遗址博物馆游客与文物环境调控模式研究

(1 西安交通大学人居环境与建筑工程学院 西安 710049； 2 北京建筑大学环境与能源工程学院 北京 100044)

我国境内遗址文物非常丰富，在气候变化、环境污染及人类经济活动等影响下，很多遗址文物正遭受日益严重的污损，根据第三次全国文物普查结果，我国现存77万处遗址文物中，保存状况较差的占17.77%，保存状况很差的占8.43%，每年消失的遗址达2000多处[1]。在遗址文物原址建立博物馆可以有效缓解由风吹、日晒、雨淋等自然危害导致的文物污损，是遗址文物保护的重要手段。但遗址博物馆本身并不能完全解决由文物保存微环境所导致的文物本体风化和病害问题，我国很多著名的遗址博物馆，如秦始皇兵马俑、汉阳陵博物馆等均存在文物病害，这些病害的发生与遗址博物馆文物保存环境控制不当密切相关[2-3]。

利用空调系统对文物展厅进行环境控制是改善文物保存环境和提高游客热舒适性的重要途径，相关研究工作已经广泛开展。为了控制展陈文物与环境之间的热湿平衡，B. Laura等[4]利用DOE软件对文物展厅空调系统的温湿度控制特性进行了分析，提出变风量全空气系统在环境控制精度及系统节能方面均具有优势，适于博物馆展厅全年环境调控。2010年以后，博物馆的环境调控开始重视系统运行能耗和系统优化。 R.P. Kramer等[5]在综合各种节能方法的基础上，研究了文物保存环境的控制精度与系统运行能耗的关联，研究表明通过优化环境调控系统的参数控制范围，可以在提高文物保存环境的同时实现77%节能。这些研究基本都是针对陈列式博物馆环境控制，对于遗址博物馆较少涉及。

遗址博物馆具有开放式大空间建筑布局特点，文物与游客之间缺乏有效的隔离，导致环境调控还面临着环境调控需求多样化、保存环境包含土壤与空气两种介质、环境调控系统运行能耗高等问题。为了解决开放式遗址展厅游客与文物不同的环境需求，我国进行了很多探索并提出了很多解决方法，其中最直接的就是对展厅文物与游客区域进行物理空间分区，如汉阳陵遗址博物馆的全封闭模式[6]，该方法适于新建的遗址博物馆，对于已经建成的遗址博物馆推广难度较大。针对兵马俑和汉阳陵等葬坑结构遗址文物环境调控需求，Luo Xilian等[7-8]提出采用空气幕系统对文物区与游客区进行隔离调控，可以有效阻止大气污染气体进入文物保存区，但该方法温湿度调控能力不足，且风口送风速度过大，易引起震动，对遗址本体产生不利影响；提出采用辐射毛细管对文物保存区域进行调控，研究表明该方法可以实现对文物保存局部区域的温度精确调控，且具有运行能耗低、对文物区扰动小等优点，但该方法仍存在不足：首先，文物保存区相对湿度高，当冷水流过辐射末端时易在毛细管表面产生凝结水并流入文物保存区，对文物产生破坏；其次，辐射冷却系统缺乏有效的通风换气，高湿文物保存环境内易滋生霉菌，引起文物的生物病害。为了实现遗址文物保存环境“稳定、洁净”的综合要求[9]，Luo Xilian等[10]进一步提出了利用置换通风系统对文物保存区环境进行调控的思路，通过实验研究了系统运行能耗及换气量对调控性能的影响，取得了较好的实验效果。

针对遗址博物馆环境需求复杂，调控模式多样化的问题，本文在置换通风调控的基础上，利用游客与文物两者环境需求之间的热力分层特性，提出文物区置换通风系统与游客区舒适性空调系统相结合，实现对游客区与文物保存区的分别调控，并通过搭建实验系统对调控系统不同调控模式进行了实验研究。

1 开放式遗址博物馆的环境调控模式及分层调控原理

遗址博物馆开放式展厅环境调控可能存在的模式包括：1)早期建设的遗址展厅，如兵马俑1号坑展厅，文物区与游客区均没有任何环境调控系统，主要依靠外窗自然通风进行环境调控，如图1(a)所示；2)近年来新建的遗址展厅，如兵马俑百戏俑坑展厅，只有游客区安装了空调调控系统，根据展厅对外开放时间运行，为游客提供热舒适性环境，如图1(b)所示；3)只对文物保存局部区域进行环境调控，系统全天24 h连续运行，该模式主要用于对早期建设的遗展厅进行改造，以满足文物对环境的调控需求，如图1(c)所示；4)同时对游客区与文物区环境进行分别调控，以满足各自的需求，该模式主要用于今后新建遗址博物馆，如图1(d)所示。

模式1和模式2是目前遗址博物馆环境调控中最常见的做法，但忽略了遗址文物对环境的需求，而模式3和模式4则可以满足遗址文物预防性保护的需求，但这两种模式都涉及开放大空间局部区域环境调控，需要满足空间稳定热力分层特性。游客区与文物区的适宜环境调控参数不一致，以常见遗址博物馆硅酸盐类遗址文物(陶器、陶俑、砖瓦等)为例，根据《博物馆建筑设计规范》[11]和《民用建筑供暖通风与空调设计规范》[12]规范，游客和文物在夏季对环境的需求如表1所示，其中游客区由于属于短期逗留区，因此游客区温度可在表1所给参数的基础上提高1～2 ℃。

表1 舒适性空调室内环境参数Tab.1 Indoor environment parameters of comfort air conditioning

图1 遗址博物馆展厅环境调控模式Fig.1 The environmental control model of the exhibition hall of the Ruins Museum

《博物馆建筑设计规范》所提的文物适宜保存环境是针对空气环境中保存的陈列式文物，不一定适用土壤-空气耦合环境下保存的原位遗址文物。Luo Xilian等[8]从耦合环境平衡角度出发，提出应将空气温度维持与土环境温度接近，即约20 ℃，这与以上规范所提参考值一致。而相对湿度的选取则要考虑更多因素：1)从控制土遗址干裂病害发生角度，相对湿度(RH)应该尽可能接近饱和状态点，即RH=100%[3]；2)高相对湿度环境会促进土遗址表面霉菌和孢子的生长速度，当环境RH>90%时生长速度十分迅速[13]，从控制霉菌病害的角度来说，应该将RH控制在90%以下。本文综合以上两个方面，选取RH的控制范围约为80%较为适宜。

虽然游客区与文物区的环境调控存在差异，但两个环境需求之间存在稳定热分层分布规律：即文物保存的环境温度<游客的热舒适性环境温度，且从空间分布上文物保存区平面高度也位于游客区地平面以下，这种特殊的空间热力学分层特性为我们利用分层环境调控系统对游客与文物保存环境进行分别调控提供了理论可行性。据此本文提出采用置换通风系统对文物保存区微环境进行调控，并采用常规舒适性空调对游客区进行调控，实现不同区域的分别调控。

2 实验系统

《中国文物古迹保护准则》要求所有技术都必须经过实验测试证明有效，且对遗址文物的长期保存不产生损害，才能推广使用[9]。由于博物馆葬坑现场保存珍贵的遗址文物，无法在展厅内直接开展环境调控模式实验研究，本文借鉴博物馆的大空间展示模式，在西安交通大学曲江校区搭建了展示厅实验室，并参照博物馆葬坑的几何尺寸设计了实验葬坑，基于该展示厅与实验葬坑，进一步设计游客区与文物区环境调控系统。

图2 置换通风调控系统流程图Fig.2 The flow chart of displacement ventilation control system

图2(a)所示为实验展厅环境调控系统示意图，文物区和游客区分别利用置换通风系统和空调进行环境调控，图2(b)所示为文物保存区置换通风系统流程图。整个系统由制冷机组、冷水管道系统、空气处理系统、送回风系统组成，其中送回风系统由送风静压箱、回风口及循环风管组成，送风静压箱在长度、高度及厚度方向分别为2.5、0.7、0.2 m，背向坑壁的面加工成送风孔板，孔口直径为2 mm，开孔率为25%。送风静压箱的作用主要是通过增加送风口前管道的面积，将送风动能转化为压能，提高送风的均匀性。

实验中对展厅空间温湿度、葬坑内微风速进行了监测记录，传感器位置如图3所示。图中T1～T5为温湿度传感器，采用TR-72Ui 温湿度记录仪，测量精度为±0.3 ℃，±5.0% RH，用于记录葬坑中心位置温湿度的垂直分布，以葬坑底部作为参考面，T1～T5传感器布置高度分别为0.2、0.5、1.3、1.9、2.6 m。整个文物保存区(实验葬坑)深度为2.0 m, T4布置高度为1.9 m，近似代表文物保存区与游客区的分界点；T5布置位置高于葬坑上方0.6 m处，代表游客区环境的温湿度。Tav为布置在葬坑中心0.35 m高度处的微风速测点，采用Swema03微风速仪，测量精度为±0.03 m/s。图3中陶质砖为模拟文物，总长度为0.6 m，一半埋藏在土壤中，一半暴露在葬坑空气中，Tr1、Tr2为嵌入方砖内的温度传感器，离地表的距离均为0.25 m。Ts为埋藏深度为0.05 m的土壤测温点，Tr1、Tr2和Ts的测试仪器均为康铜热电偶，测量精度为±0.3 ℃。

图3 传感器位置图Fig.3 Sensor position diagram

3 实验工况及结果分析

针对博物馆4种环境调控模式，本文设计了4个实验工况进行实验研究，如表2所示。

表2 实验工况Tab.2 Experimental working conditions

以上4个实验工况均在夏季7～8月份之间，属于西安地区天气最炎热的月份。图4所示为各实验工况室外温湿度参数分布，表3所示为各工况温湿度参数的统计值，可知在4个工况运行期间，室外平均温度均在30 ℃以上，最高温度均超过36 ℃，且昼夜温差较大，对遗址博物馆文物保存带来不利影响。此外在博物馆对外开放期间(09∶00～18∶00)，4个工况室外平均温度分别为36.5、34.2、31.6、33.6 ℃，均超过了游客的热舒适性要求参数范围(24～28 ℃)，因此有必要采取环境调控措施进一步改善游客区和文物区的热舒适性。

3.1 实验展厅内温湿度分布特征

图5所示为4个工况下实验展厅内的温度分布，表4所示为展厅温度统计值。

实验工况1中，整个展厅均处于自然通风状态，室内温度分布受室外环境影响大，呈现昼夜周期性波动，考虑到博物馆对游客开放时间通常在09:00～18:00，在该段时间内，游客区测点(T5)的温度平均值高达36.5 ℃，远超游客舒适性要求规定范围。与此同时，模拟葬坑内的温度波动也较大，离葬坑底部文物最近的测点(T1)温度波动值达3.0 ℃，远远超过文物保存环境推荐的波动值1.5 ℃[14]，且葬坑中心位置各测点的温度值和波动值随高度的升高而升高，受室外环境的影响增大。葬坑内测点的平均温度达到27.1 ℃，远远超过陕西地区室内遗址土环境的温度平均值20 ℃，表明遗址文物的土环境与空气环境间存在很大温差，会加速遗址文物土环境的失水而引起文物病害。

图4 室外温湿度参数分布Fig.4 The distribution of temperature and relative humidity for outdoor environment

表3 各工况下室外温湿度环境的统计值Tab.3 Statistical value of outdoor temperature and humidity environment under various working conditions

实验工况2中，游客区的环境调控系统在博物馆对外开放时间内定期运行，在对外开放周期内，游客区(T5)的温度平均值为26.6 ℃，在游客热舒适性要求的参数范围(24～28 ℃)内，实现了对游客区环境的调控。同时，由于游客区环境温度波动值减少，模拟葬坑内的环境也得到了有效改善，葬坑平均温度降至24 ℃。虽然在游客区环境进行调控的模式下，葬坑内的环境测点的平均值和波动值也大幅降低，但葬坑平均温度离实现遗址文物土环境与空气环境平衡的目标值20 ℃还存在较大差距，需要进一步对文物环境进行调控。

实验工况3中，采用置换通风系统仅对文物保存区进行环境调控，且系统全天24 h连续运行。该运行模式下，游客区环境基本不受环境调控系统的影响，呈现昼夜周期性波动；而葬坑内的平均温度为21.6 ℃，且坑底区域靠近土环境处测点(T1)的空气温度平均值为20.5 ℃，基本满足了文物的适宜保存温度要求。

实验工况4中，游客区与文物环境分别采用舒适性空调系统和置换通风系统进行调控，该调控模式下，游客区的环境(T5)温度平均值为25.6 ℃，达到了游客热舒适性要求，同时，在置换通风系统的调控作用下模拟葬坑内的平均温度进一步降至21.5 ℃，且坑底区域靠近土环境处测点(T1)的空气温度平均值为20.4 ℃，十分接近调控目标温度20 ℃，近似实现了土环境与空气环境之间的平衡。

图5 实验展厅内温度分布Fig.5 The distribution of temperature in the laboratory exhibition hall

工况文物保存区/℃游客区/℃T—1T—2T—3T—4T—1-4ΔT1ΔT2ΔT3ΔT4T—5ΔT5124.026.528.229.627.13.04.26.28.231.311.3222.723.624.425.424.01.51.82.63.326.62.1320.521.421.922.821.61.62.13.23.728.59.5420.421.321.722.521.51.41.62.43.125.63.4

图6所示为各工况实验展厅内相对湿度分布，表5所示为相对湿度统计值。总体上，相对湿度的分布特性与温度分布特性相似，呈现昼夜周期性波动。在工况1和工况2两种工况下，由于葬坑区域缺乏有效的通风措施，在土壤水分蒸发的影响下，靠近坑底土环境界面处(T1)空气特别潮湿，RH>90%，尤其在工况2中平均RH达到98%，虽然高湿环境有利于降低土遗址水分的蒸发，但同时会加快霉菌的生长。对比发现采用置换通风系统的工况3和工况4，模拟坑内平均RH分别为77%和81%，基本达到了RH设定范围80%～90%。由图6可知，在工况1和工况2中，文物区内垂直方向RH变化较大，测点T1和测点T4的平均RH差值分别为25.4%和29.3%，而采取置换通风调控系统的工况3和工况4文物区RH的垂直差值分别为6.9%和7.8%，即置换通风系统能有效的提高文物区相对湿度的均匀性。对比发现，工况1和工况3在博物馆对外开放期间(09∶00～18∶00)，位于游客区的测点(T5)的RH表现为先减小后增大，波动值分别达到20%和21%，与游客区采取空调措施的工况2和工况4相比，RH的波动明显降低，即空调系统有效改善了开馆期间游客区相对湿度的稳定性。

图6 实验展厅内相对湿度分布Fig.6 The distribution of relative humidity in the laboratory exhibition hall

表5 展示厅内相对湿度统计值Tab.5 The relative humidity statistics of the exhibition hall

综上所述，由于游客与文物之间的热环境需求存在分层特性，即游客的热属性要求所对应的温度>文物适宜保存环境对应的温度，因此，利用分层调控系统可以实现对两个区域的独立调控。

3.2 文物保存区风速分布特性

风速对文物的主要影响表现在随着风速提高，将加速土环境-空气环境界面之间的水分与能量迁移，导致干裂病害发生。目前各国并没有针对土遗址文物的适宜风速给出推荐范围，若参考陈列式博物馆的保存环境标准，则要求环境风速≤0.15 m/s[15]。图7所示为4个调控模式下，文物保存区0.35 m高度处(图3中测点Tav)的风速U(m/s) 分布，表6所示为各工况的统计值。由图7和表6可以看出，对坑内采用置换通风系统的工况3和工况4，其风速虽然高于其他工况，但平均值只有0.033 m/s和0.032 m/s，远低于文物保存环境的容许值0.15 m/s。这主要是因为本文在文物区所采用的送风口为孔板送风口，风口有效送风面积相对较大。从风速分布区统计值可知，本文提出的置换通风系统，虽然会提高文物区的空气流速，但影响幅度很小，游客区与文物区耦合调控模式可以在同时满足两个区域的环境需求情况下，给文物区带来的扰动可忽略不计。

图7 不同工况下模拟葬坑文物区风速分布Fig.7 Wind speed distribution in simulated burial pit cultural relics under different working conditions

工况最大风速Umax/(m/s)平均风速Uavg/(m/s)10.1360.02320.0170.00530.1210.03540.1530.032

3.3 土壤-空气耦合环境的平衡性能分析

遗址博物馆原址展出的遗址文物由于并未脱离原来埋藏的土环境，其赋存环境是土壤-空气耦合环境(如图8所示)，两环境介质间的平衡是实现遗址文物妥善保存的关键，也是遗址文物赋存环境调控的目标。为了获得遗址文物土壤-空气耦合保存环境的平衡性能，本文选择土壤空气界面下0.05 m深度处土环境与界面上0.2 m高空气环境间的温差(ΔT= |Ts-T1|)以及文物本体埋藏在土壤中部分温度与暴露在空气中部分的温差(ΔTr=|Tr1-Tr2|作为保存环境平衡指标进行分析。当不同环境介质及文物本体不同部位间的温差越小，表明土壤-空气耦合保存环境更接近平衡状态，由环境参数波动与不均匀所引起的文物本体老化及水盐迁移会得到有效缓解。

图8 遗址文物土壤-空气耦合环境Fig.8 Soil air coupled environment of relics of ruins

表7所示为各实验工况下土壤-空气界面两侧环境间的温差统计。在工况1自然通风模式下，遗址文物两个环境介质间存在较大的温差，ΔT=2.6 ℃，并且由于空气温度波动受气温变化影响较大，因此温差波动也较大。在工况2游客区环境单独调控时，两个环境介质间的温差逐步减小，从工况1的2.6 ℃降至1.3 ℃，降低50%，主要是因为空气环境温度降低所致。在工况3中仅开启了文物保存区的环境调控系统，两环境介质间的温差为0.67 ℃，较工况2降低了48%，进一步当在工况4中文物保存区与游客区的环境耦合调控系统开启之后，两个保存环境介质间的温差降至0.4 ℃，土环境与空气环境基本达到了平衡。

表8所示为埋藏在实验葬坑里的模拟文物不同部位间的温差统计值。在工况1自然通风模式下，文物不同部位的平均温差为3.4 ℃，表明存在较大的不平衡温差，自然通风调控模式无法保证遗址文物本体的热平衡。当游客区环境温度进行调控后，由于展示厅内空气温度平均值降低，文物本体温差降低了29%至2.4 ℃，但该温差依然较大，表明文物本体不同部位间没有达到平衡，存在“脚冷头热”现象，不利于文物的保存。而在工况3中遗址区局部环境调控系统运行后，温差相比自然通风降低了76%至0.81 ℃，有效改善了遗址文物不同部位间的温度均匀分布。当工况4开启文物-游客区耦合环境调控模式时，文物本体温差低至0.7 ℃，主要是该运行模式实现了文物-游客区分层调控的目的，使文物区的置换通风系统较工况3发挥了更好的效果，更加有利于文物的保存。

表7 各工况下土壤-空气耦合环境界面温差统计值Tab.7 Temperature difference between soil air coupled environment under different working conditions

表8 遗址文物埋藏在土壤中部分与暴露在空气中部分温差统计值Tab.8 Part of the temperature difference between the buried part of the historical relics buried in the soil and the exposed air

4 结论

参照遗址博物馆环境调控的现状及需求，本文以陕西地区葬坑类遗址博物馆夏季调控需求为研究对象，通过实验对比研究了整个遗址展示厅处于自然通风、游客区单独环境调控，文物区局部环境调控及游客区-文物区调控4种运行模式，结果表明：

1)在炎热的夏季，我国早期建设的遗址展示厅采用的自然通风方式既不能满足游客的热舒适性要求，也不能满足文物保存环境需求。在该调控模式下，展厅内环境参数受室外环境影响较大，文物区平均温度为27.1 ℃，空气-土壤两环境介质间的温差为2.6 ℃，文物本体不同部位间的温差为3.4 ℃，将严重威胁文物的妥善保存，同时开馆期间游客区的平均温度为36.5 ℃，不满足游客的热舒适性要求。

2)游客区单独调控模式虽然可以满足游客的热舒适性要求，也可以降低外部环境对文物保存区的影响，但整体上文物保存区还存在较大的温度波动，且遗址文物土壤-空气环境处于不平衡状态下，无法满足遗址文物的保存需求。

3)置换通风系统可以实现对文物保存环境的独立调控，且置换通风与游客区舒适性空调系统相结合的游客-文物区调控模式，可以同时满足游客热舒适性与文物保存环境需求，还可以降低文物保存环境调控的能耗，为我国开放式遗址展厅环境调控提供可行解决方法。