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【直播内容回顾 2】《新建博物馆库房建设和文物库房环境控制设计》—— 中国建筑设计研究院有限公司郑坤老师
2022-07-29


6月26日,由博物馆头条主办,中国文物交流中心学术支持,森罗股份活动支持的“文化遗产预防性保护之文物库房建设与环境调控”线上论坛顺利召开。

论坛通过中华文博共享平台,中央广播电视总台央视频,文博头条视频号,森罗股份视频号,四个平台同步直播,累计近1.5万人次在线观看直播。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


此次直播论坛分为主题讲座和圆桌讨论两个环节,扫码可看直播回放。本期回顾分享郑坤老师的主题演讲内容。


扫码观看直播回放

新建博物馆库房建设和文物库房环境控制设计



郑坤老师围绕地下库房环境控制系统现状,结合地库环境调控系统特性,着重分享“新建博物馆库房建设和文物库房环境控制设计”。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网

01
地下库房环境控制系统现状

一般情况下,地下库房基本属于珍品库房。原因在于:


(1)地下库房围护结构可有效隔绝室外传热;

(2)地下库房可缓冲室外温度的波动,在地下几米到十几米范围,环境处于恒湿状态。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


某地下库房共三层,分为一期、二期和三期,每期库房设置独立空调系统,结合该地下库最新监测情况与库房环境控制系统现状,可具体包括以下几种情况:


(1)空调机组运行时间过久,机组部件逐年老化,制冷除湿效率下降明显,已不能满足文物库房所需的温湿度要求;


(2)大部分库房相对湿度不满足设计要求,机组制冷能力不足。换气次数不满足库房温湿度精度控制±1℃和±5%的要求;


(3)大部分库房不满足现行规范相对湿度日波动值不应高于5%的要求(温度日较差2℃)。


(4)同一系统内部分库房有差异性参数需求,设计温湿度参数相同,不能适应现状混合藏品的温湿度需求。


(5)各库房湿度实际热湿比线不一致,负荷不一致,相同的送风量不能满足同一系统内库房的差异需求。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


(6)原水冷机组在地库内敷设的冷却水系统部分附件锈蚀,存在漏水隐患,威胁文物安全。


(7)地库内空调新风阀和排风风机常年关闭,造成库内缺乏新风,容易滋生细菌,不利于文物保护和库内研究人员健康,藏品保存场所的工作人员反应新风量不足,室内空气品质差。


02

地库环境空调负荷特性


结合某地下库房环境控制系统现状,不管是地库环境空调负荷特性,还是文物、人类的需求,都需要分析库内环境特性,比如温度、相对湿度和挥发物阀值等。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


  • 地库室内外设计参数

参照 《博物馆建筑设计规范》 jgj 66-2015。各库房藏品保存温度均为20℃,相对湿度范围为0~60%,其中40~60%的相对湿度环境能满足几乎所有藏品的需求。


考虑库内空气参数可以提供未来藏品互换保存的条件,空调机组装机容量应满足夏季最大除湿量和冬季最大加湿量的要求,各系统夏季空气设计参数均取干球温度20℃,相对湿度40%;冬季取干球温度20℃,相对湿度60%。同时温度日较差不大于2℃,相对湿度日波动值不应高于5%。但地下库房藏品最佳保存温度是否为规范值?一般认为藏品对温度变化不敏感,应湿度优先控制。但研究显示,藏品具有气候适应性,掩埋藏品的最佳保存温度为当地年平均温度,比如北京为12.3 ℃。因此,地库内空调系统参数设置需因地制宜,另外,在确定参数设定的情况下,要依藏品与空间环境的不同,提供相应的制冷、除湿方式。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


地库藏品保存环境的温湿度参数,为地库空调负荷的来源之一,地库空调负荷具有包括以下三个方面:


(1)冷负荷主要由围护结构、照明灯具、人体等引入热量形成。由于本库房位于地下-3米到-13米,-10米处土壤初始温度一般为当地年平均温度,但从监测温度和供冷量看出,地库运行数年后,围护结构内表面温度已经较刚建成时有大幅提升。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


(2)湿负荷主要来源有围护结构湿渗透和人员散湿。地下库房围护结构为双层墙体中空夹壁形式,且现状外侧墙体出现渗漏水点,渗透湿负荷难以准确计算。


(3)由于气密性差,多出入口地库自然通风(逆向烟囱效应和诱导作用)带来的渗透负荷,独立新风系统关停新风和所有系统正常运行时均应考虑。


  • 什么叫逆向烟囱效应?


烟囱效应,是指户内空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降,造成空气加强对流的现象。烟囱效应的产生。在有共享中庭、竖向通风(排烟)风道、楼梯间等具有类似烟囱特征——即从底部到顶部具有通畅的流通空间的建筑物、构筑物(如水塔)中,空气(包括烟气)靠密度差的作用,沿着通道很快进行扩散或排出建筑物的现象,即为烟囱效应。烟囱效应亦可以是逆向的。当户内的温度较户外为低(例如夏天使用空调时),气流可以在烟囱内向下流动,将户外空气从烟囱抽入室内。比如,库房分为地下三层,当地下一层有逆向烟囱效应时,会诱导地下二层和地下三层带来一些空气流动。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


03

地库新风系统设计


在搜集大量资料与规范的基础上,总结地库新风系统设计要满足以下三种需求:


(1)为了满足基本卫生要求,保证人员长期停留的空气品质,通常保证每人不小于 30m3/h的新风量。


(2)稀释库内挥发有害气体和污染物的有效新风量。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


(3)保证房间的正压要求,为了防止室外空气渗入室内,一般采用 5~10pa 的正压值,保证这个正压范围通常需要的新风量约为0.5~0.75 次(当房间无窗和无外门)换气。


藏品库房、展厅空气种烟雾灰尘和有害气体浓度限值

注:jgj66-2015《博物馆建筑设计规范》


在实际应用中,在保证5~10pa的正压值情况下,由于空气渗透原因,新风量难以保证。这也是目前地下库房环境控制系统的现状之一。


新风量越大越好吗?


(1)新风对部分藏品保存不利,造成藏品氧化或滋生病害;

(2)较大的新风量在高热高湿季节引入大量湿热,极大地加大了空调机组的处理负担,运行能耗大;

(3)现行《博物馆建筑设计规范》没有对藏品保存场所的新风量提出明确要求,仅对陈列展览区和业务区的新风量进行了规定。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


另外,空调系统设置时,按照极端室外参数运行设计是否合理?例如,北京地区,全年或多年仅有几天极端情况,如若按照极端室外参数进行设计,经济性不加。

综合来看,是否增加新风量或按照极端室外参数设置?建议根据实际情况进行新风系统设计。

新风量方面:对排风系统进行排查,如疏通进排风通道、核算风道阻力等,保证实现设计新风量,必要时增设助力风机;

极端室外参数设计方面:建议按规范规定的室外设计参数设计,遇到极端气候通过调节新风量保证库内参数,恒温恒湿机组容量考虑一定冗余。(独立新风系统新风关闭后室内部分应预留渗透风引起的负荷)。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


综上所述,对于改造新风系统或新建库新风系统,建议如下:

若库内人员较多建议划分出独立的办公区,空调系统与库房系统独立设置。

库内有害气体挥发物较多,设置活性炭吸附装置处理循环空气。另外,室外极端气候、新风颗粒物或污染物含量过多时也不应引入过多新风。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网

现状库内仅设置排风风机,未设新风风机,空调新风阀和排风风机常年不开启且设计排风量远小于新风量。另外地库内空调新、排风分别通过较长的土建风道接至室外,风路阻力大,因此库内引入新风量有限,库内缺乏新风导致人员有憋闷感。改造时考虑按设计新风量增设助理新风机,同时更换排风风机,使排风量达到新风量的80%。运行时新、排风风机与空调机组联动,并能根据室外空气含湿量情况变频以减少新风量引入,维持库内温湿度恒定。



 


04

地库温湿度精度控制与调节


结合新建博物馆库房建设和文物库房环境控制设计,除合理设计地库新风系统外,温湿度精度控制与调节也是地库设计要点与难点。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


精度控制影响因素包含送风温差、气流组织等。


设计手册推荐工艺性空调温度精度为±1℃时的送风温差范围为6~9℃,且每小时换气次数不小于5次。送风温差越小,送风量越大,越有利于温湿度精度的控制,但会导致风机能耗和电再热能耗加大,参考文献得知顶送下回方式100%负荷率时,送风温差应取7℃ 。


不同的气流组织形式有不同最佳送风温差,复杂的库内布置最好进行详细的气流组织计算或模拟。气流组织是精度控制的基础,研究实验表明,采用测送测回方式,即使送风量增大,只能实现局部循环,无法满足整库均匀性。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


送风参数波动对库内温湿度的动态影响?


库内温湿度对外扰的响应也是衡量恒温恒湿空调系统的标准,外扰包括人

员进出、灯光开关、新风温度变化等。对地下库房来说,最显著的因素是新风温度波动,从而引起送风温度的瞬时变化。通过文献可见,不同的送风温差对这种波动的响应不同,随着送风温差的增大,送风量越小,温度和湿度波动幅度越小。这也说明了采取最小送风温差和最大风量也不合适。


 不同送风温差下送风温湿度波动的动态特征


同一系统内不同类型藏品的温湿度处理方式


同一空调系统送风参数唯一,但所负担的各库房设计参数不尽相同,主要是相对湿度要求不同,则应在方案阶段规划同一空调系统内的藏品种类,按相对湿度可调幅度纳入同一系统区域。常见藏品温度一般为20 ℃ ,皮毛5 ℃ 和彩色胶片0 ℃ (一般局部设冷库保存);相对湿度纸质、木质和纺织品为50~ 60%,石器、瓷器为 40~ 50%,金属尤其是青铜器0~ 40%。可见,青铜器的保存环境相对湿度较低,不应与其它藏品在同一系统内,40~60%的相对湿度环境能满足大多数藏品的需求。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网



从表中看出相对湿度允许偏差±5%,这就要求对相对湿度进行微调,库内相对湿度微调(入库前支风管设置)方式有以下两种:


电再热器:一般提供1~2 ℃的温升发热量,可以微调相对湿度5%左右,不同的负荷特性调节量不同。


优点有调节精度高,发热迅速稳定。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


缺点为设置在库区内,有火灾隐患,对运行管理要求高;另外,为相对湿度单向调节措施,即往相对湿度减小的方向调节,且在热湿比较大或室内温度低的情况下,基本不能微调相对湿度。


调节末端风量的方法:在保证各库送风温差范围为6~9℃的条件下,调节后库内温度范围为18.5~21.5℃,相对湿度调节量范围为-4~ 4%(与温度同向变化),可以将部分硅酸盐、岩石、纸质藏品和部分牙骨标本混藏(同一系统不同库,纸质和牙骨温度需求低于前者)。


但如果采用热水再热,该方法不能弥补空调机组热水再热盘管的热惰性引起的响应慢的缺点,建议在集中冷水 电热或冷媒再热系统中采用。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


05

新建地下库房设计建议


依据地下库房的现状、改造难点和改造措施等,对新建地下库房设计建议如下:



最后,郑老师对常见的恒温恒湿的空调系统型式进行介绍,具体如下:

 

目前,常规的加湿形式采用电极式。但精度一般,对于大型机库来说,这种冬季的加湿电极式已经满足,但对精度、水质要求高的库房,建议采用超声波式。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网

会议问题主要从博物馆头条视频号、直播平台和森罗股份公众号进行收集,由主讲老师进行解答与讨论,此次讨论希望能将文物库房建设与环境调控现状及实施方向进行有效传达与分享,共同促进文物库房建设的高质量开展。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


问题1:近几年夏季洪涝灾害比较严重,地下库房和地上库房建设时在防水、防潮、暖通等设计方面的差异点是什么?您认为如何应对潮湿地区库房环境调控?


答:防水、防潮等设计属于安全性问题,是地下库房和地上库房建设的基础要求。在建筑设计方面,室外场地需满足出入口高于水位线,水位线依据100年的水位线参数,严格条件下,依据200年的水位线参数进项验证或校核,所以,在水位线参数情况下,不管是地下还是地上,需满足出入口高于水位线或者库房围护结构高气密、不渗透。凯发k8国际-凯发天生赢家一触即发官网


潮湿地区的库房环境调控存在一定难度,尤其是对室内精度参数的调控。可以通过以下几个注意点来进行有效控制:


(1)围护结构需满足防水、防潮;
(2)室外新风做独立的新风处理;
(3)库内保证一定的正压,避免室外空气渗透干扰;
(4)保证库房气密性。


问题2:我们此次主题谈到文物库房的建设,请问对于博物馆库房建设的要求有哪些?或者需要满足什么条件?


答:文物库房建设要求和需要满足的条件包含以下方面:

(1)博物馆库房建设初期,首先要考虑藏品保存环境参数并做好库房设计分析;
(2)安全性因素,比如防火、防水、防盗等;
(3)文物防震,包括防震展示和震动对文物的损害;
(4)流动线路,人员流动和文物的流动一定要理清;
(5)节能低碳,评估藏品的重要程度和保存环境,因地制宜,合理配置设备。
(6)重视设计施工和调试环节,整个库房流程,设计属于基础建设的这种,就是从建设流程上来说,设计属于基础,调湿匹配设计要求;
(7)操作人员和运行维护人员培训,比如数据采集,可帮助馆内进行分析,制定优化运行方案,保证设备低碳节能和经济性运行。
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