談博物館如何利用樓宇自控系統(tǒng)監(jiān)控展廳空氣質(zhì)量

代小娟

DAI Xiao-juan

（中國國家博物館）

（National Museum of China）

1 引言

博物館是征集、典藏、陳列和研究代表自然和人類文化遺產(chǎn)的實(shí)物的場所。博物館為了保存展品和保證觀眾參觀環(huán)境的舒適性，展廳的空氣質(zhì)量變得尤為重要。而如何對(duì)展廳的空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控是我們研究的重點(diǎn)。

一般認(rèn)為，室內(nèi)空氣質(zhì)量是指定性或定量的描述室內(nèi)空氣狀況好壞的程度，它是與室內(nèi)人體健康最密切相關(guān)的一種本質(zhì)屬性。而室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)是指室內(nèi)空氣中與人體健康有關(guān)的物理、化學(xué)、生物和放射性參數(shù)。其物理性參數(shù)包括溫度、相對(duì)濕度、空氣流速和新風(fēng)量等4個(gè)物理性參數(shù)?；瘜W(xué)性參數(shù)包括二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、氨、臭氧、甲醛、苯等13個(gè)化學(xué)性參數(shù)。

2 國家博物館的樓宇自控系統(tǒng)

國家博物館展廳主要通過樓宇自控系統(tǒng)監(jiān)測和控制以下五個(gè)參數(shù)來監(jiān)控展廳的空氣質(zhì)量：溫度、相對(duì)濕度、新風(fēng)量、二氧化碳及PM2.5。

國家博物館展廳采用四管制空調(diào)機(jī)組，空調(diào)機(jī)組控制點(diǎn)位包括：送回溫濕度、混風(fēng)溫度、回風(fēng)二氧化碳濃度、新風(fēng)回風(fēng)排風(fēng)閥開度、過濾器初效、電子除塵、防凍報(bào)警、冷熱水閥開度及反饋、加濕閥開度、送排風(fēng)機(jī)啟?？刂萍斑\(yùn)行狀態(tài)、送排風(fēng)機(jī)變頻啟?？刂萍斑\(yùn)行狀態(tài)。

控制系統(tǒng)的現(xiàn)場元件包括：送回風(fēng)溫濕度傳感器、混風(fēng)溫度傳感器、二氧化碳傳感器、防凍開關(guān)、壓差開關(guān)、新回排風(fēng)風(fēng)閥執(zhí)行器、冷熱水閥執(zhí)行器、加濕閥執(zhí)行器。

主要監(jiān)控內(nèi)容包括：送、排風(fēng)機(jī)及變頻器運(yùn)行狀態(tài)，送、回風(fēng)溫濕度及含濕量，回風(fēng)二氧化碳濃度、混風(fēng)溫度，新風(fēng)、回風(fēng)、排風(fēng)閥開度，冷、熱水閥、加濕閥開度及反饋，過濾網(wǎng)，電子除塵、防凍開關(guān)及各類參數(shù)歷史曲線及運(yùn)行記錄等。

3 展廳溫度和相對(duì)濕度的監(jiān)測及控制

溫度和濕度對(duì)博物館文物的保藏和陳列有著十分重要的影響，不同類型的文物對(duì)溫濕度的需求也不同。根據(jù)國家文物局發(fā)布的《博物館藏品保存環(huán)境試行規(guī)范》博物館的溫度控制在15℃～20℃，相對(duì)濕度在45%～60%將會(huì)比較理想。而不同材質(zhì)種類的文物對(duì)溫濕度要求也不相同，有些特殊文物要單獨(dú)設(shè)定溫濕度。溫濕度的大幅度波動(dòng)， 會(huì)引發(fā)文物材料在短時(shí)間內(nèi)頻繁地?zé)崦浝淇s和濕漲干縮而造成破壞。因此，在文物保存展示的過程中控制溫濕度的平穩(wěn)性要比控制到某一具體數(shù)值更為重要，一般情況下溫度變化小于或等于2℃，相對(duì)濕度變化小于或等于5%。

博物館展廳的溫濕度主要依靠中央空調(diào)系統(tǒng)來控制，通過對(duì)空調(diào)機(jī)組自控系統(tǒng)編程、調(diào)試等手段來減小誤差，在保證展廳溫濕度穩(wěn)定性的同時(shí)，盡可能達(dá)到恒溫恒濕。

國家博物館展廳空調(diào)機(jī)組溫濕度控制的相關(guān)點(diǎn)位包括：冷水閥、熱水閥及加濕閥執(zhí)行器、溫濕度傳感器。這里系統(tǒng)設(shè)置了冷水溫度、熱水溫度及加濕濕度和除濕濕度的設(shè)定值，并根據(jù)展廳文物溫濕度需求來設(shè)定。

溫度控制原理：如果回風(fēng)溫度小于熱水溫度設(shè)定值，則打開熱水閥加溫；如果大于冷水溫度設(shè)定值，則打開冷水閥降溫。同時(shí)冷熱水閥開度大小由PID算法決定。

濕度控制原理：在設(shè)定加濕濕度和除濕濕度后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的含濕量下限值和上限值，同時(shí)將回風(fēng)濕度換算成回風(fēng)含濕量。如果回風(fēng)含濕量小于含濕量下限，則打開加濕閥加濕；如果大于含濕量上限，則關(guān)閉加濕閥，打開冷水閥除濕。加濕閥開度大小由PID算法決定。

4 展廳新風(fēng)量和二氧化碳的監(jiān)測及控制

博物館展廳在滿足文物溫濕度需求的情況下，盡可能給觀眾提供舒適的參觀環(huán)境。而室外新風(fēng)是改善展廳空氣質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，同時(shí)在空調(diào)系統(tǒng)的控制中也可以利用室外新風(fēng)來節(jié)約能源。國家博物館空調(diào)系統(tǒng)控制主要通過回風(fēng)二氧化碳濃度來調(diào)節(jié)控制展廳的新風(fēng)量，從而保證展廳空氣的新鮮程度；同時(shí)在不同工況下采用不同的運(yùn)行模式來節(jié)約能源。

4.1 控制二氧化碳濃度-保證空氣新鮮程度

在回風(fēng)管道安裝二氧化碳傳感器，并在樓控系統(tǒng)監(jiān)控界面上顯示，同時(shí)設(shè)置二氧化碳濃度限定值。在空調(diào)機(jī)正常工作的時(shí)候，樓宇自控系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)新風(fēng)閥、回風(fēng)閥和排風(fēng)閥開度即調(diào)節(jié)室外新鮮空氣和室內(nèi)回風(fēng)空氣的混風(fēng)比保證室內(nèi)CO2不超過設(shè)定值。此時(shí)的混風(fēng)系統(tǒng)中新風(fēng)閥開度實(shí)時(shí)決定了最小新風(fēng)模式下的新風(fēng)閥開啟度。

4.2 在除濕工況下采用最經(jīng)濟(jì)的方法除濕-最小的能源消能耗保證濕度

當(dāng)室內(nèi)所要求的含濕量在計(jì)算的室外含濕量和回風(fēng)含濕量之間時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)新風(fēng)閥、回風(fēng)閥和排風(fēng)閥的混風(fēng)比獲得所需的含濕量，如果室外含濕量小于回風(fēng)含濕量，混風(fēng)系統(tǒng)中新風(fēng)閥逐漸開啟，回風(fēng)閥逐漸關(guān)閉直到室內(nèi)含濕量滿足設(shè)定要求，如果室外含濕量大于回風(fēng)含濕量，混風(fēng)系統(tǒng)中新風(fēng)閥逐漸關(guān)閉，回風(fēng)閥逐漸打開，直到室內(nèi)含濕量滿足設(shè)定要求。并輔助通過調(diào)節(jié)冷水閥或者熱水閥，以獲得所需要的溫度。

當(dāng)所需的室內(nèi)空氣含濕量超出通過混風(fēng)所可能提供的范圍，即室外含濕量和回風(fēng)含濕量均大于滿足室內(nèi)工況所需的含濕量：根據(jù)計(jì)算室外和回風(fēng)焓值，如果室外焓值大于回風(fēng)焓值，則采用最小新風(fēng)模式；如果室外焓值小于回風(fēng)焓值，則采用全新風(fēng)模式（回風(fēng)閥關(guān)閉）。通過調(diào)節(jié)冷水閥把送風(fēng)溫度降到露點(diǎn)溫度除去空氣中多余的水分，達(dá)到所需的設(shè)定濕度，并輔助調(diào)節(jié)熱水閥保證所需的設(shè)定溫度。

4.3 非除濕工況，通過調(diào)節(jié)混風(fēng)比，使室內(nèi)溫度達(dá)到或者趨近于設(shè)定點(diǎn)—最小的能源消耗保證溫度

當(dāng)室內(nèi)溫度低于設(shè)定值，且回風(fēng)溫度大于室外溫度時(shí)；或者室內(nèi)溫度大于設(shè)定值，且回風(fēng)溫度小于室外溫度時(shí)?；祜L(fēng)系統(tǒng)中新風(fēng)閥朝趨向于完全關(guān)閉的方向運(yùn)轉(zhuǎn)直到最小新風(fēng)模式。

當(dāng)室內(nèi)溫度低于設(shè)定值，且回風(fēng)溫度小于室外溫度時(shí)；或者室內(nèi)溫度大于設(shè)定值，且回風(fēng)溫度大于室外溫度時(shí)?；祜L(fēng)系統(tǒng)中新風(fēng)閥朝趨向于完全打開的方向運(yùn)轉(zhuǎn)直到全新風(fēng)模式。

4.4 新風(fēng)閥關(guān)閉模式

當(dāng)混風(fēng)溫度過高或者過低、送排風(fēng)機(jī)停機(jī)包括送排風(fēng)機(jī)故障或者防凍保護(hù)報(bào)警導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)停機(jī)，混風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入全回風(fēng)模式（即關(guān)閉新風(fēng)閥）。

5 展廳PM2.5的監(jiān)測及控制

由于空氣污染，霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量產(chǎn)生了重要影響。為了保證觀眾參觀環(huán)境的舒適度和文物儲(chǔ)存、展覽環(huán)境的潔凈度，解決霧霾天氣時(shí)展廳PM2.5污染值超標(biāo)問題，博物館從技術(shù)和管理角度采取了一系列措施，提高空氣質(zhì)量。

5.1 PM2.5技術(shù)預(yù)防措施

由于室外空氣通過風(fēng)道進(jìn)入空調(diào)機(jī)組，需要經(jīng)過過濾網(wǎng)凈化后，才能送入展廳，因此過濾網(wǎng)的選擇尤其重要。博物館為了改善展廳空氣質(zhì)量，通過對(duì)調(diào)研實(shí)驗(yàn)，根據(jù)性價(jià)比采取了初效加高效PP紙過濾網(wǎng)。該過濾網(wǎng)由兩層構(gòu)成，外面一層是初效過濾紙，主要攔截空氣中的大顆粒，里面是高效過濾紙，即PP紙，主要阻擋PM2.5。

5.2 充分利用樓宇自控系統(tǒng)監(jiān)控展廳PM2.5

通過樓宇自控系統(tǒng)設(shè)置過濾網(wǎng)報(bào)警裝置，進(jìn)而及時(shí)檢查、清洗及更換過濾網(wǎng)。

同時(shí)在展廳和室外安裝PM2.5傳感器，并在樓控系統(tǒng)監(jiān)控界面上顯示。在霧霾天氣下，根據(jù)室外及展廳PM2.5檢測值或者系統(tǒng)管理員確認(rèn)，充分利用樓宇自控平臺(tái)智能控制模式，混風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入霧霾控制模式，混風(fēng)系統(tǒng)趨向最小新風(fēng)模式（滿足CO2低于設(shè)定值的最小新風(fēng)量）或全回風(fēng)模式（關(guān)閉新風(fēng)閥），從而減少室外污染空氣對(duì)室內(nèi)的影響。

6 小結(jié)

目前國家博物館通過樓宇自控系統(tǒng)監(jiān)控展廳的溫度、相對(duì)濕度、新風(fēng)量、二氧化碳濃度及PM2.5等參數(shù)，在保證文物安全的條件下盡可能地為觀眾提供舒適的參觀環(huán)境。不僅改善了展廳的空氣質(zhì)量，同時(shí)對(duì)于博物館了解自身運(yùn)行環(huán)境和提升博物館服務(wù)功能均有明顯促進(jìn)作用。

[1]鄧佳,李隆田,唐歡.空氣質(zhì)量智能化監(jiān)測系統(tǒng)在博物館中的應(yīng)用—以白鶴梁水下博物館為例[J].遺產(chǎn)與保護(hù)研究 .2017(5)：92-96.

[2]呂大偉.新風(fēng)控制系統(tǒng)在博物館的應(yīng)用[J].智能建筑與城市信息.2015(7)：61-62.

[3]代小娟.談國家博物館在霧霾天氣下展廳空氣質(zhì)量治理措施[J].智能建筑與智慧城市,2017(2)：69-72.