莫高窟洞窟自然通風測試研究

王江麗 閆增峰 王旭東 張正模 尚瑞華 許江濤 高文強

內(nèi)容摘要：為了研究莫高窟洞窟內(nèi)微氣流的運動規(guī)律，2014年9月對第131窟、第138窟及第172窟的窟內(nèi)溫濕度及氣流速度進行了測試。測試結果顯示：洞窟內(nèi)氣流速度分布范圍為0.15-0.3m/s，與溫差呈正比，與距門的距離呈反比;夜間，洞窟內(nèi)氣流分布具有特殊性。本研究初步驗證了洞窟內(nèi)氣流符合熱壓通風原理，并提出了洞窟內(nèi)通風有可能還受莫高窟周邊自然環(huán)境影響的猜想。

關鍵詞：敦煌莫高窟;自然通風;現(xiàn)場測試

中圖分類號：P854.3 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1000-4106（2015）04-0121-06

Test Research on the Natural Ventilation of

the Mogao Grottoes

WANG Jiangli1，2 ?YAN Zengfeng1 WANG Xudong3，4 ZHANG Zhengmo3

SHANG Ruihua1 XU Jiangtao1 GAO Wenqiang3

（1. Xi？蒺an University of Architecture and Technology， Xi？蒺an， Shaanxi 710055;

2. Henan University of Science and Technology， Luoyang， Henan 471003;

3. Conservation Institute， Dunhuang Academy， Dunhuang， Gansu 736200;

4. School of Civil Engineering & Mechanics， Lanzhou University， Lanzhou， Gansu 730000）

Abstract： In order to study the laws of the micro airflow in the caves of the Mogao Grottoes， the temperature and humidity of the air and the airflow velocity in caves 131， 138， and 17 were tested in September 2014. The results show that the principal velocity range is between 0.15m/s and 0.3m/s， which are in direct proportion to the temperature difference and in inverse proportion to the depth. There is further a special airflow distribution inside the cave at night. The research preliminarily verifies that the law of micro airflow in the Mogao Grottoes conforms with the model of natural ventilation by buoyancy and helps with a conjecture that the micro airflow in caves may also be affected by the natural surroundings of the site.

Keywords： DunhuangMogao Grottoes; natural ventilation; in situ test

0 ?引 ?言

莫高窟位于鳴沙山東麓，東南鄰三危山，北邊隔14km的戈壁灘與敦煌綠洲相望。鳴沙山與三危山東西相鄰，地質(zhì)情況卻截然相反。東南側(cè)三危山地質(zhì)以石為主。鳴沙山西麓地質(zhì)以流沙為主，沙質(zhì)較細，隨風流動，山無定形，著名的月牙泉景區(qū)即位于鳴沙山西麓;鳴沙山東麓地質(zhì)以砂礫巖為主，崖體較為堅實，但又較三危山地質(zhì)松軟，便于開鑿。莫高窟位于鳴沙山東麓的西壁上，南北延伸一千多米，窟前有防沙林帶。

1 ?研究現(xiàn)狀

洞窟內(nèi)溫濕度環(huán)境及氣體流動狀況直接影響壁畫、雕塑等文物的保存，對壁畫保護至關重要?，F(xiàn)在壁畫出現(xiàn)的各種病害[1]，歸根結底都是由于洞窟內(nèi)溫濕度變化所引起的[2]。研究表明，洞窟內(nèi)空氣相對濕度的臨界值為62%，超過該值越多，超過該值的時間越久，都會增加壁面吸放濕程度，從而增加潛在危害的風險[3]。國內(nèi)外學者對洞窟內(nèi)溫濕度及其影響因素作了大量研究?，F(xiàn)在普遍認為影響洞窟內(nèi)溫濕度的兩個主要因素是：1.巖體內(nèi)

有水[4-7]，通過巖體向洞窟內(nèi)散濕;2.大氣降水通過窟門向洞窟內(nèi)傳遞濕量，尤其是敦煌出現(xiàn)的強降雨天氣[8，9]，降雨對洞窟內(nèi)溫濕度的影響更明顯。

洞窟內(nèi)外的熱濕傳遞途徑可通過熱傳導、濕擴散實現(xiàn)，也可通過窟內(nèi)外空氣交換實現(xiàn)。熱量傳導及質(zhì)量擴散普遍存在于自然界中，在宏觀世界可以忽略不計。

張國彬等人對莫高窟10個典型洞窟的窟內(nèi)外空氣交換率進行了測試，測得被測洞窟的空氣交換率，并推斷窟內(nèi)外溫差是引起窟內(nèi)外空氣交換的主要原因[10]。

除了洞窟內(nèi)外空氣交換率以外，在內(nèi)外空氣交換時洞窟內(nèi)微氣流的運動規(guī)律更能從原理上詮釋引起洞窟換氣的機理，從而對洞窟形制、門的封閉形式提出指導性的建議。目前國內(nèi)外對氣流狀態(tài)的定量研究較少，因此本文擬從微氣流運動規(guī)律的角度進行研究。

2 ?現(xiàn)場測試

2.1 測試對象

選擇莫高窟第131窟、第138窟、第172窟進行窟內(nèi)微環(huán)境的測試。3個洞窟均位于莫高窟南區(qū)第二層，從南至北依次為第131窟、第138窟、第172窟。3個洞窟形制基本相似，均由部分前室、甬道及主室構成。從洞窟尺寸上分，第131窟為小型洞窟，主室尺寸約為3m×3.2m;第172窟為中型洞窟，主室尺寸約為4.8m×5m;第138窟為中型偏大洞窟，主室尺寸約為15.6m×12.6m。洞窟坐西向東，即窟門位于洞窟東壁，佛龕位于洞窟內(nèi)西壁。

2.2 門的形式

莫高窟洞窟現(xiàn)有兩種形制的門，一種為早期的木門、窗（見圖1），門的密閉性差，窗多為鏤空格窗[11]，利于窟內(nèi)外氣體交換;一種為現(xiàn)代的鋁合金門（見圖2），密封性好，上下有常開通風換氣的百葉窗，出于防砂功能，百葉窗后側(cè)設有防沙網(wǎng)，這種門窗構造使換氣阻力較大。第131、172窟均為現(xiàn)代鋁合金門，第138窟為傳統(tǒng)木門窗。

2.3 測試儀器

測試于2014年9月13日至2014年9月24日進行，在洞窟內(nèi)安設9—11個溫度塊，6—8個風速傳感器，測試自窟門向洞窟西壁各測點的溫濕度及氣流速度;洞窟外布一個風速傳感器，測量正對窟門方向的氣流。

2014年9月13日17：51至15日9：03，對第131窟進行了空氣溫濕度、氣流速度的測試。測試結果顯示：洞窟中各個測點氣流都比較微弱，2號測點在整個測試時段內(nèi)偶爾能測到0.15m/s的氣流速度，證明窟內(nèi)外有氣體交換，但交換量不大;4號測點僅在白天能測到微弱氣流，其余測點基本測不到氣流速度。測點分布及測試結果見圖3—5。

2014年9月17日17：29 至18日17：48，對第172窟進行了空氣溫濕度、氣流速度的測試。測試結果顯示：1、2、3號測點均在日間測到氣流，夜間未測到氣流，且三個測點的變化趨勢相似;4號測點未測到氣流，6號測點持續(xù)測到氣流，但氣流較弱;8號測點僅在夜間測到明顯氣流，且氣流較強。測點分布及測試結果見圖6—8（測點記錄時間為每5秒記錄一個數(shù)據(jù)，由于測點過密，圖示不清晰;對數(shù)據(jù)進行處理：每4分鐘隨機選取一個數(shù)據(jù)，便于圖示，同時仍然反映時間間隔為5秒的氣流速度的變化趨勢）。

2014年9月23日11：33至24日14：58，對第138窟進行了空氣溫濕度、氣流速度的測試。測試結果顯示：門下百葉窗的2號測點處氣流速度最大，甬道3、4號測點處氣流速度依次減小，總體來說這三處風速的變化趨勢相似;主室中8號測點僅在凌晨測到有風，變化趨勢與2、3、4號測點相似，持續(xù)時間短;主室內(nèi)5、6、7號測點基本未測到風速。測點分布及測試結果見圖9—12。

總結測試結果如表1所示。

洞窟入口處、前室、甬道及主室的氣流有以下規(guī)律：

1）窟內(nèi)外溫度基本為大氣溫度日間高于窟內(nèi)空氣溫度，夜間低于窟內(nèi)空氣溫度。洞窟內(nèi)的氣體流動速度基本與窟內(nèi)外溫差呈正比，即溫差越大，氣流速度越大。

2）窟內(nèi)氣流速度在0.15—0.3m/s范圍間。

3）窟內(nèi)氣流速度與距窟門的距離呈反比，與空間截面積呈反比。即甬道較窟門通風百葉窗處的氣流速度小，持續(xù)時間短;甬道較前室、主室氣流速度顯著。

4）夜間氣流分布具有特殊性：第172窟在夜間沒有測到氣流;第138窟窟內(nèi)外最大溫差夜間為4℃，日間為11℃，但夜間的氣體流動更顯著。

在第172窟的測試中，窟外設置了測試垂直于窟門方向的氣流的測點（5號風速傳感器）。圖13反映了5號風速傳感器的測試結果。分析5號探頭及其與窟內(nèi)探頭的測試情況，對比圖8和圖13，發(fā)現(xiàn)窟內(nèi)無氣流的時間與5號探頭氣流較強的時間吻合。

由圖13可知，在0：00—9：00這段時間內(nèi)，窟外垂直于窟門方向有較為強烈的氣流，約為0.6m/s;其余時間窟外垂直于窟門方向的氣流較微弱，約為0.2m/s。垂直于窟門的氣流在夜間較白天顯著，且在夜間總體呈拋物線形狀。分析該氣流有可能是以下兩種：

1）窟前林帶與崖體溫差引起的林原風。

2）氣象站數(shù)據(jù)表明窟前以南風、北風為主，平行于窟門，使窟前形成負壓，抽吸窟內(nèi)空氣向窟外流動，形成自西向東的氣流。

但氣象風速具有很強的不定性，測點分布應該是隨意的，因此原因2）的可能性不大。

日間，受太陽輻射，崖體與窟前林帶的溫差形成由林帶吹向崖體的氣流;夜間長波輻射形成由崖體吹向林帶的氣流。林原風同樣與溫度相關，在日出、日落時刻崖體與林帶的溫差小時林園風弱，在凌晨與正午溫差大時林原風強，因此林園風的可能性較大。

林原風的存在有可能是引起夜間洞窟內(nèi)氣流產(chǎn)生特殊性的原因。

第138窟為早期木門（圖1），氣密性差。林原風的滲透深度更深，位于主室的8號測點在夜間也監(jiān)測到短暫的氣流，且氣流速度分布與窟外5號測點的測試結果相似（圖12）。

4 ?結論與展望

4.1 結論

本文在對熱壓通風及林原風理論分析的基礎上，分別對第131、138、172窟進行了現(xiàn)場實測，并得出以下結論：

1）洞窟內(nèi)外空氣交換是受熱壓、洞窟周邊環(huán)境的綜合作用的結果。

2）日間，門上通風口及甬道內(nèi)的氣流速度分布范圍為0.15—0.3m/s，與窟內(nèi)外溫差呈正比，基本符合熱壓通風的規(guī)律。

3）日間，窟內(nèi)氣流速度與測點深度呈反比，與空間截面積呈反比;主室內(nèi)始終未測到氣流。

4）夜間，洞窟內(nèi)氣流分布具有特殊性;在木門窗的第138窟主室測到受窟外環(huán)境影響的氣流。

4.2 展望

洞窟夜間氣流的特殊現(xiàn)象與窟外垂直于窟門的0.6m/s的氣流是否有直接關系仍待考證。學者利用恒含量示蹤氣體技術測量風壓和熱壓分別獨立的兩間房子的空氣滲透，發(fā)現(xiàn)在低風速（1.5m/s）下主壓力僅僅與熱壓相關[12];并且針對多種不同的窗子研究了熱壓和風壓對流動的影響，從現(xiàn)場測得的換氣量數(shù)據(jù)中，得到通過開著的窗子的有效風速的表達式[12]，同樣也證明0.6m/s的風速對窟內(nèi)氣流影響很小，可以忽略不計。

但是實測結果顯示，夜間在第172窟通風確實被削弱，而在第138窟通風則得到加強。需進一步研究揭示夜間洞窟內(nèi)外空氣交換的原因，完善洞窟自然通風物理模型，為減小降雨對洞窟微環(huán)境影響的保護措施打下理論基礎。

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