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解析事例・インタビュー

東京文化財研究所 様
文化財の保存で重要な温湿度管理にCFDを活用し
省エネにも役立てる

[前編] 文化財の調査研究や保存・修復などを担う国立文化財機構 東京文化財研究所では、2005年ごろから文化財の温湿度環境の把握、環境管理に役立てるために流体解析を活用し始めた。さらにより省エネの保存環境を設計、維持する意味でも、流体解析は重要な検討手段の一つになりつつあるようだ。

写真1 東京文化財研究所 保存修復科学センター
主任研究員 犬塚将英 氏

 東京・上野公園に所在する国立文化財機構 東京文化財研究所は、日本および海外の美術全般について研究を行う組織である。1930年に帝国美術院の附属美術研究所としてスタートしたのち1952年に東京文化財研究所となり、従来の美術部に加え、無形文化財を扱う芸能部、そして現在の保存修復科学センターにつながる保存科学部が発足した。

 

 現在の保存修復科学センターは、主に文化財が置かれる保存環境に関する研究、文化財の材質や構造を調べる分析科学、文化財への生物的な影響やその防止策を研究する生物科学、また修復材料や伝統技術の研究、近代文化遺産専門の研究分野に分かれる。

 

 東京文化財研究所 保存修復科学センター 主任研究員の犬塚将英氏は、主に保存環境と分析科学の研究に携わっている。文化財に劣化をもたらす原因はさまざまである。物理化学的なものについては、温度、湿度、紫外線や赤外線などの光、また大気汚染や建築材料から出てくる化学物質などが挙げられる。生物的なものはカビや害虫などだ。なお温度および湿度については他の劣化要因とも密接な関係があり、重要な管理項目になるという。この温湿度環境を調べるために、流体解析ツールを活用している。

見直されている文化財の保存環境

 文化財には、紙や金属などの文化財を構成する材料に応じて、適切な温度や相対湿度の条件がある。これは展示ケースの中でも、その何倍もの量が保存されている収蔵庫においても同様だ。これらの管理は空調設備を使ってされていることが多い。バブル崩壊前にはたくさんの博物館が建設されたが、現在、設備の老朽化が増えているという。また震災以後、保管に対る省エネ要求も高まっている。こういったことから現在は、「文化財の保存研究が改めて見直されている時期」なのだと犬塚氏は言う。

 

 もともと建造物なので不具合が発覚したからといって簡単に建て直すことはできない。また十分に検討をせずに建ててしまうと、文化財にダメージを与えてしまうなど取り返しがつかなくなる可能性も出てくる。そこで検討したのが流体解析ツールによるシミュレーションだ。シミュレーションであれば、文化財に影響を与えず、実験に関する費用も掛からない。そこで事前の低コストでの検証、トラブル回避を目的として、流体解析ソフトウェアの導入が適切だと判断したという。

図1 展示ケースの構造の概略図
※クリックで拡大

展示ケース内のファンは初の試み

 実際に犬塚氏が担当した案件の一つに三重県総合博物館の大型展示ケースがある。三重県総合博物館は2014年4月に開館した博物館である。外寸約幅13m、奥行き2m、高さ 6m以上と2階建てレベルの壁面展示ケースは、大型の絵画や屏風などの展示を想定しており、国内でも大規模のものになる。

 

 この展示ケースの設計の際に心配されたのが、照明器具の発熱による高温と、ケース内での温湿度の勾配だ。縦に長いものを展示した時に、上下で温湿度の条件が変わると文化財の伸び縮みなどに違いが生じてダメージを与えてしまう。これを回避しようと同館が検討したのが、展示ケース内の空気をファンによって強制循環させる方法である。だが当時は、展示ケース内の 強制循環自体が珍しく、強制循環でどのような効果があるかをきちんと調べた例はなかったという。

 

 ファンはケース上部に設置され、展示ケース内の空気はスリットを通じて吸引されて背面にあるダクトを通じて下部に送られ、ケース底面の吹き出し口から調湿剤のある空間を通過したのち、再びケース内に送られるという設計だった(図1)。

 

 ケース内の風速は0.3m/s 以下に設定された。また熱源となるLEDは、横に226個並び、それが上部に4列、下部に1列配置される。上部のLEDが配置される空間と展示空間は、熱切りガラスで仕切られている。一方、調湿剤はシリカゲルなどで構成され、シミュレーションでは調湿剤の表面の相対湿度は一定の60%と仮定された。これらの条件で、ファンによる強制循環のありとなしの場合を定常解析した。

図2 正面から見た温度コンター図
(左図は強制循環なし、右図は強制循環ありの場合)
※クリックで拡大

 

図3 正面から見た相対湿度のコンター図
(左図は強制循環なし、右図は強制循環ありの場合)
※クリックで拡大

 

図4 温度および相対湿度のグラフ ​※クリックで拡大
実線は展示ケース内の各高さにおける実測の温度または相対湿度。
●はSTREAMで解 析した、LEDを点灯して循環なしまたはありにおける温度または相対湿度。それぞれのグラフの3月26日15:10 ~ 27日21:00の 期間:LED点灯・循環なし、3月31日17:15 ~ 4月2日8:55までの期間:LED点灯・循環あり、他の期間はLED・循環ともになし

 

 シミュレーションの結果、循環ありの場合は温度勾配は抑えられるとともに、外部と近い温度となり、なしの場合は勾配があり外部より少し高くなることが確認できた(図2)。相対湿度についてはどちらの条件でも勾配の差はなく、強制循環ありの方が温度が下がったため相対湿度は適切な値になることが確認できた(図3)。

 

 また、実際に展示ケース内の36カ所で温湿度を測定した(図4)。グラフ中の3月26日15:10 ~ 27日21:00の期間では、LED照明を点灯し、強制循環は行わなかった。3月31日17:15 ~ 4月2日8:55までの期間では、LED照明の点灯および強制循環を行った。それ以外の期間ではLEDの点灯および送風は行っていない。

 

 実測の結果からも、導入による効果を確認できた。またシミュレーションとの一致についても、シミュレーションの方が比較的高い温度で計算結果が出たものの、相対湿度については実測値とよい一致を示した。

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プロフィール



 

独立行政法人国立文化財機構 東京文化財研究所
設立 1930年
活動内容 文化財の調査研究、保存修復など
代表者 所長 亀井 伸雄
本社 東京都千代田区
URL http://www.tobunken.go.jp/

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