博物馆文物环境温湿度调控手段效果初探

□金紫琳 周羿辰 孟元亮 李倩

博物馆展厅，是博物馆向公众展示其所藏的重要场所， 不同于库房相对较为稳定的环境，展厅环境因展陈氛围营造、参观人流等客观因素的影响变得比较复杂[1]。 为了最大限度延缓环境对文物本体的破坏、延长文物寿命，需要对展出文物的展柜微环境进行调控。 在全部环境因素中，温度和湿度是尤为重要的两个因素，它们之间相互影响、相互作用，并会对其他物理、化学、生物作用产生影响，有时甚至发挥决定作用[2-3]，因此，微环境的温湿度状况直接影响文物的保存。 由于没有一种理想的展柜能够完全控制展柜内微环境的温湿度处于适宜状态，博物馆会通过控制展厅大环境和展柜内微环境两种方式使展柜维持合适的温湿度。

对于多数博物馆，展厅大环境的温湿度主要依靠中央空调进行调节。中央空调一般采用“温控+监控”的方式调节，这对展厅内温湿度控制、调节有良好的效果。 中央空调为组合式空调箱集中送风，可以控制、调节空调箱送风口的温湿度。 另外，再配备加热段、电热加湿器，用于加湿或除湿。 同时，为保证空调能够及时感知及调节温湿度，一般在展厅出风口及回风口处装有温湿度传感器，实现智能化调控。 对展品环境温湿度要求严格的博物馆，还会为文物展柜配备恒湿机，用于调节展柜内文物所处微环境湿度。 恒湿机一般安装在展柜下层，能够设置目标湿度参数，在不影响文物的展览效果的同时将展柜内湿度维持在合适条件[1,4]。

为了解博物馆常用环境温湿度调控手段的实际效果， 我们对中央空调和恒湿机这两种手段的调控能力进行了实验对比研究。 由于展厅是博物馆向公众开放的场所， 因此实验受到多种影响因素的限制， 其中尤为突出的一条是不能影响文物安全和游客参观体验。 针对这一难题，此次研究，我们采取较短时间启用和不启用调控措施， 在不影响展览的情况下， 获得了不同调控手段作用下温湿度的变化情况， 并通过研究实验期间温湿度的变化规律，揭示了调控手段的实际效用，为文物环境温湿度精细化调控决策提供了科学依据。

一、实验与仪器

（一）研究对象

此次研究，以陕西历史博物馆“唐墓壁画珍品馆”展厅文物的温湿度作为研究对象，以展厅中的两台文物展柜——展柜A、 展柜B 微环境的温湿度作为监测对象。 监测的展柜A 位于展厅中部，展柜B 位于展厅出口处。 （图1）

图1 展柜A、展柜B 位置示意图

展厅中安装的中央空调，用于控制展厅温湿度从而调节展柜微环境温湿度。 中央空调采用组合式空调箱集中送风，能够直接调节温度。 此外，空调组合风柜内安装有加湿系统， 系统感应到展厅环境湿度较低时能够自动开启， 增加展厅环境湿度使之达到目标值。 中央空调出于寿命和节约能源考虑， 设置为分时段开关， 每日打开时间为02:00—06:00、08:00—12:00、14:00—18:00、20:00—24:00，其余时间中央空调关闭。 一年中，中央空调会根据室外大气环境情况设定送风口温湿度目标值，一般冬季空调送风口目标值为温度22℃、湿度55%。

文物展柜内安装的恒湿机，用于调节展柜微环境湿度。 根据文物展柜大小，安装1～8 台不等数量的恒湿机。 恒湿机设定湿度目标值为（50±5）%。 恒湿机通过工作人员定期加水或排水来维持环境湿度的稳定，展柜内湿度低时恒湿机增加湿度，湿度高时恒湿机降低湿度。

（二）监测仪器

温湿度监测仪器， 选用元智公司的室内型大气温湿度监测仪。

1.仪器测量数据范围

（1）温度。

测量范围：-20℃～+70℃；

分辨率：0.01℃；

测量精度：±0.3℃(15℃～30℃)，±0.6℃(-20℃～50℃)。

（2）湿度。

测量范围：0～100 %RH；

分辨率：0.05%RH；

测量精度：±2%RH（40%RH～80%RH），±4%RH（0～40%RH & 80%RH～98%RH）。

2.仪器测量数据时间

仪器测量数据的时间间隔为20 秒。

（三）实验方法

出于文物安全和游客参观的考虑， 结合实际因素，此实验设定同时开启中央空调和除湿机、同时关闭中央空调和恒湿机、 中央空调开启除湿机关闭三种情况，分析其中展柜温湿度的变化情况。在时间的选择上， 为了减少游客参观和西安市大气环境对实验的影响， 选取旅游淡季同时又是西安市大气环境变化不大的23 天， 即12 月6 日至12 月27 日作为研究时段。2020 年12 月6 日0 时至12 月11 日17 时第一时段内，中央空调和恒湿机开启；2020 年12 月11 日17 时至12 月15 日9时第二时段内， 中央空调和恒湿机关闭；2020 年12 月15 日9 时至12 月23 日10 时第三时段内，中央空调开启， 恒湿机关闭；2020 年12 月23 日10 时至12 月27 日24 时第四时段内， 中央空调和展柜下方恒湿机开启。

由于博物馆每周一闭馆，周二至周日开放，故需要对实验时段内开放和闭馆期间的环境影响因素进行探讨。分析发现区别是：开放期间展厅大门打开，有游客参观，但实验期间是旅游淡季，游客数量很少； 闭馆期间展厅大门关闭， 没有游客参观，但在7 日、14 日、21 日这3 天，有工作人员在展厅进行检查和设备更换工作。

二、实验结果与分析

（一）温湿度变化情况

根据展柜A、展柜B 温湿度变化曲线图（图2，图3），可以得知：

第一时段，中央空调和恒湿机均开启，展柜A、 展柜B 温湿度变化呈现周期性的波动， 温度波动与湿度波动趋势相反。

第二时段，中央空调和恒湿机均关闭，起初展柜A、展柜B 温湿度还能维持与第一时段大体相同的波动，约48 小时之后，两个展柜内温湿度大幅度下降，温湿度迅速降低，这与西安市冬季温度低、湿度低的气象环境相符。 出于保护文物和维持展厅适宜参观环境的考虑， 无法将空调、恒湿机都关闭的情况持续更长时间，但可以从曲线下降的趋势判断， 若继续关闭空调和恒湿机，温湿度会继续降低直至数值稳定。

第三时段，中央空调开启、恒湿机关闭，展柜A、展柜B 温度逐渐上升，并且恢复周期性波动，一段时间后，温湿度逐渐稳定。

第四时段，保持中央空调继续开启，打开恒湿机，展柜A、展柜B 温湿度与第三时段相比变化幅度不大。

图2、图3 中，最明显的特征是：4 个时段中，两个展柜温湿度在两种调控措施都关闭的第二时段变化最大，在惯性维持短时间相近于之前的波动后，出现温度、湿度明显大幅度下降的情况， 其余三个时段温湿度基本呈现着周期性的波动。 这表明，关闭两种调控措施后，温湿度会出现极不稳定、 受外界大气环境影响剧烈变化的情况， 调控措施的启用对于维持展柜温湿度的稳定起到显著效果。

此外，对比图2、图3 温度曲线和湿度曲线，发现温度值两者比较接近， 湿度值展柜A 明显低于展柜B。 展柜A、展柜B 的温湿度变化范围，如表1 所示。

表1 展柜A、展柜B 温湿度变化范围

（二）调控手段效果分析

为了解展柜A、展柜B 温湿度的差异情况，我们对各个时段两个展柜温湿度的平均值进行了计算（表2）。从表2 中可以发现：展柜A 和展柜B 温度差值不大、约在0.5℃；湿度差值较大，湿度差约为7%。 此情况，与两个展柜温湿度曲线图（图2，图3）反映出的湿度曲线数值相差大的情况相符。这表明， 虽然有空调和恒湿机两种调控手段用于调节展柜的温湿度， 但不同位置的展柜内微环境温湿度存在差异，甚至存在湿度相差较大的情况，空调和恒湿机开启和关闭都不影响两个展柜间的湿度差，产生湿度差异的原因与展柜的位置、展柜附近设施等有关。

图2 展柜A 温湿度变化曲线图

图3 展柜B 温湿度变化曲线图

表2 展柜A、展柜B 温湿度平均值表

在两个展柜湿度相差较大的情况下， 这里探讨两种调控手段启用能否维持展柜中的文物处于合适的温湿度条件。国家科技支撑计划课题“馆藏文物保存环境应用技术研究” 对温湿度控制目标提出了“适宜、稳定”的准则，“适宜”要根据文物长期保存环境中的温湿度指标来定， 通常指温湿度在一个没有对文物保存不利的、 并且文物已经平衡适应的指标，“稳定”是指温湿度在“适宜”条件下波动要小[5-7]。 首先，针对此次研究对象，研究在两种调控手段都启用的情况下， 其是否满足 “适宜”条件。 国家标准中，对壁画类文物的推荐温度为18℃～22℃，推荐湿度为45%～65%[8-9]。 表1 中，两个展柜的温度和湿度处于推荐温湿度范围内，表明两个展柜温湿度均符合“适宜”的温湿度调控指标。 从中可以看出，对于不同文物，甚至是同一展厅的不同文物，虽然其湿度值相差较大，但只要是其已经平衡适应的、对它保存无不利影响的湿度，均可以称为各自“适宜”的湿度。 其次，针对此次研究对象， 研究在两种调控手段都启用的情况下，其是否满足“稳定”条件，即研究温湿度波动情况。 根据ASHRAE-2007 美国采暖、制冷与空调工程师协会的文物温湿度波动范围要求， 温湿度波动有两层指标，分别为“理想范围”和“可接受范围”，“理想范围”为±2℃，±5%，“可接受范围”设定为±5℃，±10%。 分析两种调控措施都启用时，即第一时段温湿度的波动范围，结果如表3。

表3 第一时段展柜A、展柜B 温湿度波动范围

从表3 可以看出： 两个展柜温湿度均满足并且优于“理想范围”，实际的波动范围为±0.9℃，±0.9%，满足“稳定”的要求。 这表明，在中央空调和恒湿机都开启的情况下， 展厅的温湿度调控达到“稳定”的温湿度调控目标。因此，在两种调控手段都启用的情况下， 展厅中不同位置的两个展柜温湿度均处于“适宜、稳定”的温湿度条件下。

为了更直观地对比开启空调、恒湿机和关闭空调、恒湿机两种情况下温湿度的波动情况，我们绘制了第一时段和第二时段的温湿度分布散点图进行对比。（图4）在通常的温湿度评价中，人们往往会把温度和湿度分开评价，人为割裂了温湿度间的耦合性[6]，而“温湿度分布散点图”把湿度作为横坐标，温度作为纵坐标，横纵坐标对应的散点能够准确反映每个时刻测得的温湿度，通过散点的聚集程度能准确反映该时段温湿度的稳定程度。从图4 可以直观地看出：第一时段的温湿度数据更集中，温湿度波动相对小；第二时段温湿度数据更分散，温湿度波动更大。 这表明，打开空调和恒湿机对于维持展柜内温湿度稳定有明显效果。

图4 展柜A、展柜B 不同时段温湿度分布散点图

（三）两种措施调控能力对比

查看图2、图3“温湿度曲线图”，可对比中央空调和恒湿机两种调控措施各自的调控能力。 从图2、图3 中可以看出：第二时段、第三时段对比表明，仅在中央空调开启的情况下，温湿度就能回归大体正常的波动范围。 第三时段、第四时段对比表明，当温湿度在中央空调下已经开始规律波动时，再打开恒湿机，湿度变化幅度较小，从而温度变化幅度也较小，这表明单独使用中央空调就有较好的调控效果。 展柜A 第三时段后期，湿度维持在49.5%左右， 展柜B 第三时段后期，湿度维持在57.5%左右，由于恒湿机设定湿度参数为（50±5）%，因此第四时段打开恒湿机后，展柜A 湿度出现缓慢上升， 展柜B 湿度出现缓慢下降， 两个展柜的湿度都更趋近于恒湿机的设定参数，这说明恒湿机起到了一定的湿度调节作用。

在实验中，对中央空调和恒湿机均开启即日常调控状态下的实验，我们选取第一时段中的12 月7日作研究，并绘制了“展柜A 温湿度24 小时变化曲线图（12 月7 日）”（图5）。 分析展柜A 温湿度数据变化情况，可以得出展柜内温湿度围绕一个平衡指标进行频繁波动的结论。 这种波动，与中央空调开启时间（02:00—06:00、08:00—12:00、14:00—18:00、20:00—24:00）有关，表现为：中央空调开启，温度逐渐升高；中央空调关闭，温度逐渐降低，同时湿度与温度呈现相反的波动。 这表明，在两种措施都启用的情况下，展柜内温湿度受中央空调影响极大。结合前文所述，仅启用中央空调一种调节方式就能把展柜温湿度维持在一个比较正常的情况，说明虽然两种调控措施都有效果，但中央空调的调控作用对调控效果起到主导作用。 因此，在实际工作中，如受到经费等限制时，需要优先保证中央空调的正常使用。

图5 展柜A 温湿度24 小时变化曲线图（12 月7 日）

实验中，对中央空调和恒湿机均开启即日常调控状态下温湿度的变化情况，我们还绘制了“展柜B温湿度48 小时变化曲线图”（图6）。分析研究“展柜B 温湿度48 小时变化曲线图”，可以发现展柜B 日常的波动呈规律性：大体上，9 时左右，湿度逐渐升高， 至13 时左右达到最高后开始下降。 下降至17时30 分左右，温度与湿度的变化大体相反。 由此可以看出，展柜B 的波动规律与展柜A 不同，与展厅每天开关时间（9 时开放，17 时30 分关闭）关系更大。 此外，实验中我们还绘制了第三时段“展柜B 温湿度变化曲线图”（图7）。 图上，用阴影部分标出每天的9 时至17 时30 分，周一展厅不对外开放用橙色阴影表示， 周二至周日对外开放用蓝色阴影表示。 通过图7，可以发现：展厅在周二到周日的开放期间，展柜B 温湿度的变化情况大体一致，但周一展厅不对外开放期间展柜B 温湿度变化极小。 究其原因，是因为周一虽然有工作人员出入，但展厅大门多数时间处于关闭的状态。 这表明，与空调的开关情况相比，展柜B 由于位于展厅出口处，温湿度波动情况受展厅出口大门开关的影响更大。 以上现象说明，展柜内温湿度虽然受中央空调调控的作用制约，但不同的展柜由于位置等因素的影响，中央空调对其调控作用存在着显见的差别。

图6 展柜B 温湿度48 小时变化曲线图（12 月9—10 日）

图7 第三时段展柜B 温湿度变化曲线图

三、结论

通过对展厅中两个展柜文物环境温湿度变化情况分析，得出以下结论：

调控措施对于文物所处环境温湿度稳定具有很重要的作用。 关闭中央空调和恒湿机后， 温湿度会出现极不稳定、 受外界大气环境影响而变化的情况。 打开中央空调和恒湿机， 温湿度能达到“适宜”“稳定”的目标，实验期间两个展柜内的温湿度数值均在国家标准推荐的范围内，温湿度波动也很小。

在中央空调和恒湿机的作用下， 不同位置展柜的温度、湿度存在着差异。调控措施启用、 不启用都不改变这种差异。这种差异，是由于展厅面积大、 不同展柜位置不同、 展柜附近设施不同等因素导致。 展柜A 和展柜B 温度差值不大， 约在0.5℃；湿度差值较大，约为7%。

中央空调和恒湿机都有一定的温湿度调控作用，但中央空调的调控对调控效果起主导作用。在实际工作中，如受到经费等限制时， 需要注意优先保证中央空调的正常使用。

中央空调设定为分时段开关。 展柜A 位于展厅中部， 温湿度变化规律与中央空调间歇性运转相关；中央空调开启，温度升高，湿度降低；中央空调关闭，温度降低，湿度升高。 展柜B 由于离展厅出口较近， 波动规律与展厅大门的开关时间关系更密切，大门关闭，温湿度波动减小。这说明，文物所处微环境温湿度变化规律虽然与空调开关有关联，但不同的展柜由于位置等其他因素影响，中央空调对其调控作用存在着显见的差别。