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(wèn)題提出改進(jìn)，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(wèn)題和冬季加濕問(wèn)題進(jìn)行探討改進(jìn)，使其基本滿(mǎn)足博物館陳展所需的環(huán)境要求（22℃，55％）
[關(guān)鍵詞]博物館；空調系統；低溫高濕；加濕；改進(jìn)
恒溫恒濕空調系統因其能提供一個(gè)全年穩定的空氣環(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(jīng)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(jìn)行雙重保護。當然，經(jīng)濟發(fā)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(shí)際應用中普遍存在一些問(wèn)題值得探討和改進(jìn)。
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(shí)間較長(cháng)時(shí)，溫濕度往往無(wú)法滿(mǎn)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(mǎn)足了制冷除濕要求也就同時(shí)滿(mǎn)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(shí)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(zhù)人流量增加而增加。從運行實(shí)踐來(lái)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(jīng)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(shí)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(xiàn)較暗，熱負荷低。為保證文物的安全，展廳內一般采用自動(dòng)調光系統，低照度冷光源居多，熱負荷主要來(lái)自圍護結構和人體，總體來(lái)說(shuō)，熱負荷不高。經(jīng)過(guò)表冷器處理的飽和低溫空氣送入庫房展廳時(shí)要與室內空氣混合升溫以降低其相對濕度，在設計時(shí)必須充分考慮再熱量不足的問(wèn)題，全面計算。
2、設備選型
在設備選型時(shí)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(lián)機組？如考慮經(jīng)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(fā)生故障，一旦負荷高峰時(shí)機組出現故障，影響的范圍就很大，如果機組較長(cháng)時(shí)間不能恢復運行則勢必會(huì )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(huì )加速機組的磨損縮短使用年限，綜合經(jīng)濟性較低。我們知道文物大多數質(zhì)地比較脆弱，對溫濕度的變化敏感，其長(cháng)期處在一個(gè)相對穩定的環(huán)境下會(huì )產(chǎn)生適應性，當環(huán)境突然改變且較長(cháng)時(shí)間不能恢復時(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(kāi)裂、銅器生銹等等。這與博物館引進(jìn)空調的初衷是相違背的，故主張選擇多臺并聯(lián)的形式，即使其中一臺機組發(fā)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(wù)，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(gè)溫濕度標準的空氣環(huán)境，而文物質(zhì)地差別很大，必然會(huì )對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(mǎn)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(mǎn)足一部分文物溫濕度要求的同時(shí)會(huì )對另一部分文物造成無(wú)法逆轉的損害，必須引起足夠的重視。一般來(lái)說(shuō)，（20℃，55％）基本能滿(mǎn)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(jīng)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(fēng)控制模式，其測量值是機組回風(fēng)處的狀態(tài)與空調區的實(shí)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(fēng)溫濕度不適宜作為控制的依據。送風(fēng)控制模式下，風(fēng)從機組送出到進(jìn)入庫房展廳的過(guò)程中也存在一個(gè)受擾的過(guò)程，當干擾量較大時(shí)測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。建議將溫濕度監控點(diǎn)設在空調區現場(chǎng)，當傳感器處于氣流組織良好的紊流區時(shí)，反饋回來(lái)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)行遠距離信號傳輸時(shí)，要注意信號的衰減問(wèn)題。在選擇溫濕度傳感器布置點(diǎn)位時(shí)，要注意避開(kāi)燈光的影響，實(shí)踐證明，其周?chē)臏囟纫葞旆空箯d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(gè)空調系統至少要布置2個(gè)以上的監控點(diǎn)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(shí)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(lái)說(shuō)，有一點(diǎn)必須引起重視，那就是夏季高溫高濕時(shí)節空調機組發(fā)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(diǎn)溫度，當機組制冷故障時(shí)如果繼續向該區域送風(fēng)則必然會(huì )造成櫥柜、地面、甚至裸露文物的表面迅速結露，事后會(huì )在文物的表面形成斑漬，尤其對古籍、字畫(huà)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(fā)現制冷故障立即關(guān)閉送風(fēng)系統進(jìn)行搶修，同時(shí)封閉故障空調區的所有門(mén)戶(hù)，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(dòng)式除濕機臨時(shí)除濕或是在過(guò)道中設置干燥劑、吸濕劑等。
6、新風(fēng)比
為保證空調區有足夠的新鮮空氣及補償系統漏風(fēng)維持正壓，都會(huì )引入一定量的新風(fēng)。按規范的要求：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)際工程設計中，當按上述方法得出的新風(fēng)量不足10％時(shí)也應按10％計算以確保安全和衛生。實(shí)際上在文物庫房?jì)葟氖氯粘９ぷ鞯娜藛T通常是很少的，庫房的密閉性能都比較好，系統漏風(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。博物館展廳的人流量具有不可預見(jiàn)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(huì )，最好將空調的新風(fēng)系統設計成變風(fēng)量系統，通過(guò)電動(dòng)風(fēng)閥來(lái)調節新風(fēng)量。在BA控制系統中增加空氣質(zhì)量監測功能，將此參數指標作為控制新風(fēng)閥開(kāi)度的依據之一。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(guò)渡季節可以調高新風(fēng)比，由新風(fēng)量來(lái)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(jīng)過(guò)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(mǎn)足其它文物的陳展要求。為此可對機組進(jìn)行改造，電負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，節能效果顯著(zhù)。在空氣處理箱內風(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(guò)電磁閥控制加濕器啟停從而調節濕度。
以下專(zhuān)門(mén)就夏季南方地區博物館舒適性空調存在的低溫高濕問(wèn)題
展開(kāi)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(mǎn)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(fēng)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(wú)法滿(mǎn)足文物陳展的要求。梅雨期持續時(shí)間較長(cháng)時(shí)，對濕度比較敏感的金屬、字畫(huà)類(lèi)文物會(huì )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(mǎn)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(yōu)先考慮采用四管制空氣處理機組（機組內配備兩個(gè)換熱器，系統同時(shí)通冷熱水，新回風(fēng)混合后先經(jīng)過(guò)表冷器過(guò)冷，降溫除濕，后經(jīng)過(guò)再熱盤(pán)管升溫，降低相對濕度）或二次回風(fēng)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(guò)制冷除濕與加熱模塊實(shí)現對溫濕度的控制，否則難于保證展廳溫濕度同時(shí)滿(mǎn)足要求。一般來(lái)說(shuō)，出于保護文物的需要，展廳的照度是偏低的，在展廳實(shí)際熱負荷小，空調機組安全余量大的情況下，會(huì )加重低溫高濕的現象。
改進(jìn)措施：1）在進(jìn)一步計算的基礎上，降低冷媒水溫度，使之遠低于新回風(fēng)混合的露點(diǎn)溫度，利用BA控制系統減小電動(dòng)水閥開(kāi)度，減小空調機組送風(fēng)風(fēng)速，使得風(fēng)緩慢通過(guò)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(fēng)速可通過(guò)控制變頻電機的電源頻率實(shí)現，也可通過(guò)關(guān)小風(fēng)閥來(lái)降低風(fēng)速。減小風(fēng)速會(huì )增加室內氣流、溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)分布的不均勻性，應在進(jìn)一步計算的基礎上確定。2）采用二次回風(fēng)，在空調機組回風(fēng)總管上接出一根支管與送風(fēng)管并聯(lián)并安裝風(fēng)量調節閥，取一部分回風(fēng)與送風(fēng)相混合，利用回風(fēng)的熱量來(lái)再熱以達到升溫降低相對濕度的目的。3）已經(jīng)建好的兩管制空調系統可結合現有水電條件進(jìn)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(pán)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(fēng)管道上、靜壓箱內加裝再熱盤(pán)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(jīng)過(guò)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(chǎng)可以加設熱水管道），根據熱水溫度、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)可改善機房或其他區域的環(huán)境，依據熱水溫度、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(yōu)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(fēng)混合后經(jīng)過(guò)表冷器前期主要是降溫，降到露點(diǎn)溫度才開(kāi)始除濕，表冷器銅管排數不足時(shí)，有可能造成機組尚未除濕到位而風(fēng)已經(jīng)過(guò)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(jìn)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(yōu)先考慮四管制空調形式，建成的兩管制空調可進(jìn)行“準四管制”改造，基本可滿(mǎn)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(shí)最大
梅賽斯等效應力。利用有限元的優(yōu)化設計技術(shù)，得到自緊管材毛坯的優(yōu)
化方案。
4總結
有限元ANSYS的優(yōu)化設計，對管材自緊進(jìn)行優(yōu)化設計，可以把目標函數的解析公式甩開(kāi)，直接由分析結果中查詢(xún)出管材承受工作壓力時(shí)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(shí)際工程中，還要考慮加工切削性能設計最終毛坯圖。
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