鄒中強(qiáng)（南京博物院， 江蘇南京 210016）
[摘 要] 本文針對(duì)博物館空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題提出改進(jìn)，尤其對(duì)南方地區(qū)舒適性空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中存在的梅雨期低溫高濕問題和冬季加濕問題進(jìn)行探討改進(jìn)，使其基本滿足博物館陳展所需的環(huán)境要求（22℃，55％）
[關(guān)鍵詞]博物館；空調(diào)系統(tǒng)；低溫高濕；加濕；改進(jìn)
恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)因其能提供一個(gè)全年穩(wěn)定的空氣環(huán)境而受到博物館的青睞，目前，有條件的博物館都已將其應(yīng)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(diào)系統(tǒng)因其經(jīng)濟(jì)性被廣泛應(yīng)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(shè)恒溫恒濕展柜進(jìn)行雙重保護(hù)。當(dāng)然，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)也有在展廳配備全恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的，但兩者在實(shí)際應(yīng)用中普遍存在一些問題值得探討和改進(jìn)。
1、熱濕負(fù)荷計(jì)算以南京為例，
夏季高溫高濕，梅雨季節(jié)，相對(duì)濕度更是接近飽和。博物館庫房、展廳內(nèi)要求以（20℃/22℃55％）為基準(zhǔn)，當(dāng)高溫高濕天氣持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，溫濕度往往無法滿足使用要求。冬季因?yàn)榧訜崃俊⒓訚窳亢椭评涑凉窳渴窍嗥ヅ涞?，滿足了制冷除濕要求也就同時(shí)滿足了加熱加濕的要求，故可以不必單獨(dú)考慮。因此，在計(jì)算濕負(fù)荷時(shí)還需再人為放大余量，博物館人流量具有不確定性，濕負(fù)荷主要隨著人流量增加而增加。從運(yùn)行實(shí)踐來看，一般在設(shè)計(jì)負(fù)荷的基礎(chǔ)上再放大15％~20％比較適宜，可以兼顧到經(jīng)濟(jì)性和安全性，有條件的博物館可以在此基礎(chǔ)上再適當(dāng)放大，以切實(shí)保證文物的安全。熱負(fù)荷計(jì)算方面，一般博物館的庫房都設(shè)置在地下，密閉性好，保溫性強(qiáng)，光線較暗，熱負(fù)荷低。為保證文物的安全，展廳內(nèi)一般采用自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)，低照度冷光源居多，熱負(fù)荷主要來自圍護(hù)結(jié)構(gòu)和人體，總體來說，熱負(fù)荷不高。經(jīng)過表冷器處理的飽和低溫空氣送入庫房展廳時(shí)要與室內(nèi)空氣混合升溫以降低其相對(duì)濕度，在設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮再熱量不足的問題，全面計(jì)算。
2、設(shè)備選型
在設(shè)備選型時(shí)是選擇一臺(tái)大功率獨(dú)立機(jī)組還是選擇兩臺(tái)甚至三臺(tái)中小功率并聯(lián)機(jī)組？如考慮經(jīng)濟(jì)性當(dāng)然是選擇一臺(tái)獨(dú)立機(jī)組，其初始投資和后續(xù)運(yùn)行費(fèi)用都相對(duì)要低，但再性能良好的設(shè)備都不可能不發(fā)生故障，一旦負(fù)荷高峰時(shí)機(jī)組出現(xiàn)故障，影響的范圍就很大，如果機(jī)組較長(zhǎng)時(shí)間不能恢復(fù)運(yùn)行則勢(shì)必會(huì)對(duì)文物的安全造成不利影響。此外，選擇一臺(tái)獨(dú)立機(jī)組，則機(jī)組常年高負(fù)荷運(yùn)行的概率高，會(huì)加速機(jī)組的磨損縮短使用年限，綜合經(jīng)濟(jì)性較低。我們知道文物大多數(shù)質(zhì)地比較脆弱，對(duì)溫濕度的變化敏感，其長(zhǎng)期處在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)性，當(dāng)環(huán)境突然改變且較長(zhǎng)時(shí)間不能恢復(fù)時(shí)，其中較敏感的文物可能會(huì)發(fā)生物理的、化學(xué)的變化，例如漆器開裂、銅器生銹等等。這與博物館引進(jìn)空調(diào)的初衷是相違背的，故主張選擇多臺(tái)并聯(lián)的形式，即使其中一臺(tái)機(jī)組發(fā)生故障，也可以重新調(diào)整溫濕度的配比，由剩余機(jī)組承擔(dān)起大部分的運(yùn)行任務(wù)，將對(duì)文物的不利影響降至最低。
3、空調(diào)區(qū)劃分
由于一套空調(diào)系統(tǒng)只能提供一個(gè)溫濕度標(biāo)準(zhǔn)的空氣環(huán)境，而文物質(zhì)地差別很大，必然會(huì)對(duì)溫濕度提出不同要求。這就要求我們按質(zhì)地將文物分庫分展廳，把對(duì)溫濕度要求相同或相近的文物集中在一起，共用一套空調(diào)系統(tǒng)，溫濕度整定值取中間值，盡量滿足同一系統(tǒng)中大多數(shù)文物的要求。如若將對(duì)溫濕度要求差別很大的文物（如漆器和銅器）置于同一空調(diào)系統(tǒng)，滿足一部分文物溫濕度要求的同時(shí)會(huì)對(duì)另一部分文物造成無法逆轉(zhuǎn)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(shù)文物保管陳展的要求，少量對(duì)溫濕度要求較高的文物，可單獨(dú)增加一重恒溫恒濕柜的保護(hù)，兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全性。
4、溫濕度監(jiān)控
目前大多數(shù)空調(diào)系統(tǒng)采用的是回風(fēng)控制模式，其測(cè)量值是機(jī)組回風(fēng)處的狀態(tài)與空調(diào)區(qū)的實(shí)際情況存在偏差，如果機(jī)房與空調(diào)區(qū)相距較遠(yuǎn)則偏差更大，所以機(jī)組回風(fēng)溫濕度不適宜作為控制的依據(jù)。送風(fēng)控制模式下，風(fēng)從機(jī)組送出到進(jìn)入庫房展廳的過程中也存在一個(gè)受擾的過程，當(dāng)干擾量較大時(shí)測(cè)量值也存在較大偏差，尤其在天氣處于極端狀態(tài)（干冷和高溫高濕）時(shí)偏差更大，同樣不宜作為自動(dòng)控制的依據(jù)。建議將溫濕度監(jiān)控點(diǎn)設(shè)在空調(diào)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)傳感器處于氣流組織良好的紊流區(qū)時(shí)，反饋回來的溫濕度值能真實(shí)反映文物所處環(huán)境是否處于受控狀態(tài)。傳感器需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸時(shí)，要注意信號(hào)的衰減問題。在選擇溫濕度傳感器布置點(diǎn)位時(shí)，要注意避開燈光的影響，實(shí)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(duì)運(yùn)行控制的影響，一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)至少要布置2個(gè)以上的監(jiān)控點(diǎn)位，以其平均值作為控制機(jī)組運(yùn)行的依據(jù)。
5、夏季制冷故障時(shí)的應(yīng)急處理
對(duì)于因條件限制不得不選擇獨(dú)立機(jī)組的博物館來說，有一點(diǎn)必須引起重視，那就是夏季高溫高濕時(shí)節(jié)空調(diào)機(jī)組發(fā)生制冷故障該如何應(yīng)急處理。文物庫房和展廳的溫度普遍在20℃/22℃左右，此溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于夏季室外空氣的露點(diǎn)溫度，當(dāng)機(jī)組制冷故障時(shí)如果繼續(xù)向該區(qū)域送風(fēng)則必然會(huì)造成櫥柜、地面、甚至裸露文物的表面迅速結(jié)露，事后會(huì)在文物的表面形成斑漬，尤其對(duì)古籍、字畫的危害較大，后期修復(fù)的工作量也很大，必須避免。這就要求我們?cè)谑孪茸龊脩?yīng)急預(yù)案，一旦發(fā)現(xiàn)制冷故障立即關(guān)閉送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行搶修，同時(shí)封閉故障空調(diào)區(qū)的所有門戶，讓該區(qū)域緩慢升溫避免接觸大流量的室外空氣直到機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行，有條件的可以抽調(diào)可移動(dòng)式除濕機(jī)臨時(shí)除濕或是在過道中設(shè)置干燥劑、吸濕劑等。
6、新風(fēng)比
為保證空調(diào)區(qū)有足夠的新鮮空氣及補(bǔ)償系統(tǒng)漏風(fēng)維持正壓，都會(huì)引入一定量的新風(fēng)。按規(guī)范的要求：不論每人占房間體積多少，新風(fēng)量都要按大于等于30m3/h/人采用，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)按上述方法得出的新風(fēng)量不足10％時(shí)也應(yīng)按10％計(jì)算以確保安全和衛(wèi)生。實(shí)際上在文物庫房?jī)?nèi)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(tǒng)漏風(fēng)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(fēng)比就不經(jīng)濟(jì)。博物館展廳的人流量具有不可預(yù)見性，如果維持恒定的新風(fēng)比則人流激增時(shí)該展廳的空氣質(zhì)量會(huì)大大降低，難以保證衛(wèi)生的需求。為降低空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行成本、減少文物與外界空氣接觸的機(jī)會(huì)，最好將空調(diào)的新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成變風(fēng)量系統(tǒng)，通過電動(dòng)風(fēng)閥來調(diào)節(jié)新風(fēng)量。在BA控制系統(tǒng)中增加空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)功能，將此參數(shù)指標(biāo)作為控制新風(fēng)閥開度的依據(jù)之一。在冬夏兩季采用最小新風(fēng)比（可低于10％，按實(shí)際情況確定），過渡季節(jié)可以調(diào)高新風(fēng)比，由新風(fēng)量來決定空調(diào)區(qū)的正壓。
7、冬季加濕
舒適性空調(diào)不帶加濕功能，冬季空氣干燥，經(jīng)過加熱后，濕度會(huì)進(jìn)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(duì)機(jī)組進(jìn)行改造，電負(fù)荷足夠的情況下可采用電極加濕模式，否則優(yōu)先考慮濕膜加濕，節(jié)能效果顯著。在空氣處理箱內(nèi)風(fēng)向垂直方向安裝濕膜，通水后形成膜狀流動(dòng)，與風(fēng)進(jìn)行濕交換，通過電磁閥控制加濕器啟停從而調(diào)節(jié)濕度。
以下專門就夏季南方地區(qū)博物館舒適性空調(diào)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(diào)的基礎(chǔ)上，保證展廳的溫濕度滿足文物陳展的要求：目前大多數(shù)舒適性空調(diào)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的兩管制、一次回風(fēng)的模式，文物陳展要求的溫濕度最佳值為（22℃55％）。梅雨季節(jié)外界氣溫不高，許多博物館展廳的相對(duì)濕度超標(biāo)甚至高達(dá)85%以上，要除濕則必然要降溫，結(jié)果造成低溫高濕的現(xiàn)象，同樣無法滿足文物陳展的要求。梅雨期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，對(duì)濕度比較敏感的金屬、字畫類文物會(huì)出現(xiàn)不同程度損壞，必須采取相應(yīng)措施整改，最大限度保證展品、藏品得到必要的保護(hù)。要做到梅雨期溫濕度參數(shù)均滿足博物館的使用要求，在不采用恒溫恒濕空調(diào)的前提下，系統(tǒng)一般應(yīng)優(yōu)先考慮采用四管制空氣處理機(jī)組（機(jī)組內(nèi)配備兩個(gè)換熱器，系統(tǒng)同時(shí)通冷熱水，新回風(fēng)混合后先經(jīng)過表冷器過冷，降溫除濕，后經(jīng)過再熱盤管升溫，降低相對(duì)濕度）或二次回風(fēng)空氣處理機(jī)組，或使用有調(diào)溫功能的除濕機(jī)組（溶液除濕熱泵機(jī)組、冷凍除濕熱泵機(jī)組等），通過制冷除濕與加熱模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的控制，否則難于保證展廳溫濕度同時(shí)滿足要求。一般來說，出于保護(hù)文物的需要，展廳的照度是偏低的，在展廳實(shí)際熱負(fù)荷小，空調(diào)機(jī)組安全余量大的情況下，會(huì)加重低溫高濕的現(xiàn)象。
改進(jìn)措施：1）在進(jìn)一步計(jì)算的基礎(chǔ)上，降低冷媒水溫度，使之遠(yuǎn)低于新回風(fēng)混合的露點(diǎn)溫度，利用BA控制系統(tǒng)減小電動(dòng)水閥開度，減小空調(diào)機(jī)組送風(fēng)風(fēng)速，使得風(fēng)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(xiàn)象。減小風(fēng)速可通過控制變頻電機(jī)的電源頻率實(shí)現(xiàn)，也可通過關(guān)小風(fēng)閥來降低風(fēng)速。減小風(fēng)速會(huì)增加室內(nèi)氣流、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)分布的不均勻性，應(yīng)在進(jìn)一步計(jì)算的基礎(chǔ)上確定。2）采用二次回風(fēng)，在空調(diào)機(jī)組回風(fēng)總管上接出一根支管與送風(fēng)管并聯(lián)并安裝風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，取一部分回風(fēng)與送風(fēng)相混合，利用回風(fēng)的熱量來再熱以達(dá)到升溫降低相對(duì)濕度的目的。3）已經(jīng)建好的兩管制空調(diào)系統(tǒng)可結(jié)合現(xiàn)有水電條件進(jìn)行“準(zhǔn)四管制”改造：將冷水管道接至機(jī)組表冷器，機(jī)組內(nèi)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。或者在現(xiàn)有二管制空氣處理機(jī)組送風(fēng)管道上、靜壓箱內(nèi)加裝再熱盤管（空氣加熱器）接入熱水管道。電負(fù)荷有余量的可以采用電加熱方式對(duì)經(jīng)過表冷器后的空氣進(jìn)行再熱，電加熱管采用并聯(lián)模式排列，分檔控制，以便于調(diào)節(jié)，提高溫濕度精度。
再熱需要的熱源：1）可以采用鍋爐供應(yīng)熱水（前提是現(xiàn)場(chǎng)可以加設(shè)熱水管道），根據(jù)熱水溫度、加熱量選擇合適的風(fēng)管式加熱器。2）采用空氣源熱泵熱水器作為熱源，同時(shí)可改善機(jī)房或其他區(qū)域的環(huán)境，依據(jù)熱水溫度、加熱量選擇合適的風(fēng)管式加熱器。3）利用冷水機(jī)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(duì)較差）。綜合分析，優(yōu)先采用空氣源熱泵熱水器作為再熱熱源。舒適性空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)低溫高濕還有一種可能是空調(diào)機(jī)組表冷器的銅管排數(shù)不夠，新回風(fēng)混合后經(jīng)過表冷器前期主要是降溫，降到露點(diǎn)溫度才開始除濕，表冷器銅管排數(shù)不足時(shí)，有可能造成機(jī)組尚未除濕到位而風(fēng)已經(jīng)過全部表冷器銅管，即機(jī)組降溫功能正常而除濕功能較弱。此種情況則要對(duì)其進(jìn)行改造，增加表冷器銅管排數(shù)，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(diào)，普通展廳采用舒適性空調(diào)，應(yīng)優(yōu)先考慮四管制空調(diào)形式，建成的兩管制空調(diào)可進(jìn)行“準(zhǔn)四管制”改造，基本可滿足文物陳展對(duì)溫濕度的要求，特別敏感的文物可增設(shè)恒溫恒濕展柜予以保護(hù)?！癘BJ”為目標(biāo)參數(shù)SUMAX，即該方案管材承受工作壓力作用時(shí)最大
梅賽斯等效應(yīng)力。利用有限元的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，得到自緊管材毛坯的優(yōu)
化方案。
4總結(jié)
有限元ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)管材自緊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以把目標(biāo)函數(shù)的解析公式甩開，直接由分析結(jié)果中查詢出管材承受工作壓力時(shí)應(yīng)力最低值，從而得到約束條件下最佳自緊組合方案。結(jié)論可以作為設(shè)計(jì)人員在毛坯設(shè)計(jì)中留取加工余量依據(jù)，在實(shí)際工程中，還要考慮加工切削性能設(shè)計(jì)最終毛坯圖。
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