回風口位置對文物保存環境置換通風調控性能的影響

李娟,羅昔聯,常彬,顧兆林

(西安交通大學人居環境與建筑工程學院,710049,西安)

我國已經建成150多座遺址博物館,由于缺少有效的環境調控技術,大量遺址文物面臨干裂、泛堿、褪色等病害[1-4]。環境調控是改善博物館文物保存條件的重要手段,目前國內外已經開展了很多相關研究,針對開放空間游客和文物對環境需求不一致所帶來的調控難題,Gennusa提出利用不同環境需求重疊區作為調控參數,實現游客熱舒適性與文物保存環境的同時調控[5],但該方法的應用條件十分苛刻,對系統控制要求高,推廣應用難度很大。針對大空間遺址展廳環境調控系統運行能耗高的問題,羅昔聯等采用毛細管輻射調控系統,實現了遺址文物保存局部環境獨立調控,但由于缺乏有效的通風換氣,無法實現開放保存環境文物對潔凈的需求[6]。針對遺址文物環境凈化的需求,顧兆林等提出空氣幕隔離調控系統,實現了文物區與游客區的有效隔離和環境凈化,但空氣幕系統要求文物區為規則的方形區域,由于送風口射流速度較高,容易引起振動,不利于文物的妥善保存[7]。

為了減少環境調控系統對文物的干擾,并實現遺址文物對保存環境“穩定、潔凈”的綜合要求[8],作者所在的課題組在前期研究中,提出采用置換通風系統對文物保存區局部環境進行調控,并通過實驗驗證了該系統的可行性[9]。空間熱力分層特性是置換通風系統對文物保存區局部環境穩定調控的基礎,但熱力分層同時會導致垂直方向上出現溫度梯度,影響文物區環境溫度的均勻性。由于文物區沒有人員、設備等內熱源,影響置換通風調控空間溫度梯度的主要因素為系統送風量和回風口的布置位置,研究表明當送風量達到一定值后,溫度梯度隨送風量的進一步增加改變很小[9]。不同遺址博物館遺址文物的高度存在差異,從而對溫度在高度上的分層特性及梯度大小要求也不一致。為確定回風口的高度對空間溫濕度分布及環境調控性能的影響規律,本文在上述研究[9]基礎上,通過改變回風口的布置高度,實驗研究了不同回風口布置高度下,文物區溫度的分層特性及系統運行能耗,為置換通風系統在大空間遺址博物館文物保存局部環境調控中的應用提供了設計依據。

1 文物區局部置換通風調控原理分析

置換通風系統可以提高室內工作區空氣品質,降低空調冷負荷,目前已經在很多領域得到廣泛應用[10-11]。置換通風系統應用于公共建筑時,在人員、設備等熱源的作用下,系統送風在室內形成熱力分層界面,將垂直方向分成工作區(空調區)與非工作區,如圖1a所示。置換通風系統應用于大空間遺址博物館文物區環境調控時,面臨以下變化:①文物保存區沒有人員和設備,在系統送風溫度近似等于土溫時,土壤所產生的熱量幾乎可以忽略不計,整個環境調控區域沒有明顯的內熱源;②現有的置換通風熱力學分層理論模型都是基于封閉區域內經典熱羽流理論提出的[12-13],而遺址展廳文物保存區域為開放區域,與文物區相鄰的并不是屋頂而是游客區,文物區的熱量主要由游客區與文物區之間的空氣運動所帶入,如圖1b所示。因此,對于遺址文物保存區這一特殊應用場合,置換通風系統的氣流組織和熱力分層特性主要由回風口位置及游客區滲透熱源共同作用。

(a)常規建筑

(b)遺址文物區圖1 常規建筑和遺址文物區置換通風原理圖

2 實驗系統及實驗工況

2.1 實驗系統

本文參照兵馬俑博物館大空間展廳與文物保存葬坑結構,搭建了一個遺址文物環境調控實驗室[14-15],并設計了置換通風實驗系統,實驗系統由空調處理機箱、送回風系統組成。空調機箱布置在室外,可以根據設定參數調節送風溫濕度、風量,并對空氣進行凈化,其中制冷機組為冷熱型的熱泵機組,可以根據不同季節調控需求,切換為制冷和制熱工況;送回風系統由送風靜壓箱、回風口以及循環風管組成,其中送風靜壓箱布置在坑底,長、寬及厚度分別為2.5、0.9和0.2 m,其背向坑壁的面被加工成送風孔板,孔口直徑是2 mm,送風開孔面積占送風面板總面積的25%。送風靜壓箱的作用主要是通過增加送風口前管道的面積,將送風動能轉化為壓能,提高送風的均勻性,回風口布置在葬坑側壁,可以根據需要調節回風口的高度,實驗系統和流程如圖2所示。

(a)遺址展廳調控系統

(b)實驗系統圖2 遺址展廳置換通風實驗系統

2.2 數據監測系統

實驗過程中測量的參數包括展廳空間溫濕度和送回風溫濕度,測點布置如圖3所示。圖中測點T1～T10為葬坑中心垂直方向的溫濕度測點,距坑底的高度分別為0.2、0.5、0.7、1.0、1.3、1.5、1.6、1.7、2.0和2.8 m,其中T9位于葬坑區與游客區的分界處,T10位于葬坑上方0.8 m處,代表實驗展廳游客區環境的溫濕度。T11和T12與T5處于同一水平高度,用于記錄水平面上溫濕度的分布特性,T13和T14用于記錄送風和回風溫濕度。實驗所用儀器為TR-72Ui溫濕度記錄儀,溫度和相對濕度測量精度分別為0.3 ℃和5%。

圖3 傳感器分布圖

2.3 實驗工況

在保持送風口不變的情況下,選擇3個回風口布置高度(H=1.6,0.9,0.4 m)作為測試工況,同時還測試了一個系統關閉時的自然工況作為對比,各實驗工況如表1所示,其中工況1完成時間為2016年,在垂直高度上只布置了5個溫濕度傳感器,位置分別與圖3中T1、T2、T5、T9及T10相同。工況2～4中,置換通風系統換氣次數均為10.9次/h(以文物區和過渡區為計算對象,總體積為22.4 m3),送風溫度為20～21 ℃[9]。文物區相對濕度主要考慮抑制遺址文物干裂和鹽分富集病害的發生,盡量接近飽和[3],雖然相對濕度高會促進霉菌滋生,但當相對濕度超過95%以后,霉菌生長能力急劇下降,特別是相對濕度接近100%時,霉菌幾乎停止生長[16],因此本文濕度控制目標為相對濕度盡量接近100%。

表1 實驗工況

3 結果分析

3.1 室外氣候條件

表2所示為各實驗工況室外氣候參數的統計值。在各工況運行期間,室外平均溫度都在30 ℃以上,最高溫度都超過了40 ℃,并且晝夜之間的溫差均超過了13 ℃,將對遺址文物造成極大的威脅,因此非常有必要采取相應的文物區微環境調控措施,為遺址展廳內半暴露的文物營造一個適宜、穩定的保存微環境。

表2 室外溫濕度統計值

3.2 垂直方向溫濕度分布特征

圖4所示為各工況展廳垂直方向溫度分布。在4個工況下,位于游客區測點T10的平均溫度和波動值都較大,平均溫度分別為31.40、30.45、29.30和29.40 ℃,波動值為11 ℃左右,表明游客區主要受室外溫度的影響,文物區局部環境調控對游客區影響很小。當工況1中空調系統關閉時,坑內測點溫度晝夜波動值均超過3 ℃,遠超過推薦值1.5 ℃[17],并且坑底T1測點的平均值達到了24 ℃,與西安地區夏季土環境溫度20 ℃[6]之間存在較大溫差,會加速遺址文物土環境的失水而引起文物病害。置換通風系統運行以后,工況2～4坑內各測點的溫度和波動值得到了有效調控,坑底文物區測點T1、T2的波動值較自然工況均降低了50%,并且T1點溫度降低到21 ℃,基本達到了空氣環境與土環境之間的平衡。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

(d)工況4圖4 各工況展廳垂直方向溫度分布圖

(a)白天時段

為了進一步分析回風口高度變化對垂直方向溫度分布的影響,本文分別對白天、夜晚時段各測點沿展廳高度方向的溫度分布進行統計,如圖5所示。在工況1自然通風狀態下,各測點溫度隨著高度呈線性增加,明顯高于其他3個工況。此外測點T1和T2之間的變化速率較大,白天和夜晚時段的溫差分別為2.03和1.41 ℃,當開啟置換通風調控后,測點T1和T2之間的溫差顯著降低,工況2～4白天時段的溫差分別為0.11、0.08和0.5 ℃,夜晚時段溫差分別為0.02、0.02和0.29 ℃,表明文物區置換通風調控措施能有效改善文物區環境。

(b)夜晚時段圖5 各工況展廳內溫度的垂直分布

此外對比工況2～4的3個局部置換通風調控工況,發現在垂直方向上均出現了兩個溫升階段,第1階段出現在文物附近區域,工況2～4分別在距坑底0.7、0.5、0.2 m處溫度開始升高,其中工況4中測點T1與工況2、3的相比,溫度最低,但也是最早出現溫升且溫升速率最大的,這主要是回風口高度不同導致的,表明隨著回風口高度降低,其對坑底區域的調控能力增強,但有效調控高度在減小。第2階段出現在距坑底1.5～1.7 m的高度上,其中工況1的溫升幅度最大,且穩定。這個階段白天的溫升幅度明顯比晚上大,以工況1為例,白天時段溫升幅度為4.7 ℃,而晚上則為2.7 ℃,表明這一階段的溫升主要影響因素為葬坑上部的熱空氣,白天室內溫度較高,上部滲透熱源對坑內氣流組織的影響明顯大于晚上。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

(d)工況4圖6 各工況展廳垂直方向相對濕度分布圖

圖6為各工況展廳垂直方向相對濕度分布圖,從圖中可以看出相對濕度的整體變化規律與溫度的變化規律相似。在工況1中,葬坑處于自然通風狀態,距坑底最近的測點T1的平均相對濕度為90%,波動值為9%。當開啟局部調控措施后,文物附近區域的相對濕度得到了有效控制,在工況2～4中,測點T1的相對濕度平均值均在99.9%以上,且相應的波動值也降低到1%,較自然工況的波動值平均降低了88%,無論從抑制土壤干裂病害還是霉菌病害的角度出發,這個狀態參數點均有利于文物的保存,同時也表明在系統加濕器開啟的狀態下,回風口高度改變對文物區相對濕度的影響并不明顯。

3.3 實驗展廳內水平方向上溫濕度分布特征

圖7為各工況展廳距坑底1.3 m高度上溫度分布圖。觀察發現,各工況水平方向上溫度分布相對均勻,在工況1中,各測點之間的平均溫度差僅為0.24 ℃,但溫度波動值在6.9 ℃左右,當采取置換通風調控后,各測點的溫度和波動值明顯降低,在工況2～4中各測點的波動值分別為4.1、5.2和4.9 ℃,雖然受送入新風的影響,各工況白天時段測點T11的溫度稍低,但影響不大。此外對比發現,工況2的平均溫度較工況3和4分別低1.1和0.8 ℃,主要是因為在工況2中,該平面在回風口平面下方,受置換通風調控系統的影響較大。

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

(d)工況4圖7 各工況展廳距坑底1.3 m高度上溫度分布圖

3.4 空調負荷分析

根據實驗測量的系統送風量,并利用送風口T13和回風口T14溫濕度計算出空氣比焓,即可以根據下式計算各空調負荷

Q=Lm(hr-hs)=LmΔh

式中Lm、hr、hs分別為送風質量流量、回風空氣比焓和送風口處空氣比焓。表3為工況2～4對應的能耗統計表,其中qi為單位面積冷負荷,是根據空調總負荷除以文物區面積(11.2m2)計算得到的。從表中可以看出,總能耗隨著回風口高度的降低而減少,這主要是因為隨著回風口位置的降低,空調區域的有效體積也減小。相比文獻[9]中將回風口布置在游客區與文物區界面工況下的單位面積冷負荷124.7W/m2,本文工況2～4空調負荷分別降低了47.7%、58.2%和65.9%。這主要是因為此次實驗將回風口由原來的水平設置改成了風口朝下設置,減小了上部熱空氣的影響,也表明回風口設置對實驗系統能耗至關重要。

表3 能耗匯總表

4 結 論

本文通過實驗研究了夏季工況回風口高度變化對遺址文物區局部置換通風調控性能的影響,對比分析了4種實驗工況(自然通風以及回風口高度H=1.6,0.9,0.4 m)下展廳內溫濕度分布特征和系統空調負荷變化,得到如下結論。

(1)局部置換通風調控措施有效地改善了文物區環境的穩定性,同時對游客區的影響很小。在工況2～4中距坑底最近的測點T1溫度波動值較自然通風工況均降低了50%,相對濕度平均值均在99.9%以上,波動值在1%左右,有利于文物的妥善保存。

(2)對于置換通風調控工況,展廳內的溫度在垂直方向均出現了兩個熱分層階段,工況2～4第1階段的熱分層高度分別距坑底0.7、0.5、0.2 m,即有效調控高度隨著回風口高度的降低而降低;第2階段均出現在1.5～1.7 m的高度上,且白天時段的溫升幅度明顯大于夜晚時段,主要影響因素為上部滲透熱源。文物區水平方向上溫度分布相對均勻。

(3)回風口設置對減小置換通風調控系統空調負荷至關重要?；仫L口朝下設置與水平設置相比,平均降低了57.2%的系統能耗,同時隨著回風口的高度從1.6 m降低到0.4 m,單位面積空調負荷從65.2 W/m2降低到42.5 W/m2。