張哲,宋朋龍,賀沅平,羅昔聯(lián)

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,710127,西安;2.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院,710049,西安)

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多介質(zhì)耦合環(huán)境下的遺址文物原位保護(hù)

張哲1,宋朋龍2,賀沅平2,羅昔聯(lián)2

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,710127,西安;2.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院,710049,西安)

根據(jù)遺址博物館對(duì)文物保存環(huán)境調(diào)控的特殊需求,提出了一種控制土壤文物空氣多介質(zhì)耦合環(huán)境內(nèi)變量的梯度、實(shí)現(xiàn)出土文物原位環(huán)境重建的保護(hù)策略;進(jìn)一步搭建了遺址博物館實(shí)驗(yàn)葬坑,采用毛細(xì)管輻射系統(tǒng)對(duì)文物保存區(qū)原位環(huán)境進(jìn)行了調(diào)控實(shí)驗(yàn)。研究表明:毛細(xì)管輻射調(diào)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)文物保存環(huán)境的穩(wěn)定,相比輻射調(diào)控系統(tǒng)關(guān)閉工況,環(huán)境溫度晝夜波動(dòng)值從3.6 ℃減小到1.6 ℃,文物土壤空氣間的溫差從2.1 ℃減小到0.3 ℃,文物本體不同部位的溫差從3.8 ℃減小至0.8 ℃,同時(shí)文物保存區(qū)的風(fēng)速控制在0.06 m/s以下,遠(yuǎn)低于文物保存標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值0.15 m/s;毛細(xì)管輻射調(diào)控系統(tǒng)可以有效地抑制文物保存環(huán)境之間的物質(zhì)與能量遷移,實(shí)現(xiàn)遺址文物原位保存環(huán)境的平衡保護(hù)。

遺址博物館;文物保護(hù);原位環(huán)境;環(huán)境調(diào)控

陜西作為中華民族的發(fā)祥地之一,是文物大省,現(xiàn)已查明的古遺址超過(guò)10 000處,古墓葬4 000多處,歷代帝王陵72座[1]。這些遺址文物作為一種重要的歷史文化遺跡,具有很高的科學(xué)價(jià)值與文化價(jià)值。但是,在風(fēng)吹、雨淋及太陽(yáng)輻射等自然環(huán)境的作用下,很多遺址文物面臨著日益嚴(yán)重的損壞,此外,環(huán)境污染與氣候變化帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題對(duì)遺址文物的影響和損害也日趨明顯地暴露出來(lái)[2-3]。同時(shí),隨著旅游事業(yè)的發(fā)展,遺址作為一種公共文化資源,如何通過(guò)科學(xué)規(guī)劃、在保護(hù)的同時(shí)更好地加以合理利用,如向社會(huì)開(kāi)放、展示,已成為文物部門考慮的重點(diǎn)。

為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)遺址文物的保護(hù)與傳承,近年來(lái)在遺址資源比較集中的陜西、四川、江蘇、河南和新疆等省區(qū),文物界與建筑規(guī)劃界聯(lián)手,已就遺址的保護(hù)、展示與利用的模式進(jìn)行了許多規(guī)劃保護(hù)及預(yù)防性保護(hù)技術(shù)方面的探索和實(shí)踐,形成了包括在發(fā)掘后進(jìn)行標(biāo)識(shí)保護(hù)、建立遺址博物館保護(hù)等多種保護(hù)模式和方法。在技術(shù)上,這些方法能解決遺址文物面臨的風(fēng)吹、雨淋、日曬等自然危害,改善保護(hù)條件,但不能解決遺址文物面臨的環(huán)境污損。國(guó)家文物局于2002年至2005年組織開(kāi)展的全國(guó)館藏文物腐蝕損失調(diào)查顯示:全國(guó)共有50.66%的館藏文物存在不同程度的腐蝕損害。即使是規(guī)劃和保護(hù)工作做得比較好的陜西著名文物遺址,也面臨著比較嚴(yán)重的問(wèn)題:陜西半坡土遺址本體表層風(fēng)化深度已超過(guò)了40 cm[3];秦始皇兵馬俑遺址出現(xiàn)了遺址土隔梁開(kāi)裂、局部表面風(fēng)化病害;漢陽(yáng)陵叢葬坑全封閉式地下保護(hù)遺址開(kāi)放8年以來(lái),已在局部出現(xiàn)了明顯可察的土遺址干化、開(kāi)裂、局部泛堿等問(wèn)題[4-5]。

本文從傳質(zhì)傳熱學(xué)角度對(duì)文物土遺址博物館文物保存中出現(xiàn)的干裂等環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行了分析,認(rèn)為控制并減少保存環(huán)境內(nèi)各參數(shù)的梯度,是減緩文物遭受污損的重要方法;同時(shí),搭建了一個(gè)土遺址局部環(huán)境調(diào)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)文物保存的土壤-文物-空氣耦合環(huán)境進(jìn)行綜合調(diào)控,實(shí)現(xiàn)了文物保存多介質(zhì)環(huán)境內(nèi)溫濕度參數(shù)分布的均勻一致。

(a)土遺址文物展示現(xiàn)場(chǎng)

(b)水分和熱量遷移圖1 遺址文物現(xiàn)場(chǎng)及土壤-空氣耦合環(huán)境中的水分和能量遷移示意圖

1 問(wèn)題描述

圖1a所示為漢陽(yáng)陵博物館遺址文物出土保存現(xiàn)場(chǎng),從中可以看出,遺址文物部分暴露在空氣中,部分埋藏在土壤中,形成了一個(gè)土壤-文物-空氣多介質(zhì)耦合的復(fù)雜保存環(huán)境,其中空氣通常被稱為上環(huán)境,而土壤稱為下環(huán)境。溫度和相對(duì)濕度等參數(shù)在土壤-空氣耦合環(huán)境的分布存在梯度差時(shí),能量和水分就會(huì)從溫度(濃度)高的位置向溫度(濃度)較低的位置遷移。由于大氣土壤在一年四季中存在周期性的變化,再加上游客、空調(diào)等的影響,導(dǎo)致這一耦合環(huán)境內(nèi)的溫度參數(shù)出現(xiàn)頻繁波動(dòng),從而造成文物表面發(fā)生熱應(yīng)力破壞。此外,當(dāng)土壤中的水分向空氣中遷移時(shí),一起遷移的鹽分會(huì)沉積在土壤或文物表面,這些鹽分中的鈉離子和鈣離子會(huì)與空氣污染物中的硫酸根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Na2SO4和CaSO4,這2種產(chǎn)物都會(huì)導(dǎo)致土遺址和文物本體發(fā)生劇烈體積膨脹,從而對(duì)文物造成毀滅性的損壞[6-7]。對(duì)遺址文物的大氣-土壤耦合環(huán)境中物質(zhì)和能量的遷移過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化,如圖1b所示,其中Gm、Gh分別代表水分和熱量的遷移通量,根據(jù)對(duì)流傳質(zhì)傳熱的基本定理,該通量可以通過(guò)下式[8-9]進(jìn)行計(jì)算

Gm=hmΔρv=hm(ρv2-ρv1)

(1)

Gh=hoΔT+hmΔρvλwater=

ho(T2-T1)+hm(ρv2-ρv1)λwater

(2)

式中:hm為界面的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù),kg/(m2·s);ho為界面的對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2·K);T1、T2分別為靠近土壤的空氣環(huán)境溫度和土壤-空氣界面的溫度, ℃;ρv為水蒸氣的密度,kg/m3;λwater為水的汽化潛熱,kJ/kg。根據(jù)固體導(dǎo)熱方程可知,圖1b中點(diǎn)2和點(diǎn)3之間的傳熱量可以按下式進(jìn)行計(jì)算

(3)

式中:ksoil為土壤導(dǎo)熱系數(shù),kg/(m·K);T3為土壤溫度, ℃。

根據(jù)式(1)～式(3)可知,影響土遺址文物水分和能量遷移的關(guān)鍵要素是各環(huán)境介質(zhì)之間的溫差和相對(duì)濕度差。對(duì)流傳質(zhì)和傳熱系數(shù)hm、ho主要與環(huán)境的風(fēng)速相關(guān),風(fēng)速越大,則系數(shù)的值也越大。從抑制物質(zhì)和能量遷移、緩解文物所遭受的熱應(yīng)力破壞和干裂危害的角度出發(fā),要保護(hù)處于土壤-文物-空氣耦合環(huán)境內(nèi)的文物,需要盡量減小這一環(huán)境內(nèi)的溫差和相對(duì)濕度差,同時(shí)還要將環(huán)境風(fēng)速盡量維持在較低的水平。本文根據(jù)這一原理,提出采用毛細(xì)管輻射調(diào)控系統(tǒng)來(lái)對(duì)文物保存區(qū)域進(jìn)行局部調(diào)控,以實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境介質(zhì)之間的平衡,緩解由不平衡遷移所導(dǎo)致的文物破壞。

2 遺址博物館文物保存局部環(huán)境調(diào)控實(shí)驗(yàn)

2.1 展示廳空間及文物保存區(qū)域的模擬現(xiàn)場(chǎng)再現(xiàn)

由于遺址博物館保存著珍貴的出土文物,因此任何未經(jīng)嚴(yán)格論證的環(huán)境調(diào)控方法都不能直接在博物館進(jìn)行使用。本文選擇在西安交通大學(xué)曲江校區(qū)閑置綠化用地上搭建了一個(gè)占地面積100 m2的展示空間作為實(shí)驗(yàn)室,用于模擬博物館展示廳空間[10]。該實(shí)驗(yàn)室區(qū)域的土壤環(huán)境為單一的黃土地質(zhì),土質(zhì)條件和地理位置與兵馬俑、半坡、漢陽(yáng)陵等土遺址博物館的接近。為了模擬葬坑內(nèi)土遺址文物的保存環(huán)境,參照兵馬俑和漢陽(yáng)陵博物館多數(shù)坑道的寬度,設(shè)計(jì)了一個(gè)長(zhǎng)、寬、深分別為4、3、1.8 m的實(shí)驗(yàn)葬坑作為文物保存區(qū),如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)葬坑

2.2 文物保存局部環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)

如圖3所示,遺址博物館展示空間可以分為游客區(qū)和文物區(qū),由于游客區(qū)與文物區(qū)對(duì)環(huán)境參數(shù)的要求及調(diào)控時(shí)間上存在很大差異[2],導(dǎo)致我國(guó)早期建設(shè)的遺址博物館大都沒(méi)有采用任何環(huán)境調(diào)控措施。近年來(lái),新建遺址博物館的環(huán)境調(diào)控以滿足游客舒適性要求為主,但卻忽略了文物保存的需求。遺址博物館具有建筑密封性差、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱阻小、外墻面積大、文物區(qū)占展示廳空間比率小等很多不利于節(jié)能的特點(diǎn),如果對(duì)整個(gè)展示廳進(jìn)行全年連續(xù)環(huán)境調(diào)控將消耗巨量的能源,并且絕大部分能源都會(huì)浪費(fèi)在非文物保存區(qū)。為了節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行的能源,本文在葬坑側(cè)壁布置毛細(xì)管作為輻射冷卻末端,通過(guò)在葬坑內(nèi)形成穩(wěn)定的逆溫層,實(shí)現(xiàn)對(duì)葬坑內(nèi)文物保存局部環(huán)境的調(diào)控。由于土環(huán)境是文物保存的原位環(huán)境,且環(huán)境參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定,為了建立土壤-空氣耦合保存環(huán)境內(nèi)的熱質(zhì)平衡,調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)行以土壤的環(huán)境參數(shù)作為調(diào)控目標(biāo)參數(shù)。

圖3 葬坑內(nèi)文物保存局部環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)流程圖

圖3為本文設(shè)計(jì)的葬坑局部環(huán)境毛細(xì)管輻射調(diào)控系統(tǒng)流程圖。圖中毛細(xì)管網(wǎng)采用懸掛方式敷設(shè)在葬坑四周,毛細(xì)管內(nèi)、外徑分別為2.35和3.35 mm,總敷設(shè)面積為18.5 m2;系統(tǒng)冷熱源為一臺(tái)額定制冷量為5 300 W的空氣源熱泵,該泵與毛細(xì)管網(wǎng)之間通過(guò)一個(gè)容積為0.2 m3的保溫水箱連接;水箱在系統(tǒng)中除了收容和補(bǔ)償循環(huán)水的脹縮量外,還起蓄冷和平衡空氣源熱泵制冷速度與毛細(xì)管網(wǎng)釋冷速度的作用,可以提高毛細(xì)管供水溫度的穩(wěn)定性,避免室外機(jī)的頻繁啟停,有利于延長(zhǎng)室外機(jī)的使用壽命。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),通過(guò)控制空氣源熱泵的啟停,保證水箱中的冷水維持在指定溫度范圍內(nèi)(15～17 ℃),從而保證毛細(xì)管供水溫度相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)水箱中的水溫低于設(shè)定下限時(shí),空氣源熱泵將關(guān)閉,在毛細(xì)管末端的釋冷作用下,水溫將逐步回升;當(dāng)水溫超過(guò)上限時(shí),將再次開(kāi)啟空氣源熱泵。葬坑內(nèi)文物保存區(qū)的空氣溫度通過(guò)控制毛細(xì)管回路循環(huán)水泵啟停來(lái)實(shí)現(xiàn):當(dāng)坑內(nèi)空氣溫度低于設(shè)定值下限時(shí),毛細(xì)管循環(huán)水泵關(guān)閉,停止冷水流經(jīng)毛細(xì)管;當(dāng)空氣溫度回升超過(guò)設(shè)定值上限時(shí),室內(nèi)循環(huán)水泵再次開(kāi)啟,繼續(xù)對(duì)葬坑區(qū)域進(jìn)行冷卻。西安地區(qū)的表層黃土在夏季平均溫度為21 ℃左右[11],為了維持葬坑內(nèi)土壤-空氣環(huán)境的平衡,實(shí)驗(yàn)中將葬坑內(nèi)環(huán)境控制點(diǎn)溫度設(shè)定值取為21～22 ℃。

2.3 數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)

為了評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)葬坑內(nèi)文物保存環(huán)境參數(shù)的分布情況,在葬坑內(nèi)布置了溫濕度傳感器和風(fēng)速傳感器對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,傳感器測(cè)點(diǎn)的布置如圖4所示。圖中:T1～T5為溫濕度傳感器,它們的位置到坑底地面的距離分別為0.3、0.7、1.3、1.9和2.6 m,其中T1和T2布置在文物保存區(qū)域,測(cè)量文物保存環(huán)境的溫度和濕度,T5的位置在葬坑上方0.5 m處,測(cè)量游客區(qū)環(huán)境的溫度和濕度,T3和T4則布置在過(guò)渡區(qū)域內(nèi);Tr1、Tr2為布置在葬坑內(nèi)模擬文物本體中的溫度傳感器,模擬文物為陶質(zhì)方形磚塊,總高度為0.6 cm,暴露在空氣中的部分與埋藏在土壤中的部分都是0.3 cm,Tr1、Tr2距離地表均為0.25 cm;Ts為布置在坑底土壤環(huán)境中的溫度傳感器,埋藏深度為0.05 m;TaV為布置在文物保存區(qū)中的微風(fēng)速測(cè)量?jī)x,布置點(diǎn)距坑底0.7 m。

圖4 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)傳感器布置點(diǎn)

上述測(cè)試儀器及其性能參數(shù)如下:T1～T5采用TR-72Ui溫濕度記錄儀,溫度測(cè)量精度為±0.3 ℃,濕度測(cè)量精度為±5%;TaV采用Swema 03風(fēng)速儀,測(cè)量精度為±0.03 m/s;Ts、Tr1和Tr2均采用T型熱電偶,測(cè)量精度為±0.004|T|。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用以上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究葬坑內(nèi)文物保存局部區(qū)域的毛細(xì)管輻射調(diào)控性能,整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為2個(gè)階段:第一階段為毛細(xì)管輻射系統(tǒng)運(yùn)行的工況,持續(xù)時(shí)間為2014年7月13—16日;第二階段為毛細(xì)管輻射系統(tǒng)關(guān)閉、葬坑處于自然狀態(tài)的工況,持續(xù)時(shí)間為2014年7月18—21日。不同工況之間預(yù)留1天作為過(guò)渡期。

3.1 空間溫濕度分布

圖5所示為2種測(cè)量工況下T1～T5測(cè)點(diǎn)的溫度和相對(duì)濕度分布曲線。由圖5a和5c可以看出:在毛細(xì)管輻射系統(tǒng)關(guān)閉時(shí),文物區(qū)測(cè)點(diǎn)T1、T2的溫度平均值分別為25.5和26.5 ℃,且隨著時(shí)間推移有明顯的上升趨勢(shì),溫度晝夜分布受室外環(huán)境影響比較大,平均波動(dòng)幅度達(dá)到3.6 ℃;當(dāng)毛細(xì)管輻射系統(tǒng)開(kāi)啟后,T1、T2的溫度平均值分別為21.4和21.9 ℃,接近土壤的平均溫度,晝夜波動(dòng)幅度減小為1.6 ℃,表明毛細(xì)管輻射系統(tǒng)能有效保持文物保存環(huán)境溫度的穩(wěn)定以及土壤與空氣環(huán)境溫度之間的平衡;在2種工況下,游客區(qū)的溫度(T5)基本不受毛細(xì)管輻射系統(tǒng)的影響,都存在較大的溫度波動(dòng),說(shuō)明利用毛細(xì)管輻射冷卻系統(tǒng)達(dá)到了對(duì)葬坑局部區(qū)域進(jìn)行環(huán)境調(diào)控的目的。

由圖5b、5d可以看出,在2種工況下文物區(qū)測(cè)點(diǎn)T1、T2的相對(duì)濕度都維持在很高的水平,甚至接近100%。然而,2種工況下高相對(duì)濕度產(chǎn)生的原因卻并不相同:對(duì)于新開(kāi)挖的實(shí)驗(yàn)葬坑,由于土壤含水量比較高,當(dāng)毛細(xì)管輻射系統(tǒng)關(guān)閉時(shí),葬坑內(nèi)相對(duì)高的溫度會(huì)導(dǎo)致土壤水分蒸發(fā)量增加,從而使坑內(nèi)的相對(duì)濕度提高,這種情況在兵馬俑百戲俑坑剛開(kāi)挖時(shí)也曾出現(xiàn)過(guò)[2];在毛細(xì)管輻射系統(tǒng)啟動(dòng)的工況下,相對(duì)濕度提高是由文物區(qū)溫度降低所致。文物保存區(qū)的高相對(duì)濕度可以降低土遺址的失水速度,有效緩解土遺址的干裂病害。

(a)毛細(xì)管系統(tǒng)關(guān)閉工況溫度分布

(b)毛細(xì)管系統(tǒng)關(guān)閉工況相對(duì)濕度分布

(c)毛細(xì)管系統(tǒng)開(kāi)啟工況溫度分布

(d)毛細(xì)管系統(tǒng)開(kāi)啟工況相對(duì)濕度分布圖5 葬坑空間溫濕度分布圖

3.2 葬坑內(nèi)文物保存區(qū)的風(fēng)速分布

遺址文物土環(huán)境與空氣環(huán)境間的熱量和水分遷移速度與坑內(nèi)空氣的流速密切相關(guān),空氣流速越大,土環(huán)境的失水速度就越快[12]。從文物保存的角度衡量,要求博物館文物保存區(qū)的風(fēng)速控制在0.15 m/s以內(nèi)[13]。傳統(tǒng)的大空間博物館空調(diào)系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)送風(fēng)與館內(nèi)空氣的充分混合,風(fēng)口送風(fēng)速度都很大,這會(huì)導(dǎo)致館內(nèi)劇烈的空氣流動(dòng),加速土遺址的干裂過(guò)程。本文所采用的毛細(xì)管輻射系統(tǒng)的環(huán)境調(diào)控過(guò)程主要通過(guò)輻射與自然對(duì)流實(shí)現(xiàn),在降低溫度的同時(shí),坑底處于微風(fēng)速狀態(tài)。圖6所示為毛細(xì)管輻射系統(tǒng)關(guān)閉與開(kāi)啟工況下,文物保存區(qū)測(cè)點(diǎn)TaV處的風(fēng)速隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出,2種工況下葬坑內(nèi)的風(fēng)速都很低,特別是在毛細(xì)管輻射系統(tǒng)開(kāi)啟的工況下,文物保存區(qū)的空氣流速都在0.06 m/s以下,遠(yuǎn)低于國(guó)外文獻(xiàn)的推薦值(≤0.15 m/s[12]),表明毛細(xì)管輻射系統(tǒng)在調(diào)控葬坑環(huán)境的同時(shí),并沒(méi)有引起葬坑內(nèi)空氣流動(dòng)的顯著變化,有利于減少土壤-空氣界面水分和熱量的遷移。

(a)毛細(xì)管系統(tǒng)關(guān)閉工況

(b)毛細(xì)管系統(tǒng)開(kāi)啟工況圖6 坑底文物保存區(qū)的風(fēng)速分布圖

3.3 不同環(huán)境介質(zhì)的溫度分布對(duì)比

遺址文物保存環(huán)境包括土壤和空氣2種介質(zhì),兩者之間的能量和物質(zhì)交換是造成文物干裂、鹽分析出的重要原因,因此,通過(guò)環(huán)境調(diào)控使大氣環(huán)境更接近土壤環(huán)境、減少兩者之間的溫差、建立2個(gè)環(huán)境之間的平衡,是實(shí)現(xiàn)土遺址環(huán)境穩(wěn)定的重要思路。圖7所示為2種測(cè)試工況下土壤環(huán)境(Ts)與空氣環(huán)境(T1)的溫度分布情況,從中可以看出:當(dāng)毛細(xì)管輻射系統(tǒng)關(guān)閉時(shí),2種環(huán)境介質(zhì)之間存在較大的溫差(溫差平均值達(dá)2.1 ℃),并且隨著時(shí)間的推移有明顯的上升趨勢(shì);當(dāng)毛細(xì)管輻射系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí),2種環(huán)境介質(zhì)之間的溫度基本保持相同,平均溫差降低到0.3 ℃,表明通過(guò)毛細(xì)管輻射系統(tǒng)的調(diào)控,使大氣溫度和土壤溫度基本達(dá)到了平衡。

(a)毛細(xì)管系統(tǒng)關(guān)閉工況

(b)毛細(xì)管系統(tǒng)開(kāi)啟工況圖7 土壤、空氣介質(zhì)的溫度分布圖

3.4 文物本體溫度分布對(duì)比

(a)毛細(xì)管系統(tǒng)關(guān)閉工況

(b)毛細(xì)管系統(tǒng)開(kāi)啟工況圖8 文物本體溫度分布圖

遺址文物暴露在空氣中的部分與埋藏在土壤中的部分之間的溫度均勻性是衡量保存環(huán)境是否適宜的重要指標(biāo),當(dāng)兩者之間的溫差較大時(shí),不但會(huì)導(dǎo)致文物本體的熱應(yīng)力破壞,還會(huì)增加水分和鹽分的遷移速度。圖8所示為不同實(shí)驗(yàn)工況下文物本體內(nèi)各部分的溫度分布情況,從圖中可以看出:當(dāng)毛細(xì)管輻射系統(tǒng)關(guān)閉時(shí),同一文物埋藏于土壤中的部分與暴露在空氣中的部分之間存在顯著溫差,平均值達(dá)到3.8 ℃;當(dāng)毛細(xì)管輻射系統(tǒng)開(kāi)啟后,兩者之間的溫差顯著減小,當(dāng)系統(tǒng)調(diào)控設(shè)定溫度(Tset)為22 ℃時(shí),平均溫差減小到1.5 ℃,而當(dāng)調(diào)控溫度進(jìn)一步降低到21 ℃時(shí),平均溫差則減小到0.8 ℃。文物內(nèi)部溫差減小有利于減小文物本身的熱應(yīng)力,可抑制文物熱應(yīng)力開(kāi)裂病害的發(fā)生。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)遺址博物館原位保存文物的土壤-文物-空氣耦合環(huán)境內(nèi)物質(zhì)與能量遷移的數(shù)理方程,提出通過(guò)控制耦合環(huán)境內(nèi)各參數(shù)的梯度值、實(shí)現(xiàn)多介質(zhì)耦合環(huán)境內(nèi)各參數(shù)均勻分布的出土遺址文物保存思路,并搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展遺址文物局部原位環(huán)境調(diào)控研究,得到如下結(jié)論:

(1)毛細(xì)管輻射調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),葬坑內(nèi)文物保存局部環(huán)境溫度分布均勻,文物保存區(qū)溫度的晝夜波動(dòng)值從系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)的3.6 ℃減小為1.6 ℃,降低幅度為56%,同時(shí)使文物保存區(qū)的風(fēng)速控制在0.06 m/s以下,幾乎可以忽略不計(jì),實(shí)現(xiàn)了文物保存環(huán)境的穩(wěn)定,有利于減輕文物本體的熱應(yīng)力破壞;

(2)文物保存的土壤-空氣多介質(zhì)環(huán)境之間的溫差從毛細(xì)管輻射系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)的2.1 ℃減小為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的0.3 ℃,減小了86%,同時(shí)文物本體不同部分的溫差從3.8 ℃減小至0.8 ℃,實(shí)現(xiàn)了不同環(huán)境介質(zhì)之間及文物本體不同部分之間溫度分布均勻,從傳熱角度考慮,可以大幅度減小傳熱溫差,有利于抑制文物保存環(huán)境之間的物質(zhì)與能量遷移。

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(編輯 葛趙青)

In-Situ Relics Preservation under Multi-Media Coupling Environment in Archaeology Museums

ZHANG Zhe1,SONG Penglong2,HE Yuanping2,LUO Xilian2

(1. College of Urban and Environmental Science, Northwest University, Xi’an 710127, China; 2. School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To satisfy the requirement for environmental control of relics preservation in archaeology museums a preservation strategy for reintegrating primitive environment is proposed, in which some environmental parameters are strictly restricted in the soil-air coupled environment. In order to verify this technique, a laboratory room with a funerary pit was constructed to simulate a large open exhibition hall of archaeology museums, and a capillary radiant system was built to perform the environmental control for relics preservation. The field test showed that the capillary radiant system provided a more stable condition for the unearthed relics in the funerary pit. Experimental results proved that the temperature fluctuation of preservation area was reduced from 3.6 to 1.6 ℃, the average temperature difference of soil-air coupled environment decreased from 2.1 to 0.3 ℃, and the average temperature difference across the relic decreased from 3.8 to 0.8 ℃. Meanwhile, the air velocity in the preservation was controlled within 0.06 m/s, which is well below the upper limit value of 0.15 m/s prescribed for museums. The proposed preservation method is effective in mitigating heat and mass transfer and creating a more balanced environment for relics preservation.

archaeology museum; relics preservation; in-situ environment; environmental control

2016-02-29。 作者簡(jiǎn)介:張哲(1983—),男,碩士生;羅昔聯(lián)(通信作者),男,副教授。 基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51306150);陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016KCT-14)。

時(shí)間:2016-09-23

10.7652/xjtuxb201611023

K854

A

0253-987X(2016)11-0150-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160923.1550.008.html