温湿独立控制展柜的数值模拟研究

侯华波 喻李葵



温湿独立控制展柜的数值模拟研究

侯华波1喻李葵2

（1.中机国际工程设计研究院珠海分院 珠海 519000；2.中南大学能源科学与工程学院 长沙 410083）

提出采用温湿度分开控制的方式来控制展柜内部的环境，并采用数值仿真的方法研究了温湿独立控制展柜和传统“集中式”展柜内部的温度场和速度场，得出温湿独立控制展柜内部的环境更加适合文物的保存。

温湿独立控制；展柜；数值模拟；文物保护

0 引言

在文物的保存和展览中，温度和湿度是直接影响甚至决定文物一切物理、化学、生物作用的两个基本条件[1,2]。其中温度能够加快文物表面或内部的腐蚀，使文物内部受热不均而发生变形，使塑胶类文物变脆等；而湿度使文物由于“湿胀干缩”而发生物理破坏，使金属类文物发生锈蚀，书画类文物发生褪色和变色等。因此，如何让文物在保存和展览期间受到的损坏最小化是博物馆领域不得不重视的一个问题。

展柜由于既能保护同时又能展示文物藏品而成为博物馆环境控制的主体。目前的展柜大致分为两类：将温湿度控制系统同时整合在单个展柜内的“单体式”展柜，它包括压缩机制冷展柜和热电制冷展柜[3]；由HVAC系统对空气进行集中处理使其达到文物保存的要求，然后将达到要求的空气通过风管分别送入多个展柜内的“集中式”展柜[4]。“集中式”展柜因结构比较简单，在大型博物馆应用较多。但是其HVAC系统采用的是耦合性较强的冷却除湿技术，该技术由于要先将空气冷却到露点温度以下来除湿，然后再加热使其达到相应的温度，这一过程必然会造成能源大量的浪费[5]；此外，展柜内部的温度和湿度受HVAC系统的运行工况的影响非常大，一旦系统出现故障而运行不稳定或停止运行时，展柜内部的温湿度就会因此而发生剧烈的变化[6]，这对文物的保存是不利的。

针对“集中式”展柜存在的上述缺点，本文对其HVAC系统进行改造，提出将温湿度分开进行控制，即温度由辐射板来控制，湿度则采取机械控湿系统和调湿剂相结合的方式进行控制。采取这种控制方法的展柜在本文中称为温湿独立控制展柜。为了研究和验证此类展柜的可行性，本文首先对该展柜的结构原理进行了阐述，然后再采用商用计算流体力学软件对温湿独立控制展柜和传统的“集中式”展柜（本简称“集中式”展柜）的温度场和速度场进行数值模拟。

1 温湿独立控制展柜结构原理

温湿独立控制展柜由辐射板、调湿剂和进风口、出风口组成，如图1所示。所谓温湿独立控制即把展柜内部的温度和湿度分别由两个独立的系统进行控制。其中温度由辐射板来控制，其工作原理为在辐射板内流入经过暖通空调系统处理过的流体介质来降低（提升）辐射板的温度，使之成为冷（热）辐射面，通过该辐射面与柜中文物及其余表面之间的辐射热交换来控制展柜内部及文物的温度；而展柜内部的湿度则采取机械控湿系统和调湿剂相结合的方式进行控制。该展柜的运行过程如下：

（1）辐射板内流入流体介质，调节展柜内部的温度使其达到要求，在这期间，辐射板控温系统将持续运行；

（2）机械控湿系统将经过调湿处理后达到文物保存要求的空气通过展柜的进风口送入展柜内部，展柜内部原来的空气则通过出风口被送出柜外，在展柜内部空气的湿度达到文物保存的要求且内部空气压略高于柜外气压后，机械控湿系统停止运行，一旦展柜内部由于空气泄漏而使内部气压降低后，机械控湿系统则再次启动以维持展柜内部的正压；

（3）在机械控湿系统停止运行的期间，展柜内部的空气湿度则主要由调湿剂来维持。

图1 温湿独立控制展柜剖面图

该展柜一个最大的特点就是集成性强，是一个很好的集成平台。比如：在展柜辐射板夹层内加入相变蓄热材料，利用蓄热材料的蓄热性能维持展柜内的温度，这样当博物馆断电或空调机组运行不稳定时，就能依靠非机械温度控制方式——在展柜夹层内的蓄热材料来维持展柜内部的温度。这就避免了目前很多博物馆中的展柜内部环境由于空调机组运行不稳定而发生波动而造成文物损坏的现象的发生。同时由于温湿度分开进行控制，机械控湿系统可采用溶液除湿系统对空气进行除湿处理，而溶液除湿系统可以有效的利用低品位热能再生液体吸湿剂，如太阳能、地热能等，是一种节能的绿色除湿方式[5]。

2 数值模拟方法

2.1 物理模型

展柜的种类繁多，本文只取其中比较典型的壁柜作为研究对象。所谓壁柜就是展柜一个侧面靠墙，其余面除了底面外都是玻璃面板，这样可以方便游客观赏文物。为了便于数值模拟的进行，对展柜的结构和外形进行了一些简化，简化的展柜结构如图2所示。温湿独立控制展柜和“集中式”展柜的物理模型都采用该简化的结构，两者不同之处在于“集中式”展柜把辐射板作为普通的靠墙面板。简化的展柜长约（X）0.6m，宽（Y）1m，高（Z）1m。展柜的风口简化为边长为0.1m的方形风口。

图2 展柜结构简图

2.2 模型的假设

数值计算过程中数学模型的建立采用了以下假设：

（1）展柜内部密封良好，除了风口外，其它没有空气泄漏；

（2）空气为不可压缩牛顿流体；

（3）展柜内部空气流为稳态；

（4）展柜内部空气为非透明介质，参与辐射；

（5）展柜内部空气的密度只随温度变化而变化，满足Boussinesq近似；

（6）忽略柜中文物的影响。

2.3 网格划分

本文中展柜的结构比较简单，而且是规则长方体，因此选用结构化网格就能生成所需网格。为了使计算结果更加合理，在划分网格的时候，对近壁面处以及展柜的进出风口处的温度和速度梯度较大的地方进行了局部加密；在那些温度和速度梯度较小的地方则网格划分相对稀疏一些，因为这些区域流动方式等变化较小，不需要细密的网格，这样在确保结果的同时也节省了计算时间。整个展柜的网格数为102000个。

2.4 求解方法

本文采用商用计算流体力学软件FLUENT进行展柜内部的温度场和速度场的仿真计算。其中标准双方程模型和标准的壁面函数法被用来模拟计算展柜内部的湍流流动，由于考虑了空气作为辐射介质，因此采用DO模型进行辐射计算。在求解过程中，采用了交错网格控制容积法（FVM）对控制方程进行离散[7]，其中对流项的差分格式选用三阶QUICK格式，而扩散项选用二阶中心差分格式。速度与压力之间的耦合采用半隐式SIMPLE算法进行处理[8]。最后，采用亚松弛TDMA算法对离散方程进行求解，收敛精度取能量方程迭代误差小于10-6，其它方程的迭代误差小于10-4。

2.5 边界条件

由前可知，展柜有四个面为玻璃面板，内部的环境极易受到柜外环境的影响，因此外部环境对柜内的影响不能忽略。而本文的研究对象只是展柜本身，为了考虑柜外环境影响，将所有玻璃内壁的温度取为柜外环境的平均温度。通常柜外的环境温度也就是展柜所处的展厅的温度，本文假设展厅的温度为22℃，这样玻璃内壁的温度也就是22℃。由文献[9]可知，中央空调的冷冻水供水温度在5～9℃之间，本文将辐射板内部流入的冷冻工质温度定为7℃，经过其冷却的辐射板的温度也取7℃（不考虑传热损失）。“集中式”展柜的入口气流速度为1m/s，温度为7℃。此外，展柜底板全部假设为绝热壁面，“集中式”展柜靠墙的面板也设为绝热壁面。其它边界条件在具体的算例中有详细的说明。

3 温湿独立控制展柜与“集中式”展柜的对比研究

温度是文物在陈列和保存时发生褪变、腐蚀的最主要的影响因素之一。保存文物的区域应该是温度分布均匀的区域。此外，Wilson认为纸质类文物适合保存在18℃以下的一个稳定的温度[6]，因此，本文将18℃以下的区域作为适合文物保存的区域来对展柜内部的温度场进行评价[10]。

展柜内部气流也是影响文物保存的一个不容忽视的因素，特别是对一些年代久远的非金属类文物，气流的流速过大往往能造成其表面部分物体脱落。所以展柜内部空气的流速越小，对文物就越有利。因此，本文把气流速度也作为是否适合文物保存的一个评价指标[11]。此外，均匀分布的流场也是文物稳定保存的一个重要指标。

3.1 温度场

（a）Y=0.15m截面；（b）Y=0.5m截面；（c）X=0.3m截面

图4 温湿独立控制展柜（左）和“集中式”展柜（右）T＝18℃的等温面

图3给出了两种展柜不同截面的温度等高线图，其中上面三个截面为温湿独立控制展柜不同位置的截面图。由图中可知，Y=0.15m截面的等温线呈射线状从左上角顶点发出，不同数值的等温线之间所构成的区域成“丝带状”规则分布。由于受截面上边和右边两个热源的影响，18℃以下的等温线被压缩在靠近辐射冷板的三角区域，其中14℃以下的等温线在贴近辐射冷板的区域分布非常密集，形成冷边界层，很显然该区域温度变化太剧烈，只适宜保存很薄的文物；14℃～18℃之间的等温线则分布的比较稀疏，不同数值的等温线之间的间距随着温度的加大而变大，特别是17℃和18℃两条等值线之间的距离接近0.1m左右，该区域是适宜保存文物的范围相应的也大些。因此，以18℃作为分界线，18℃以下的等温线与辐射冷板组成的近似直角三角形的区域是适合文物保存的。又从图3中可知，Y=0.5m截面上的等温线分布和Y=0.15m截面基本相似，这说明在Y方向，各截面的等温线的分布结构是相似的。因此，在温湿独立控制展柜中，适合文物保存的区域就是以X-Z截面上的“直角三角形”为底边，沿Y方向拉伸而成的三棱体。但是从图3（c）中可发现，在X=0.3m截面存在上边、左边和右边三个热边界层，受此影响，温度为18℃的等值线在截面中呈“拱形”分布，拱顶的位置在Y=0.5m处，这说明在Y方向上，不同截面上“直角三角形”的大小是不一样的，其中面积最大的在Y=0.5m截面处，而在Y=0.5m之前，面积随着y值的增大而增大，而在Y=0.5m之后，面积随着y值的增大而减小。这样，适合文物保存的区域的形状应该是两端小中间大的圆滑的三棱体。图4中左图用=18℃的等温面、辐射冷板和展柜底板组成了该三棱体区域，可知该区域体积大约为展柜的三分之一。

与温湿独立控制展柜相比，“集中式”展柜内部的温度场的分布则很不规则。图3分别给出了“集中式”展柜中Y=0.15m截面（也即风口中心位置）、Y=0.5m截面和同时包括入口和出口的X=0.3m截面的温度等值线。受强迫对流换热等的影响，温度为18℃及以下的等值线大部分聚集在入口和出口附近，但是风口处又是展柜中温度变化最剧烈的区域，很显然入口处不是保存文物的理想区域。在Y=0.5m截面上，温度为18℃及以下的等值线呈近似平行于展柜底板的带状分布，因此这个区域适合文物的保存。由X=0.3m截面上的等值线分布可知，这种带状分布大概从Y=0.5m开始延伸到将近Y=1m的位置，其延伸的区域刚好近似于一长文体。图4中右图阴影区域为“集中式”展柜＝18℃的等温面和展柜其它面板所形成，其中用黑色粗线条画出来长方体就是适合文物保存的区域。由图可知，该区域不到展柜体积的四分之一，如果再减掉出口那部分区域，适合文物保存的区域就更小了。和温湿独立控制展柜相比，“集中式”展柜适合文物保存的区域是很小的。

3.2 速度场

（a）Y=0.5m截面 （b）X=0.3m截面

图5为两种展柜不同截面上的速度云图，由图中可知温湿独立控制展柜内部气流在距底板0.5m且靠近冷板处的速度最大，达到0.236m/s。这是由于在温湿独立控制展柜中，由热浮升力驱动的自然对流占主导地位。在热浮升力的驱动下，空气沿展柜内部三个热源（侧面的玻璃面板）由下往上流动，在经过一个热源（顶面玻璃面板）后，一起沿着冷板往下加速流动，在距底板约0.5米达到最大值。由于驱动力只是热浮升力，整个展柜内部的平均流速大概在0.13m/s左右。

“集中式”展柜内部流场则是强迫对流占主导地位，其内部流场受入口气流的影响很大，流速较大的区域集中在入口和出口处，如图5（b）所示。其中出口处的最大速度达到了1.37m/s，是辐射冷板的最大流速的六倍，而在入口射流影响下，入口处形成一个以入口为底面，高约0.7m的长方体的高流速区域。这个高流速区域的平均速度大概在0.9m/s左右。除了入口和出口这两个高流速区域外，展柜内部大部分区域的流速相对都比较低，平均值大概在0.2m/s左右，略大于温湿独立控制展柜内的平均流速。除去入口和出口两个区域，“集中式”展柜和温湿独立控制展柜内部的平均流速都比较小。

但是如果同时考虑流场的分布，则温湿独立控制展柜的流场相比“集中式”展柜要更规则一些。由于自然对流占主导地位，温湿独立控制展柜内部的空气受热浮升力影响在高温侧沿壁面由下往上流动，在冷板侧自上而下流动，最终形成如图6（a）所示的一个很规则的大漩涡。当把书画类文物平行且靠近辐射板放入展柜内时，在该位置的气流几乎是平行于文物的表面的，不会出现气流冲击文物的情况，因此对文物的损害很小。而“集中式”展柜内部的空气流则非常凌乱，在入口射流和高温壁面的影响下，展柜内部形成了多个漩涡，如图6（b）所示。文物在展柜内部不可避免会受到气流的撞击而出现损坏。

（a）温湿独立控制展柜 （b）“集中式”展柜

因此，综合展柜内部的流速和流场分布的均匀性来看，温湿独立控制展柜更能为文物提供一个安全的保存环境。

4 结论

本文对温湿度分开控制的温湿独立控制展柜的结构、工作原理以及运行方式进行了详细的阐述，重点将其和传统的“集中式”展柜内部的温度场和速度场进行了对比分析，最后分析了温湿独立控制展柜运行期间机械控湿系统对展柜内部环境的影响。结果表明：（1）采用辐射板控制温度的温湿独立控制展柜内部的温度场分布的更加均匀，适合文物保存的区域也比“集中式”展柜的大一些；（2）同样，温湿独立控制展柜内部的速度场分布规则，速度较低，有利于文物的保存。

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Numerical Simulation on the Temperature and Humidity Independent Control Showcase

Hou Huabo1Yu Likui2

( 1.China Machinery International Engineering Design & Research Institute, Zhuhai, 519000;2.School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha, 410083 )

A new kind of showcase with the temperature and humidity independent control is introduced in this paper to control the showcase’s environment for the cultural relics preserving. The new showcase and convectional one’s temperature and flow field were compared by numerical simulation. It is found that the new showcase supply a steadier environment for the cultural relics preserving than the convectional one.

temperature and humidity independent control; showcases; numerical simulation; cultural relic conservation

1671-6612（2017）02-210-05

TU831.5

B

2015-12-08

作者（通讯作者）简介：侯华波（1982.10-），男，工学硕士，高级工程师，E-mail：13631253425@139.com