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浅析博物馆温湿度控制

作者:    发布时间:2021-08-25 09:44    阅读量:1363

邹中强(南京博物院, 江苏南京 210016)

[摘 要] 本文针对博物馆空调系统应用中存在的问题提出改进,尤其对南方地区舒适性空调系统运行中存在的梅雨期低温高湿问题和冬季加湿问题进行探讨改进,使其基本满足博物馆陈展所需的环境要求(22℃,55%)

[关键词]博物馆;空调系统;低温高湿;加湿;改进


       恒温恒湿空调系统因其能提供一个全年稳定的空气环境而受到博物馆的青睐,目前,有条件的博物馆都已将其应用到了文物库房和承接外展的展厅,以求能让历史遗存“延年益寿”。舒适性空调系统因其经济性被广泛应用在博物馆普通展厅中,其中特别敏感的文物,则在展厅中增设恒温恒湿展柜进行双重保护。当然,经济发达地区也有在展厅配备全恒温恒湿空调系统的,但两者在实际应用中普遍存在一些问题值得探讨和改进。

浅析博物馆温湿度控制

       1、热湿负荷计算以南京为例,

       夏季高温高湿,梅雨季节,相对湿度更是接近饱和。博物馆库房、展厅内要求以(20℃/22℃55%)为基准,当高温高湿天气持续时间较长时,温湿度往往无法满足使用要求。冬季因为加热量、加湿量和制冷除湿量是相匹配的,满足了制冷除湿要求也就同时满足了加热加湿的要求,故可以不必单独考虑。因此,在计算湿负荷时还需再人为放大余量,博物馆人流量具有不确定性,湿负荷主要随着人流量增加而增加。从运行实践来看,一般在设计负荷的基础上再放大15%~20%比较适宜,可以兼顾到经济性和安全性,有条件的博物馆可以在此基础上再适当放大,以切实保证文物的安全。热负荷计算方面,一般博物馆的库房都设置在地下,密闭性好,保温性强,光线较暗,热负荷低。为保证文物的安全,展厅内一般采用自动调光系统,低照度冷光源居多,热负荷主要来自围护结构和人体,总体来说,热负荷不高。经过表冷器处理的饱和低温空气送入库房展厅时要与室内空气混合升温以降低其相对湿度,在设计时必须充分考虑再热量不足的问题,全面计算。

 

       2、设备选型

       在设备选型时是选择一台大功率独立机组还是选择两台甚至三台中小功率并联机组?如考虑经济性当然是选择一台独立机组,其初始投资和后续运行费用都相对要低,但再性能良好的设备都不可能不发生故障,一旦负荷高峰时机组出现故障,影响的范围就很大,如果机组较长时间不能恢复运行则势必会对文物的安全造成不利影响。此外,选择一台独立机组,则机组常年高负荷运行的概率高,会加速机组的磨损缩短使用年限,综合经济性较低。我们知道文物大多数质地比较脆弱,对温湿度的变化敏感,其长期处在一个相对稳定的环境下会产生适应性,当环境突然改变且较长时间不能恢复时,其中较敏感的文物可能会发生物理的、化学的变化,例如漆器开裂、铜器生锈等等。这与博物馆引进空调的初衷是相违背的,故主张选择多台并联的形式,即使其中一台机组发生故障,也可以重新调整温湿度的配比,由剩余机组承担起大部分的运行任务,将对文物的不利影响降至最低。

 

       3、空调区划分

       由于一套空调系统只能提供一个温湿度标准的空气环境,而文物质地差别很大,必然会对温湿度提出不同要求。这就要求我们按质地将文物分库分展厅,把对温湿度要求相同或相近的文物集中在一起,共用一套空调系统,温湿度整定值取中间值,尽量满足同一系统中大多数文物的要求。如若将对温湿度要求差别很大的文物(如漆器和铜器)置于同一空调系统,满足一部分文物温湿度要求的同时会对另一部分文物造成无法逆转的损害,必须引起足够的重视。一般来说,(20℃,55%)基本能满足大多数文物保管陈展的要求,少量对温湿度要求较高的文物,可单独增加一重恒温恒湿柜的保护,兼顾经济性和安全性。

 

       4、温湿度监控

       目前大多数空调系统采用的是回风控制模式,其测量值是机组回风处的状态与空调区的实际情况存在偏差,如果机房与空调区相距较远则偏差更大,所以机组回风温湿度不适宜作为控制的依据。送风控制模式下,风从机组送出到进入库房展厅的过程中也存在一个受扰的过程,当干扰量较大时测量值也存在较大偏差,尤其在天气处于极端状态(干冷和高温高湿)时偏差更大,同样不宜作为自动控制的依据。建议将温湿度监控点设在空调区现场,当传感器处于气流组织良好的紊流区时,反馈回来的温湿度值能真实反映文物所处环境是否处于受控状态。传感器需要进行远距离信号传输时,要注意信号的衰减问题。在选择温湿度传感器布置点位时,要注意避开灯光的影响,实践证明,其周围的温度要比库房展厅的平均温度高出3℃~4℃;湿度低5%~10%。为避免传感器故障对运行控制的影响,一个空调系统至少要布置2个以上的监控点位,以其平均值作为控制机组运行的依据。

 

       5、夏季制冷故障时的应急处理

对于因条件限制不得不选择独立机组的博物馆来说,有一点必须引起重视,那就是夏季高温高湿时节空调机组发生制冷故障该如何应急处理。文物库房和展厅的温度普遍在20℃/22℃左右,此温度远远低于夏季室外空气的露点温度,当机组制冷故障时如果继续向该区域送风则必然会造成橱柜、地面、甚至裸露文物的表面迅速结露,事后会在文物的表面形成斑渍,尤其对古籍、字画的危害较大,后期修复的工作量也很大,必须避免。这就要求我们在事先做好应急预案,一旦发现制冷故障立即关闭送风系统进行抢修,同时封闭故障空调区的所有门户,让该区域缓慢升温避免接触大流量的室外空气直到机组恢复运行,有条件的可以抽调可移动式除湿机临时除湿或是在过道中设置干燥剂、吸湿剂等。

 

       6、新风比

       为保证空调区有足够的新鲜空气及补偿系统漏风维持正压,都会引入一定量的新风。按规范的要求:不论每人占房间体积多少,新风量都要按大于等于30m3/h/人采用,在实际工程设计中,当按上述方法得出的新风量不足10%时也应按10%计算以确保安全和卫生。实际上在文物库房内从事日常工作的人员通常是很少的,库房的密闭性能都比较好,系统漏风量不大,为防止外界空气渗入,通常保持5~10帕的正压就足够了,如此,10%的新风比就不经济。博物馆展厅的人流量具有不可预见性,如果维持恒定的新风比则人流激增时该展厅的空气质量会大大降低,难以保证卫生的需求。为降低空调系统运行成本、减少文物与外界空气接触的机会,最好将空调的新风系统设计成变风量系统,通过电动风阀来调节新风量。在BA控制系统中增加空气质量监测功能,将此参数指标作为控制新风阀开度的依据之一。在冬夏两季采用最小新风比(可低于10%,按实际情况确定),过渡季节可以调高新风比,由新风量来决定空调区的正压。

 

       7、冬季加湿

       舒适性空调不带加湿功能,冬季空气干燥,经过加热后,湿度会进一步降低。以南京为例,在加热不加湿的情况下,空气湿度基本都在40%以下,除金属器物外,均不满足其它文物的陈展要求。为此可对机组进行改造,电负荷足够的情况下可采用电极加湿模式,否则优先考虑湿膜加湿,节能效果显著。在空气处理箱内风向垂直方向安装湿膜,通水后形成膜状流动,与风进行湿交换,通过电磁阀控制加湿器启停从而调节湿度。

 

       以下专门就夏季南方地区博物馆舒适性空调存在的低温高湿问题

       展开讨论,如何做到在不使用恒温恒湿空调的基础上,保证展厅的温湿度满足文物陈展的要求:目前大多数舒适性空调系统采用传统的两管制、一次回风的模式,文物陈展要求的温湿度最佳值为(22℃55%)。梅雨季节外界气温不高,许多博物馆展厅的相对湿度超标甚至高达85%以上,要除湿则必然要降温,结果造成低温高湿的现象,同样无法满足文物陈展的要求。梅雨期持续时间较长时,对湿度比较敏感的金属、字画类文物会出现不同程度损坏,必须采取相应措施整改,最大限度保证展品、藏品得到必要的保护。要做到梅雨期温湿度参数均满足博物馆的使用要求,在不采用恒温恒湿空调的前提下,系统一般应优先考虑采用四管制空气处理机组(机组内配备两个换热器,系统同时通冷热水,新回风混合后先经过表冷器过冷,降温除湿,后经过再热盘管升温,降低相对湿度)或二次回风空气处理机组,或使用有调温功能的除湿机组(溶液除湿热泵机组、冷冻除湿热泵机组等),通过制冷除湿与加热模块实现对温湿度的控制,否则难于保证展厅温湿度同时满足要求。一般来说,出于保护文物的需要,展厅的照度是偏低的,在展厅实际热负荷小,空调机组安全余量大的情况下,会加重低温高湿的现象。

 

       改进措施:1)在进一步计算的基础上,降低冷媒水温度,使之远低于新回风混合的露点温度,利用BA控制系统减小电动水阀开度,减小空调机组送风风速,使得风缓慢通过低温表冷器充分除湿,可以一定程度上减轻温度低、湿度高的现象。减小风速可通过控制变频电机的电源频率实现,也可通过关小风阀来降低风速。减小风速会增加室内气流、温度场、湿度场分布的不均匀性,应在进一步计算的基础上确定。2)采用二次回风,在空调机组回风总管上接出一根支管与送风管并联并安装风量调节阀,取一部分回风与送风相混合,利用回风的热量来再热以达到升温降低相对湿度的目的。3)已经建好的两管制空调系统可结合现有水电条件进行“准四管制”改造:将冷水管道接至机组表冷器,机组内部空间足够的情况下增加再热盘管(空气加热器)接入热水管道。或者在现有二管制空气处理机组送风管道上、静压箱内加装再热盘管(空气加热器)接入热水管道。电负荷有余量的可以采用电加热方式对经过表冷器后的空气进行再热,电加热管采用并联模式排列,分档控制,以便于调节,提高温湿度精度。

 

       再热需要的热源:1)可以采用锅炉供应热水(前提是现场可以加设热水管道),根据热水温度、加热量选择合适的风管式加热器。2)采用空气源热泵热水器作为热源,同时可改善机房或其他区域的环境,依据热水温度、加热量选择合适的风管式加热器。3)利用冷水机组冷凝水作为热源加热(水文较低,换热器加大)。4)采取安全措施后,也可采取电加热方式(电加热能耗大,安全性相对较差)。综合分析,优先采用空气源热泵热水器作为再热热源。舒适性空调系统出现低温高湿还有一种可能是空调机组表冷器的铜管排数不够,新回风混合后经过表冷器前期主要是降温,降到露点温度才开始除湿,表冷器铜管排数不足时,有可能造成机组尚未除湿到位而风已经过全部表冷器铜管,即机组降温功能正常而除湿功能较弱。此种情况则要对其进行改造,增加表冷器铜管排数,由通常的4排管增加至6排管、8排管。

 

       综上所述,博物馆库房和重要展厅可采用恒温恒湿空调,普通展厅采用舒适性空调,应优先考虑四管制空调形式,建成的两管制空调可进行“准四管制”改造,基本可满足文物陈展对温湿度的要求,特别敏感的文物可增设恒温恒湿展柜予以保护。“OBJ”为目标参数SUMAX,即该方案管材承受工作压力作用时最大

梅赛斯等效应力。利用有限元的优化设计技术,得到自紧管材毛坯的优

化方案。

 

       4总结

       有限元ANSYS的优化设计,对管材自紧进行优化设计,可以把目标函数的解析公式甩开,直接由分析结果中查询出管材承受工作压力时应力最低值,从而得到约束条件下最佳自紧组合方案。结论可以作为设计人员在毛坯设计中留取加工余量依据,在实际工程中,还要考虑加工切削性能设计最终毛坯图。

[参考文献]

[1]王秉愚.有限元法原理与应用.北京工业学院.

[2]谭建国.使用ANSYS6.O进行有限元分析.北京大学出版社.

[3]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践.西北工业大学出版社

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