不是绝对湿度。高于不稳定的相对湿度也会对某些类型的文物造成损害。图1清楚的表明高湿

2 环境对馆藏文物的威胁

由于必须无限期地保存它们，而且要允许公众参观以及学术访问研究等，因此，馆藏文物容易受到多方面的威胁 [1,2]。

图1 合适的相对湿度和过高的相对湿度对展品的影响

2.1 相对湿度影响

对于每种材料，都有一定要求的环环境对于保存的展品在寿命、机械损伤、霉菌风险、金属腐蚀上的风险。

2.2 温度影响

展厅和文物库房的温度范围必须加以控制。当温度太低时，某些聚合物会变脆，更容易断裂。在太高的温度下，有害的化学过程会加速。热能不仅会加速老化，还会放大不正确的相对湿度的影响。因此，重要材料（例如，纸张和照相材料等）确定理想参数时，通常会同时考虑不正确的相对湿度和温度。任何温度变化也会改变相对湿度。因此，仔细而紧密地控制相对湿度需要同样重要的温度控制。

2.3 大气污染物影响

空气污染（或污染物）包括渗入建筑物的室外气态和颗粒污染物以及室内产生的气态污染物。空气污染对文物的损坏是累积性且不可逆的。长期暴露于低水平的污染物和短期暴露于高浓度的污染物都可能损坏易感物体。并非所有的破坏都立即可见，特别是有机材料（例如纸张，纺织品，动物皮），破坏可能会导致强度，脆性等损失。SO2会破坏皮革和羊皮纸分子结构，使得材料表面变得粉状，容易磨损 ，还褪色染料，影响水彩画、纺织品、服装等的颜色，使得照片图像变暗。

2.4 害虫侵扰影响

害虫侵扰主要包括以食物为食的昆虫。霉菌，真菌和细菌也属于害虫，但是可以通过控制相对湿度、温度、室内空气质量和通风来限制它们。

3 选择有利的室外空气应对上述风险

室外空气很少处于设计的温度和湿度指标，并且会引入颗粒和气态污染。室外空气通常是博物馆湿度波动的主要原因，引入过多的室外空气通常需要非常大的加湿系统。

但室外空气又必不可少，是为馆内展品和观众提供新鲜空气并保持馆内维持正压。适当的气流可以过滤空气，控制湿度并抑制霉菌的生长。过渡季节可以利用室外空气对公共区域进行温度和湿度调节有效节约能源，所以可靠地选择有利的室外空气是非常重要的。

对于引入室外空气带来的颗粒和气态污染的应对方法包括：

3.1 过滤方法[3]

1）颗粒过滤

颗粒过滤对于去除可能污染HVAC系统的污染物以及可能降解或破坏所保存的古器物的颗粒至关重要。因此，此处的颗粒过滤分为两个步骤：预过滤和细颗粒过滤。

2）预过滤

预过滤可以防止冷却盘管积垢和风扇，管道系统或其他HVAC组件中的灰尘积聚。并保护和延长细颗粒过滤器的功能使用寿命。这些污垢尺寸的颗粒通常被认为是MERV E-3范围的颗粒或3μm～10μm尺寸范围的颗粒。要达到E-3粒径范围至少50%的去除率，需要进行MERV 7过滤。MERV 11或更高级别的预过滤器可在相似或更低的压降下运行，会有更高的效率，并为HVAC组件和气相过滤器提供更多保护。

3）细颗粒过滤

细颗粒过滤可以保护设施中的古器物和展品。该粒度通常称为“累积”粒度，并且落在MERV E-1颗粒范围内（0.3μm～1μm）。至少E-1范围的85%的去除效率足以保存大多数展品。MERV 15过滤器在E-1范围内最小为85%，在E-2（1μm～3μm）和 E-3（3μm ～ 10μm）范围内至少为90%。

对于长期保存的某些馆藏可能需要比MERV 15更高的效率。可以选择整个公共区域的HEPA（在0.3μm时为99.97%）过滤。每当将HEPA过滤器用作最终过滤器时，都应认真考虑升级预过滤器，以保护HEPA过滤器的使用寿命。

高压静电空气滤清器应谨慎使用，因为可能会产生臭氧，这会损坏展品。

4）气相过滤

气态污染物的室外空气渗透，新建建筑中的材料脱气以及家具和清洁剂的类似脱气可能会威胁到某些展品的稳定性。敏感藏品的珍贵藏品（某些金属和合金、薄膜、稀有书籍）应使用气相过滤。其所关注的主要化合物包括乙酸、甲醛、硫化氢、二氧化氮、臭氧和二氧化硫，所有这些都可以通过分子过滤除去。必须针对设施固有的各种气态污染物选择特定的吸附剂，因为去除和保留特性并不完全相同。有些气体很容易用活性炭去除，而另一些则可能需要经过处理的碳或高锰酸钾。

3.2 空气分配方法

博物馆内高大的标志性空间易于热分层。这使展品处于危险之中，则必须保持适当的回风和送风以确保空气在整个空间中运动。

可以通过VD旋流风口调节叶片角度（送风水平方向、垂直或成一定角度）带来最佳的通风效果。

3.3 控制系统设计

控制系统设计对于维持精确的温度和湿度控制至关重要。控制系统应能够监视和控制湿度、温度、气流、过滤器压降等故障情况。

如何通过选择适合适量的室外空气进行温湿度控制。至于通过冷热盘管和加湿器进行温湿度控制不在此文赘述。

HVAC混风控制系统由三个调节型电动风阀组成（新风阀，排风阀和回风阀），它们相互协调工作，回风阀相对于新风阀和排风阀则反向工作，例如新风阀和排风阀趋向关闭时，回风阀则趋向打开（见图2）。

该系统的控制原则是以最小的能源消耗，通过选择适量适合的室外空气来减少博物馆内不适合的温湿度、污染物、害虫侵扰等对馆藏文物的威胁及对观众和工作人员的健康威胁。博物馆可接受的风险水平是理论上理想的环境与实践之间的折衷，坚持使用最好的可用技术也可能会产生意想不到的效果。表1中展厅和库区温湿度的设定点是保证博物馆观众和工作人员的舒适度和保存文物最低温度和相对湿度的折中点。

另外关键传感器必须位于展厅或库房空间内，而不是在返回气流中。

3.3.1 最小新风量的选择

在展厅和公共区域内部设置CO2传感器，确保在空调机正常工作时候，通过调节新风阀、回风阀和排风阀开度即调节室外新鲜空气和室内回风空气的混风比保证室内CO2不超过设定值(800×10-6)。此时的混风系统中新风阀开度实时决定了最小新风模式下的新风阀开启度。展厅和公共区域所需的新鲜空气的最少量可以通过监测二氧化碳间接反映观众人数的的气体的水平来控制室外空气（最低气流标准为该区域每小时换气6次至8次），清除循环空气中的异味和污染物。

图2 空调机组运行界面部分截图

文物库区所需要的最少量是考虑到适当的气流可以过滤空气，控制湿度并抑制霉菌的生长。最低气流标准为该区域每小时换气6次至8次。通过调节新风阀、回风阀和排风阀开度，保证唤气次数。

3.3.2 除湿工况

当回风湿度高于馆内所需的湿度为除湿工况，此时如果室外湿度低于馆内所需的湿度，可以通过pid计算后，合理调节新风阀、回风阀和排风阀的混合比例获得所需的馆内湿度，具体为新风阀逐渐开启，回风阀逐渐关闭直到室内含湿量满足设定要求。

值得注意的是当室外湿度和回风湿度均大于馆内所需湿度时，需通过比较室外和回风的大小来控制新风阀的开度，即如果室外湿度甚至大于回风湿度，此时新风带来了一定的副作用，给除湿系统增加了负担，此种工况下需要逐渐关闭新风阀，保证最小开度的前提下，通过调节冷水阀和再热来达到冷水除湿的目的；如果室外湿度小于回风湿度，则采用全新风模式，尽量降低空调除湿的负荷，并通过调节冷水阀和再热同样达到冷水除湿的目[4]。

3.3.3 非除湿工况

如果馆内某区域不需要特殊湿度需求或正处于加湿状态或当前湿度已满足的前提下，系统处于非除湿工况，此刻应重点比对室外、室内、所需三者的温度大小关系。如室内温度已低于所需，而室外又低于室内的前提下，应逐渐关闭新风阀朝着最小新风的模式转变，同样的道理当室内已高于设定而室外又高于室内的条件下也适用于此种工况。

当室外温度对比室内温度更接近所需时，新风阀呈现逐渐打开的趋势，此种工况下如果室外温度和所需温度越接近则新风阀开度越大，甚至可以出现二者基本一致时可以全新风运行，及降低了冷热负荷又改善了空气质量。

3.3.4 雾霾模式

根据室内PM2.5检测值大于设定阈值（100）或者系统管理员确认，混风系统进入雾霾控制模式，混风系统趋全回风模式（关闭新风阀），减少室外污染空气对室内的影响。混风温度过高或者过低、送排风机停机包括送排风机故障或者防冻保护报警导致的风机停机，混风系统进入全回风模式（关闭新风阀）。

上述后两项是针对室外极端空气环境和HVAC设备故障状态下，系统基于对馆内文物安全，观众和工作人员健康安全，设备安全所采用的紧急处理方案。

4 结语

馆藏文物容易受到许多威胁。馆藏不仅要保存，而且要允许公众和学术访问，所以室外空气的选择是必不可少，有效的室外空气的控制和选择可以减少大多数威胁。

保存收藏品需要在许多因素之间进行权衡，没有一个黄金法则，但是使用风险管理方法，坚持使用最好的技术，可能会产生意想不到的效果。

表1 展厅和库区合适的温湿度设定范围