设计仿真 | 东京文化遗产研究所采用CFD解决温湿度管理问题
案例背景
国立文化遗产机构东京文化遗产研究所主要负责文化遗产的调查研究、保存及修复等。从2005年开始，为了提升对文化遗产的温湿度环境的把握与环境管理开始使用流体分析。流体分析在设计、维持更节能的保存环境上，正在成为重要的研究手段之一。
位于东京上野公园的东京文化遗产研究所是对日本及海外美术整体进行研究的组织，1930年作为帝国美术院的附属美术研究所，1952年成为东京文化遗产研究所，除了以往的美术部之外，还成立了处理无形文化遗产的艺能部，以及与现在的保存修复科学中心相连的保存科学部。
保存修复科学中心主要研究领域有：文物所处的保存环境研究、文物材质和结构的分析科学、研究对文物的生物影响及其防止对策的生物科学、以及修复材料和传统技术的研究、近代文化遗产专业。
东京文化遗产研究所保存修复科学中心主任研究员犬冢将英主要从事保存环境和分析科学的研究。造成文物劣化的原因有很多，其中关于物理化学性原因，可以举出例如温度、湿度、紫外线、红外线等光、以及大气污染、建筑材料中产生的化学物质等，生物性的原因则是霉菌和害虫等。此外，温度和湿度与其他劣化因素有密切关系，因此它们成为重要的管理项目。为了进一步调查该温湿度环境，东京文化遗产研究所利用流体分析工具进行深入研究。
重新审视的文化遗产保存环境
文化遗产根据纸、金属等不同的材料构成，要求有适当的温度和相对湿度的保存条件，不仅在展示柜中需要这样，在保存其数倍数量的收藏库中也是一样的。保存条件的创造通常使用空调设备，犬冢先生表示：在泡沫经济崩溃前，有许多博物馆已经建成，而现今设备的老化正在加剧。另外，地震以后，对保管的节能要求也越来越高。犬冢先生说：“从这一点来看，现在是重新审视文化遗产保存研究的时期”。
因为原本是建筑物，所以即使发现了故障也不能简单地重建。如果不进行充分的讨论就改造的话，可能会给文化遗产带来伤害或造成无法挽回的损失。因此他们通过研究，采用流体分析进行数值仿真，仅是数值仿真，并不会对文化遗产产生任何伤害，也不会花费实验相关经费。以事前低成本的验证、避免故障为目的，判断导入流体解析软件是十分合适的。
展示箱内的风扇仿真尝试
犬冢先生负责的案件之一就是三重县综合博物馆的大型展柜。三重县综合博物馆于2014年4月开馆。博物馆内具有外尺寸宽13米，深2米，高6米以上的2层楼水平的墙壁展示柜，是为了展示大型绘画和屏风等，在国内来说也属于大规模展示柜。
在设计这个展示柜的时候，主要担心的是由灯具发热引起的高温和箱内温湿度的梯度。在展示纵向长的文物遗产时，如果上下温湿度条件发生变化，文物的伸缩就会产生差异，造成损伤。为了避免这种情况，该馆研究了希望通过风扇使展示箱内的空气进行强制循环，但据说当时在展示柜内进行空气强制循环本身很少见，也没有仔细调查强制循环会带来什么结果。
风扇设置在机箱上部，展示机箱内的空气通过狭缝吸入，通过背面的通风管输送到下部，从机箱底面的出风口通过有调湿剂的空间后再输送到机箱内，设计方案如图1所示。
图1 展示箱的结构示意图
箱内风速设定在0.3m/s以下，另外，作为热源的LED横向排列226个，其在上部配置4列，在下部配置1列。上方LED布置的空间和展示空间用热玻璃隔开。另一方面，调湿剂由硅胶等构成，在模拟中，调湿剂表面的相对湿度假定为一定的60%。在这些条件下，对风扇强制循环的存在和不存在的情况进行了稳态分析。
图2 从正面展示的温度示意图
（左图表示无强制循环，右图表示有强制循环的情况）
仿真结果表明，在有循环的情况下，温度梯度被抑制，同时成为与外部接近的温度，在没有循环的情况下，梯度比外部稍高（图2）。关于相对湿度，无论在哪一个条件下都没有梯度差，由于有强制循环的温度下降，所以可以确认相对湿度为适当的值（图3）。
图3 从正面展示的湿度示意图
（左图表示无强制循环，右图表示有强制循环的情况）
最后，实际在展示箱内的36处测定了温湿度（图4）。在图表中的3月26日15:10～27日21:00期间，LED照明点亮，不进行强制循环。3月31日17:15-4月2日8:55期间，LED照明点亮并强制循环。其他时间不进行LED的点亮及送风。
图4 温度和相对湿度曲线图
根据实测的结果，也确认了导入的效果。虽然模拟在比较高的温度下得出了计算结果，但相对湿度与实测值也展示了良好的一致性。
分析研究拥有文化遗产的寺庙的环境
各地的寺社拥有文化遗产也很多，但是这些文化遗产的保存环境也是一个难题。几年前进行调查的沿岸寺庙，虽然拥有指定文化遗产的绘马，但是湿度很高，有时会达到90%以上。
这座寺庙的正殿周围有绘马堂。平时这个空间是封闭的，而且连空调的电源都很难确保，因此在STREAM®上进行了有效通风以降低湿度的状况研究。
图5 寺庙内部示意图
橙色墙壁附近是绘马堂，被黄绿色和紫色墙壁包围的部分是正殿。(1)是风的入口，(2)是出口。另外在(2)的上部开了缝隙，y轴方向北，x轴方向东，北边和东边是山坡。
对绘马堂周边的风向、风速进行调查后，提出了在进风处和出风处打开通风口的提案(图5)。外部风速从西向东为0.5m/s。考虑设置(1)的入口，(2)的出口，还有(3)的狭缝状的缝隙，改变打开和关闭的条件，模拟比较了绘马堂内部的气流情况(图6)，据说通过这个可以确认(3)和(2)的上部的通风口打开等的效果。
图6 寺内解析结果的一个例子，打开入口、出口和(3)窗户的情况
还有一个例子，在设计东京都内的收藏库时，研究了如何配置空调和架子才能使空气整体流通并保持通气性。据说这是作为决定版面设计的参考。实际完成时，还测量了各个点的风速，确保万无一失。
根据目的区分使用分析工具
犬冢等人还使用了清水建设开发的热、换气网络计算程序“NETS”。这是配置墙壁和零件等，计算伴随外部气候变化的内部温湿度的工具。用于计算室内的平均温湿度，调查全年气候变化引起的室内变化等。其优点是可以在短的计算时间内调查季节变动，但另一方面，很难调查室内的空间分布。
为了预测其室内分布，研究了包括商用CFD软件，在引进的时候采用了STREAM®。STREAM®具有丰富的案例库，同时具有强大的技术支持团队。据说今后还想做更精密的湿度计算。“对于文化遗产来说，湿度比温度更重要，因为调湿材料的模型化很难，所以三重县综合博物馆委托Cradle进行计算。将来如果能再现调湿剂的吸放湿功能就好了”犬冢先生说。不仅是调湿剂，纸、土、木、石等也具有调湿的性质。犬冢说，如果能准确预测佛像等吸放湿的程度，应用的场合就会更加广泛。
半室外也是很大的课题
今后想做的事情之一，是模拟半室外条件下的文化遗产所处的环境。现在涉及的有福冈县装饰古坟的事例。福冈县和熊本县有很多古坟。这些古坟所处的状况有室外、地下、保护设施内等。为了保存这些文化遗产，将通过模拟实验研究古墓内部和保护设施内部的环境。
另外，在震灾中受损的文化遗产的保管也是重要课题。2011年3月东日本大地震后，日本政府开展了对受灾地区文化遗产的救助活动。弄得满身是泥的东西该放在哪里保管成了问题。文化遗产有紧急避难到废弃的校舍等地的，有现在还在原地的，也有转移到环境整洁的地方的。在这样的保管场所，也有因紧急情况而采用双层墙壁等措施的事例，但如果能进行模拟实验，研究保管场所也会变得更加容易。
据说，现在全世界都在重新研究空调控制和文化遗产保存环境。空调的性能虽然得到了压倒性的改善，但是越用越费水电费。但如果采用简易的方法，不知道会对文化遗产产生怎样的影响，在进行这样的研究时，分析工具将发挥巨大的作用。
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