侯華波 喻李葵

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溫濕獨(dú)立控制展柜的數(shù)值模擬研究

侯華波1喻李葵2

（1.中機(jī)國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究院珠海分院 珠海 519000；2.中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410083）

提出采用溫濕度分開(kāi)控制的方式來(lái)控制展柜內(nèi)部的環(huán)境，并采用數(shù)值仿真的方法研究了溫濕獨(dú)立控制展柜和傳統(tǒng)“集中式”展柜內(nèi)部的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，得出溫濕獨(dú)立控制展柜內(nèi)部的環(huán)境更加適合文物的保存。

溫濕獨(dú)立控制；展柜；數(shù)值模擬；文物保護(hù)

0 引言

在文物的保存和展覽中，溫度和濕度是直接影響甚至決定文物一切物理、化學(xué)、生物作用的兩個(gè)基本條件[1,2]。其中溫度能夠加快文物表面或內(nèi)部的腐蝕，使文物內(nèi)部受熱不均而發(fā)生變形，使塑膠類文物變脆等；而濕度使文物由于“濕脹干縮”而發(fā)生物理破壞，使金屬類文物發(fā)生銹蝕，書(shū)畫(huà)類文物發(fā)生褪色和變色等。因此，如何讓文物在保存和展覽期間受到的損壞最小化是博物館領(lǐng)域不得不重視的一個(gè)問(wèn)題。

展柜由于既能保護(hù)同時(shí)又能展示文物藏品而成為博物館環(huán)境控制的主體。目前的展柜大致分為兩類：將溫濕度控制系統(tǒng)同時(shí)整合在單個(gè)展柜內(nèi)的“單體式”展柜，它包括壓縮機(jī)制冷展柜和熱電制冷展柜[3]；由HVAC系統(tǒng)對(duì)空氣進(jìn)行集中處理使其達(dá)到文物保存的要求，然后將達(dá)到要求的空氣通過(guò)風(fēng)管分別送入多個(gè)展柜內(nèi)的“集中式”展柜[4]?！凹惺健闭构褚蚪Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在大型博物館應(yīng)用較多。但是其HVAC系統(tǒng)采用的是耦合性較強(qiáng)的冷卻除濕技術(shù)，該技術(shù)由于要先將空氣冷卻到露點(diǎn)溫度以下來(lái)除濕，然后再加熱使其達(dá)到相應(yīng)的溫度，這一過(guò)程必然會(huì)造成能源大量的浪費(fèi)[5]；此外，展柜內(nèi)部的溫度和濕度受HVAC系統(tǒng)的運(yùn)行工況的影響非常大，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障而運(yùn)行不穩(wěn)定或停止運(yùn)行時(shí)，展柜內(nèi)部的溫濕度就會(huì)因此而發(fā)生劇烈的變化[6]，這對(duì)文物的保存是不利的。

針對(duì)“集中式”展柜存在的上述缺點(diǎn)，本文對(duì)其HVAC系統(tǒng)進(jìn)行改造，提出將溫濕度分開(kāi)進(jìn)行控制，即溫度由輻射板來(lái)控制，濕度則采取機(jī)械控濕系統(tǒng)和調(diào)濕劑相結(jié)合的方式進(jìn)行控制。采取這種控制方法的展柜在本文中稱為溫濕獨(dú)立控制展柜。為了研究和驗(yàn)證此類展柜的可行性，本文首先對(duì)該展柜的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了闡述，然后再采用商用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)溫濕獨(dú)立控制展柜和傳統(tǒng)的“集中式”展柜（本簡(jiǎn)稱“集中式”展柜）的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 溫濕獨(dú)立控制展柜結(jié)構(gòu)原理

溫濕獨(dú)立控制展柜由輻射板、調(diào)濕劑和進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口組成，如圖1所示。所謂溫濕獨(dú)立控制即把展柜內(nèi)部的溫度和濕度分別由兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行控制。其中溫度由輻射板來(lái)控制，其工作原理為在輻射板內(nèi)流入經(jīng)過(guò)暖通空調(diào)系統(tǒng)處理過(guò)的流體介質(zhì)來(lái)降低（提升）輻射板的溫度，使之成為冷（熱）輻射面，通過(guò)該輻射面與柜中文物及其余表面之間的輻射熱交換來(lái)控制展柜內(nèi)部及文物的溫度；而展柜內(nèi)部的濕度則采取機(jī)械控濕系統(tǒng)和調(diào)濕劑相結(jié)合的方式進(jìn)行控制。該展柜的運(yùn)行過(guò)程如下：

（1）輻射板內(nèi)流入流體介質(zhì)，調(diào)節(jié)展柜內(nèi)部的溫度使其達(dá)到要求，在這期間，輻射板控溫系統(tǒng)將持續(xù)運(yùn)行；

（2）機(jī)械控濕系統(tǒng)將經(jīng)過(guò)調(diào)濕處理后達(dá)到文物保存要求的空氣通過(guò)展柜的進(jìn)風(fēng)口送入展柜內(nèi)部，展柜內(nèi)部原來(lái)的空氣則通過(guò)出風(fēng)口被送出柜外，在展柜內(nèi)部空氣的濕度達(dá)到文物保存的要求且內(nèi)部空氣壓略高于柜外氣壓后，機(jī)械控濕系統(tǒng)停止運(yùn)行，一旦展柜內(nèi)部由于空氣泄漏而使內(nèi)部氣壓降低后，機(jī)械控濕系統(tǒng)則再次啟動(dòng)以維持展柜內(nèi)部的正壓；

（3）在機(jī)械控濕系統(tǒng)停止運(yùn)行的期間，展柜內(nèi)部的空氣濕度則主要由調(diào)濕劑來(lái)維持。

圖1 溫濕獨(dú)立控制展柜剖面圖

該展柜一個(gè)最大的特點(diǎn)就是集成性強(qiáng)，是一個(gè)很好的集成平臺(tái)。比如：在展柜輻射板夾層內(nèi)加入相變蓄熱材料，利用蓄熱材料的蓄熱性能維持展柜內(nèi)的溫度，這樣當(dāng)博物館斷電或空調(diào)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定時(shí)，就能依靠非機(jī)械溫度控制方式——在展柜夾層內(nèi)的蓄熱材料來(lái)維持展柜內(nèi)部的溫度。這就避免了目前很多博物館中的展柜內(nèi)部環(huán)境由于空調(diào)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定而發(fā)生波動(dòng)而造成文物損壞的現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)由于溫濕度分開(kāi)進(jìn)行控制，機(jī)械控濕系統(tǒng)可采用溶液除濕系統(tǒng)對(duì)空氣進(jìn)行除濕處理，而溶液除濕系統(tǒng)可以有效的利用低品位熱能再生液體吸濕劑，如太陽(yáng)能、地?zé)崮艿?，是一種節(jié)能的綠色除濕方式[5]。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 物理模型

展柜的種類繁多，本文只取其中比較典型的壁柜作為研究對(duì)象。所謂壁柜就是展柜一個(gè)側(cè)面靠墻，其余面除了底面外都是玻璃面板，這樣可以方便游客觀賞文物。為了便于數(shù)值模擬的進(jìn)行，對(duì)展柜的結(jié)構(gòu)和外形進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化的展柜結(jié)構(gòu)如圖2所示。溫濕獨(dú)立控制展柜和“集中式”展柜的物理模型都采用該簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)，兩者不同之處在于“集中式”展柜把輻射板作為普通的靠墻面板。簡(jiǎn)化的展柜長(zhǎng)約（X）0.6m，寬（Y）1m，高（Z）1m。展柜的風(fēng)口簡(jiǎn)化為邊長(zhǎng)為0.1m的方形風(fēng)口。

圖2 展柜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 模型的假設(shè)

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中數(shù)學(xué)模型的建立采用了以下假設(shè)：

（1）展柜內(nèi)部密封良好，除了風(fēng)口外，其它沒(méi)有空氣泄漏；

（2）空氣為不可壓縮牛頓流體；

（3）展柜內(nèi)部空氣流為穩(wěn)態(tài)；

（4）展柜內(nèi)部空氣為非透明介質(zhì)，參與輻射；

（5）展柜內(nèi)部空氣的密度只隨溫度變化而變化，滿足Boussinesq近似；

（6）忽略柜中文物的影響。

2.3 網(wǎng)格劃分

本文中展柜的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且是規(guī)則長(zhǎng)方體，因此選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格就能生成所需網(wǎng)格。為了使計(jì)算結(jié)果更加合理，在劃分網(wǎng)格的時(shí)候，對(duì)近壁面處以及展柜的進(jìn)出風(fēng)口處的溫度和速度梯度較大的地方進(jìn)行了局部加密；在那些溫度和速度梯度較小的地方則網(wǎng)格劃分相對(duì)稀疏一些，因?yàn)檫@些區(qū)域流動(dòng)方式等變化較小，不需要細(xì)密的網(wǎng)格，這樣在確保結(jié)果的同時(shí)也節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。整個(gè)展柜的網(wǎng)格數(shù)為102000個(gè)。

2.4 求解方法

本文采用商用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行展柜內(nèi)部的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的仿真計(jì)算。其中標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型和標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)法被用來(lái)模擬計(jì)算展柜內(nèi)部的湍流流動(dòng)，由于考慮了空氣作為輻射介質(zhì)，因此采用DO模型進(jìn)行輻射計(jì)算。在求解過(guò)程中，采用了交錯(cuò)網(wǎng)格控制容積法（FVM）對(duì)控制方程進(jìn)行離散[7]，其中對(duì)流項(xiàng)的差分格式選用三階QUICK格式，而擴(kuò)散項(xiàng)選用二階中心差分格式。速度與壓力之間的耦合采用半隱式SIMPLE算法進(jìn)行處理[8]。最后，采用亞松弛TDMA算法對(duì)離散方程進(jìn)行求解，收斂精度取能量方程迭代誤差小于10-6，其它方程的迭代誤差小于10-4。

2.5 邊界條件

由前可知，展柜有四個(gè)面為玻璃面板，內(nèi)部的環(huán)境極易受到柜外環(huán)境的影響，因此外部環(huán)境對(duì)柜內(nèi)的影響不能忽略。而本文的研究對(duì)象只是展柜本身，為了考慮柜外環(huán)境影響，將所有玻璃內(nèi)壁的溫度取為柜外環(huán)境的平均溫度。通常柜外的環(huán)境溫度也就是展柜所處的展廳的溫度，本文假設(shè)展廳的溫度為22℃，這樣玻璃內(nèi)壁的溫度也就是22℃。由文獻(xiàn)[9]可知，中央空調(diào)的冷凍水供水溫度在5～9℃之間，本文將輻射板內(nèi)部流入的冷凍工質(zhì)溫度定為7℃，經(jīng)過(guò)其冷卻的輻射板的溫度也取7℃（不考慮傳熱損失）?！凹惺健闭构竦娜肟跉饬魉俣葹?m/s，溫度為7℃。此外，展柜底板全部假設(shè)為絕熱壁面，“集中式”展柜靠墻的面板也設(shè)為絕熱壁面。其它邊界條件在具體的算例中有詳細(xì)的說(shuō)明。

3 溫濕獨(dú)立控制展柜與“集中式”展柜的對(duì)比研究

溫度是文物在陳列和保存時(shí)發(fā)生褪變、腐蝕的最主要的影響因素之一。保存文物的區(qū)域應(yīng)該是溫度分布均勻的區(qū)域。此外，Wilson認(rèn)為紙質(zhì)類文物適合保存在18℃以下的一個(gè)穩(wěn)定的溫度[6]，因此，本文將18℃以下的區(qū)域作為適合文物保存的區(qū)域來(lái)對(duì)展柜內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)[10]。

展柜內(nèi)部氣流也是影響文物保存的一個(gè)不容忽視的因素，特別是對(duì)一些年代久遠(yuǎn)的非金屬類文物，氣流的流速過(guò)大往往能造成其表面部分物體脫落。所以展柜內(nèi)部空氣的流速越小，對(duì)文物就越有利。因此，本文把氣流速度也作為是否適合文物保存的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]。此外，均勻分布的流場(chǎng)也是文物穩(wěn)定保存的一個(gè)重要指標(biāo)。

3.1 溫度場(chǎng)

（a）Y=0.15m截面；（b）Y=0.5m截面；（c）X=0.3m截面

圖4 溫濕獨(dú)立控制展柜（左）和“集中式”展柜（右）T＝18℃的等溫面

圖3給出了兩種展柜不同截面的溫度等高線圖，其中上面三個(gè)截面為溫濕獨(dú)立控制展柜不同位置的截面圖。由圖中可知，Y=0.15m截面的等溫線呈射線狀從左上角頂點(diǎn)發(fā)出，不同數(shù)值的等溫線之間所構(gòu)成的區(qū)域成“絲帶狀”規(guī)則分布。由于受截面上邊和右邊兩個(gè)熱源的影響，18℃以下的等溫線被壓縮在靠近輻射冷板的三角區(qū)域，其中14℃以下的等溫線在貼近輻射冷板的區(qū)域分布非常密集，形成冷邊界層，很顯然該區(qū)域溫度變化太劇烈，只適宜保存很薄的文物；14℃～18℃之間的等溫線則分布的比較稀疏，不同數(shù)值的等溫線之間的間距隨著溫度的加大而變大，特別是17℃和18℃兩條等值線之間的距離接近0.1m左右，該區(qū)域是適宜保存文物的范圍相應(yīng)的也大些。因此，以18℃作為分界線，18℃以下的等溫線與輻射冷板組成的近似直角三角形的區(qū)域是適合文物保存的。又從圖3中可知，Y=0.5m截面上的等溫線分布和Y=0.15m截面基本相似，這說(shuō)明在Y方向，各截面的等溫線的分布結(jié)構(gòu)是相似的。因此，在溫濕獨(dú)立控制展柜中，適合文物保存的區(qū)域就是以X-Z截面上的“直角三角形”為底邊，沿Y方向拉伸而成的三棱體。但是從圖3（c）中可發(fā)現(xiàn)，在X=0.3m截面存在上邊、左邊和右邊三個(gè)熱邊界層，受此影響，溫度為18℃的等值線在截面中呈“拱形”分布，拱頂?shù)奈恢迷赮=0.5m處，這說(shuō)明在Y方向上，不同截面上“直角三角形”的大小是不一樣的，其中面積最大的在Y=0.5m截面處，而在Y=0.5m之前，面積隨著y值的增大而增大，而在Y=0.5m之后，面積隨著y值的增大而減小。這樣，適合文物保存的區(qū)域的形狀應(yīng)該是兩端小中間大的圓滑的三棱體。圖4中左圖用=18℃的等溫面、輻射冷板和展柜底板組成了該三棱體區(qū)域，可知該區(qū)域體積大約為展柜的三分之一。

與溫濕獨(dú)立控制展柜相比，“集中式”展柜內(nèi)部的溫度場(chǎng)的分布則很不規(guī)則。圖3分別給出了“集中式”展柜中Y=0.15m截面（也即風(fēng)口中心位置）、Y=0.5m截面和同時(shí)包括入口和出口的X=0.3m截面的溫度等值線。受強(qiáng)迫對(duì)流換熱等的影響，溫度為18℃及以下的等值線大部分聚集在入口和出口附近，但是風(fēng)口處又是展柜中溫度變化最劇烈的區(qū)域，很顯然入口處不是保存文物的理想?yún)^(qū)域。在Y=0.5m截面上，溫度為18℃及以下的等值線呈近似平行于展柜底板的帶狀分布，因此這個(gè)區(qū)域適合文物的保存。由X=0.3m截面上的等值線分布可知，這種帶狀分布大概從Y=0.5m開(kāi)始延伸到將近Y=1m的位置，其延伸的區(qū)域剛好近似于一長(zhǎng)文體。圖4中右圖陰影區(qū)域?yàn)椤凹惺健闭构瘢?8℃的等溫面和展柜其它面板所形成，其中用黑色粗線條畫(huà)出來(lái)長(zhǎng)方體就是適合文物保存的區(qū)域。由圖可知，該區(qū)域不到展柜體積的四分之一，如果再減掉出口那部分區(qū)域，適合文物保存的區(qū)域就更小了。和溫濕獨(dú)立控制展柜相比，“集中式”展柜適合文物保存的區(qū)域是很小的。

3.2 速度場(chǎng)

（a）Y=0.5m截面 （b）X=0.3m截面

圖5為兩種展柜不同截面上的速度云圖，由圖中可知溫濕獨(dú)立控制展柜內(nèi)部氣流在距底板0.5m且靠近冷板處的速度最大，達(dá)到0.236m/s。這是由于在溫濕獨(dú)立控制展柜中，由熱浮升力驅(qū)動(dòng)的自然對(duì)流占主導(dǎo)地位。在熱浮升力的驅(qū)動(dòng)下，空氣沿展柜內(nèi)部三個(gè)熱源（側(cè)面的玻璃面板）由下往上流動(dòng)，在經(jīng)過(guò)一個(gè)熱源（頂面玻璃面板）后，一起沿著冷板往下加速流動(dòng)，在距底板約0.5米達(dá)到最大值。由于驅(qū)動(dòng)力只是熱浮升力，整個(gè)展柜內(nèi)部的平均流速大概在0.13m/s左右。

“集中式”展柜內(nèi)部流場(chǎng)則是強(qiáng)迫對(duì)流占主導(dǎo)地位，其內(nèi)部流場(chǎng)受入口氣流的影響很大，流速較大的區(qū)域集中在入口和出口處，如圖5（b）所示。其中出口處的最大速度達(dá)到了1.37m/s，是輻射冷板的最大流速的六倍，而在入口射流影響下，入口處形成一個(gè)以入口為底面，高約0.7m的長(zhǎng)方體的高流速區(qū)域。這個(gè)高流速區(qū)域的平均速度大概在0.9m/s左右。除了入口和出口這兩個(gè)高流速區(qū)域外，展柜內(nèi)部大部分區(qū)域的流速相對(duì)都比較低，平均值大概在0.2m/s左右，略大于溫濕獨(dú)立控制展柜內(nèi)的平均流速。除去入口和出口兩個(gè)區(qū)域，“集中式”展柜和溫濕獨(dú)立控制展柜內(nèi)部的平均流速都比較小。

但是如果同時(shí)考慮流場(chǎng)的分布，則溫濕獨(dú)立控制展柜的流場(chǎng)相比“集中式”展柜要更規(guī)則一些。由于自然對(duì)流占主導(dǎo)地位，溫濕獨(dú)立控制展柜內(nèi)部的空氣受熱浮升力影響在高溫側(cè)沿壁面由下往上流動(dòng)，在冷板側(cè)自上而下流動(dòng)，最終形成如圖6（a）所示的一個(gè)很規(guī)則的大漩渦。當(dāng)把書(shū)畫(huà)類文物平行且靠近輻射板放入展柜內(nèi)時(shí)，在該位置的氣流幾乎是平行于文物的表面的，不會(huì)出現(xiàn)氣流沖擊文物的情況，因此對(duì)文物的損害很小。而“集中式”展柜內(nèi)部的空氣流則非常凌亂，在入口射流和高溫壁面的影響下，展柜內(nèi)部形成了多個(gè)漩渦，如圖6（b）所示。文物在展柜內(nèi)部不可避免會(huì)受到氣流的撞擊而出現(xiàn)損壞。

（a）溫濕獨(dú)立控制展柜 （b）“集中式”展柜

因此，綜合展柜內(nèi)部的流速和流場(chǎng)分布的均勻性來(lái)看，溫濕獨(dú)立控制展柜更能為文物提供一個(gè)安全的保存環(huán)境。

4 結(jié)論

本文對(duì)溫濕度分開(kāi)控制的溫濕獨(dú)立控制展柜的結(jié)構(gòu)、工作原理以及運(yùn)行方式進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，重點(diǎn)將其和傳統(tǒng)的“集中式”展柜內(nèi)部的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析，最后分析了溫濕獨(dú)立控制展柜運(yùn)行期間機(jī)械控濕系統(tǒng)對(duì)展柜內(nèi)部環(huán)境的影響。結(jié)果表明：（1）采用輻射板控制溫度的溫濕獨(dú)立控制展柜內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布的更加均勻，適合文物保存的區(qū)域也比“集中式”展柜的大一些；（2）同樣，溫濕獨(dú)立控制展柜內(nèi)部的速度場(chǎng)分布規(guī)則，速度較低，有利于文物的保存。

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Numerical Simulation on the Temperature and Humidity Independent Control Showcase

Hou Huabo1Yu Likui2

( 1.China Machinery International Engineering Design & Research Institute, Zhuhai, 519000;2.School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha, 410083 )

A new kind of showcase with the temperature and humidity independent control is introduced in this paper to control the showcase’s environment for the cultural relics preserving. The new showcase and convectional one’s temperature and flow field were compared by numerical simulation. It is found that the new showcase supply a steadier environment for the cultural relics preserving than the convectional one.

temperature and humidity independent control; showcases; numerical simulation; cultural relic conservation

1671-6612（2017）02-210-05

TU831.5

B

2015-12-08

作者（通訊作者）簡(jiǎn)介：侯華波（1982.10-），男，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，E-mail：13631253425@139.com