國家典籍博物館展廳空調(diào)和自控系統(tǒng)

1 國家典籍博物館概況

國家典籍博物館是依托于國家圖書館宏富館藏，以展示中國典籍、弘揚中華文化為宗旨的國家級博物館，是國家圖書館社會教育職能的新拓展。國家典籍博物館是集典籍收藏、展示、研究、保護(hù)、公共教育、文化傳承、文化休閑于一體的綜合性博物館，是中華典籍文物的收藏中心、典籍文化的展示中心、典籍文化的研究中心、世界典籍文化的交流中心、文化教育基地和公眾文化休閑中心［1］。國家典籍博物館于2012年7月，由中央機構(gòu)編制委員會辦公室批準(zhǔn)正式掛牌成立，是國內(nèi)首家典籍博物館，也是世界同類博物館中面積較大、藏品較豐富、代表性展品較多的博物館。2012年至2014年，結(jié)合國家圖書館總館南區(qū)維修改造工程，設(shè)立國家典籍博物館專區(qū)，建筑總面積11549平方米，共10個展廳。2014年9月9日，國家圖書館建館105周年之際，國家典籍博物館正式開館并面向公眾免費開放。首展系統(tǒng)地展示國家圖書館館藏精品，時間跨度從3000多年前的甲骨到現(xiàn)當(dāng)代名家手稿，藏品類型從甲骨、敦煌遺書、善本古籍、金石拓片、輿圖、樣式雷圖檔，到民族文字古籍、名家手稿、西文善本，展覽全面生動地呈現(xiàn)中華民族多元豐富的書籍文化以及國家圖書館豐富的館藏。

2 博物館展廳的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)

國家典籍博物館館藏典籍作為國家重要文獻(xiàn)，是我國珍貴的文化遺產(chǎn)，具有極其重要的研究價值、珍藏價值和文物價值，要求盡可能地世世代代流傳下去。為了實現(xiàn)典籍文物的永久保存，最大限度地延長典籍文物的保存壽命，必須對典籍文物的保存、展示環(huán)境提出嚴(yán)格的要求，溫度、相對濕度、光照、空氣污染物、有害微生物和昆蟲等方面都需要嚴(yán)格控制。

國家典籍博物館不同于其他綜合博物館，國家典籍博物館展品的材質(zhì)相對比較單一，典籍文物的材質(zhì)主要為動植物材料，藏品類型有紙張、文獻(xiàn)、經(jīng)卷、書法、國畫、書籍、拓片、郵票、絲毛棉麻紡織品、帛書、甲骨制品等，該類藏品對環(huán)境溫、濕度非常敏感，而且對溫、濕度的波動控制指標(biāo)的要求比具體的溫、濕度值更重要?！恫┪镳^建筑設(shè)計規(guī)范》相關(guān)條文規(guī)定，設(shè)置空氣調(diào)節(jié)設(shè)備的藏品庫房、展廳，其溫度和相對濕度應(yīng)保持穩(wěn)定，溫度日較差應(yīng)控制在2～5℃范圍，相對濕度日波動值不應(yīng)高于5%［2］。國家圖書館典籍文物保存在善本特藏庫內(nèi)，保存環(huán)境非常穩(wěn)定，溫、濕度常年控制在20±1℃，50±5%。

通過考察調(diào)研國內(nèi)外主要博物館的展廳空調(diào)設(shè)計、運行情況，尤其是書畫類文物的展廳，綜合考慮文物安全、參觀者的舒適感以及運行能耗的需要，確定展廳室內(nèi)溫度全年控制在22±2℃，濕度控制在50±5%，展廳空調(diào)采用恒溫恒濕空調(diào)，使之與典籍文物在善本特藏庫內(nèi)的保存環(huán)境相近。藏品展覽安放在特殊展柜中，展柜內(nèi)配置獨立的濕度控制和空氣凈化設(shè)備，濕度控制在50±5%，溫度由展廳大環(huán)境保證，貫徹恒濕的原則是為了避免展柜內(nèi)外溫差較大造成結(jié)露，影響文物安全。

3 展廳圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能改造

國家圖書館總館南區(qū)于1987年落成，由13個單體有機地組成一個建筑群，總體布局對稱嚴(yán)謹(jǐn)、高低錯落、館園結(jié)合，外立面以白色水泥剁斧石為基座，墻面為淡藍(lán)色小面磚，配以孔雀藍(lán)琉璃瓦的大屋頂，充分體現(xiàn)了民族文化傳統(tǒng)特色，該建筑曾被評為 “八十年代北京十大建筑”榜首?？傪^南區(qū)維修改造是以 “修舊如舊，完善功能，提高品質(zhì)”為總體方針，在保持原建筑風(fēng)貌和結(jié)構(gòu)基本不變的前提下，實現(xiàn) “外觀修繕見新，館藏圖書安全，功能調(diào)配合理，陳舊設(shè)備更新，系統(tǒng)配置合理，品質(zhì)有所提升，節(jié)能改造見效”的改造目標(biāo)。典籍博物館屬于改造工程，展廳空調(diào)屬于工藝性空調(diào)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能需滿足工藝性要求。由于外墻、外窗朝向以及窗墻比受現(xiàn)狀條件限制不能改變，因此根據(jù)現(xiàn)狀條件及本次改造采取的節(jié)能措施校核是否能夠滿足工藝要求。改造前，所有外門、窗均為單層玻璃鋁合金門窗，門窗的氣密性較差，外墻無保溫層。本次維修改造依據(jù)北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》DB11／687—2009進(jìn)行建筑節(jié)能改造，外墻外飾面要求保持原狀，外墻外保溫條件受限，采用內(nèi)保溫，保溫材料為預(yù)制玻璃棉復(fù)合板 （燃燒性能A級）；屋面保溫層原為加氣混凝土板，本次改造在屋面板內(nèi)側(cè)增加保溫層，采用噴超細(xì)無機纖維；外門、窗全部更換為斷橋鋁合金中空玻璃門、窗，玻璃選用輻射率不大于0.25的Low-E中空玻璃 （5＋12＋5），間隔層氣體為空氣。改造后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能符合規(guī)范規(guī)定的工藝性空調(diào)區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的要求［3］。

4 博物館恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)

博物館空調(diào)系統(tǒng)的任務(wù)就是確保文物的安全、延長文物的壽命，為之創(chuàng)造適宜的、相對穩(wěn)定的小氣候環(huán)境，包括相對潔凈的室內(nèi)空氣、適宜的溫濕度，以延緩文物的自然損壞進(jìn)度。因為典籍博物館展廳對溫、濕度有特殊要求，需由空調(diào)系統(tǒng)控制穩(wěn)定的溫度和濕度參數(shù)，全年365天24小時運行。

4.1 展廳恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)

國家典籍博物館展廳數(shù)量多、面積大、布置分散，且屬于改造工程，若展廳空調(diào)機組選用風(fēng)冷恒溫恒濕專用空調(diào)機組，則投資大、COP低、噪聲大、效率低、運行費用高，且如此多的室外風(fēng)冷機組也會破壞建筑外觀效果，違背了本次維修改造的總體原則。最終結(jié)合現(xiàn)狀條件和改造的總體要求采用常規(guī)空調(diào)機組，通過高可靠的集中冷熱源和空調(diào)自控手段達(dá)到恒溫恒濕的空調(diào)效果。冷源由館區(qū)冷凍機房水冷冷水機組供應(yīng)，冷凍水供回水溫度為6℃／11℃，熱源由館區(qū)市政熱力熱交換站供應(yīng)，熱水供回水溫度為60℃／50℃。展廳空調(diào)機組采用兩管制、電再熱一次回風(fēng)全空氣雙風(fēng)機低速空調(diào)系統(tǒng)。為了滿足展廳室內(nèi)溫濕度要求，空調(diào)機組由混合段、綜合過濾段、表冷／加熱段、電再熱段、加濕段、風(fēng)機段等功能段組成。原理圖見圖1。

圖1 展廳空調(diào)機組原理圖

（1）新風(fēng)過濾：在新風(fēng)管上設(shè)置新風(fēng)過濾器，由初效過濾器和活性炭過濾器組成，對室外新風(fēng)中的懸浮顆粒物和有害氣體進(jìn)行過濾凈化。

（2）綜合過濾段：新風(fēng)和回風(fēng)混合后經(jīng)過綜合過濾段：粗效＋中效過濾，粗效采用的是3M HAF靜電吸附高流量板式過濾器，中效采用的是袋式無紡布過濾器。3M HAF空氣過濾器應(yīng)用聚丙烯原材料注入靜電技術(shù)及防菌劑，表面制出凸起和凹槽并具有開放孔洞結(jié)構(gòu)，能有效地利用靜電引力捕促和承載顆粒，可產(chǎn)生最大空氣流量和最小壓差，使之達(dá)到過濾效率高、阻力低、100%防潮、防霉和容塵量大。

（3）表冷／加熱段：表冷／加熱段為一組冬、夏季共用盤管，夏季通6／11℃的冷水，用于空氣冷卻除濕；冬季通60／50℃的熱水用于加熱。

（4）電再熱段：夏季為了準(zhǔn)確控制室內(nèi)相對濕度不大于5%，在機組內(nèi)設(shè)置了電再熱，微調(diào)室內(nèi)相對濕度，滿足文物藏品對濕度的苛刻要求。

（5）加濕段：展廳對濕度有較嚴(yán)格的要求，冬季空調(diào)系統(tǒng)采用電熱加濕器進(jìn)行加濕，為避免水中水垢沉積于加熱元件表面而影響精度，加濕水源采用純凈水，由館區(qū)集中純凈水循環(huán)系統(tǒng)供應(yīng)。

（6）風(fēng)機段：送風(fēng)機位于空調(diào)機組內(nèi)，為離心風(fēng)機；回風(fēng)機位于回風(fēng)風(fēng)管上，為低噪聲軸流風(fēng)機，送風(fēng)機、回風(fēng)機均采用變頻風(fēng)機。

4.2 展柜恒濕空調(diào)系統(tǒng)

典籍博物館展廳共有兩種展柜，大型墻柜和小型桌柜。大型墻柜沿展廳外墻布置，桌柜布置在展廳中間區(qū)域。每個展廳的大型墻柜選用一臺加拿大原裝進(jìn)口的MAXI ONE大型恒濕機，安裝于臨近展廳的空調(diào)機房內(nèi)，原理圖如圖2所示。MAXI ONE恒濕機是一個為大體積展柜微環(huán)境提供恒濕服務(wù)的全自動裝置，該設(shè)備為展柜提供持續(xù)恒定的空氣流，無回風(fēng)，使展柜維持正壓，逐漸替換展柜內(nèi)的空氣及污染物，展柜內(nèi)被替換的空氣通過自然的方式排出柜外。恒濕機由獨立的制冷系統(tǒng)、電加熱器、離心式鼓風(fēng)機、不銹鋼水箱、循環(huán)泵、進(jìn)水電磁閥等組成，水源采用純凈水。室內(nèi)空氣先經(jīng)過空氣過濾器，在離心式鼓風(fēng)機的作用下進(jìn)入到絕熱的不銹鋼水箱中，不銹鋼水箱中的水可以通過制冷系統(tǒng)和電加熱器保持在精確的溫度，空氣與水在水箱中經(jīng)過充分熱質(zhì)交換達(dá)到所需的相對濕度的空氣輸出。經(jīng)過凈化和濕度控制的空氣通過空氣分配系統(tǒng)輸送到1個或多個展柜，空氣分配系統(tǒng)由直徑為DN50mm的主干管和直徑略小的分支管組成。輸送的空氣在進(jìn)入分配系統(tǒng)前，會經(jīng)過一個三通閥，部分空氣在進(jìn)入三通閥之前通過一根小管道輸送到傳感盒內(nèi)，傳感盒安裝在同受控展柜溫度一致的展廳墻上或者置于 “有代表性”的展柜里面。利用傳感盒內(nèi)的高精度濕度傳感器檢測空氣濕度，數(shù)據(jù)通過線纜反饋到恒濕機控制面板上。當(dāng)檢測到的相對濕度在設(shè)定范圍內(nèi)時，三通閥將空氣輸送到展柜；如果濕度不在設(shè)定范圍內(nèi)，三通閥會將空氣排放到空調(diào)機房內(nèi)。

圖2 大型展柜恒濕空調(diào)系統(tǒng)原理圖

小型桌柜采用小型恒濕機，每個展柜配置一臺小型恒濕機，安裝在被控展柜下方的基座內(nèi)，經(jīng)過過濾、濕度控制處理的恒定氣流通過撓性軟管輸送到展柜內(nèi)，替換掉展柜內(nèi)原有空氣和污染物，原有的空氣和污染物會通過墊片上的小孔排出柜外，使展柜空間微環(huán)境維持正壓和穩(wěn)定的相對濕度水平。小型恒濕機有兩種類型，以固態(tài)技術(shù)為基礎(chǔ)的免加水PMCG恒濕機和需要人工加水的MAXI ONE小型恒濕機。

5 空調(diào)自動控制與運行節(jié)能措施

5.1 空調(diào)自動控制

與一般公共建筑的環(huán)境要求不同，博物館空調(diào)系統(tǒng)需要全年365天24小時運行，保持室內(nèi)環(huán)境溫、濕度的相對穩(wěn)定，并對室內(nèi)空氣質(zhì)量也有較高的要求。為了保證空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備安全、穩(wěn)定、高效地運行，降低運行成本，節(jié)約能源，延長設(shè)備使用壽命，離不開可靠的自動控制系統(tǒng)。國家典籍博物館空調(diào)自控為國家圖書館樓宇自控系統(tǒng)的一部分，具備參數(shù)檢測、設(shè)備運行狀態(tài)顯示與故障報警、自動調(diào)節(jié)與遠(yuǎn)程／就地控制、工況轉(zhuǎn)換、設(shè)備連鎖與安全保護(hù)以及中央監(jiān)控與管理等功能。

（1）參數(shù)檢測與狀態(tài)顯示：檢測空調(diào)機組送、回風(fēng)溫度、濕度，展廳室內(nèi)溫、濕度；檢測風(fēng)機、電熱加濕器、電加熱設(shè)備手／自動狀態(tài)、運行狀態(tài)及故障報警；檢測送風(fēng)機前后壓差；檢測過濾器壓差開關(guān)狀態(tài)，壓差超限時堵塞報警。

（2）自動調(diào)節(jié)：溫、濕度控制采用溫度優(yōu)先控制策略，在溫度達(dá)標(biāo)的前提條件下再控制調(diào)節(jié)濕度。根據(jù)室內(nèi)溫度設(shè)定值，比側(cè)積分連續(xù)調(diào)節(jié)冷／熱水閥開度，保持室內(nèi)溫度不變；根據(jù)室內(nèi)濕度設(shè)定值，冬季連續(xù)調(diào)節(jié)電熱加濕器加濕量，夏季分三級控制電再熱器的啟停，保持室內(nèi)相對濕度穩(wěn)定。

（3）安全保護(hù)：風(fēng)閥、水閥以及機組內(nèi)的電再熱器、電熱加濕器與風(fēng)機連鎖，并設(shè)無風(fēng) （風(fēng)機前后壓差＜30Pa）、超溫 （送風(fēng)溫度＞70℃）報警斷電保護(hù)。設(shè)置防凍開關(guān)，冬季運行時，檢測盤管出口空氣溫度，當(dāng)溫度低于5℃時，自動停止風(fēng)機，關(guān)閉新風(fēng)及排風(fēng)閥門，熱水閥全開，同時發(fā)出聲光報警。當(dāng)故障排除后，重新啟動風(fēng)機，打開新風(fēng)和排風(fēng)閥，恢復(fù)機組的正常工作。

（4）工況轉(zhuǎn)換：空調(diào)系統(tǒng)采用多工況運行的監(jiān)控，可以設(shè)定和修改供冷／供熱／過渡季工況，夏季供冷、冬季供熱、過渡季可實現(xiàn)全新風(fēng)或增大新風(fēng)比運行。

5.2 空調(diào)運行節(jié)能措施

（1）采用3M HAF靜電吸附高流量板式過濾器替代原有過濾器，阻力更低，效率更高。盡管前期費用高于原來的平板濾網(wǎng)，但3M過濾器使用壽命為三年，維護(hù)方便，定期使用吸塵器直接清洗即可，而原過濾器一個季度需要更換一次，減少了更換頻率及人工維護(hù)，綜合運營成本 （電力、濾材更換、維護(hù)人工）顯著下降。

（2）空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)機和回 （排）風(fēng)機根據(jù)空調(diào)負(fù)荷的變化進(jìn)行變頻調(diào)速控制，具有很好的節(jié)能效果。

（3）展廳內(nèi)人員密度較大，而且變化比較頻繁，冬、夏季展廳開館期間，根據(jù)展廳內(nèi)CO2濃度檢測值來調(diào)節(jié)新風(fēng)量，并使CO2濃度滿足人體衛(wèi)生要求，夜間閉館后關(guān)閉新風(fēng)，節(jié)約新風(fēng)處理用能。

（4）在過渡季充分利用室外空氣的自然冷量，最大限度地利用新風(fēng)降溫，空調(diào)系統(tǒng)采用全新風(fēng)或增大新風(fēng)比運行，有效地改善展廳內(nèi)的空氣品質(zhì)，大量節(jié)省空氣處理所需消耗的能量。

6 結(jié)論

國家典籍博物館屬于改造工程，改造建設(shè)過程中受現(xiàn)狀條件限制，面臨的方方面面的困難也較多。綜合考慮保證文物安全、兼顧文物保護(hù)和為參觀者提供舒適的環(huán)境，合理確定室內(nèi)展廳環(huán)境參數(shù)；結(jié)合館區(qū)的冷熱源條件確定展廳和展柜所采用的空調(diào)系統(tǒng)形式；根據(jù)工藝要求確定空調(diào)自控系統(tǒng)的控制策略，進(jìn)行精確地恒溫恒濕控制，在后期運行過程中結(jié)合實際運行效果和需求對控制參數(shù)進(jìn)行適時調(diào)整，挖掘節(jié)能潛力。典籍博物館開館后，經(jīng)過近三年的連續(xù)運行，空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的要求。國家典籍博物館改造的實踐為博物館、圖書館類建筑的改造提供了良好的借鑒。