谈博物馆如何利用楼宇自控系统监控展厅空气质量

代小娟

DAI Xiao-juan

（中国国家博物馆）

（National Museum of China）

1 引言

博物馆是征集、典藏、陈列和研究代表自然和人类文化遗产的实物的场所。博物馆为了保存展品和保证观众参观环境的舒适性，展厅的空气质量变得尤为重要。而如何对展厅的空气质量进行监控是我们研究的重点。

一般认为，室内空气质量是指定性或定量的描述室内空气状况好坏的程度，它是与室内人体健康最密切相关的一种本质属性。而室内空气质量参数是指室内空气中与人体健康有关的物理、化学、生物和放射性参数。其物理性参数包括温度、相对湿度、空气流速和新风量等4个物理性参数。化学性参数包括二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、氨、臭氧、甲醛、苯等13个化学性参数。

2 国家博物馆的楼宇自控系统

国家博物馆展厅主要通过楼宇自控系统监测和控制以下五个参数来监控展厅的空气质量：温度、相对湿度、新风量、二氧化碳及PM2.5。

国家博物馆展厅采用四管制空调机组，空调机组控制点位包括：送回温湿度、混风温度、回风二氧化碳浓度、新风回风排风阀开度、过滤器初效、电子除尘、防冻报警、冷热水阀开度及反馈、加湿阀开度、送排风机启停控制及运行状态、送排风机变频启停控制及运行状态。

控制系统的现场元件包括：送回风温湿度传感器、混风温度传感器、二氧化碳传感器、防冻开关、压差开关、新回排风风阀执行器、冷热水阀执行器、加湿阀执行器。

主要监控内容包括：送、排风机及变频器运行状态，送、回风温湿度及含湿量，回风二氧化碳浓度、混风温度，新风、回风、排风阀开度，冷、热水阀、加湿阀开度及反馈，过滤网，电子除尘、防冻开关及各类参数历史曲线及运行记录等。

3 展厅温度和相对湿度的监测及控制

温度和湿度对博物馆文物的保藏和陈列有着十分重要的影响，不同类型的文物对温湿度的需求也不同。根据国家文物局发布的《博物馆藏品保存环境试行规范》博物馆的温度控制在15℃～20℃，相对湿度在45%～60%将会比较理想。而不同材质种类的文物对温湿度要求也不相同，有些特殊文物要单独设定温湿度。温湿度的大幅度波动， 会引发文物材料在短时间内频繁地热胀冷缩和湿涨干缩而造成破坏。因此，在文物保存展示的过程中控制温湿度的平稳性要比控制到某一具体数值更为重要，一般情况下温度变化小于或等于2℃，相对湿度变化小于或等于5%。

博物馆展厅的温湿度主要依靠中央空调系统来控制，通过对空调机组自控系统编程、调试等手段来减小误差，在保证展厅温湿度稳定性的同时，尽可能达到恒温恒湿。

国家博物馆展厅空调机组温湿度控制的相关点位包括：冷水阀、热水阀及加湿阀执行器、温湿度传感器。这里系统设置了冷水温度、热水温度及加湿湿度和除湿湿度的设定值，并根据展厅文物温湿度需求来设定。

温度控制原理：如果回风温度小于热水温度设定值，则打开热水阀加温；如果大于冷水温度设定值，则打开冷水阀降温。同时冷热水阀开度大小由PID算法决定。

湿度控制原理：在设定加湿湿度和除湿湿度后，系统自动计算出对应的含湿量下限值和上限值，同时将回风湿度换算成回风含湿量。如果回风含湿量小于含湿量下限，则打开加湿阀加湿；如果大于含湿量上限，则关闭加湿阀，打开冷水阀除湿。加湿阀开度大小由PID算法决定。

4 展厅新风量和二氧化碳的监测及控制

博物馆展厅在满足文物温湿度需求的情况下，尽可能给观众提供舒适的参观环境。而室外新风是改善展厅空气质量的一个重要参数，同时在空调系统的控制中也可以利用室外新风来节约能源。国家博物馆空调系统控制主要通过回风二氧化碳浓度来调节控制展厅的新风量，从而保证展厅空气的新鲜程度；同时在不同工况下采用不同的运行模式来节约能源。

4.1 控制二氧化碳浓度-保证空气新鲜程度

在回风管道安装二氧化碳传感器，并在楼控系统监控界面上显示，同时设置二氧化碳浓度限定值。在空调机正常工作的时候，楼宇自控系统通过调节新风阀、回风阀和排风阀开度即调节室外新鲜空气和室内回风空气的混风比保证室内CO2不超过设定值。此时的混风系统中新风阀开度实时决定了最小新风模式下的新风阀开启度。

4.2 在除湿工况下采用最经济的方法除湿-最小的能源消能耗保证湿度

当室内所要求的含湿量在计算的室外含湿量和回风含湿量之间时，可以通过调节新风阀、回风阀和排风阀的混风比获得所需的含湿量，如果室外含湿量小于回风含湿量，混风系统中新风阀逐渐开启，回风阀逐渐关闭直到室内含湿量满足设定要求，如果室外含湿量大于回风含湿量，混风系统中新风阀逐渐关闭，回风阀逐渐打开，直到室内含湿量满足设定要求。并辅助通过调节冷水阀或者热水阀，以获得所需要的温度。

当所需的室内空气含湿量超出通过混风所可能提供的范围，即室外含湿量和回风含湿量均大于满足室内工况所需的含湿量：根据计算室外和回风焓值，如果室外焓值大于回风焓值，则采用最小新风模式；如果室外焓值小于回风焓值，则采用全新风模式（回风阀关闭）。通过调节冷水阀把送风温度降到露点温度除去空气中多余的水分，达到所需的设定湿度，并辅助调节热水阀保证所需的设定温度。

4.3 非除湿工况，通过调节混风比，使室内温度达到或者趋近于设定点—最小的能源消耗保证温度

当室内温度低于设定值，且回风温度大于室外温度时；或者室内温度大于设定值，且回风温度小于室外温度时。混风系统中新风阀朝趋向于完全关闭的方向运转直到最小新风模式。

当室内温度低于设定值，且回风温度小于室外温度时；或者室内温度大于设定值，且回风温度大于室外温度时。混风系统中新风阀朝趋向于完全打开的方向运转直到全新风模式。

4.4 新风阀关闭模式

当混风温度过高或者过低、送排风机停机包括送排风机故障或者防冻保护报警导致的风机停机，混风系统进入全回风模式（即关闭新风阀）。

5 展厅PM2.5的监测及控制

由于空气污染，雾霾天气频繁出现，对室内空气质量产生了重要影响。为了保证观众参观环境的舒适度和文物储存、展览环境的洁净度，解决雾霾天气时展厅PM2.5污染值超标问题，博物馆从技术和管理角度采取了一系列措施，提高空气质量。

5.1 PM2.5技术预防措施

由于室外空气通过风道进入空调机组，需要经过过滤网净化后，才能送入展厅，因此过滤网的选择尤其重要。博物馆为了改善展厅空气质量，通过对调研实验，根据性价比采取了初效加高效PP纸过滤网。该过滤网由两层构成，外面一层是初效过滤纸，主要拦截空气中的大颗粒，里面是高效过滤纸，即PP纸，主要阻挡PM2.5。

5.2 充分利用楼宇自控系统监控展厅PM2.5

通过楼宇自控系统设置过滤网报警装置，进而及时检查、清洗及更换过滤网。

同时在展厅和室外安装PM2.5传感器，并在楼控系统监控界面上显示。在雾霾天气下，根据室外及展厅PM2.5检测值或者系统管理员确认，充分利用楼宇自控平台智能控制模式，混风系统进入雾霾控制模式，混风系统趋向最小新风模式（满足CO2低于设定值的最小新风量）或全回风模式（关闭新风阀），从而减少室外污染空气对室内的影响。

6 小结

目前国家博物馆通过楼宇自控系统监控展厅的温度、相对湿度、新风量、二氧化碳浓度及PM2.5等参数，在保证文物安全的条件下尽可能地为观众提供舒适的参观环境。不仅改善了展厅的空气质量，同时对于博物馆了解自身运行环境和提升博物馆服务功能均有明显促进作用。

[1]邓佳,李隆田,唐欢.空气质量智能化监测系统在博物馆中的应用—以白鹤梁水下博物馆为例[J].遗产与保护研究 .2017(5)：92-96.

[2]吕大伟.新风控制系统在博物馆的应用[J].智能建筑与城市信息.2015(7)：61-62.

[3]代小娟.谈国家博物馆在雾霾天气下展厅空气质量治理措施[J].智能建筑与智慧城市,2017(2)：69-72.