基于文物热安全度的文物保护环境控制研究

张镜心

(中铁建设集团有限公司 北京 100040)

1 前言

博物馆是一个城市，乃至一个国家的文化符号，承载了丰富的国家历史和文化内涵，作为文物最为主要的储存地之一，做好相应的文物保护工作必然是重中之重[1]。

当前保护文物最基本且最有效的途径就是给文物提供一个适宜的保存环境[2]，如温度、相对湿度、风速、光照这些对文物有着重要影响的环境因素就是重点关注对象，通过空调控制手段，可为文物创造出一个非常合适的保存环境，避免文物由于被侵蚀而遭受损害，达到长期保护的目的[3]。但在这个科技发展迅速且能源消耗巨大的社会，对博物馆文物保护和管理的要求也在逐步提高。为此，本文提出了一种可对博物馆文物保护、空调节能进行科学评估的文物热安全度，并以北京市某博物馆的文物展厅为研究对象，对展厅内文物环境与系统耗能进行了分析研究。

2 文物热安全度

2.1 文物热安全度的提出

现行规范对文物保护环境的控制温度就是文物周围的环境温度，传统的博物馆微环境控制系统也没有考虑到灯光辐射温度和空调系统风速对文物温度的影响，环境温度与文物表面的温度还是存在着较大的差异，以环境温度为空调系统的控制参数对文物保护环境来说并不准确。针对这一问题，本文提出了文物热安全度，可真正反映文物本身温度且以此衡量文物的热安全，它受环境温度、湿度、风速和辐射四种指标对文物温度的综合影响。

文物热安全度(Tgw)计算公式和方法与人体体感温度完全相同，具体计算公式如下:

式中，Tgw为文物热安全度(℃)；Taw为环境干球温度(℃)；Trw为辐射作用对热安全度的修正(℃)；Tuw为湿度对热安全度的修正(℃)；Tvw为风速对热安全度的修正(℃)，展柜内文物可忽略不计。

2.2 文物热安全度的分析

在没有外窗的室内，灯光是重要的环境影响因素之一，其所具备的能量，会产生一定的热辐射反应[4]。如果文物长时间暴露在光的照射之下，室内环境温度可能还处于适宜的范围，但由于热辐射对文物的直接作用，文物表面温度会随之增加或产生波动[5]，这可能会导致文物的热安全度超标或大幅度波动，进而加速文物发生物理或者化学变化，使文物产生变色、氧化等不利的影响。

建设部2015年发布的《博物馆建筑设计规范》[6]46除了在第十章规定了博物馆陈列展览区的室内空气设计计算参数，如:夏季舒适区的温度范围为25～27℃，相对湿度范围为45%～60%外，还明确规定了文物所处环境的温度需控制在16～22℃，相对湿度控制在40%～60%，同时由于温湿度的波动对文物有着很大的破坏，因此温度的波动一般不能超过±1.0℃，相对湿度的波动不超过±5.0%[7]。而规范中的文物环境控制范围即为附加上湿度、辐射、风速对文物温度影响后的文物热安全度的控制范围，且波动须≤±1.0℃。

3 测试实验

3.1 测试对象

本研究选取北京市某博物馆的文物展厅(见图1)作为研究对象。该展厅共陈列出土文物70余件，建筑面积约809 m2，采用中央空调的形式提供适宜的室内环境。

图1 博物馆外观

3.2 测试内容

测试实验的时间为2021年7月2～4日的上午时间段，实验仪器采用分体式数字温湿度计、热敏式风速风量计和热度指数计，分别测量温度、相对湿度、风速和黑球温度。现场测试根据展厅空间规模和文物布置特点选择展柜周边测点共33个，测量各测点在不同时间段的各项环境参数。本文以代表性时间7月4日的测试结果为例，进行分析研究，其中，室内风速测试数据较小，本文不予研究。

3.3 测试结果

3.3.1 干、黑球温度测试的结果分析

由图2可知，同一时间段展厅内不同测点温度波动范围在±1℃以内，但室内干球温度维持在21.8～22.4℃之间，低于《博物馆建筑设计规范》[6]46的夏季展览区温度设计参数25～27℃，这降低了室内参观人员舒适度，还增加了空调系统的能源消耗。

图2 展厅干、黑球温度的各测点分布

此外，室内黑球温度在22～23.1℃之间波动，大多测点的黑球温度tg均比干球温度taw高，最大差值为1℃，说明灯光作为博物馆内主要的热辐射源对文物热安全度起着非常重要的影响。

3.3.2 相对湿度测试的结果分析

图3是展厅内各测点相对湿度的变化图，该厅内各测点相对湿度波动较为稳定，波动仅在±2.3%之内，远远低于国内外公认的相对湿度±5%波动要求。但相对湿度维持在65.7%～68%之间，超过了《博物馆建筑设计规范》[6]46夏季展览区相对湿度的设计参数45%～60%的上限，湿度太高容易滋生微生物及病虫害，对于书画、卷轴类的文物保存十分不利，而且，一般认为人体最适宜的相对湿度为50%～60%[8]，因此，该文物展厅的相对湿度偏高，对文物安全保护与人员舒适度的影响都是不利的，还有待改善。

图3 展厅相对湿度的各测点分布

3.3.3 文物热安全度计算的结果分析

本研究基于测试展厅内的室内干球温度、黑球温度、相对湿度和风速各参数的值，以确定Taw、Trw、Tuw、Tvw，进而得到文物的热安全度Tgw。

图4即为展厅内各测点的文物热安全度分布图，整体文物热安全度处于22.14～23.28℃，不满足文物热安全度的所要求的控制范围16～22℃，且波动值最大为1.14℃，说明该展厅环境的控制对文物保护是不够的。

图4 展厅热安全度的各测点分布

测试期间7月4日，由于该日的黑球温度和室内相对湿度均较高，对热安全度的影响较大，使得环境温度大多处于规范要求的文物环境温度控制范围内，但文物热安全度却超出了该范围。可见，以环境干球温度作为空调控制的基础数据对文物保护是不准确的。而且，展厅内热安全度的波动相较于环境温度更大，忽冷忽热对文物的热胀冷缩和衰变问题的影响也相应较大[9]。

4 文物热安全度指标用于智能空调的节能性分析

传统文物环境智能控制方法是以文物周围环境的温湿度参数作为标准，将测得的参数与设定值进行比较，从而智能地调节空调系统机组或设备的运行情况[10]。根据前述研究可知，室内环境中的光照等辐射温度对文物造成的影响不可忽视，将文物热安全度指标用于智能空调控制系统，可实现空调系统对文物安全的高精度调控和节能性运维。

研究对展厅内文物周围环境的干球温度、黑球温度、相对湿度和风速进行了连续3.5 h的测试，每隔15 min测取一组数据。本文以典型的某测点为例，将11个时间点的干球温度、黑球温度和文物热安全度的数据绘制如图5所示。

图5 某测点温度逐时变化分布

如图5所示，室内测点的文物热安全度均大于干球温度，差值均大于1℃，最大可达1.97℃。据美国国家标准局统计资料表明，如果在夏季温度值上调1℃，将减少9%的能耗[11]，因此，将文物热安全度作为智能空调控制系统的基础数据[12]，本展厅将平均减少约17.73%的能耗。

5 结论

结合博物馆环境调控现状及要求，本文以北京市某博物馆的夏季文物展厅环境为研究对象，通过测试实验对比研究了整个展厅在中央智能空调调控下的室内干球温度、相对湿度、文物热安全度，结果表明:

(1)当展厅内环境温度处于规范要求的文物保存环境温度需控制范围内时，由于室内灯光等热辐射效应的影响，会出现文物热安全度不满足控制要求的情况，而且环境温度波动较小的时候，文物热安全度未必也小，因此，以环境温度作为智能空调的控制参数是不合理的。而将文物热安全度引入到智能空调中，并作为基础调控参数，一方面，可有效减少空调调控的波动，这不仅有利于文物的高精度保护，避免文物温度的起伏，而且温差调节区间的缩小还可降低能耗。另一方面，文物热安全度较干球温度更高，相当于提高了空调系统的温度设计参数，这将更进一步实现节能降耗的目的。

(2)展厅内环境温度较低，不满足《博物馆建筑设计规范》[6]46的夏季展览区温度设计参数的要求。这是因为展厅内人员与文物微环境均由中央空调集中控制，为保证文物安全，室内温度控制较低，但测试结果却是文物保护环境没有得到保证，人体舒适度也降低了，还造成了大量的能源浪费。因此，本文建议博物馆内空调系统应该分区进行控制，展厅内的大环境温湿度应放宽要求，以满足人体舒适度为主，而保证文物安全所需温湿度则靠展柜内加装微环境的恒温恒湿设备来局部调控，这是最行之有效的兼顾文物安全、人员舒适和低碳节能的智能空调控制系统模式[13]。

(3)灯光对文物的影响是不可忽视的，长期照射会对光敏文物材料造成褪色、老化等辐照损伤，尤其对字画、染色丝绸、彩绘陶器等颜色非常丰富的光敏性文物损伤巨大，不利文物安全[14]，光源选择要严格遵循博物馆设计的照明标准，尽量减少灯光对文物的辐射强度。

(4)展厅内相对湿度波动较小，但是厅内湿度较高依然也是不利于文物安全的，会给文物带来虫、霉、锈蚀等潜在危机。因此，该展厅需要根据实际情况进行降湿处理，将调控的目标值降低至文物安全保存的限值内。

本文提出的将文物热安全度应用于博物馆智能空调系统，以保证文物热安全为原则，可在高精度要求下保证文物保护的环境舒适和系统运维的低碳节能，通过测试实验证明该方法具有可行性，值得在博物馆设计中大力推广、借鉴和应用，具有较大的社会、经济效益[15]。