《ENERGY AND BUILDINGS》：Hygrothermal microclimatic monitoring of an 18th century religious building using non-destructive testing and its implications for preventive heritage conservation
编辑推荐：
本文针对全球变暖背景下历史建筑面临的加速劣化风险，报道了对美国德州圣安东尼奥一座18世纪世界文化遗产教堂（Mission Nuestra Se?ora de la Purísima Concepción de Acu?a）开展的非侵入式湿热微气候监测研究。通过在冷却季对三种环境策略（自由浮动、窗通风、机械制冷）下室内外空气温度（T）和相对湿度（RH）进行三维空间监测，研究人员发现机械制冷是实现文物保护导向降温的最有效策略，但其不均匀的冷却分布对遗产结构和人员热舒适构成了挑战。该研究为湿热气候下大型宗教建筑的预防性保护和气候适应性规划提供了实证依据。
气候变化与全球变暖，已成为威胁我们人类共同文化遗产的一大“隐形杀手”。对于众多历经风雨的历史建筑，特别是承载着信仰、艺术与文明的宗教建筑而言，不断加剧的气候影响正悄然加速着砖石、木材、壁画等材料的衰败过程。然而，要保护这些“活的历史”，常常需要在满足现代使用需求（如安装空调系统为信众提供舒适环境）和保护历史原真性之间，走一条微妙的钢丝。尤其是对于那些地处炎热、潮湿气候区的历史教堂，如何通过有效的冷却和除湿策略，在保护珍贵遗产与保障人员舒适之间找到平衡，相关的研究却出奇地稀少，留下了亟待填补的知识空白。
为此，来自贝尔蒙特大学建筑系的研究团队Layla Iskandar、Carlos Faubel、Paola Boarin和Antonio Martinez-Molina，将目光投向了位于美国德克萨斯州圣安东尼奥的“Mission Nuestra Se?ora de la Purísima Concepción de Acu?a”教堂。这座建于1755年、并于2015年被列入联合国教科文组织（UNESCO）世界遗产名录的古老教堂，成为了一个理想的研究案例。它地处湿热的亚热带气候区，配备有现代机械制冷系统，正面临着遗产保护与室内环境控制的典型挑战。这项研究的目的，是评估不同冷却策略下的室内微气候，并探寻其对预防性保护的意义。相关成果发表在了建筑科学领域的知名期刊《ENERGY AND BUILDINGS》上。
为达成研究目标，研究人员巧妙地采用了一套非侵入式的监测方法。他们设计并实施了一项为期一年的微气候监测，重点关注了2023年5月至9月的冷却季。监测的核心创新点在于，利用充满氦气（He）的气球，悬吊空气温度（T）和相对湿度（RH）数据记录仪，在教堂高大空间内部构建了一个三维监测网络。这些气球分布在教堂的各个功能区域（中殿、耳堂、圣坛、圣所），每个气球在不同高度（0.5米、3米、6米、9米，圣坛处还有12米）悬挂传感器，实现了对高大空间内水平和垂直方向微气候的同步、无损测量。此外，研究还设置了室内外的固定传感器进行长期数据采集。在2023年8月，研究人员特别选取了连续三天，在教堂无人状态下，对三种运行场景进行了集中监测对比：场景1（基准）：窗户关闭，无机械制冷；场景2（窗户通风）：窗户打开，无机械制冷；场景3（机械制冷）：窗户关闭，机械制冷开启（设定温度为23摄氏度）。这种“气球+三维网格”的监测策略，能够精确捕捉不同冷却策略下的热湿分层和空间分布，为评估冷却效果提供了前所未有的空间分辨率。
研究结果主要分为两部分：冷却季的整体分析和三种场景下的短期微气候分析。
- 1.
冷却季的整体分析：监测数据显示，尽管室外气候炎热潮湿（如8月平均气温31.9摄氏度，相对湿度59.0%），教堂厚重的石灰石墙体（厚达1.5米）发挥了巨大的热湿缓冲作用，使得室内环境（如8月平均温度23.7摄氏度，相对湿度60.2%）远比室外稳定和凉爽，平均温度比室外低5.9至8.2摄氏度。然而，通过对每日温湿度跨度（日最高值与最低值之差）的分析，并参照意大利UNI 10829:1999标准（该标准规定，为保护文物，日温度变化跨度不宜超过2摄氏度，日相对湿度变化跨度不宜超过8%），研究发现冷却季的“每日跨度指数（DSI）”仅为23.3%。这意味着，在超过75%的日子里，教堂室内环境的日波动超过了该标准建议的稳定性阈值，其中相对湿度的日波动是主要“肇事者”。这表明，尽管建筑围护结构保温性能良好，但室内湿度波动仍可能对敏感的文物材料构成潜在的机械损伤风险。
- 2.
三种场景下的短期微气候分析：借助三维气球监测网络，研究清晰地揭示了不同冷却策略下的空间微气候差异。
- •
场景1（自由浮动）：室内温度分层明显，从地面附近的24.5摄氏度稳定上升到穹顶处的27.7摄氏度。相对湿度则呈现相反的垂直梯度，从地面附近的约69%下降到穹顶的约60%。空间分布图显示，在无主动干预下，教堂内温度和湿度分布相对均匀，但存在由建筑几何形状和热质量引起的局部微弱气流路径。
- •
场景2（窗户通风）：短时间（30-60分钟）的窗户开启对室内大部分区域的温湿度影响微乎其微，仅在最高的穹顶处引起了可检测的变化（如60分钟后温度上升0.58摄氏度，相对湿度下降3.47%）。然而，持续24小时的通风导致室内整体温度小幅上升，垂直温度梯度增大至4.9摄氏度（地面至穹顶）。更重要的是，它引入了更多的室外湿度波动，加剧了室内相对湿度的垂直差异（地面与穹顶差值达12.2%），这可能不利于文物保存。
- •
场景3（机械制冷）：机械制冷是降低低层和中部区域温度最有效的策略。然而，它的冷却效果分布极不均匀。在接近空调出风口的较低位置（0.5-6米），温度显著降低，达到了接近设定点的23-24摄氏度。但在更高的位置，尤其是穹顶（12米），温度不降反升，达到了28.6摄氏度，甚至高于自由浮动状态。这导致了最大的垂直温度梯度（4.9摄氏度）。同时，机械制冷在降低中低层空气绝对湿度方面有效，但由于制冷时空气温度降低导致相对湿度计算值升高，加之冷空气无法有效到达高处，造成了湿度在垂直方向上的异常分布，甚至在穹顶形成了较高的相对湿度区。
归纳研究的结论与讨论，本项研究为湿热气候下历史教堂的预防性保护提供了关键的实证见解。首先，证实了机械制冷是降低历史建筑室内温度、实现文物保护导向降温的最有效策略。其次，尖锐地指出了现有机械制冷系统的一个重大缺陷：冷却效果在空间上高度不均匀。这种不均匀性不仅造成了巨大的垂直温差，可能影响人员的热舒适体验，更重要的是，它可能在建筑内部形成“冷热交界”的冷凝风险区，并对高处（如穹顶壁画、木结构）的文物保存构成潜在威胁，因为那里的温湿度条件并未得到有效改善。相比之下，单纯的窗户自然通风在湿热气候下对改善整体热环境作用有限，且会引入不稳定的湿度波动，对文物保护可能弊大于利。最后，研究成功地验证了基于氦气球的三维、非侵入式监测技术，是评估大型遗产空间微气候的一种高效、可行且对建筑无损的方法，为类似建筑的精细化管理提供了技术范本。
总而言之，这项研究的重要意义在于，它将历史建筑微气候研究的焦点，从以往占主导的寒冷气候下的采暖问题，扩展到了日益受到关注的湿热气候下的冷却与除湿挑战。它强调，在评估历史建筑的HVAC（供暖、通风与空调）系统性能时，不能仅仅关注空间某一点的平均温度，而必须审视其在三维空间内的分布均匀性。该研究为遗产管理者、保护工作者和工程师提供了直接的决策依据：在湿热地区的历史教堂中引入或优化机械制冷系统时，必须精心设计气流组织，确保冷空气能够有效地送达并混合于整个高大空间，特别是文物所在的区域，以避免因冷却不均引发的新的保护风险。这为实现历史建筑的可持续利用、提升其气候适应能力，以及制定科学的预防性保护策略，奠定了坚实的数据基础和理论方向。
