博物馆恒温恒湿文物环境控制系统设计

温湿度的变化作为影响文物长期保存的主要环境因素,不但带来文物的物理强度减弱,无法恢复的形变,更在腐蚀和霉变等文物受损过程中起直接作用和间接协同作用,所以一直以来博物馆都把温湿度的控制作为文物环境控制的首要条件。很多博物馆针对具体情况和要求,对环境要求较高的易受损的文物,特别是有机质文物,进行文物环境控制系统的设计。在现有的资金和技术条件下,开展各种系统的研究,进行合理的设计,将有利于获得较好的解决方案。

2现代博物馆恒温恒湿系统的优化

在现代博物馆恒温恒湿系统设计过程中,在严格执行有关国家设计标准的前提下,对所保存对象的适宜环境进行分析,充分把握和理解系统的特点和要素。博物馆文物环境控制系统的能耗是保证系统长期有效运转的关键因素之一。在我国,大部分博物馆的Et常运行经费有限,许多系统建立以后,只能做到部分季节启动,甚至不能昼夜运行。故降低环境控制系统的能耗尤为重要。

采样的节能技术有如下方式:

(1)应用变频技术。变频器包括整流电路和逆变电路两部分,可分为直接变频器、间接变频器和正弦脉宽调制变频器三种。为适应空调负荷的变化,过去一般采用节流阀或挡板调节,电机转速不变,浪费了大量电能。变频技术的成熟,使得空调系统的风机、水泵实现无级调速成为现实。

(2)免再热的恒温恒湿空调系统。文物存放环境的最大特点就是室内散湿量极小,房间的热湿比数值趋于无穷。若将新风单独处理到与室内空气含湿量相同的机器露点,然后同室内回风再混合,通过对混合空气进行干冷却处理,则在控制室内温度的同时也限制了相对湿度的波动范围。这不但满足了试验室控制精度的要求,同时免除了再热造成的冷热量抵消。

(3)节能型高精度恒温匣湿机。节能型高精度恒温恒湿机采用可进行能量调节的变容量压缩机,采用风冷再热冷凝器取代电加热器作为再热补偿部件并采用冷媒三通比例调节阀作为再热量的调节机构,增加了一些必要的系统电磁阀和单向阀控制上采用PLC控制器和PID控制方案。其主要节能技术有:a.采用了进行能量调节的便容量压缩机;b.采用风冷再热冷凝器取代电加热器Ic.采用冷媒三通比例调节阀调节再热量;d.采用PLC控制器和PID控制方案。

3博物馆文物恒温恒湿环境控制系统实例

3.1设计主题

大连市博物馆展柜恒温恒湿系统由于采用了较为优化的控制手段,在12小时内展柜内测试点的温度和相对湿度分别在±0.2℃和±3%范围内波动,高于设计要求。同时与空气处理机组表冷器相接的冷冻水回路采用了电动三通阀控制冷冻水流量以满足不同工况的冷量需求。由于几个通柜内基本上为陈列书画,系统在设计上采用整体式的控制系统。对于大多数恒温恒湿系统都存在能源浪费的现象,本系统采用了控制冷冻水流量的方法分不同工况进行调节和控制。

3.2系统组成

根据大连市博物馆展柜的实际应用场合,其恒温恒湿系统设计成由以下四个子系统组成冷源、空气处理机组、控制柜和计算机监控系统。冷源为室外冷水机组,外接一个恒温水箱,用于水温的精确调节。空气处理机组集净化、制冷、除湿、加热、加湿等功能于一体,不同季节的空气处理过程由计算机自动调节,在机组内完成全部的空气处理过程。设计时采用了三台空气处理机组分别满足不同区域温湿度要求展柜的需求。风管风阀可切换,若发生故障可互为备用。控制柜及其计算机监控系统,利用PID调节器和可编程控制器PLC,通过控制电加热器和加湿器的通、断及其通断的组数以确保送风温湿度及其精度,具有节能、自动均衡运行的特点系统还装有多种保护装置。该系统可以方便地开关空调机组、查看运行信息和修改技术参数,具有温湿度及总风量设定和调节、机组运行监测、系统维护设定、手动自动选择运行模式等功能。

3.3节能设计

根据博物馆对文物存放的温湿度要求,如书画的存放空间温度不高于22±1 、湿度为(60±5)%,博物馆恒温恒湿系统无外乎处理以下四种典型工况高温高湿、高温低湿、低温低湿、低温高湿。对于高温高湿(夏季)工况,在冷冻水温度不变的情况下,冷冻水流量应该最大,使得表冷器同时具有冷却和除湿功能,再由加热器和加湿器进行热湿补偿。对于高温低湿(秋季)和低温高湿(春季)工况,根据文物保护中湿度优先控制的原则,调整冷冻水流量适中使得湿度优先达到要求,此时加热器工作,但加湿器不工作。对于低温低湿(冬季)工况,表冷器不再工作,即冷冻水流量为零,加热器和加湿器工作。由此可见,在春秋过渡季节,在冷冻水回路中接人流量调节阀以控制冷冻水流量,一方面可以达到合适的温湿度,另一方面实现了节能。长时间的运行结果也证明了该恒温恒湿系统具备了节能、稳定、可靠和操作便利等四大特点,是文物得以顺利展出的一项重要的技术保证。

4博物馆文物环境控制系统的展望

相对于工业场所的恒温叵湿度环境控制系统,博物馆文物环境有一定的特殊性。作为文物预防性保护的最重要组成部分,在经济状况允许的条件下,应逐步建立博物馆脆弱文物的恒温恒湿环境控制系统。目前已有许多博物馆取得一定的建设经验,但由于缺乏研究,很多设计单位仅仅按照建设方的要求,根据已有的其他场所(如恒温恒湿精密制造车间、测试室等)的设计经验进行,对于文物环境要求的特性理解上显得不足。因此,难以在系统的合理l生、有效性、能耗节约等方面得到高度的统一。为此,必须对如下问题进行研究。

4.1优化控制

针对不同要求的应用场合和控制精度,需要采用不同的恒温恒湿手段和控制技术。尤其是对于博物馆的恒温匣湿系统,由于是面向珍贵文物的保护,这对系统控制精度和可靠性等方面要求更高。优化控制研究着重对整体式的控制方案进行研究,考察在全负荷范围内及对象动态特性发生变化时,如何有效实时调节各回路使控制器参数和系统工作点最佳以到达系统优化的目的。

4.2节能设计

大多数恒温恒湿系统大量存在能源浪费,主要是因为处理空气在经过表冷器冷却的同时,如果其表面温度低于处理空气的露点温度将必然发生除湿,而为保持一定的温度和湿度在处理空气离开表冷器之后又必须加热、加湿。为此,应比较不同的节能设计所取得的效果,进而针对博物馆各种文物保护的特点与要求提出相应的优化节能设计方案。

4.3系统管理策略研究

加强运行管理是系统节能的另一条重要途径,为此针对博物馆空气调节系统的管理现状,就能量管理、末端参数计量、设备启停优化、水电气用量的计量与考核等方面提出一套切实可行的措施和技术操作规范。随着博物馆事业的发展,做好预防性保护,必须研究文物受损机理的环境因素,在明确合理的环境指标前提下,结合文物陈列展示、收藏、运输等环节和不同质地的文物,开发高效、节能、低维护成本、针对对象的文物环境控制系统尤为重要。这需要工程设计、文物保护、文物管理等有关专家的共同努力。

博物馆恒温恒湿文物环境控制系统设计

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