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)
做好文物預防性保護工作,關(guān)鍵在于控制好文物的保存環(huán)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(huán)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(zhì)、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(zhì)文物)的腐蝕[2]。保持文物保存環(huán)境中溫濕度的穩(wěn)定性對保護文物安全非常重要,其關(guān)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(huán)境溫濕度對文物展儲空間內(nèi)溫濕度的影響,長期維持空間內(nèi)環(huán)境濕度的穩(wěn)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(diào)控狀態(tài)下,對氣密空間內(nèi)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(nèi)溫濕度的變化情況,為文物的長期“穩(wěn)定”展儲奠定理論與實踐基礎。
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(chǎn)。Testo175H1溫濕度記錄儀兩個,展柜內(nèi)外各放一個,精度等級為:溫度±0.4 ℃(-20~+55 ℃),相對濕度±2%(25 ℃),數(shù)據(jù)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(jiān)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。
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(jiān)測歷經(jīng)春夏秋3個季節(jié),用時將近7個月。在不同的季節(jié),密封展柜內(nèi)外的濕度呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律,為了便于分析博物館不同展陳環(huán)境條件下密封展柜內(nèi)的溫濕度變化,特選取4個有代表性的月份對展柜內(nèi)外的溫濕度數(shù)據(jù)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(nèi)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(xiàn)濕度極低的情況,如第20日,柜外環(huán)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(nèi)濕度穩(wěn)定得多,當日柜內(nèi)濕度維持在53%左右,波動幅度低于1%。四月份柜外環(huán)境濕度波動范圍是22.8%~70.2%;柜內(nèi)濕度波動范圍47.6%~56.7%,日變化在5%以內(nèi)??梢娒芊饪臻g能夠有效降低外界環(huán)境濕度的干擾,保持柜內(nèi)濕度穩(wěn)定性。
氣密展柜內(nèi)外濕度差距較大(例如圖1中第20天和第24天),與柜內(nèi)外濕度變化的影響因素密切相關(guān)。氣密展柜與外界庫房的氣體交換緩慢,內(nèi)部的相對濕度波動主要由溫度波動引起,隨庫房內(nèi)的溫度變化而出現(xiàn)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(huán)境濕度則不同,不僅受溫度的影響,還受自然界中水分蒸發(fā)、空氣對流的影響,空氣濕度常常出現(xiàn)大幅波動,因此展柜內(nèi)外濕度偏差較大。通過對比,進一步證實氣密圍護結(jié)構(gòu)能有效減緩外界環(huán)境溫濕度對內(nèi)部濕度的影響。
圖2反映的是夏季展柜內(nèi)外的溫濕度變化情況,可以看到展柜內(nèi)外的溫度和濕度出現(xiàn)周期性的劇烈波動。這是由于展柜所在庫房配置空調(diào),炎熱的夏季該庫房通過人工開啟和關(guān)閉空調(diào)控制溫濕度,下午閉館后空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài),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(xiàn)兩次明顯下降,在該段時間內(nèi),庫房的濕度與溫度有相同的變化趨勢,即隨著室內(nèi)空調(diào)的開啟,溫度、濕度均明顯下降,而展柜內(nèi)溫度與外部環(huán)境變化趨勢一致,但是柜內(nèi)濕度與柜外變化不同,與溫度呈反向變化。庫房內(nèi)氣溫日變化最大5.0 ℃,相對濕度最大日變化為29.1%;展柜內(nèi)部溫度日變化最大3.7 ℃,相對濕度日變化最大9.2%??梢娍照{(diào)晝夜間歇運行情況下,庫房內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jù)圖中的波動周期可以看出,在周末非溫度調(diào)控時間段內(nèi),庫房內(nèi)的溫度變化較為平穩(wěn),展柜內(nèi)的溫度和濕度均是比較穩(wěn)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(nèi)濕度變化很小。其中環(huán)境溫度最大日變化為1.1 ℃,柜內(nèi)溫度最大日變化0.7 ℃,展柜內(nèi)相對濕度最大日變化為2.4%。對比九月份和七月份展柜內(nèi)外的溫濕度變化,說明控制好展儲空間環(huán)境或所在空間周圍的環(huán)境溫度,密封空間內(nèi)濕度將會維持在相對穩(wěn)定的水平。
圖4 九月份展柜內(nèi)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(nèi)部濕度出現(xiàn)較大幅度上升,此后柜內(nèi)濕度一直高于外界環(huán)境,且有較大差距。溫度曲線同樣是在第二天出現(xiàn)大幅的下降,直到第12天溫度趨于平穩(wěn),且持續(xù)在較低水平。對比柜內(nèi)外濕度和同期溫度,不難看出柜內(nèi)相對濕度的上升是由溫度下降引起的。十月份柜外環(huán)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(huán)境濕度平均值有所下降。由于環(huán)境溫度下降導致柜內(nèi)濕度相對上升,同時氣候原因造成環(huán)境濕度下降,進而導致柜內(nèi)外相對濕度相差懸殊。倘若展柜氣密性差,柜內(nèi)濕度與柜外濕度將會同步變化,不會長時間出現(xiàn)如此大的偏差。
圖5 十月份展柜內(nèi)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(nèi)的相對濕度要高一些(例如,4月9日,展柜內(nèi)溫度18 ℃,柜內(nèi)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(nèi)濕度較高,與經(jīng)歷了高溫高濕的夏季和秋淋天氣有關(guān),展柜外環(huán)境濕度長期高于展柜內(nèi)部,長時間積累導致柜內(nèi)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(nèi),也要采取必要的調(diào)控措施。
通過對以上幾個月氣密展柜內(nèi)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(nèi)的溫度隨環(huán)境溫度的改變而改變,變化幅度較環(huán)境略??;展柜內(nèi)濕度變化主要受展柜內(nèi)的溫度影響,隨著溫度的改變呈反向變化,由于展柜內(nèi)的溫度是隨環(huán)境變化的,因而氣密展柜內(nèi)濕度波動是與環(huán)境溫度緊密相關(guān)的。
2) 從氣密展柜內(nèi)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(huán)境濕度長期高于或低于氣密展柜內(nèi)的濕度,展柜內(nèi)濕度會緩慢上升或下降。
3) 結(jié)合以上兩點,控制好所處環(huán)境的溫度,有利于減小氣密展柜內(nèi)的溫濕度波動;在外界環(huán)境總是高于或低于氣密展柜內(nèi)的適宜濕度時,若要維持氣密展柜內(nèi)的濕度在適宜范圍內(nèi),對氣密展柜的濕度調(diào)控是必要的。
為了更清楚地說明溫度和外部環(huán)境濕度對氣密展柜內(nèi)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(shù)據(jù)與假設展柜完全密封狀態(tài)下柜內(nèi)理論相對濕度(即與環(huán)境無氣體交換的理想狀態(tài)下,根據(jù)Antoine公式計算出展柜內(nèi)部理論相對濕度隨柜內(nèi)溫度變化的曲線)的數(shù)據(jù)進行對比(圖6)。通過對實測值、理論值及外界環(huán)境濕度進行對比可以看出,柜外濕度(即環(huán)境濕度)波動最大,柜內(nèi)實際濕度與理論濕度波動相對較小,柜內(nèi)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(nèi)實際和理論相對濕度兩條曲線,可以發(fā)現(xiàn)以下兩點現(xiàn)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(nèi)因為溫度的變化,柜內(nèi)理論相對濕度的波動范圍是41.0%~66.0%,柜內(nèi)實際相對濕度變化范圍是40.3%~56.7%。
為了說明柜內(nèi)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(nèi)外的絕對濕度,繪制曲線如圖7所示,通過展柜內(nèi)外絕對濕度的變化曲線可以看出,展柜內(nèi)部絕對濕度隨柜外環(huán)境絕對濕度的變化有微小波動,但是柜內(nèi)變化比柜外小得多。柜外環(huán)境絕對濕度的變化范圍是3.82~13.16 g/m3,柜內(nèi)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(nèi)的露點溫度在8~11 ℃之間,柜外環(huán)境的露點的變化范圍是-2~16 ℃之間。如圖7,第33天柜外環(huán)境的濕度相對于露點是16 ℃,環(huán)境的實際溫度為21.1 ℃(柜內(nèi)20.7 ℃),易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象,而柜內(nèi)無此威脅。
由于展柜具有一定的氣密性,其內(nèi)部濕度較外部環(huán)境穩(wěn)定,主要隨柜內(nèi)溫度的變化而變化,但因其與外界環(huán)境仍存在一定氣體交換,致使展柜內(nèi)部濕度與理論值有所偏差。正如圖7所示,當展柜內(nèi)外濕度相差不大時,內(nèi)部的絕對濕度變化相對較?。画h(huán)境濕度與柜內(nèi)濕度相差較大時,柜內(nèi)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(nèi)與環(huán)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(nèi)外的濕度差均會對柜內(nèi)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
通過對秦始皇帝陵博物院內(nèi)氣密展柜內(nèi)外的溫濕度的數(shù)據(jù)分析表明:氣密展柜內(nèi)的溫度隨展柜所處環(huán)境的溫度變化而變化;氣密展柜內(nèi)的絕對濕度維持在較為穩(wěn)定的狀態(tài),相對濕度會隨展柜所處環(huán)境溫度的變化呈反向波動;氣密展柜內(nèi)相對濕度比較穩(wěn)定,受外界環(huán)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(nèi)相對濕度的穩(wěn)定;另外,若氣密展柜所處環(huán)境的濕度長期偏高或偏低,可借助于必要的調(diào)控設施更好地維持其內(nèi)部濕度的穩(wěn)定性。