敦煌位于甘肃西北端,热工分区上属于严寒地区,依据柯本气候分类法属于沙漠气候,冬夏气候极端且常年干旱少雨;莫高窟开凿于大泉河西侧鸣沙山东麓断崖上,河谷地形及窟区人工防风林带大大削弱了戈壁滩上的强风环境,使窟区形成静风环境;莫高窟是典型的石窟、洞穴类建筑,仅有一侧有开口,与大气进行交换。地域、气候因素及石窟、洞穴类建筑特点,使得窟内环境受外界扰动较微弱,形成较为稳定的物理环境,为窟内雕塑、壁画提供了适宜的赋存环境。然而,连续几年敦煌研究院窟内物理环境监测数据显示,窟内物理环境参数出现了与以往不同的波动。首先,敦煌夏季出现短期暴雨现象,期间窟内相对湿度大幅度增加;其次,公共假期内游客量逐年骤增,个别开放洞窟窟内空气质量品质低下。为维持长久以来洞窟内较为稳定的物理环境,急需采取一定的窟内环境主动式调控手段,抵御自然及人为因素为洞窟环境带来的扰动。为遗址类空间加设机械类环境调控系统,其服务对象不是使用人员,而是遗址文物。其设备设计参数的设定与常规系统不同,应基于文物赋存适宜的环境参数及文物病害机理进行设计。因此,论文以此为基础,进行莫高窟洞窟遗址环境调控系统设计的探索性研究。论文从以下三方面进行研究:首先,基于对莫高窟窟顶气象站及窟区气象站2011-2012年气象数据分析基础上,首次对莫高窟目前窟内外物理环境进行深入研究。对于易于测试的物理参数(窟区不同位置高度风速、洞窟甬道处风速及洞窟内温湿度)运用对莫高窟现场测试手段,从洞窟位置、洞窟容积及不同季节三个角度对窟区风环境、窟内热湿环境及典型洞窟内外空气交换量进行梳理;对于难以测试的物理参数(窟内外微压差、窟内静压),基于建筑单侧开口自然通风原理,深入分析现场测试数据,并利用数值模拟的方法,探讨适用于莫高窟地形、气候及季节特点的单侧开口自然通风机理,提出了莫高窟秋季、冬季在自然通风作用下窟内外压差的理论计算公式(公式利用实测数据对其精确度得到验证),并提出了洞窟内可以存在5Pa的静压。通过现场测试、数值模拟及理论计算的方法,以期摸查当前莫高窟文物赋存环境,为洞窟遗址赋存环境人工干预系统设计提供数据支撑及科学依据。其次,针对文物赋存适宜的环境参数及文物病害机理,首次对洞窟遗址环境调控系统设计参数进行了理论探讨。该部分主要包括“系统”送风量研究及“系统”送风速度研究。基于自然通风与机械通风共同作用原理,同时考虑窟门的气密性,首次提出了莫高窟秋季、冬季为洞窟营造微正压环境防窟外空气渗透的机械通风系统送风量值计算方法(以莫高窟洞窟自然通风状态下的窟内外压差为依据,考虑窟门的密闭性,同时保证设定的缝隙漏风速度,计算而得),发现了机械通风系统送风量随窟内外温差、窟外风速参数的增加而增加,随窟门气密性的增加而减小的规律。论文针对秋季及冬季窟内外自然通风机理不同,给出了窟内外物理环境、窟门气密性及“系统”送风量之间的曲线图,该曲线可根据窟内外物理环境、窟门气密性直接读出“系统”送风量,适用于工程计算,从而为洞窟遗址赋存环境人工干预系统送风量应用到遗址保护工程奠定了理论基础及提供了直观计算方法。系统的分析了洞窟地仗层表面热湿过程,首次提出了其材质及厚度可类比与生土建筑围护结构,基于薄壁表面热湿耦合理论分析,首次量化了外界空气扰动对地仗层表面吸放湿量的影响,发现了当洞窟内风速增加将会加剧壁面吸放湿,在0-1m/s范围内,吸放湿量增加幅度大,并确定了作用周期,即这个吸放湿过程在14小时内即将完成的规律;同时考虑壁画盐害发生机理,为了避免系统运行及关闭造成壁画表面反复吸放湿从而避免激活壁画盐害,首次提出了“系统”运行后严禁引起窟内空气气流扰动增加的论点;以在自然通风状态下洞窟内的气流扰动为依据,“系统”送风速度最大为0.2m/s。为洞窟遗址赋存环境人工干预系统送风速度提供了理论支撑和工程指导。最后,利用数值模拟的方法及现场试验的方法对论文提出的洞窟遗址赋存环境人工干预系统设计参数进行验证。在确定“系统”送风量及送风速度的基础上,采用数值模拟方法验证了在论文提出的送风量作用下洞窟内可形成微正压,抵制窟外空气向洞窟内渗透。完成“系统”设备选型,在莫高窟第328窟进行现场安装,利用示踪气体测试在自然通风及机械通风作用下洞窟空气交换率、洞窟内CO2浓度下降时间、窟内典型测点空气龄及气流速度,通过对比各参数,充分验证了系统对保证窟内空气品质的有效性及窟内空气无扰动性,同时也对严寒地区沙漠气候的单侧开口遗址内部物理环境人工调控系统设计提供工程指导及成功经验。