文物保护修复场所通风系统设计

2020-08-24赵守江张国庆

文物保护与考古科学 2020年3期

谷岸，赵守江，张国庆

（故宫博物院，北京 100009）

0 引言

文物保护修复过程中，使用的修复材料很多具有挥发性，易产生气态污染物；除尘、切割、打磨等操作，易产生粉尘类污染物。如果任由这些污染物在空气中扩散，将不可避免地危害人员健康、影响文物安全。专业、科学、合理的通风系统，是控制和排除空气污染物，保障人员和文物安全的最有效手段。

传统的文物修复工作室并不重视基础设施的科学设计，致使污染问题长期无法解决。随着社会的进步，越来越多的博物馆意识到文物保护修复的重要性，着手建立现代化的实验室和修复室。其中，通风系统的设计是至关重要，却又不易做好的内容。主要原因是：文物保护修复工作具有很强的特殊性和复杂性，通风需求与普通民用系统大相径庭，而专门针对文物保护修复通风系统的研究又非常少[1]。大多数博物馆的工程设计单位没有相关经验和技术积累，很容易产生设计问题，致使工程竣工投入使用后，才发现实际效果不尽如人意。

本工作以文物保护修复实际需求及相关项目经验为基础，借鉴科学实验室通风系统设计方面的先进技术与严格标准，探讨了文物保护修复场所通风系统设计的思路、技术和关键指标，可为相关博物馆工程项目提供参考。

1 文物保护修复场所通风需求分析

文物保护修复场所主要包括文物保护科学研究实验室及各种类别文物修复工作室。根据工作内容不同，对通风系统有不同的需求。

1）文物保护研究实验室，经常使用各种化学试剂，产生粉尘污染较少，但易产生有毒、有害的挥发性气体。这些气体必须妥善控制、净化和排放，避免污染公共环境和危害人员健康。这类需求与一般理化实验室比较接近，可按照理化实验室的标准设计通风系统。

2）木器、镶嵌类文物修复工作室，经常进行打磨、雕刻等工作，粉尘排放较多，同时也会进行烫蜡、黏接等工作，有害气体排放也较多。对挥发性气体和粉尘的控制均有较高的需求。

3）陶瓷、金属类文物修复工作室，经常进行清洗、黏接、做色等工作，有害气体排放较多。进行除尘清洁工作时也会有少量粉尘排放。对挥发性气体控制均有较高的需求，粉尘控制也应有所考虑。

4）漆器类文物修复工作室，大量使用生漆、薄荷油等挥发性物质，且可能进行大面积髹漆，对挥发性气体控制提出了很高的要求。此外漆器修复也可能进行除尘、打磨等工作，粉尘控制也应有所考虑。漆器荫房因为需要湿度很高，一般应单独设计。

5）书画、纺织品类文物修复工作室，由于文物材质和修复工艺的特点，对环境温湿度要求较高。温湿度控制不属于通风专业范畴，文中不做深入讨论。但通风系统的设计必须考虑对环境温湿度控制的影响。原则上这类场所不能同时进行产生挥发性气体和粉尘工作，否则很难兼顾通风和温湿度需求。

2 通风系统

通风系统一般分为全面通风和局部通风两种形式，根据需求可单独使用或结合使用。

2.1 全面通风

全面通风是对室内空间整体空气进行更新置换的系统。根据不同的使用需求，全面通风的设计有很大差别，需要特别关注送排风形式、室内外压力差、换气量、颗粒物净化等几个主要问题。

1）送排风形式。第一，文物保护修复场所必须采用全新风系统，即所有送风都来自于外界的新鲜空气。美国ASHRAE标准[2]规定所有从化学实验室内排出的气体均需直接排出室外，而不能循环利用。一些民用建筑出于节能环保的考虑，将部分室内空气经过内循环后又送回室内。这种形式极易造成各个房间交叉污染，产生“串味”，应严格避免。

第二，文物保护修复场所必须同时具备排风和送风系统。这是控制压差、保证风量、防止有害物质外泄的基础。一些文物修复室或实验室按照普通办公用房标准设计，仅用于满足人员的呼吸需求。由于风量很小，只设送风系统，不设排风系统，污浊空气只能通过门窗缝隙自然排出。这种设计显然不适合文物保护修复场所使用。

第三，文物修复对气流的平缓要求很高。过快的气流直吹容易造成文物变形开裂，甚至吹飞微小部件的严重问题。特别是在恒温恒湿房间，需要非常大的风量才能起到良好的湿度调节效果，普通的送风形式很容易出现风速过高、风感过大的问题。微孔送风技术是采用大面积、密布小孔的风管或天花板作为出风口，具有送风均匀、无风感、运行宁静等优点，非常适合文物修复场所使用。

2）室内外压力差。室内外压力差主要影响室内外环境气体的散溢方向。文物保护修复场所经常使用各种化学试剂，易产生有害气体。通常不希望这些有害气体散溢到其他空间。这与常规理化实验室的需求一致。按照《科学实验室建筑设计规范：JGJ 91—93》[3]和《化工采暖通风和空调调节设计规范：HG/T 20698—2009》[4]规定，实验室、化验室应保持相对负压。排风和补风系统达到风量平衡，保持室内-5～-10 Pa的负压，可防止有害气体的散溢，保证临近空间的环境清洁。

恒温恒湿间需要严格的温度、湿度控制范围，应该设计成正压。因为如果设计成负压，则相邻区域的空气进入，可能破坏温湿度的控制精度。

实验室建筑的办公区域，应相对于走廊和实验室始终维持正压。实验室内气流应从低危险区域流向高危险区域，最终通过各类通风柜或加热设备排到室外。

3）换气量。换气量是影响通风效果的重要因素。一方面，较大的换气量有利于室内有害物质快速有效地置换去除；另一方面，足够的换气量才能维持房间的设计压差，否则设计压差将被门窗缝隙的泄漏所抵消。《化工采暖通风和空调调节设计规范：HG/T 20698—2009》[4]规定化验室房间的最小换气量一般在6～8次/h。

4）颗粒污染物净化。文物保护修复空间必须保证一定的洁净度。灰尘不仅污染文物，而且会损坏实验室仪器设备。特别是近年来空气污染日益严重，空气中的PM10和PM2.5等悬浮颗粒污染物还对人员健康造成威胁。因此，颗粒物的净化是通风系统必须考虑的一项重要内容。

要保证颗粒污染物净化效果，应做好门窗密封，减少外界污染气体的渗入。同时，应在送风系统设置高效及中效过滤，保证从室外送入室内的空气质量符合要求。在新风机组功能段加装高、中效过滤段，将经过过滤后的空气送至室内。只靠送风系统过滤不能满足空气质量要求，需要在房间内加装FFU（风机过滤机组）设备，对室内空气进行自循环过滤，去除新风中未除净的PM2.5，以及从门、窗、外来人员进入、室内人员活动等渗入的污染空气和飘尘。

2.2 局部通风

局部通风是指在有害气体或粉尘产生的源头附近设置通风装置，用较小的风量和较大的风速捕集污染物并排出室外，防止其扩散到整个房间，是室内空气质量的第一道防线，具有至关重要的作用。常见的局部通风设备包括通风柜和万向排风罩，应根据实际需求选择合适的设备。同时还必须考虑局部通风与全面通风的关联关系和协同控制。

1）通风柜。通风柜（图1）上部连接风管排风，柜门上下可调节，远程风机通过排风管在通风柜内产生相对负压的局部空间，工作人员站在窗口前把手伸入通风柜内操作，产生的有害气体通过柜顶的排风口被吸走，不会逸出通风柜。一般通风柜的安全性高于万向排风罩等其他局部排风设备，文物修复操作污染比较严重的情况下应优先使用通风柜。

图1 通风柜及文丘里阀Fig.1 Fume hoods and Venturi valves

全通风型、补风型、净气型是市场上常见的通风柜产品。使用者需要结合自身需求，作出合理的选择。全通风型通风柜是最常见的，主要特点是通风柜排出的空气经由管道全部排到室外，不进行室内循环。这种通风柜的安全性是最高的。但是由于通风柜的排风量非常大，要求室内必须有足够的新风供应，否则很可能造成风量不足或者室内温湿度的变化。

补风型通风柜的特点是：除常规的排风系统外还有一套送风系统，送风系统将室外空气抽入，从通风柜的前上方的风口送出。采用这种方法，通风柜开口进风大大减少了室内空气的消耗，从外面补进的空气不必像房间送风那样完全经过空调，从而降低了能耗。但补风型通风柜也存在很多问题，例如需要增加送风会造成系统繁琐和相关投资，送风设计、运行不当会影响通风柜安全性能。这也是一般不建议使用此类通风柜的原因。

净气型通风柜的特点是无需外接管道，通风柜内置风机和过滤，柜内污染物经风机抽取后经过过滤再次排入室内。这种通风柜的优点是不需要排风系统，不影响室内温度，安装简单。通常用于不具备排风系统、新风系统条件的建筑。这种通风柜主要缺点是：必须根据污染物种类选择过滤材料，同时使用中必须及时更换过滤材料，一旦过滤材料失效或与污染物不匹配，有毒污染气体将直接排到室内，危害人员安全。

通风柜控制污染物的能力主要取决于开口处的风速，风速过低和过高都不好。风速过低，造成通风柜防护性能不足，污染物易于泄露；风速增高，对防护性能加强很小，能耗增加很大，风速过高易于引发气流紊乱，也会造成污染物逸出。所以大多数国家的标准要求通风柜的面风速稳定在0.5（1±20%）m/s[5-7]。但是在使用过程中，根据需要会将柜门进行上下调节，造成开口面积变化。如果通风柜的风量是固定的，必然造成面风速的变化，进而出现安全隐患。因此变风量通风柜是当前应用的主流。

变风量通风柜可以根据柜门开口大小迅速自动调节风量，达到稳定气流面风速的目的。这种设计有利于保障安全，同时还能够节省不必要的能耗。一套变风量系统通常由传感器（门高、风量等）、文丘里阀、自动控制系统组成。传感器用于检测当前通风柜的状态。文丘里阀是一种高精度的风量控制阀，相比于一般通风系统使用的蝶阀，能够更准确地控制风量（图1通风柜顶部）。控制系统根据传感器信息，调节文丘里阀，实现风量控制。一般装备通风柜的房间，自动控制系统不仅要调节通风柜风量，同时还要调节房间新风系统风量，实现联动控制。即房间新风随通风柜的风量增减而同步增减，始终保持房间标准的微负压状态。否则，如果新风不足，将造成通风柜空有负压而风速不足；如果新风过大，房间呈正压状态，房间气体将向临近空间泄露。

2）万向排风罩。万向排风罩（图2）是一种万向臂风管装置，可灵活调整排风罩口的位置，便于靠近污染源。主要是用于捕集和排出小范围的有害污染。木器、金属、漆器等类别的文物经常体量较大，无法放入通风柜。在修复中可以使用万向排风罩，将罩口靠近修复操作位置，及时排出有害气体、防止扩散。

图2 万向排风罩Fig.2 Cardan hoods

为了对罩口附近一定范围的空气产生捕集效果，万向排风罩风管中风速较高，一般5～8 m/s，罩头面风速约0.5～1 m/s。风速增大虽然捕集效果有提高，但是也造成噪音和能耗的增大。万向罩产品针对不同需求有多种的规格形式，一般包括管径50 mm、75 mm、100 mm的悬吊安装产品以及32 mm小管径的桌面安装产品。管径越大，设计风量越大，捕集范围越大。设计中需要根据工作需要权衡选择。

大部分万向排风罩产品设有调节风量的阀门，但是风量较小（约100～300 m3/h），因此不需要像通风柜一样与全面通风进行联动自动控制。一般将万向罩设计成常开使用，将其风量作为房间全面排风的一部分进行核算。

南京自古以来就是中国重要的手工业中心之一,至今,云锦、金箔等传统手工艺品依然享有盛誉。南京位于长江中下游铜铁成矿带上,生活在这里的先民很早就利用金属矿物资源开展采矿、冶炼、铸造等矿冶活动。

使用万向排风罩时，需要使罩口尽量靠近污染源。实验表明，50 mm直径万向罩，风量100 m3/h，罩口距离污染源15 cm以内效果最佳，污染物没有散溢；距离达到20 cm，出现少量污染物散溢；距离超过30 cm后，捕集效果非常有限，大量污染物散溢到房间中。

3 粉尘排放和废气处理

3.1 粉尘排放

木器、金属、漆器、镶嵌等器物类文物修复过程中，除了产生气体污染，在除尘以及修复材料的切割、打磨等操作时，还会产生大量的粉尘污染。

常规设计的通风柜、万向排风罩等局部排风设备只能用于有害气体的排放，不能直接用于粉尘排放。否则粉尘可能在管道中聚积，造成通风效率下降，甚至产生爆炸。

用于粉尘排放的局部通风系统通常需要专门的设计。第一，排风管道靠近通风柜或万向罩等末端设备处应安装粉尘过滤器，并定期更换，以保证粉尘无法进入排风管道。第二，安装过滤器将增大风阻，排风系统风压必须加大。因此一般气体和粉尘的排放为两套独立的通风系统，不共用一套管路和风机。如图3所示，两根风管从屋顶接入桌下，分别连接桌面上两个软管。带有方形滤盒的软管用于排出粉尘，没有滤盒的软管用于排出有害气体。

除了采用集中排放的形式外，粉尘控制还可以采用单体除尘装置的形式。如图4所示，这种装置由万向臂、小型风机和高效过滤滤筒组成。类似一个大体积的吸尘器，风量根据需要可以无级调节，带有粉尘的空气被吸入后经过滤再排入室内。这种形式的设备插电即用，无需建筑改造，是一种更为灵活方便的方案。

图3 集中排放除尘系统Fig.3 Centralized dedusting system

图4 单体除尘装置Fig.4 Independent dedusting equipment

3.2 废气处理

通风系统向室外排出污染空气应符合《大气污染物综合排放标准：GB 16297—1996》[8]规定。排出气体中有害物质浓度应低于最高允许排放浓度。建筑排气筒高度应高出周围200 m半径范围内建筑6 m以上，不能达到该要求的排气筒，应按排放速率标准值50%执行。

最高允许排放浓度指任何1 h排出污染物的浓度平均值。因此在室内进行化学药品操作的情况下，排放空气如果不经过处理，一般无法完全满足标准要求。目前废气的处理多使用干式化学过滤器。这种过滤器是以活性炭或氧化铝等多孔颗粒为主要吸附基材，根据不同的污染物种类，对颗粒进行化学处理以达到良好的过滤效果。一般普通活性炭颗粒用于吸附挥发性有机溶剂类污染气体。浸渍了高锰酸钾的颗粒用于酸性污染气体的化学反应吸附。浸渍了磷酸的颗粒用于碱性污染气体的化学反应吸附。过滤器中可以装入不同种类的多个吸附剂模块，组合使用以达到更全面的过滤效果。