王方 (故宫博物院北京100009）
摘要:
本研究采用两套系统分别控制展厅和展拒的环境,中央空调将展厅的温湿度控制在一个合理的范围内,再利用微环境控制系统对展拒内的湿度进行更精确的调节。实验结果表明:对于密封性较高的展柜,微环境控制不仅可以节约能源、减少颗粒物等空气污染物对文物的影响,使用和维护简单,而且保证较精确的湿度控制,使文物微环境的相对湿度保持恒定。
关键词:微环境控制 应用 相对湿度 空气交换率
1.引言
文物保存环境的改善是减少文物受损的预防性保护措施,但文物保存和展出的理想环境与人的舒适性要求存在一定的差异,如何在满足文物保存环境的同时,也能较好地满足人体的基本舒适要求,是一个需要综合考虑的问题。采用空调系统对展厅的环境集中控制是不可能同时满足两种不同的要求的,只是在一定程度上缓和了两者之间的矛盾,真正解决问题的方法则是将两者分开处理,即对展厅与展柜实施独立控制。展厅与展柜的独立控制就是采用两套不同的系统分别控制展厅和展柜的环境,展厅的控制可以满足人体的基本舒适要求,展柜环境则应该完全考虑文物保存的要求。
相对湿度的调节通常分为机械控制方法和非机械控制方法,其中机械控制方法包括空调、除湿机和加湿器等,主要用于较大空间的湿度调节,如文物库房和展厅或是体积较大的展柜;非机械控制方法主要包括各种调湿材料,即通过材料本身吸收或放出水分达到调节湿度的目的,一般用于相对密闭的较小空间,如文物陈列柜、保存柜和包装箱中的湿度调节〔`1。故宫博物院武英殿作为书画展厅,展柜中既有体积超过70m,的大型沿墙柜,也有体积较小的俯视柜,对于温湿度的控制有较严格的要求,如果采用中央空调或是除湿机等设备,不能达到精确控制相对湿度的目的,若使用调湿剂控制较大的展柜不仅人力、物力成本高,而且这种方法也不现实。鉴于以上原因,在布展前进行了一系列实验,发现利用MCG4微气候控制系统调节展柜中的微环境,可以取得较好的应用效果,在文物展出环境的控制方面做出了一些有益的探索,故此抛砖引玉,希望对于今后文物微环境方面更深人的研究能够提供点滴帮助。
MCG4微气候控制系统由致美科技(南京)有限公司生产。据厂家介绍,他们采用的是加拿大Mieorelimate Tehnologies International Ine.公司的技术,·其给出的资料显示:在工作温度17一26℃时,设备可提供气流给一个10m2的展柜,以保证其中的相对湿度得到。
设备技术规格：
主机大小400mm(宽)*270mm(深)*150mm(高);
重量：≤10kg(水箱空), ≤llkg(水箱满);
电源:220V,47~63ZH;
功耗:75W(当在21℃产生50%相对湿度时);
最大工作电流:5A;
去水:地面去水口,去水盘;出人气管:25mm内径。
输出容量:在工作温度17一26℃,湿度35%一70%及控制精度为1.5%时,可提供气流给一个10m2的展柜(其前提条件是展柜的空气交换率应小于4次/d)。=
2.实验过程及测试结果
为了检验MCG4设备调控展柜微环境的效果,首先设计了模拟实验方案。
2.1第一阶段
此阶段的目的主要是测试该设备控制相对湿度的稳定性能,并测定其可以达到的最高相对湿度和最低相对湿度值,从而判断设备的加湿和除湿能力。
实验时间:2007年10月一0日至10月16日;
实验地点:午门技术科值班室。
实验所用展柜体积约为.065耐。10月10日14:50实验开始时展柜中温度为2.49℃(图1),相对湿度为31.4%。首先将相对湿度设定为35%。当达到设定的相对湿度时,再将相对湿度提高3%一5%(根据相对湿度提高的速度决定下一步的设定值),这样逐步提高,到当天23:35达到55%。维持设定值为55%的相对湿度到10月11日14:50,在此期间,相对湿度一直在54.5%一56.6%变化,稳定度较好。再将相对湿度逐步提高到70%,至n日16:45达到69.2%,并维持相对湿度设定值在69%一70%(该机器的设定值最高为70%)之间,直到10月12日09:15,在此期间,相对湿度一直在67.4%一70.5%变化,稳定度较好。再将相对湿度逐步降低到30%,到10月13日02:05达到30.6%,并维持相对湿度设定值在30%(该机器的设定值最低为35%),直到10月14日18:05,在此期间,相对湿度一直在29.1%一31.1%变化,稳定度较好。之后继续调低相对湿度直至达到最低极限,实测出其极限值为23%。
2.2第二阶段
由于午门实验所用的展柜体积仅有.065m³,而厂家所提供的恒湿设备最大可满足10m³的空间使用,是此展柜的15倍,故上述实验中的加湿、除湿、恒湿的效果虽然很好,但还不足以说明问题。因此,决定在前期小试的基础上,使用接近实际展出要求的展柜开展中期实验,这样得出的结果更科学,也更具有说服力。经研究和协商,决定在武英殿利用一个长24m(由16个短展柜组成,每个展柜长1.5m)、体积约4mm³的俯视柜内做进一步的恒湿试验。实验时间:2007年12月12日至12月21日:实验地点:武英殿展厅。
12月初,武英殿恒湿设备安装完毕,开始第二阶段实验。恒湿设备安装于展柜的下部,外表看不见设备,因此对展出效果没有任何影响。同时,安排专人负责日常维护,并且每天查看和记录数据。设备开启前,展柜内的相对湿度大约为24%(图2)。开启后,湿度上升一直比较缓慢。在排查了可能出现的故障,并进行了相应的调整后效果仍不明显。经过与厂家联系,12月19日,厂家派技术人员对设备进行了检修,但相对湿度仍达不到设定要求。一方面,12月19日10点50分,将相对湿度值设定为45%,经过2h4,湿度没有任何提升。另一方面,虽然设备的最大容量是展柜体积的2.5倍,但由于展柜很长,内部空气的相对湿度很不均匀,相差超过10%。同时,实验中常常出现展柜送风口处的相对湿度高于设定值,而回风口处的相对湿度低于设定值的情况,原因应该是展厅环境比较干燥,加湿过程中送风口的相对湿度有可能高于设定值,但由于展柜的形状狭长,而回风口与送风口距离达到1Zm,加之展柜密封状态较差,因此相对湿度下降明显。
第三阶段
由于第二阶段的实验效果不理想,没有达到预期目标,因此,在采取了一系列改进措施后,又进行了第三阶段的实验测试
实验时间:2008年l月11日至l月21日;
实验地点:武英殿展厅。
实验所用展柜为第二阶段所用展柜2008年1月3日武英殿展览结束后,重新对展柜进行了仔细地密封,并使用专用设备对展柜密封度进行检测。展柜密封工作于1月1闭馆前完成,临走时将设备的相对湿度设定值从55%调整至50%,并维持不变,直到l月21日实验结束(图3)。
从1月13日上午8点至1月21日上午9点之间,南回风口相对湿度最大值为58.7%(表1、图4),最小值为52.4%,日湿度差最大的是l月14日,为6.0%(表2、图5、图6),日湿度差最小的是1月20日,为1.0%,日均湿度差为2.5%;温度最大值为15.2℃,最小值为11.3℃,日温差最大的是1月13日,为.27℃,日温差最小的是l月19日,为.04℃,日均温差为1.2℃。北回风口相对湿度最大值为57.0%,最小值为51.0%,日湿度差最大的是1月14日,为.40%,日湿度差最小的是1月17日,为1.5%,日均湿度差为2.7%;温度最大值为1.42℃,最小值为9.9℃,日温差最大的是1月13日,为3.3℃,日温差最小的是1月19日,为.05℃,日均温差为1.5℃。考虑到展柜长达24m,形状狭长,且展室内的温湿度并不恒定,展柜内相对湿度日变化幅度绝大部分时间保持在4%之内,因此,其稳定性令人满意。检测方便等。曾被用作示踪气体的有COZ、SF6、02、HZO等,其中CoZ比较常用。当泄漏率超过允许值时,设备所提供的理想相对湿度的气体量就无法弥补泄漏所带来的相对湿度降低或升高,因此就需要查找泄漏点并重新进行密封。检查展柜泄漏的方法根据原理的不同大致可以分成3类:超声波检测法、紫外荧光检测法和卤素泄漏探测法,其中,卤素泄漏探测法是最经济同时也是使用最普遍的方法。
展柜密封度的高低关系到能否使展柜保持一个合适的相对湿度。若使用调湿剂,对密封度的要求会很高,通过查阅有关资料,并结合初步的实验研究,发现换气量应控制在每天小于1个展柜体积,即展柜的空气交换率应小于1次d/,如果有条件,最好使空气交换率更低一些。当然这还与调湿剂的种类、用量、维持目标湿度的时间长短等因素有关;MCG4设备对密封度的要求相对宽松一些,但也要求空气交换率不大于4次d/。
本实验在第二阶段的相对湿度(基本在40%以下)总是不能提升到设定值,而在第三阶段实验中,由于展柜被重新做过仔细的密封,使相对湿度能在50%以上保持恒定。相同的展柜,相同的设备,第二阶段与第三阶段的结果大相径庭。以上现象充分说明展柜密封性的好坏对于调湿效果有很大的影响,是能否达到使用要求的关键因素。此前,武英殿展柜基本没有做过专门的密封处理,由此影响到设备性能的充分发挥是毫无疑问的。
3 问题讨论
3.1 展柜密封度问题及其检测
在为展柜安装控湿设备前，首先要检测展柜的密封性，确定展柜泄露率，根据泄露率，计算出调湿设备需要提供的气体流量。通常是像展柜内通入一定量的示踪气体，当示踪气体与展柜的空气充分混合后，若展柜有任何缝隙，混合的气体就会与展柜外的空气进行交换，使展柜内示踪气体的浓度不断下降，通过检测展柜内示踪气体的浓度变化速率可以评价出展柜的换气率，示踪气体选择的基本要求是无毒、无害，分子量与空气比较接近，在空气中的含量稳定（最好是含量稀少或没有检 测 方 便 等。曾 被 用 作 示 踪 气体 的 有 C OZ、S F 6、02 、HZ O等,其 中 C oZ 比 较 常 用。当 泄漏率 超过 允 许值 时,设备 所提 供 的理想 相 对 湿 度的 气体 量 就 无 法 弥补泄 漏所带 来 的相 对湿度 降 低或 升高,因 此 就需 要查找泄漏 点并 重 新进 行密 封。检 查展 柜 泄 漏的 方 法 根据 原 理 的 不 同大致 可 以 分 成 3类:超 声波检测 法、紫 外 荧 光检 测法 和 卤 素 泄漏探 测 法,其 中,卤素泄漏探测法是最经济同时也是使用最普遍的方法。展柜密封度的高低关系到能否使展柜保持一个合适的相对湿度。若使用调湿剂,对密封度的要求会很高,通过查阅有关资料,并结合初步的实验研究,发现换气量应控制在每天小于1个展柜体积,即展柜的空气交换率应小于1次d/,如果有条件,最好使空气交换率更低一些。当然这还与调湿剂的种类、用量、维持目标湿度的时间长短等因素有关;MCG4设备对密封度的要求相对宽松一些,但也要求空气交换率不大于4次d/。
本实验在第二阶段的相对湿度(基本在40%以下)总是不能提升到设定值,而在第三阶段实验中,由于展柜被重新做过仔细的密封,使相对湿度能在50%以上保持恒定。相同的展柜,相同的设备,第二阶段与第三阶段的结果大相径庭。以上现象充分说明展柜密封性的好坏对于调湿效果有很大的影响,是能否达到使用要求的关键因素。此前,武英殿展柜基本没有做过专门的密封处理,由此影响到设备性能的充分发挥是毫无疑问的。
3.2
展柜温度的控制出于对文物保护的要求,展柜内空气必须保持比较缓慢的流速。对于武英殿内体积达70m,的展柜,在不允许较大送风温差的情况下,仅仅依靠送风克服热负荷是很困难的,因此,适宜的展柜温度应通过控制展厅温度来间接实现。
3.3MCG4设备与展柜中的自动温、湿度记录仪的湿度差
在实际测试中发现,无论是在午门还是武英殿的实验中,MCG4设备自带的湿度传感器的显示值与我院放在展柜中的自动温、湿度记录仪所显示的湿度存在一定的差异,平均湿度差约为5%一6%。我院所用的自动温、湿度记录仪是德国德图公司生产的testol77型,并按照相关规定每年在国家计量院做校准,因此,所记录的数据是可靠的。2007年9月,厂家曾更换过一次MCG4设备的湿度传感器(在此之前所用的传感器与testol77型记录仪的湿度差平均达到了10%,厂家承认其传感器有问题),因此,目前MCG4设备的湿度显示的准确性还有待验证和提高
3.4相对湿度的均匀性
在第二阶段实验中,展柜中送风口和回风口(相距12m)的相对湿度差异较大,与展柜太长、空气流动性差有直接关系(整个展柜长达24m,但宽度不足0.8m,最大高度仅约.03m),也与展柜的密封度有关。对于这种长度很长但横截面积很小的细长型展柜,在条件允许的情况下可适当考虑增加恒湿设备的数量。
3.5设备最大输出容量与展柜体积的关系
本研究第一阶段所用展柜的体积约为0.65m,,第二和第三阶段所用展柜体积约为4m,,而MCG设备的最大输出容量为10mm³，分别是展柜的15倍和.25倍,整个实验结果是在设备负荷较小的情况下取得的。厂家宣称的最大输出容量仅仅是理想情况下的数值,考虑到实际工作中展柜形状、开启方式以及周围环境的复杂性,设备容量应留出一定的余量,同时建议生产厂家对于设备的最大输出容量与展柜的形状以及体积的关系应予以充分的考虑。此外,为保证设备正常运转,展室的温度也要有一个基本的保障。
3.6与调湿剂搭配使用的问题
不得不说,机械调湿设备也有其局限性,如设备投资大、运行及维护费用高于使用调湿剂的费用、需要专人负责并保证2h4供电等。目前,一些调湿剂生产厂家可以根据不同材质文物对相对湿度的要求,设计不同的调湿剂。使用前,先将调湿剂在预设的湿度环境中充分平衡,使其相对湿度值保持恒定,再放人使用环境中。将调湿剂与微环境控制系统配合使用,可以使展柜内的相对湿度更均匀、平稳,同时也可降低运行成本,最重要的是可以避免当设备或供电系统出现异常时,相对湿度出现较大的波动。
4.结论
展柜微环境的控制不仅可以节约能源、保证较高的精度,而且将展柜与展厅独立控制可以保证文物与观众都能有一个适宜的温湿度环境。由于系统运行时展柜内将保持一个微正压的状态,这样就可以减少颗粒物等空气污染物对文物的影响。从安全角度考虑,如果增加一套差压变送器,该系统还具有防盗报警的功能—因为一旦展柜遭到破坏或有非法进人的情况发生,展柜内的压力就会突然下降,计算机程序会自动识别出变化并发出报警信号.制室的技术人员就会马上知道并采取措施。通过对展柜微环境控制系统的应用研究,可以得出以下结论:
(l)微环境控制系统对于相对密闭的小环境具有恒湿的功能;
(2)该系统使用和维护相对简单,能耗不高,但对于展柜的密封性有较高的要求;
(3)对于本次实验中未涉及的大型展柜,在实际应用中,应充分考虑设备的最大输出容量与展柜的形状以及体积的相关性。
目前,针对展柜微环境控制系统所做的研究在湿度控制方面取得了较好的效果,但还只是初步的研究,一些细节问题和机理研究还需要深人,如泄漏率的测试方法不止一种,示踪气体的选择上有C02、SF6、从0、02等,各有优缺点,其计算方法也有所不同,不同的方法之间不能作对比,到底哪一种更科学、更准确;系统运行时,展柜内的气流变化规律及相对湿度分布情况等,这些都有待今后的进一步研究。
参考文献
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[2]SelwizC.InertGasesintheControlofMuseumInsectPests.TheGettyConservationInstitute,1998
[3]刘树林.文物展柜空气处理与控制系统.建筑电气,1996(1):35一37
