氣密展儲空間內溫濕度穩定性分析
——以秦始皇帝陵博物院內氣密展柜為例

郭曉光，馬生濤，周華華，張愛華

(1． 天津森林科技股份有限公司，天津 300402； 2． 秦始皇帝陵博物院，陜西西安 710600)

0 引 言

做好文物預防性保護工作，關鍵在于控制好文物的保存環境。影響文物保存的因素很多，比如溫度、濕度、氧含量、光照等；其中，溫濕度是重要影響因素之一。例如木漆器，存放環境相對濕度過低，會造成器物的干裂和變形；相對濕度過高則造成腐朽和蟲害霉變等。濕度頻繁變化，會加速石質、金屬等類型文物的老化。溫度變化則會引起文物的熱脹冷縮，溫度升高會加快老化速度，加速微生物對文物(尤其是有機質文物)的腐蝕[2]。保持文物保存環境中溫濕度的穩定性對保護文物安全非常重要，其關鍵是降低溫濕度波動，我國推薦的溫度日波動小于2 ℃，相對濕度日波動幅度應小于5%[3]。

文物展儲空間良好的氣密性能夠有效減緩外界環境溫濕度對文物展儲空間內溫濕度的影響，長期維持空間內環境濕度的穩定性，增強濕度的可控性，有利于文物的長期預防性保護與儲藏[4-5]。為此，秦始皇帝陵博物院利用氣密展柜，在非調控狀態下，對氣密空間內外的溫濕度進行了7個月的實時檢測。本工作旨在研究氣密展儲空間內溫濕度的變化情況，為文物的長期“穩定”展儲奠定理論與實踐基礎。

1 儀器與試驗

氣密展柜(CDZG-0.3LW型)，換氣率為0.02 d-1，天津森羅科技股份有限公司生產。Testo175H1溫濕度記錄儀兩個，展柜內外各放一個，精度等級為：溫度±0.4 ℃(-20～+55 ℃)，相對濕度±2%(25 ℃)，數據均為瞬時值，采樣間隔為10 min。

將展柜置于秦始皇帝陵博物院的半地下庫房，溫濕度監測從2017年3月30日開始，至2017年10月26日截止，中間未對展柜進行任何操作或移動。

2 結果與討論

2．1 從不同的季節看密封展柜內溫濕度的變化

秦始皇帝陵博物院位于西安市，該市屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明：春季溫暖干燥；夏季炎熱多雨；秋季涼爽，氣溫速降，秋淋明顯；冬季寒冷，少雨雪。試驗展柜的溫濕度監測歷經春夏秋3個季節，用時將近7個月。在不同的季節，密封展柜內外的濕度呈現出不同的變化規律，為了便于分析博物館不同展陳環境條件下密封展柜內的溫濕度變化，特選取4個有代表性的月份對展柜內外的溫濕度數據進行匯總畫圖，詳見圖1～5。

注：四月上旬溫度下降有博物館停止供暖因素圖1 四月份展柜內外溫濕度比較Fig.1 Comparison of internal and external humiture in April

四月份正值春季，溫度和濕度變化幅度均比較大，如圖1所示。西安春季空氣較為干燥，有時會出現濕度極低的情況，如第20日，柜外環境相對濕度由50%降至23%，如此劇烈的濕度變化對文物的保存是極為不利的。對比柜外濕度的劇烈波動柜內濕度穩定得多，當日柜內濕度維持在53%左右，波動幅度低于1%。四月份柜外環境濕度波動范圍是22.8%～70.2%；柜內濕度波動范圍47.6%～56.7%，日變化在5%以內。可見密封空間能夠有效降低外界環境濕度的干擾，保持柜內濕度穩定性。

氣密展柜內外濕度差距較大(例如圖1中第20天和第24天)，與柜內外濕度變化的影響因素密切相關。氣密展柜與外界庫房的氣體交換緩慢，內部的相對濕度波動主要由溫度波動引起，隨庫房內的溫度變化而出現反向波動，在庫房溫度變化不大的情況下，相對濕度變化不會很大。柜外環境濕度則不同，不僅受溫度的影響，還受自然界中水分蒸發、空氣對流的影響，空氣濕度常常出現大幅波動，因此展柜內外濕度偏差較大。通過對比，進一步證實氣密圍護結構能有效減緩外界環境溫濕度對內部濕度的影響。

圖2反映的是夏季展柜內外的溫濕度變化情況，可以看到展柜內外的溫度和濕度出現周期性的劇烈波動。這是由于展柜所在庫房配置空調，炎熱的夏季該庫房通過人工開啟和關閉空調控制溫濕度，下午閉館后空調處于關閉狀態，圖3是第24天(即2017年7月23日，星期一)的溫濕度變化，從圖中可以看出工作人員上班期間(9∶00～17∶30)展柜外庫房溫度出現兩次明顯下降，在該段時間內，庫房的濕度與溫度有相同的變化趨勢，即隨著室內空調的開啟，溫度、濕度均明顯下降，而展柜內溫度與外部環境變化趨勢一致，但是柜內濕度與柜外變化不同，與溫度呈反向變化。庫房內氣溫日變化最大5.0 ℃，相對濕度最大日變化為29.1%；展柜內部溫度日變化最大3.7 ℃，相對濕度日變化最大9.2%。可見空調晝夜間歇運行情況下，庫房內溫濕度波動頻繁，日變化值比較大，密封展柜可以起到一定緩沖作用，但是由于溫度波動較大，濕度波動也比較明顯。

圖2 七月份展柜內外溫濕度比較Fig.2 Comparison of internal and external humiture in July

圖3 2017年7月23日(周一)展柜內外溫濕度比較Fig.3 Comparison of internal and external humitureon July 23， 2017 (Monday)

文物在某一溫度下有一緩慢適應過程，溫度的頻繁波動，會使文物頻繁熱脹冷縮而引起疲勞老化，溫度的波動還會引起濕度波動，不利于文物的保存[6]。根據圖中的波動周期可以看出，在周末非溫度調控時間段內，庫房內的溫度變化較為平穩，展柜內的溫度和濕度均是比較穩定的。

從圖4可以看出，九月份雖然柜外濕度波動范圍較大，但由于溫度波動不大，柜內濕度變化很小。其中環境溫度最大日變化為1.1 ℃，柜內溫度最大日變化0.7 ℃，展柜內相對濕度最大日變化為2.4%。對比九月份和七月份展柜內外的溫濕度變化，說明控制好展儲空間環境或所在空間周圍的環境溫度，密封空間內濕度將會維持在相對穩定的水平。

圖4 九月份展柜內外溫濕度比較Fig.4 Comparison of internal and external humiture in September

從圖5觀察十月份的溫濕度曲線，從第二天開始展柜內部濕度出現較大幅度上升，此后柜內濕度一直高于外界環境，且有較大差距。溫度曲線同樣是在第二天出現大幅的下降，直到第12天溫度趨于平穩，且持續在較低水平。對比柜內外濕度和同期溫度，不難看出柜內相對濕度的上升是由溫度下降引起的。十月份柜外環境相對濕度平均值為70.9%，與九月份平均值74.9%相比，十月份柜外環境濕度平均值有所下降。由于環境溫度下降導致柜內濕度相對上升，同時氣候原因造成環境濕度下降，進而導致柜內外相對濕度相差懸殊。倘若展柜氣密性差，柜內濕度與柜外濕度將會同步變化，不會長時間出現如此大的偏差。

圖5 十月份展柜內外溫濕度比較Fig.5 Comparison of internal and external humiture in October

與四月份相比，在相同溫度下十月份展柜內的相對濕度要高一些(例如，4月9日，展柜內溫度18 ℃，柜內相對濕度約為55%；10月11日，溫度同樣18 ℃時，相對濕度超過了85%)。十月份柜內濕度較高，與經歷了高溫高濕的夏季和秋淋天氣有關，展柜外環境濕度長期高于展柜內部，長時間積累導致柜內濕度有所升高。可見，即使是高密封展柜，若要長期保持濕度在一定范圍內，也要采取必要的調控措施。

通過對以上幾個月氣密展柜內外的溫濕度對比和分析，可歸納出以下幾點：

1) 從以上各個月份的溫濕度變化情況都可以看出，氣密展柜內的溫度隨環境溫度的改變而改變，變化幅度較環境略小；展柜內濕度變化主要受展柜內的溫度影響，隨著溫度的改變呈反向變化，由于展柜內的溫度是隨環境變化的，因而氣密展柜內濕度波動是與環境溫度緊密相關的。

2) 從氣密展柜內部九月份的平均濕度明顯高于四月份的平均濕度，以及十月中下旬的濕度變化可以看出，如果外界環境濕度長期高于或低于氣密展柜內的濕度，展柜內濕度會緩慢上升或下降。

3) 結合以上兩點，控制好所處環境的溫度，有利于減小氣密展柜內的溫濕度波動；在外界環境總是高于或低于氣密展柜內的適宜濕度時，若要維持氣密展柜內的濕度在適宜范圍內，對氣密展柜的濕度調控是必要的。

2．2 氣密展柜內外溫濕度變化分析

為了更清楚地說明溫度和外部環境濕度對氣密展柜內部相對濕度的影響，將試驗開始后，前40天(即2017-3-30 10∶40至2017-5-9 10∶30)實測數據與假設展柜完全密封狀態下柜內理論相對濕度(即與環境無氣體交換的理想狀態下，根據Antoine公式計算出展柜內部理論相對濕度隨柜內溫度變化的曲線)的數據進行對比(圖6)。通過對實測值、理論值及外界環境濕度進行對比可以看出，柜外濕度(即環境濕度)波動最大，柜內實際濕度與理論濕度波動相對較小，柜內實際濕度與理論濕度變化趨勢基本一致。

圖6 試驗的前40 d相對濕度對比圖Fig.6 Comparison chart of relative humidity of the first 40 days of the experiment

對比展柜內實際和理論相對濕度兩條曲線，可以發現以下兩點現象：第一，雖然整體變化趨勢一致，但在大部分時間段兩者差距會比較大(例如第1天至第3天)；第二，在40天內因為溫度的變化，柜內理論相對濕度的波動范圍是41.0%～66.0%，柜內實際相對濕度變化范圍是40.3%～56.7%。

為了說明柜內相對濕度與理論值之間差距大小變化的原因，計算出了同時間段展柜內外的絕對濕度，繪制曲線如圖7所示，通過展柜內外絕對濕度的變化曲線可以看出，展柜內部絕對濕度隨柜外環境絕對濕度的變化有微小波動，但是柜內變化比柜外小得多。柜外環境絕對濕度的變化范圍是3.82～13.16 g/m3，柜內絕對濕度的變化范圍是8.03～9.40 g/m3。

露點與溫度的差值可以表示空氣中的水蒸氣距離飽和的程度。柜內的露點溫度在8～11 ℃之間，柜外環境的露點的變化范圍是-2～16 ℃之間。如圖7，第33天柜外環境的濕度相對于露點是16 ℃，環境的實際溫度為21.1 ℃(柜內20.7 ℃)，易出現結露現象，而柜內無此威脅。

由于展柜具有一定的氣密性，其內部濕度較外部環境穩定，主要隨柜內溫度的變化而變化，但因其與外界環境仍存在一定氣體交換，致使展柜內部濕度與理論值有所偏差。正如圖7所示，當展柜內外濕度相差不大時，內部的絕對濕度變化相對較小；環境濕度與柜內濕度相差較大時，柜內絕對濕度變化隨之增大。相對濕度比理論值波動小的原因是柜內與環境有限的氣體交換降低了溫度變化帶來的影響。展柜氣密性以及展柜內外的濕度差均會對柜內濕度的變化趨勢造成影響。

圖7 試驗的前40 d絕對濕度對比圖Fig.7 Comparison chart of absolute humidity of the first 40 days of the experiment

3 結 語

通過對秦始皇帝陵博物院內氣密展柜內外的溫濕度的數據分析表明：氣密展柜內的溫度隨展柜所處環境的溫度變化而變化；氣密展柜內的絕對濕度維持在較為穩定的狀態，相對濕度會隨展柜所處環境溫度的變化呈反向波動；氣密展柜內相對濕度比較穩定，受外界環境濕度干擾小。通過以上分析可以看出，采用氣密性良好的展柜，有助于維持氣密空間內相對濕度的穩定；另外，若氣密展柜所處環境的濕度長期偏高或偏低，可借助于必要的調控設施更好地維持其內部濕度的穩定性。