德國(guó)希爾德斯海姆大學(xué)圖書館建筑智慧化改造的實(shí)踐與啟示*

王 碧

（深圳大學(xué)城圖書館 廣東深圳 518055）

1 引言

2009年，IBM（International Business Machines Corporation）首次提出智慧地球（Smarter Planet）的概念，各國(guó)紛紛開始大力發(fā)展智慧城市。智慧圖書館是智慧城市的重要組成部分，建立在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上，包含智慧建筑、智慧管理、智慧服務(wù)等主要內(nèi)容。其中，圖書館智慧建筑指通過傳感器等智能終端收集圖書館建筑物內(nèi)各個(gè)空間的信息，通過云計(jì)算分析作出決策，再將決策傳遞到相應(yīng)的控制終端完成動(dòng)作指令，以實(shí)現(xiàn)圖書館的節(jié)能環(huán)保、智能控制、環(huán)境升級(jí)、人文關(guān)懷等目標(biāo)[1]。

如今國(guó)內(nèi)學(xué)界對(duì)智慧圖書館越來(lái)越重視[2]，但關(guān)于圖書館智慧建筑建設(shè)實(shí)踐的討論卻很有限，僅有一些研究從建筑學(xué)角度單獨(dú)聚焦智慧照明系統(tǒng)或者空調(diào)系統(tǒng)[3-5]，而關(guān)于國(guó)外案例的介紹更是稀缺。因此，本文對(duì)“德國(guó)首家智慧圖書館”[6]希爾德斯海姆大學(xué)圖書館的智慧建筑改造項(xiàng)目展開分析，希望能為我國(guó)圖書館的建設(shè)實(shí)踐提供參考。

2 希爾德斯海姆大學(xué)圖書館智慧建筑改造實(shí)踐

2.1 背景概況

希爾德斯海姆大學(xué)（Universit?t Hildesheim）位于德國(guó)下薩克森州，建成于1946年，目前在校學(xué)生八千多人，教師八百多人[7]。大學(xué)圖書館主體為一棟建于1990年的獨(dú)立二層建筑，到2012年改造升級(jí)前，一直是全校師生學(xué)習(xí)和工作的重要場(chǎng)所，但由于擁有二十多年的歷史，其建筑技術(shù)（尤其是供暖技術(shù)）已經(jīng)明顯過時(shí)，照明、通風(fēng)、供暖等功能仍需手動(dòng)操作，且無(wú)法進(jìn)行分區(qū)控制[8]。

為此，2011年4月圖書館改造項(xiàng)目啟動(dòng)，2011年11月開始施工，2012年6月進(jìn)行正式調(diào)試，2013年12月完成最終調(diào)試[9]。項(xiàng)目有三大著眼點(diǎn)，一是打造節(jié)能圖書館，二是提高館內(nèi)學(xué)習(xí)工作的環(huán)境舒適度，三是在不影響正常開館的前提下完成施工[10]。就最終效果來(lái)說(shuō)，除了供暖方面差強(qiáng)人意，其他目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)省了各方面能耗，改善了室內(nèi)照明和氣候環(huán)境，也減少了關(guān)于陽(yáng)光刺眼、窗簾干擾的投訴。

2.2 改造項(xiàng)目的主要內(nèi)容

2.2.1 照明系統(tǒng)

首先，將熒光管燈管更換為更加節(jié)能的熒光燈燈管類型，并保留了原有燈座、燈罩和電路。新的燈管理論上可以省電48%，在實(shí)際使用中也節(jié)省了45%—50%的能源。

其次，原有燈帶只能手動(dòng)控制，大片區(qū)域只能同時(shí)打開或同時(shí)關(guān)閉，使得某些區(qū)域在白天光線充足的時(shí)候也保持長(zhǎng)明燈狀態(tài)，造成浪費(fèi)。此次改造在沿窗等光線充足的區(qū)域，為燈具安裝光線傳感器，以便在光線充足的時(shí)段充分利用自然光。在夏季，每天可以節(jié)省約4小時(shí)的燈具照明能耗。

此外，圖書館窗戶外部的百葉窗也安裝了光線感應(yīng)器，當(dāng)館內(nèi)自然光照由過剩轉(zhuǎn)為不足時(shí)，百葉窗會(huì)自動(dòng)開啟，以適量補(bǔ)足室內(nèi)光線，從而無(wú)需開燈。2.2.2 供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)

供暖方面，詳細(xì)劃出23個(gè)分區(qū)，以便針對(duì)不同區(qū)域在不同時(shí)段有區(qū)別地供暖。在暖氣閥上安裝了傳感器和執(zhí)行器，可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)室內(nèi)溫度作出微調(diào)。外窗上還安裝了觸點(diǎn)裝置，一旦有窗戶打開或者破損，就會(huì)立刻上報(bào)中央系統(tǒng)，自動(dòng)停止供暖，從而避免因漏風(fēng)造成熱量損失。

通風(fēng)方面，原本只能通過手動(dòng)打開有限的幾扇窗戶和靠近天花板的少數(shù)通風(fēng)蓋進(jìn)行通風(fēng)。改造后采用了“夜間沖洗”方法，在炎熱的夏季夜晚，用冷風(fēng)扇將熱空氣從天花板下方的通風(fēng)口吹出，讓涼爽的室外空氣從下方窗戶縫隙流入，達(dá)到通風(fēng)和降溫的效果，從而節(jié)省空調(diào)的使用。

空調(diào)方面，改造前圖書館的空調(diào)系統(tǒng)由學(xué)校的控制中心統(tǒng)一控制，改造后由圖書館自行控制，可根據(jù)館內(nèi)的溫度感應(yīng)器反饋的實(shí)時(shí)溫度隨時(shí)作出相應(yīng)調(diào)整，以符合智能設(shè)定的區(qū)域和時(shí)段目標(biāo)溫度，并讓室溫更均勻地分布。此外，圖書館部分百葉窗窗簾上不僅裝有光線傳感器，也裝有溫度傳感器，可通過控制窗簾開合來(lái)調(diào)整室內(nèi)溫度。

2.2.3 中央控制系統(tǒng)

（1）核心架構(gòu)

本項(xiàng)目中央控制系統(tǒng)采用了智慧家居技術(shù)（Smart Home Technology，SHT），采用建立在傳感器、執(zhí)行器和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之上的智慧控制系統(tǒng)，將圖書館分割為可以單獨(dú)控制的“消費(fèi)區(qū)塊”。其核心可被看作一款軟件，通過傳感器和執(zhí)行器與照明、供暖、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)相連，并具有高度的可擴(kuò)展性。

具體說(shuō)來(lái)，本項(xiàng)目采用了分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）架構(gòu)，包含一個(gè)中央站和四個(gè)直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，DDC）單元。DDC控制單元可獨(dú)立接收傳感器信息，完成分析判斷并向執(zhí)行器發(fā)送指令，也可接受中央站的上層指令和監(jiān)督[11]。傳感器、執(zhí)行器、DDC單元和中央站之間通過無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)連接。

（2）操作界面

中央站即中央管理計(jì)算機(jī)，提供視窗操作系統(tǒng)，其界面友好，無(wú)需專門的計(jì)算機(jī)知識(shí)就可操作。點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)即可調(diào)出各區(qū)域的實(shí)時(shí)參數(shù)，還可以查看歷史數(shù)據(jù)和相關(guān)分析，例如故障歷史記錄、溫度曲線圖、能耗曲線圖等。這些記錄揭示了能耗隨供暖目標(biāo)溫度、開窗通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)及通風(fēng)策略等的改變而發(fā)生的變化，有助于探索找尋最優(yōu)節(jié)能方案。例如，通過溫度曲線圖可以判斷需要加熱多久才能彌補(bǔ)晨間通風(fēng)造成的熱量損失，讓溫度恢復(fù)目標(biāo)值，并由此發(fā)現(xiàn)了使用短暫和猛烈的“交叉通風(fēng)法”可以最小化熱量損失。借助豐富的歷史數(shù)據(jù)，還可結(jié)合經(jīng)驗(yàn)去判斷某些時(shí)刻是否確實(shí)需要采取補(bǔ)救措施去提高（或降低）室內(nèi)溫度，而非僅僅依靠個(gè)別讀者的主觀訴求。

3 希爾德斯海姆大學(xué)圖書館智慧建筑改造實(shí)踐的特點(diǎn)

3.1 低成本項(xiàng)目

本項(xiàng)目的原則是不追求“以更多來(lái)服務(wù)更多”，而追求“以更準(zhǔn)確的少數(shù)來(lái)服務(wù)更多”。在盡量精簡(jiǎn)之后，僅設(shè)置了一百余個(gè)傳感器和執(zhí)行器。項(xiàng)目總投資僅7萬(wàn)歐元，按照每年耗能61 000歐元、改造后總體可節(jié)省能耗35%來(lái)計(jì)算，三年多即可收回成本。項(xiàng)目不追求最高精尖的技術(shù)，而是采取符合當(dāng)下實(shí)情和預(yù)算的、性價(jià)比最高的方案。例如，照明系統(tǒng)改造并未選擇各方面性能更優(yōu)但價(jià)格更高的LED燈管，而選擇了比LED稍遜但比此前更優(yōu)類型的熒光燈管。又如在給照明系統(tǒng)安裝傳感器時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于書架的遮擋，如若設(shè)置人體感應(yīng)器，則每隔一列書架就需要一個(gè)，所需數(shù)量較多，成本過高，所以只在確有需要的靠窗區(qū)域設(shè)置了光線傳感器。

3.2 節(jié)能環(huán)保原則

本項(xiàng)目一切均以環(huán)保節(jié)能為首要出發(fā)點(diǎn)和最終落腳點(diǎn)。例如，在照明系統(tǒng)改造中，僅更換燈管而保留了原有的燈座和電線線路，極大地節(jié)省了預(yù)算和工程量。而傳感器、執(zhí)行器與控制系統(tǒng)之間通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相連，除了13個(gè)信號(hào)發(fā)射器和中央電池管理系統(tǒng)需要鋪設(shè)新的管線之外，幾乎沒有挖鑿焊接之類的施工需求。這樣既節(jié)省預(yù)算，節(jié)約資源，又減少了施工噪音和塵埃污染。由此，作為項(xiàng)目重要目標(biāo)之一的“隱形施工”得以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)采訪反饋，幾乎沒有用戶發(fā)現(xiàn)圖書館在進(jìn)行翻新改造，大多數(shù)人以為是在進(jìn)行普通的日常維護(hù)。此外，圖書館盡量借助自然通風(fēng)、自然降溫和自然光照明，不僅節(jié)能環(huán)保，還能提高室內(nèi)氣候環(huán)境的自然舒適度。

3.3 校內(nèi)外合作意識(shí)

希爾德斯海姆大學(xué)于2003年正式轉(zhuǎn)制為公法基金會(huì)大學(xué)，由公法基金會(huì)代替國(guó)家成為責(zé)任的承擔(dān)主體，因而學(xué)校享有較高的自治權(quán)，同時(shí)學(xué)校與社會(huì)的關(guān)系也更為緊密，與各科教文化機(jī)構(gòu)及商業(yè)經(jīng)濟(jì)組織都保持著強(qiáng)有力的聯(lián)系與合作。其辦學(xué)理念強(qiáng)調(diào)實(shí)踐，鼓勵(lì)學(xué)生參與教學(xué)過程的設(shè)計(jì)，大力發(fā)展跨學(xué)科和跨院系的項(xiàng)目合作[12]。

本項(xiàng)目選擇與Ben Said電子科技公司和INGA建筑自動(dòng)化公司合作，這兩家企業(yè)均是專注樓宇自動(dòng)化開發(fā)技術(shù)[13]的中型企業(yè)。此外與校內(nèi)師生也有相當(dāng)程度的合作：學(xué)校工商管理和經(jīng)濟(jì)信息學(xué)院的學(xué)生早前在學(xué)校其他建筑做過供暖通風(fēng)改造的類似實(shí)驗(yàn)，有寶貴的試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)；項(xiàng)目本身就構(gòu)成學(xué)校環(huán)境保護(hù)系和環(huán)境科學(xué)與自然保護(hù)系學(xué)生的一項(xiàng)研究課題，能得到其研究成果的助力；學(xué)校建筑和不動(dòng)產(chǎn)學(xué)院的教師和學(xué)者為項(xiàng)目提供了技術(shù)支持。通過與校內(nèi)外的合作，既提高了師生的科研能力，又對(duì)其他建筑尤其是舊建筑的智慧化節(jié)能改造給出了實(shí)踐參考樣本。

4 對(duì)我國(guó)圖書館改造的啟示

4.1 以改代建，輕裝上陣

在我國(guó)圖書館智慧建筑建設(shè)中，強(qiáng)調(diào)以改代建很有必要。首先，無(wú)論是高校圖書館還是公共圖書館，通常是地標(biāo)建筑，承載著重要的歷史回憶和文化情感價(jià)值。其次，有的圖書館不便改做他途，例如邵逸夫先生就曾規(guī)定其捐贈(zèng)的圖書館永不得另作他用[14]，若建了新館，舊館淪為書庫(kù)或被廢置，會(huì)造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。最后，很多圖書館沒有足夠的智慧化升級(jí)預(yù)算和條件。

目前我國(guó)關(guān)于智慧圖書館科技的討論，集中在最先進(jìn)的前沿科技，少見普通圖書館易于著手效仿的建設(shè)案例。希爾德斯海姆大學(xué)圖書館建于1990年，原本建筑技術(shù)已很落后，僅用7萬(wàn)歐元預(yù)算就完成了智慧化改造，布局了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了智能照明、溫控和通風(fēng)控制，極大地改善了閱讀環(huán)境，并達(dá)到了總體節(jié)能35%的目標(biāo)，很快就通過節(jié)能收回成本。這一切都要?dú)w功于其投入“少而準(zhǔn)”的理念，值得我們借鑒學(xué)習(xí)。若要一步到位建造新館，參考2015年新建的丹麥Dokk1智慧圖書館項(xiàng)目，投入資金達(dá)到2.28億歐元[15]，和7萬(wàn)歐元遠(yuǎn)不是一個(gè)量級(jí)。目前我國(guó)大部分圖書館仍然處于經(jīng)費(fèi)緊張的狀態(tài)[16]，研究輕量級(jí)、短陣線、高收益的智慧化建筑改造項(xiàng)目，無(wú)疑有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。加之我國(guó)有很多20世紀(jì)80年代及其以前的圖書館建筑，越是老舊的建筑和落后的建筑技術(shù)，在改造后節(jié)能提升和環(huán)境改善的效果越明顯[17]。

4.2 開館施工，并行不悖

如果改造施工時(shí)閉館，用戶無(wú)處可去，但如果堅(jiān)持開館，用戶則會(huì)受到噪音、粉塵、震動(dòng)、遮擋等各方面的困擾。在我國(guó)，絕大多數(shù)圖書館在改造施工時(shí)會(huì)選擇全部或至少部分閉館，但很多時(shí)候閉館與用戶的現(xiàn)實(shí)需求有激烈的沖突，這直接扼殺了很多升級(jí)改造的計(jì)劃和想法。而希爾德斯海姆大學(xué)圖書館的實(shí)踐證明，開館與施工可以并行不悖，其綠色施工并沒有給到館用戶的閱讀體驗(yàn)帶來(lái)明顯的負(fù)面影響。這得益于改造工程盡量沿用了舊有的電路、管線以及燈座等硬件設(shè)施，并且選擇無(wú)線通信技術(shù)也最小化了管線鋪設(shè)任務(wù)，避免了對(duì)墻體及地面的破壞。此外，該項(xiàng)目還選擇在夏季學(xué)期的上課時(shí)間，也是到館用戶最少的時(shí)段進(jìn)行施工，這一點(diǎn)也值得注意。

4.3 多方合作，重視推廣

智慧圖書館的發(fā)展需要多方合作，包括圖書館間合作、館企間合作，也包括圖書館與高校院系、研究院等其他與信息數(shù)據(jù)相關(guān)的單位合作[19]。我國(guó)高校圖書館已經(jīng)越來(lái)越重視與學(xué)校各院系的緊密聯(lián)系，例如為其提供定制化的學(xué)科服務(wù)，但在自身的智慧圖書館建筑建設(shè)或其他硬件建設(shè)過程中卻很少會(huì)想到在校內(nèi)尋求幫助，或創(chuàng)造共贏的機(jī)會(huì)。但其實(shí)一方面，可以借助建筑系、土木工程系、計(jì)算機(jī)系、設(shè)計(jì)系等專業(yè)師生的技術(shù)和資源，另一方面又可以為這些院系提供實(shí)踐、合作和科研實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。在這個(gè)過程中：①學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)可以發(fā)揮重要的倡導(dǎo)、協(xié)調(diào)和指揮作用；②圖書館可以通過學(xué)科館員與各院系建立長(zhǎng)期穩(wěn)定的交流溝通機(jī)制，定期了解各院系的資源、項(xiàng)目及實(shí)踐需求；③圖書館可以將本館或其他圖書館與校內(nèi)院系合作的成功案例制成宣傳樣本，通過各種社交媒體及校內(nèi)媒體渠道進(jìn)行宣傳，以吸引更多院系的合作。

此外，希爾德斯海姆大學(xué)圖書館非常重視自身改造項(xiàng)目的試點(diǎn)意義，多次指出希望為其他圖書館館舍和校內(nèi)外其他類型建筑的改造提供參考范例，顯示出很強(qiáng)的分享意識(shí)和推廣精神。

4.4 重視特點(diǎn)，汲取經(jīng)驗(yàn)

4.4.1 熱惰性特點(diǎn)

圖書館內(nèi)存放著相當(dāng)數(shù)量的書籍，其熱惰性高，儲(chǔ)熱多，散熱慢，因此館內(nèi)書籍儲(chǔ)藏區(qū)域降溫慢，升溫也慢。希爾德斯海姆大學(xué)圖書館未能事先充分考慮這一物理特性，所以初期根據(jù)在其他校內(nèi)建筑的試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)夜間散熱效果和晨間加熱所需時(shí)間做出了錯(cuò)誤的估計(jì)，在預(yù)算階段也對(duì)供暖系統(tǒng)的節(jié)能效果做出了過高的預(yù)期。

4.4.2 舊建筑特點(diǎn)

對(duì)圖書館舊建筑進(jìn)行改造，要認(rèn)真考察現(xiàn)有硬件的實(shí)際狀態(tài)，并提前制定因設(shè)備老化可能帶來(lái)的極端情況的應(yīng)急預(yù)案。在設(shè)置節(jié)能目標(biāo)時(shí)，也要充分考慮到沿用的原有設(shè)備的能力局限性。希爾德斯海姆大學(xué)圖書館在升級(jí)改造完成后，仍有部分暖氣裝置供暖不足或者根本無(wú)法工作，就是因?yàn)槠渑瘹庀到y(tǒng)管道老舊，水動(dòng)力平衡性有較大問題，無(wú)論是供暖效果還是節(jié)能效果都無(wú)法達(dá)到預(yù)期水平。因此還需要等待供暖季結(jié)束后，開啟新一輪改造，更換過分老舊的暖氣系統(tǒng)硬件。如果此前做好勘察，施工本可一步到位，所以把握舊建筑的特點(diǎn)，才能制定更科學(xué)的目標(biāo)，作出更周密的安排。

4.4.3 公共場(chǎng)所特點(diǎn)

圖書館是人流量很大的公共場(chǎng)所和文化場(chǎng)所，需要注重公眾的隱私保護(hù)，或考慮到公眾在這方面的顧慮，做好解釋宣傳，有時(shí)還需要對(duì)公眾行為做出必要的引導(dǎo)，這在智慧圖書館建筑建設(shè)的過程中也必然有所體現(xiàn)。

隱私保護(hù)方面，希爾德斯海姆大學(xué)圖書館認(rèn)為，在圖書館這樣的公共場(chǎng)所設(shè)置傳感器等設(shè)備需要非常慎重。這種關(guān)于傳感器及監(jiān)控?cái)z像頭的隱私保護(hù)和授權(quán)意識(shí)，在我國(guó)目前關(guān)于圖書館建設(shè)實(shí)踐的討論中非常少見，值得引起注意?？梢灶A(yù)見隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)這方面的問題會(huì)越發(fā)突出，建議可以考慮以下對(duì)策：①在相關(guān)地點(diǎn)、網(wǎng)站和社交媒體賬號(hào)上張貼或推送提示、警告和宣傳語(yǔ)；②在區(qū)域規(guī)劃上專門區(qū)分設(shè)置有人體感應(yīng)、攝像監(jiān)控甚至人臉識(shí)別等智能技術(shù)裝置的區(qū)域，和沒有任何感應(yīng)器材的“綠色”區(qū)域；③允許用戶通過互聯(lián)網(wǎng)授權(quán)的方式啟動(dòng)或關(guān)閉其所在位置的相關(guān)敏感裝置。

宣傳引導(dǎo)方面，智慧建筑技術(shù)改變了傳統(tǒng)的照明、通風(fēng)和供暖方式，需要圖書館引導(dǎo)大眾改變以前的使用習(xí)慣，也需要通過宣傳讓大眾理解和掌握使用更多新的設(shè)備和資源。希爾德斯海姆大學(xué)圖書館的供暖系統(tǒng)改造升級(jí)后，通過DDC單元和中央控制系統(tǒng)進(jìn)行智能溫度調(diào)節(jié)，但很多用戶還是習(xí)慣性地手動(dòng)去擰暖氣片的開關(guān)，這樣不僅徒勞無(wú)功，還容易損壞設(shè)備。所以我國(guó)在建設(shè)智慧圖書館的計(jì)劃階段，就應(yīng)該把如何更好地引導(dǎo)公眾正確接受和高效使用智慧圖書館建筑設(shè)施納入思考和規(guī)劃范疇。

5 結(jié)語(yǔ)

德國(guó)希爾德斯海姆大學(xué)圖書館智慧建筑改造項(xiàng)目以節(jié)能為主要目的，采用了建立在傳感器、執(zhí)行器和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之上的智慧樓宇技術(shù)，對(duì)我國(guó)大多數(shù)預(yù)算不高但有智慧升級(jí)需求的圖書館具有較高的參考價(jià)值。此外，該項(xiàng)目施工中所體現(xiàn)的以簡(jiǎn)馭繁、以人為本、綠色節(jié)能、合作共贏等理念，以及一些細(xì)節(jié)經(jīng)驗(yàn)都值得我們借鑒。