澳门古壁画保存环境的全年模拟分析及评价

李峥嵘 徐之锐 赵群 修同斌 孙静婷

同济大学机械与能源工程学院

澳门地处低纬，又位于海岸地区，深受海洋和季风影响，其所处气候具有温暖、多雨、湿热和干湿季明显等特点。本文研究的澳门圣母雪地殿教堂建于东望洋山之炮台上，是澳门最古老的建筑。1996年澳门政府对教堂进行内部保护和修复工程时，发现了珍贵的壁画。根据壁画保护项目组现场测试观察,结合业主介绍，教堂内的壁画目前存在诸多病害，主要有：褪色、脱落起甲、苔藓和昆虫。为了进一步探求古壁画病害的原因，项目组展开了此次相关研究。

在古壁画存放环境方面，国内外学者都有较深的研究。Adriana Bernardi[1]等研究了内塞巴尔古教堂内的壁画保存现状，分析了教堂内的温湿度梯度和壁面冷凝的可能性，得出该古壁画保存环境良好的结论。Maria La Gennusa等[2]研究了油画、壁画和陶器的保存环境指标，结合实测数据，给出了保存建议。我国的刘刚[3]等监测了莫高窟85窟3年的微环境，分析了洞窟热湿环境的变化规律对壁画保存的影响。吴依茜等[4]研究了魏晋壁画墓的保存现状以及温湿度变化规律，认为墓室湿度过高是导致病害的主要原因。

1 建筑现状

1.1 建筑本体概况

澳门圣母雪地殿教堂始建于1637年，是典型的葡萄牙17世纪修道院建筑，其构造具有罗马式建筑的特点。该古教堂由一间主殿和一间侧面的圣器室组成，平面为长方形，主体结构为砖砌筒拱。教堂的主殿建筑长宽高尺寸为17.3m×4.6m×6m，教堂天花板采用弧顶，半径为2.3m。

该古教堂每天9:00至17:30对游客开放，期间VRV空调开启，晚上关闭。各个空调末端夏季都设定温度为23℃。8个空调末端箱体对称安装于走道的两侧，贴近地面的高度安装。空调采用下送风形式，然后回风由侧面回到空调箱中。

1.2 建筑室内热湿环境现状

2011年7月，课题组对该古教堂进行了近一周的实地测试和调研。重点测试的是古教堂室内空气的温湿度、近壁面温湿度和墙体表面温度以及墙体的热成像情况。测试以自动温湿度记录仪为主，手持式测试为辅，在近壁面位置的测试为重点。对于壁画保存环境的评价指标，参考我国文物局2003年发布的《博物馆藏品保存环境试行规范》。对于壁画类，要求存放室内空气温度 20℃，日较差为 2～5℃，湿度 40%～50%，湿度日波动5%以内。

实试结果表明[5]，古教堂夏季温度在空调期间能基本满足壁画存放指标规定的温度范围，但是在非空调期间温度值偏高。另外由于空调的开停过程，致使教堂短时间内温度波动偏大。教堂夏季的湿度全天都较高。另外在空调的开停过程中，也致使教堂相对湿度波动很大，全天的湿度最大和最小峰值相差接近10%，不利于壁画保存。

2 室内热湿环境的全年预测分析

结合夏季实测数据，以及建筑本体和空调的设计参数，利用TRNSYS软件模拟古建筑全年室内空气热湿环境现状，为古壁画的保存提供参考依据。

2.1 室内全年温湿度模拟

2.1.1 TRNSYS建模理论基础

TRNSYS即瞬时系统模拟程序，最早是由美国Wisconsin-Madison大学Solar Energy实验室开发，是一款优秀的模块化的系统模拟软件。在本次模拟中，对于建筑全年的热湿平衡理论基础是热湿平衡方程。

热平衡方程：

湿平衡方程：

式中：ca，ci为室内外空气水蒸气密度，kg/m3；gwj为室内墙体表面的湿通量，kg/m2s；WIMP为产湿量，kg/h；n 为换气次数，1/h；V 为房间容积，m3；j为房间各表面数量为通风所产生的湿量变化，kg/h；WHVAC为空调所导致的湿量变化，kg/h。

2.1.2 TRNSYS建模参数设定

古教堂建筑外形尺寸的建模都是依据实测数据设定。由于建筑面积较小，空调的布置和运行都一致，故没有再分区。根据夏季实测和机组设计参数，设定夏季空调末端送风温度为17.5℃，湿度为88.1%，风速为1.5m/s。冬季出风温度28℃，不加湿，风速不变。

古教堂进出人流数量表的设定也是典型日的人流数量的实地统计值。每个人的散热散湿量视为中等劳动强度的散热散湿量。

作为开放的教堂，其门窗的开启和渗透也会将室外较多湿空气带入到室内。建筑的换气次数也会随着门窗开启次数以及门窗渗透量的变化而变化。这部分的模拟计算方法参考设计手册中的计算公式[6]。

2.2 模拟结果及分析

2.2.1 全年室内热湿环境特点

通过模拟结果分析可知，澳门古教堂全年室内温度波动幅度整体较为平缓，如图1所示，室内各月平均温度在20～26℃之间；湿度波动较大，各月平均在55%～85%之间。在夏季为高温高湿状态，冬季则相对低温低湿。夏季空调制冷作用时间较长，几乎5～9月每天都会开启，而冬季空调供热的情况仅在1月份较多。夏季，空调对室内热湿环境的影响明显，维持了室内温度的相对稳定，但是夏季湿度控制明显不当，也不符合保存指标要求。在冬季和过渡季节，则情况相对较好。

图1 古教堂室内逐月温湿度图

2.2.2 夏季室内湿热环境特点

夏季由于VRV空调的作用，致使室内热湿环境波动情况明显，故对夏季典型日室内环境做详尽分析，如图2所示。在夏季典型日里，室外温度在26～32℃之间，室外湿度整体偏高，夜间则高达90%。而室内温度相对平缓，建筑热惰性很好，仅仅在空调开停前后有明显波动，波幅为3℃左右。室内湿度全天都处于较高位置，空调的除湿作用有限，在有较多游客参观时，更是无法有效除湿。

图2 典型日室内外温湿度对比图

3 壁画表层全年温湿度预测分析

考虑到墙体的实测周期以及测量技术有限，而教堂的围护结构不宜损坏，故采用数值模拟的方式来分析壁画载体层的温湿度情况。本文采用软件CHAMPS来进行数值模拟。CHAMPS是由德国德累斯顿工业大学和美国雪城大学联合开发而成。它可以几何建模、网格划分以及个性化的添加室内外边界条件，模拟结果更加符合实际情况。

3.1 外墙热湿传递模拟

3.1.1 CHAMPS建模理论基础

多孔介质的墙体热湿传递方程主要为能量守恒方程和质量守恒方程。它体现了液态水和水蒸汽的同时传递，体现了热湿耦合的过程，突出了传湿对传热的影响。

能量守恒方程：

质量守恒方程：

3.1.2 CHAMPS建模参数设定

根据对古建筑墙体材料的实测分析，其外墙由内向外构成如表1所示。网格划分在壁画基层的较密，其他层相对稀疏。

表1 建筑外墙结构组成表

边界条件文件是专门设定的，使内外边界条件一致。CHAMPS软件中的室内温湿度边界文件是来源于TRNSYS模拟所得全年的逐时值。澳门室外天气条件与TRNSYS模拟所用数据一致，考虑室外天气的温度、湿度、直射辐射、散射辐射、风速等影响因素。

由于墙体较厚，而且多孔介质的热湿传递较慢，所以模拟设置时间为4年，此时达到周期性的平衡，取用第4年的数据来分析。时间步长设定为0.5h，墙体朝向为南向。

3.2 模拟结果及分析

3.2.1 壁画层全年温湿度特点

墙体壁画层的数据分析取用靠近室内空气的节点上的壁画表层的平均数值，如图3所示。全年墙体壁画表层温度在22～27℃之间，平均值为24.1℃。湿度在55%～75%之间变动，全年湿度平均值为68.8%。高湿状态集中在夏季，夏季壁画表层湿度均值为75.6%。

图3 古教堂壁画表层逐月温湿度图

3.2.2 壁画表层夏季温湿度特点

壁画表层在夏季的温湿度受室内空气温湿度变化的直接影响。如图4所示，在夏季典型日，空调起到了一定的降温除湿的作用。壁画表层温度一直高于室内空气温度，而湿度比室内湿度稍低。壁画层没有明显的结露危险，但是在空调的启停前后，壁画层的温湿度波动明显，为1℃/h和4%/h，会引起一定的热湿膨胀风险，对壁画保存不利。在湿通量图中，可以发现空调开启时，由于空气含湿量下降，壁画层则向室内空气传湿。在开空调前期，其传湿通量最大。而夜间则壁画表层吸收室内空气中的湿气。

图4 典型日壁画层温湿度对比图

图5 典型日壁画表层湿通量图

4 小结与建议

澳门古教堂全年室内温度分布较均匀，但是在夏季空调开停前后，短时间内波动较大。湿度全年波动明显，夏季高湿情况明显，不符合古壁画保存指标。这与夏季实测的结果十分吻合。墙体壁画表层全年温度分布均匀，但是也受夏季空调的间歇性作用而短时有温度的突变。其湿度相对稍低于室内湿度，没有明显结露风险。

综合以上分析，本文认为古建筑室内环境不宜用于保存珍贵壁画，提出改造建议如下：

1）减少夏季室内湿负荷。方法包含加强门窗的密闭性，管理进出教堂人流等。

2）改变空调形式以及管理方式。建议采用温湿度独立控制空调，并且保持空调的连续运行[7]。

3）增强外墙的隔水隔气性。可以在外墙的外侧重新做防水层隔气层，进一步减小室外环境影响。

[1]Adriana Bernardi,ValentinTodorov.Microclimatic analysis in St.Stephan’s church,Nessebar Bulgaria after interventions for the conservation of frescoes[J].Cultural Heritage,2000,(1):281-286

[2]Maria La Gennusa.Control of indoor environments in heritage buildings:experimental measurements in an old Italian museum and proposal of a methodology[J].Cultural Heritage,2005,(6):147-155

[3]刘刚,薛平,侯文芳,等.莫高窟85窟微气象环境的监测研究[J].敦煌研究,2000,(1):36-42

[4]吴依茜,张健全,俄军.甘肃省博物馆馆藏嘉峪关新城魏晋壁画墓环境分析研究[J].考古与考察,2012,(10):23-25

[5]李峥嵘,徐之锐.澳门古壁画保存环境夏季实测与评价[J].建筑科学,2012,(8):36-39

[6]陆耀庆.实用供热空调手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[7]徐方圆,解玉林,吴来明.文物保存环境中温湿度研究[J].文物