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展柜微环境控制技术
作者:    发布时间:2020-07-31 13:13    阅读量:16

文章来源:《中国文物报》

作者:张晋平 张月玲


博物馆展柜


  博物馆承担着为子孙后代保护文物的重要任务,为了降低文物的老化速度,博物馆要求将不同质地的文物在特定的环境温湿度条件中展出。尽管所有人都知道,温度越低对于保护有机类文物越有利,但是博物馆展厅必须考虑到观众参观时的舒适性,一般来说博物馆展厅温度在冬季不会低于16℃,在夏季不会高于25℃。


  需要肯定的是,展柜的温度是由展厅温度决定的。如果我们一定要控制展柜内温度高于展厅温度,当展柜玻璃温度受外界影响低于展柜内空气温度,如果其温度差值降低到露点以下时,展柜玻璃内壁有可能会出现冷凝水;反之,若展厅温度高于展柜内温度,如果其与展柜玻璃温度差值降低到露点以下时,展柜玻璃外将出现冷凝水。当我们认识到展柜内温度一定要服从展厅温度后,展柜内相对湿度的控制就成为了技术的关键。所以说,博物馆控制展柜微环境,实质上就是控制展柜中的相对湿度。


  保护文物最重要的环境因素之一就是保持文物所处环境相对湿度的稳定。相对湿度高于65%时,将导致微生物(特别是霉菌)生长,相对湿度低于30%时,将导致有机类文物变脆或者龟裂。另外,相对湿度波动太大将导致有机类文物机械受力发生变化,引起三维尺寸改变,或者变形。虽然文物保护专家仍然在争论最适宜的保护文物的相对湿度应该是多少,但是人们普遍接受的是:将文物保存和展出于相对湿度50%的环境中,其波动值设定在±5~10%之间。


  控制展柜内相对湿度的又一个原因是,虽然很多现代博物馆建筑都设计了空调系统,从技术上讲,这些博物馆可以做到在春夏秋冬四季将展厅环境温度和相对湿度(以下简称:温湿度)控制在一定范围内。但是博物馆所面对的现实是,如果全年将温度控制在20℃,±2℃,相对湿度50%,±5%范围内,其耗能费用开支是庞大的。而且,还有很多博物馆由于费用问题、建筑结构问题和建筑美学问题没有安装空调系统。再则,在很多情况下,博物馆要将几种或者多种不同质地的文物陈列于同一个展厅中展览,而各种不同质地的文物对环境温湿度的要求是不同的。所以,文物保护人员在制定展厅环境温湿度的控制范围时,就需要采取妥协的方法,按照展品数量多的种类,或者按照展厅中最重要的文物设置展厅温湿度控制的范围。


  为了解决几种或者多种不同质地的文物陈列于同一个展厅中的小环境温湿度控制冲突问题,更有效地利用能源,多个展柜厂商根据自己的技术特长,从多方面研究展柜微环境控制实用技术,至今一些技术已经成熟,并进入实用。归纳起来,展柜微环境控制实用技术分为被动式控制和主动式控制两种策略。被动式控制就是应用各种能够吸收和释放水分的多孔材料作为调湿剂或者调湿板,例如硅胶,以此缓冲控制展柜内相对湿度剧烈波动。主动式控制展柜中的一种称为智能型展柜,另一种是利用30米~160米外的远程小型湿度控制单元,通过管道以正压方式将一定温度和相对湿度的新风通往各个展柜中,以达到展柜微环境控制。


  调湿材料的应用


  很多博物馆应用的控制湿度的方法就是在密闭性好的展柜中放入调湿材料,以保证展柜微环境湿度变化程度降低。调湿材料本身具有吸收和释放水气能力,当材料所处空间环境湿度较高时,调湿材料能够吸附环境中的水蒸气,使所处空间的湿度降低;当所处空间环境的湿度较低时,材料将释放出自身吸附的水蒸气,增加所处环境空间的相对湿度,从而保持环境空间湿度的相对恒定。人们使用最广泛的调湿材料是硅胶,它具有高吸水能力,化学惰性,并具有长久循环使用性。


  博物馆使用调湿材料可追朔到1952年。1977年Thomson建立了“湿度半衰期(t1/2)(hygrometric half- time)”理论,也就是在调湿材料影响下,展柜内的相对湿度从起始达到室内相对湿度一半所用的时间。湿度半衰期计算公式如下:t1/2=4760MB/NQThomson 将 M称为湿度缓冲材料的“湿度吸附常数”,M定义为每公斤湿度缓冲材料吸收水分或者失去水分(克)引起相对湿度1%变化的值。为了能够提供有效的湿度控制,吸湿缓冲材料必须具有较高的吸湿能力。增加吸湿缓冲材料的吸湿能力就意味着可以少用吸湿缓冲材料。


  按照 Thomson 的理论,湿度半衰期依赖于两个因素:第一是展柜空气交换率N,第二是吸湿缓冲材料的重量B。B是每立方米展柜中放入干燥吸湿缓冲材料的公斤数,与硅胶的颗粒度有关。也就是说,无论是降低展柜的空气交换率,还是增加吸湿缓冲材料的重量,都会提高湿度半衰期,就能更好地控制展柜中的湿度。


  Thomson认为一个密闭性好的展柜,空气交换率会低于每天一次。一个一立方米的展柜,若空气交换率为每天一次,应用他的公式计算,要用M值为2克/公斤的硅胶20公斤,即20公斤/立方米(1.25磅/立方英尺),可达到展柜的湿度半衰期为150天。Thomson的这一建议已经变成了很多博物馆应用硅胶有效控制展柜内湿度所参照的“标准”。


  现在国际上博物馆应用比较广泛的调湿剂有:Artengel,Art-Sorb,ProSorb等。博物馆应当选择不含氯化锂成分的硅胶,例如选择组成成分为97%二氧化硅和3%氧化铝的硅胶。一般来说,对于空气交换率为1的展柜,每立方米应用20公斤的重量硅胶即可有效控制展柜内空气湿度。


  智能型展柜


  智能型展柜是在下层空间内加装加湿和除湿设备,通过展柜上层玻璃柜中安装的温湿度传感器监测展柜内微环境的温湿度,通过下方的控制系统开启或者关闭加湿或者除湿设备。展柜上层和下层通过小孔进行空气交流。


  远程小型湿度控制单元


  博物馆展柜远程湿度控制单元是由加湿机产生一定相对湿度的空气,或者由除湿机去掉空气中的部分水分后,通过管道在持续正压的条件下,自动向展柜内提供经过过滤的具有一定相对湿度空气的装置。其设计思想是建立在单向空气流动的基础上。也就是说,首先我们承认每个展柜都有缝隙,都会泄漏空气,当管道提供不间断的一定湿度的正压空气进入展柜后,会从缝隙中泄漏一部分。如果展柜的密闭性能很好,空气交换率很低,泄漏的空气很少,那么新风进入的可能性就会降低。当我们认为密闭展柜中的相对湿度不符合我们要求时,单元尽管可提供正压空气,可是由于展柜不泄漏空气,新风无法进入,达不到通过新风进入后调整展柜内空气湿度的要求。所以,这一远程控制相对湿度单元使用的前提条件是:展柜一定有缝隙,能够泄漏出一定量的空气,使得新风可带入的一定相对湿度的空气,才能够调整控制整个展柜内相对湿度,使之保持稳定。也就是说,在冬季,室内普遍干燥,装置可提供非常稳定的湿空气。在夏季潮湿季节,装置要向展柜中提供干燥空气。而且,所提供的新风经过了空气过滤系统过滤。这一套设备也可以向多个湿度要求相同的展柜输送空气,甚至可以作为小型房间的空气湿度调节系统。相对于展厅,展柜的体积较小,且较为密闭,向展柜输送新风比向展厅输送新风,其节能效果是显而易见的。很多博物馆应用这一系统的理由有以下几个:


  1.很多博物馆的空调系统都难以满足全部展厅湿度控制的要求。由于展厅容积太大,博物馆想精确控制展厅的相对湿度几乎是不可能的。但是通过这一装置,可以精确控制容积相对小的展柜的相对湿度。


  2.很多博物馆的展柜的密闭性都不好。高密闭性展柜的价格十分昂贵,此技术可以保证博物馆使用原有展柜。


  3.展柜自身材料所释放的有机挥发物对文物有损害作用,持续通入经过过滤的正压空气,也可以将这些有害气体排放出来。此控制单元是一个独立于建筑中央空调的小空调系统。选择多大功率的控制设备,要计算其控制规模。控制展柜的能力取决于几个因素:目标相对湿度值,总展柜空间,展柜泄漏率,空气分配系统,展厅内平均温度以及展厅内温度变化的速度。一般说来,在21℃ 条件下,单元可以稳定提供35%~60%范围的相对湿度的空气。室温更低时,设备所提供的一定相对湿度的空气会减少。在室温下,输出可控制在每分钟提供500~1000升精确控制在±1%之内的相对湿度的空气,最大处理能力可达到5000~14000立方米,空气可输送到150米远的展柜中。输出的空气根据湿度传感器所测定的数据,经过计算后控制其新风的相对湿度。所提供的空气的相对湿度可根据室温变化自动调整。设备会对室温变化会做出反应,自动调整湿空气输出,但是不会影响或者控制展柜温度。此远程湿度控制单元要安装在有水源、电源、下水道、通风良好的机房,或者隔板间等或者其他地方。主机尺寸为90厘米×60厘米×l65厘米。但是,主机周围需要留有操作的空间。


  随着计算机无线网络远程监测温湿度技术的发展,更是为展柜微环境控制提供了发展空间。在节能减排的大背景下,现在越来越多的博物馆采用了展柜微环境控制技术,而放弃了浪费能源的整个展厅环境温湿度控制。

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