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淺析博物館溫濕度控制

作者:    發布時間:2021-08-25 09:44    閱讀量:948

鄒中強(南京博物院, 江蘇南京 210016)

[摘 要] 本文針對博物館空調系統應用中存在的問題提出改進,尤其對南方地區舒適性空調系統運行中存在的梅雨期低溫高濕問題和冬季加濕問題進行探討改進,使其基本滿足博物館陳展所需的環境要求(22℃,55%)

[關鍵詞]博物館;空調系統;低溫高濕;加濕;改進


       恒溫恒濕空調系統因其能提供一個全年穩定的空氣環境而受到博物館的青睞,目前,有條件的博物館都已將其應用到了文物庫房和承接外展的展廳,以求能讓歷史遺存“延年益壽”。舒適性空調系統因其經濟性被廣泛應用在博物館普通展廳中,其中特別敏感的文物,則在展廳中增設恒溫恒濕展柜進行雙重保護。當然,經濟發達地區也有在展廳配備全恒溫恒濕空調系統的,但兩者在實際應用中普遍存在一些問題值得探討和改進。

淺析博物館溫濕度控制

       1、熱濕負荷計算以南京為例,

       夏季高溫高濕,梅雨季節,相對濕度更是接近飽和。博物館庫房、展廳內要求以(20℃/22℃55%)為基準,當高溫高濕天氣持續時間較長時,溫濕度往往無法滿足使用要求。冬季因為加熱量、加濕量和制冷除濕量是相匹配的,滿足了制冷除濕要求也就同時滿足了加熱加濕的要求,故可以不必單獨考慮。因此,在計算濕負荷時還需再人為放大余量,博物館人流量具有不確定性,濕負荷主要隨著人流量增加而增加。從運行實踐來看,一般在設計負荷的基礎上再放大15%~20%比較適宜,可以兼顧到經濟性和安全性,有條件的博物館可以在此基礎上再適當放大,以切實保證文物的安全。熱負荷計算方面,一般博物館的庫房都設置在地下,密閉性好,保溫性強,光線較暗,熱負荷低。為保證文物的安全,展廳內一般采用自動調光系統,低照度冷光源居多,熱負荷主要來自圍護結構和人體,總體來說,熱負荷不高。經過表冷器處理的飽和低溫空氣送入庫房展廳時要與室內空氣混合升溫以降低其相對濕度,在設計時必須充分考慮再熱量不足的問題,全面計算。

 

       2、設備選型

       在設備選型時是選擇一臺大功率獨立機組還是選擇兩臺甚至三臺中小功率并聯機組?如考慮經濟性當然是選擇一臺獨立機組,其初始投資和后續運行費用都相對要低,但再性能良好的設備都不可能不發生故障,一旦負荷高峰時機組出現故障,影響的范圍就很大,如果機組較長時間不能恢復運行則勢必會對文物的安全造成不利影響。此外,選擇一臺獨立機組,則機組常年高負荷運行的概率高,會加速機組的磨損縮短使用年限,綜合經濟性較低。我們知道文物大多數質地比較脆弱,對溫濕度的變化敏感,其長期處在一個相對穩定的環境下會產生適應性,當環境突然改變且較長時間不能恢復時,其中較敏感的文物可能會發生物理的、化學的變化,例如漆器開裂、銅器生銹等等。這與博物館引進空調的初衷是相違背的,故主張選擇多臺并聯的形式,即使其中一臺機組發生故障,也可以重新調整溫濕度的配比,由剩余機組承擔起大部分的運行任務,將對文物的不利影響降至最低。

 

       3、空調區劃分

       由于一套空調系統只能提供一個溫濕度標準的空氣環境,而文物質地差別很大,必然會對溫濕度提出不同要求。這就要求我們按質地將文物分庫分展廳,把對溫濕度要求相同或相近的文物集中在一起,共用一套空調系統,溫濕度整定值取中間值,盡量滿足同一系統中大多數文物的要求。如若將對溫濕度要求差別很大的文物(如漆器和銅器)置于同一空調系統,滿足一部分文物溫濕度要求的同時會對另一部分文物造成無法逆轉的損害,必須引起足夠的重視。一般來說,(20℃,55%)基本能滿足大多數文物保管陳展的要求,少量對溫濕度要求較高的文物,可單獨增加一重恒溫恒濕柜的保護,兼顧經濟性和安全性。

 

       4、溫濕度監控

       目前大多數空調系統采用的是回風控制模式,其測量值是機組回風處的狀態與空調區的實際情況存在偏差,如果機房與空調區相距較遠則偏差更大,所以機組回風溫濕度不適宜作為控制的依據。送風控制模式下,風從機組送出到進入庫房展廳的過程中也存在一個受擾的過程,當干擾量較大時測量值也存在較大偏差,尤其在天氣處于極端狀態(干冷和高溫高濕)時偏差更大,同樣不宜作為自動控制的依據。建議將溫濕度監控點設在空調區現場,當傳感器處于氣流組織良好的紊流區時,反饋回來的溫濕度值能真實反映文物所處環境是否處于受控狀態。傳感器需要進行遠距離信號傳輸時,要注意信號的衰減問題。在選擇溫濕度傳感器布置點位時,要注意避開燈光的影響,實踐證明,其周圍的溫度要比庫房展廳的平均溫度高出3℃~4℃;濕度低5%~10%。為避免傳感器故障對運行控制的影響,一個空調系統至少要布置2個以上的監控點位,以其平均值作為控制機組運行的依據。

 

       5、夏季制冷故障時的應急處理

對于因條件限制不得不選擇獨立機組的博物館來說,有一點必須引起重視,那就是夏季高溫高濕時節空調機組發生制冷故障該如何應急處理。文物庫房和展廳的溫度普遍在20℃/22℃左右,此溫度遠遠低于夏季室外空氣的露點溫度,當機組制冷故障時如果繼續向該區域送風則必然會造成櫥柜、地面、甚至裸露文物的表面迅速結露,事后會在文物的表面形成斑漬,尤其對古籍、字畫的危害較大,后期修復的工作量也很大,必須避免。這就要求我們在事先做好應急預案,一旦發現制冷故障立即關閉送風系統進行搶修,同時封閉故障空調區的所有門戶,讓該區域緩慢升溫避免接觸大流量的室外空氣直到機組恢復運行,有條件的可以抽調可移動式除濕機臨時除濕或是在過道中設置干燥劑、吸濕劑等。

 

       6、新風比

       為保證空調區有足夠的新鮮空氣及補償系統漏風維持正壓,都會引入一定量的新風。按規范的要求:不論每人占房間體積多少,新風量都要按大于等于30m3/h/人采用,在實際工程設計中,當按上述方法得出的新風量不足10%時也應按10%計算以確保安全和衛生。實際上在文物庫房內從事日常工作的人員通常是很少的,庫房的密閉性能都比較好,系統漏風量不大,為防止外界空氣滲入,通常保持5~10帕的正壓就足夠了,如此,10%的新風比就不經濟。博物館展廳的人流量具有不可預見性,如果維持恒定的新風比則人流激增時該展廳的空氣質量會大大降低,難以保證衛生的需求。為降低空調系統運行成本、減少文物與外界空氣接觸的機會,最好將空調的新風系統設計成變風量系統,通過電動風閥來調節新風量。在BA控制系統中增加空氣質量監測功能,將此參數指標作為控制新風閥開度的依據之一。在冬夏兩季采用最小新風比(可低于10%,按實際情況確定),過渡季節可以調高新風比,由新風量來決定空調區的正壓。

 

       7、冬季加濕

       舒適性空調不帶加濕功能,冬季空氣干燥,經過加熱后,濕度會進一步降低。以南京為例,在加熱不加濕的情況下,空氣濕度基本都在40%以下,除金屬器物外,均不滿足其它文物的陳展要求。為此可對機組進行改造,電負荷足夠的情況下可采用電極加濕模式,否則優先考慮濕膜加濕,節能效果顯著。在空氣處理箱內風向垂直方向安裝濕膜,通水后形成膜狀流動,與風進行濕交換,通過電磁閥控制加濕器啟停從而調節濕度。

 

       以下專門就夏季南方地區博物館舒適性空調存在的低溫高濕問題

       展開討論,如何做到在不使用恒溫恒濕空調的基礎上,保證展廳的溫濕度滿足文物陳展的要求:目前大多數舒適性空調系統采用傳統的兩管制、一次回風的模式,文物陳展要求的溫濕度最佳值為(22℃55%)。梅雨季節外界氣溫不高,許多博物館展廳的相對濕度超標甚至高達85%以上,要除濕則必然要降溫,結果造成低溫高濕的現象,同樣無法滿足文物陳展的要求。梅雨期持續時間較長時,對濕度比較敏感的金屬、字畫類文物會出現不同程度損壞,必須采取相應措施整改,最大限度保證展品、藏品得到必要的保護。要做到梅雨期溫濕度參數均滿足博物館的使用要求,在不采用恒溫恒濕空調的前提下,系統一般應優先考慮采用四管制空氣處理機組(機組內配備兩個換熱器,系統同時通冷熱水,新回風混合后先經過表冷器過冷,降溫除濕,后經過再熱盤管升溫,降低相對濕度)或二次回風空氣處理機組,或使用有調溫功能的除濕機組(溶液除濕熱泵機組、冷凍除濕熱泵機組等),通過制冷除濕與加熱模塊實現對溫濕度的控制,否則難于保證展廳溫濕度同時滿足要求。一般來說,出于保護文物的需要,展廳的照度是偏低的,在展廳實際熱負荷小,空調機組安全余量大的情況下,會加重低溫高濕的現象。

 

       改進措施:1)在進一步計算的基礎上,降低冷媒水溫度,使之遠低于新回風混合的露點溫度,利用BA控制系統減小電動水閥開度,減小空調機組送風風速,使得風緩慢通過低溫表冷器充分除濕,可以一定程度上減輕溫度低、濕度高的現象。減小風速可通過控制變頻電機的電源頻率實現,也可通過關小風閥來降低風速。減小風速會增加室內氣流、溫度場、濕度場分布的不均勻性,應在進一步計算的基礎上確定。2)采用二次回風,在空調機組回風總管上接出一根支管與送風管并聯并安裝風量調節閥,取一部分回風與送風相混合,利用回風的熱量來再熱以達到升溫降低相對濕度的目的。3)已經建好的兩管制空調系統可結合現有水電條件進行“準四管制”改造:將冷水管道接至機組表冷器,機組內部空間足夠的情況下增加再熱盤管(空氣加熱器)接入熱水管道?;蛘咴诂F有二管制空氣處理機組送風管道上、靜壓箱內加裝再熱盤管(空氣加熱器)接入熱水管道。電負荷有余量的可以采用電加熱方式對經過表冷器后的空氣進行再熱,電加熱管采用并聯模式排列,分檔控制,以便于調節,提高溫濕度精度。

 

       再熱需要的熱源:1)可以采用鍋爐供應熱水(前提是現場可以加設熱水管道),根據熱水溫度、加熱量選擇合適的風管式加熱器。2)采用空氣源熱泵熱水器作為熱源,同時可改善機房或其他區域的環境,依據熱水溫度、加熱量選擇合適的風管式加熱器。3)利用冷水機組冷凝水作為熱源加熱(水文較低,換熱器加大)。4)采取安全措施后,也可采取電加熱方式(電加熱能耗大,安全性相對較差)。綜合分析,優先采用空氣源熱泵熱水器作為再熱熱源。舒適性空調系統出現低溫高濕還有一種可能是空調機組表冷器的銅管排數不夠,新回風混合后經過表冷器前期主要是降溫,降到露點溫度才開始除濕,表冷器銅管排數不足時,有可能造成機組尚未除濕到位而風已經過全部表冷器銅管,即機組降溫功能正常而除濕功能較弱。此種情況則要對其進行改造,增加表冷器銅管排數,由通常的4排管增加至6排管、8排管。

 

       綜上所述,博物館庫房和重要展廳可采用恒溫恒濕空調,普通展廳采用舒適性空調,應優先考慮四管制空調形式,建成的兩管制空調可進行“準四管制”改造,基本可滿足文物陳展對溫濕度的要求,特別敏感的文物可增設恒溫恒濕展柜予以保護?!癘BJ”為目標參數SUMAX,即該方案管材承受工作壓力作用時最大

梅賽斯等效應力。利用有限元的優化設計技術,得到自緊管材毛坯的優

化方案。

 

       4總結

       有限元ANSYS的優化設計,對管材自緊進行優化設計,可以把目標函數的解析公式甩開,直接由分析結果中查詢出管材承受工作壓力時應力最低值,從而得到約束條件下最佳自緊組合方案。結論可以作為設計人員在毛坯設計中留取加工余量依據,在實際工程中,還要考慮加工切削性能設計最終毛坯圖。

[參考文獻]

[1]王秉愚.有限元法原理與應用.北京工業學院.

[2]譚建國.使用ANSYS6.O進行有限元分析.北京大學出版社.

[3]王國強.實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐.西北工業大學出版社

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