国家典籍博物馆展厅空调和自控系统

1 国家典籍博物馆概况

国家典籍博物馆是依托于国家图书馆宏富馆藏，以展示中国典籍、弘扬中华文化为宗旨的国家级博物馆，是国家图书馆社会教育职能的新拓展。国家典籍博物馆是集典籍收藏、展示、研究、保护、公共教育、文化传承、文化休闲于一体的综合性博物馆，是中华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、文化教育基地和公众文化休闲中心［1］。国家典籍博物馆于2012年7月，由中央机构编制委员会办公室批准正式挂牌成立，是国内首家典籍博物馆，也是世界同类博物馆中面积较大、藏品较丰富、代表性展品较多的博物馆。2012年至2014年，结合国家图书馆总馆南区维修改造工程，设立国家典籍博物馆专区，建筑总面积11549平方米，共10个展厅。2014年9月9日，国家图书馆建馆105周年之际，国家典籍博物馆正式开馆并面向公众免费开放。首展系统地展示国家图书馆馆藏精品，时间跨度从3000多年前的甲骨到现当代名家手稿，藏品类型从甲骨、敦煌遗书、善本古籍、金石拓片、舆图、样式雷图档，到民族文字古籍、名家手稿、西文善本，展览全面生动地呈现中华民族多元丰富的书籍文化以及国家图书馆丰富的馆藏。

2 博物馆展厅的室内环境参数

国家典籍博物馆馆藏典籍作为国家重要文献，是我国珍贵的文化遗产，具有极其重要的研究价值、珍藏价值和文物价值，要求尽可能地世世代代流传下去。为了实现典籍文物的永久保存，最大限度地延长典籍文物的保存寿命，必须对典籍文物的保存、展示环境提出严格的要求，温度、相对湿度、光照、空气污染物、有害微生物和昆虫等方面都需要严格控制。

国家典籍博物馆不同于其他综合博物馆，国家典籍博物馆展品的材质相对比较单一，典籍文物的材质主要为动植物材料，藏品类型有纸张、文献、经卷、书法、国画、书籍、拓片、邮票、丝毛棉麻纺织品、帛书、甲骨制品等，该类藏品对环境温、湿度非常敏感，而且对温、湿度的波动控制指标的要求比具体的温、湿度值更重要。《博物馆建筑设计规范》相关条文规定，设置空气调节设备的藏品库房、展厅，其温度和相对湿度应保持稳定，温度日较差应控制在2～5℃范围，相对湿度日波动值不应高于5%［2］。国家图书馆典籍文物保存在善本特藏库内，保存环境非常稳定，温、湿度常年控制在20±1℃，50±5%。

通过考察调研国内外主要博物馆的展厅空调设计、运行情况，尤其是书画类文物的展厅，综合考虑文物安全、参观者的舒适感以及运行能耗的需要，确定展厅室内温度全年控制在22±2℃，湿度控制在50±5%，展厅空调采用恒温恒湿空调，使之与典籍文物在善本特藏库内的保存环境相近。藏品展览安放在特殊展柜中，展柜内配置独立的湿度控制和空气净化设备，湿度控制在50±5%，温度由展厅大环境保证，贯彻恒湿的原则是为了避免展柜内外温差较大造成结露，影响文物安全。

3 展厅围护结构热工性能改造

国家图书馆总馆南区于1987年落成，由13个单体有机地组成一个建筑群，总体布局对称严谨、高低错落、馆园结合，外立面以白色水泥剁斧石为基座，墙面为淡蓝色小面砖，配以孔雀蓝琉璃瓦的大屋顶，充分体现了民族文化传统特色，该建筑曾被评为 “八十年代北京十大建筑”榜首。总馆南区维修改造是以 “修旧如旧，完善功能，提高品质”为总体方针，在保持原建筑风貌和结构基本不变的前提下，实现 “外观修缮见新，馆藏图书安全，功能调配合理，陈旧设备更新，系统配置合理，品质有所提升，节能改造见效”的改造目标。典籍博物馆属于改造工程，展厅空调属于工艺性空调，围护结构热工性能需满足工艺性要求。由于外墙、外窗朝向以及窗墙比受现状条件限制不能改变，因此根据现状条件及本次改造采取的节能措施校核是否能够满足工艺要求。改造前，所有外门、窗均为单层玻璃铝合金门窗，门窗的气密性较差，外墙无保温层。本次维修改造依据北京市地方标准《公共建筑节能设计标准》DB11／687—2009进行建筑节能改造，外墙外饰面要求保持原状，外墙外保温条件受限，采用内保温，保温材料为预制玻璃棉复合板 （燃烧性能A级）；屋面保温层原为加气混凝土板，本次改造在屋面板内侧增加保温层，采用喷超细无机纤维；外门、窗全部更换为断桥铝合金中空玻璃门、窗，玻璃选用辐射率不大于0.25的Low-E中空玻璃 （5＋12＋5），间隔层气体为空气。改造后的围护结构热工性能符合规范规定的工艺性空调区围护结构热工性能的要求［3］。

4 博物馆恒温恒湿空调系统

博物馆空调系统的任务就是确保文物的安全、延长文物的寿命，为之创造适宜的、相对稳定的小气候环境，包括相对洁净的室内空气、适宜的温湿度，以延缓文物的自然损坏进度。因为典籍博物馆展厅对温、湿度有特殊要求，需由空调系统控制稳定的温度和湿度参数，全年365天24小时运行。

4.1 展厅恒温恒湿空调系统

国家典籍博物馆展厅数量多、面积大、布置分散，且属于改造工程，若展厅空调机组选用风冷恒温恒湿专用空调机组，则投资大、COP低、噪声大、效率低、运行费用高，且如此多的室外风冷机组也会破坏建筑外观效果，违背了本次维修改造的总体原则。最终结合现状条件和改造的总体要求采用常规空调机组，通过高可靠的集中冷热源和空调自控手段达到恒温恒湿的空调效果。冷源由馆区冷冻机房水冷冷水机组供应，冷冻水供回水温度为6℃／11℃，热源由馆区市政热力热交换站供应，热水供回水温度为60℃／50℃。展厅空调机组采用两管制、电再热一次回风全空气双风机低速空调系统。为了满足展厅室内温湿度要求，空调机组由混合段、综合过滤段、表冷／加热段、电再热段、加湿段、风机段等功能段组成。原理图见图1。

图1 展厅空调机组原理图

（1）新风过滤：在新风管上设置新风过滤器，由初效过滤器和活性炭过滤器组成，对室外新风中的悬浮颗粒物和有害气体进行过滤净化。

（2）综合过滤段：新风和回风混合后经过综合过滤段：粗效＋中效过滤，粗效采用的是3M HAF静电吸附高流量板式过滤器，中效采用的是袋式无纺布过滤器。3M HAF空气过滤器应用聚丙烯原材料注入静电技术及防菌剂，表面制出凸起和凹槽并具有开放孔洞结构，能有效地利用静电引力捕促和承载颗粒，可产生最大空气流量和最小压差，使之达到过滤效率高、阻力低、100%防潮、防霉和容尘量大。

（3）表冷／加热段：表冷／加热段为一组冬、夏季共用盘管，夏季通6／11℃的冷水，用于空气冷却除湿；冬季通60／50℃的热水用于加热。

（4）电再热段：夏季为了准确控制室内相对湿度不大于5%，在机组内设置了电再热，微调室内相对湿度，满足文物藏品对湿度的苛刻要求。

（5）加湿段：展厅对湿度有较严格的要求，冬季空调系统采用电热加湿器进行加湿，为避免水中水垢沉积于加热元件表面而影响精度，加湿水源采用纯净水，由馆区集中纯净水循环系统供应。

（6）风机段：送风机位于空调机组内，为离心风机；回风机位于回风风管上，为低噪声轴流风机，送风机、回风机均采用变频风机。

4.2 展柜恒湿空调系统

典籍博物馆展厅共有两种展柜，大型墙柜和小型桌柜。大型墙柜沿展厅外墙布置，桌柜布置在展厅中间区域。每个展厅的大型墙柜选用一台加拿大原装进口的MAXI ONE大型恒湿机，安装于临近展厅的空调机房内，原理图如图2所示。MAXI ONE恒湿机是一个为大体积展柜微环境提供恒湿服务的全自动装置，该设备为展柜提供持续恒定的空气流，无回风，使展柜维持正压，逐渐替换展柜内的空气及污染物，展柜内被替换的空气通过自然的方式排出柜外。恒湿机由独立的制冷系统、电加热器、离心式鼓风机、不锈钢水箱、循环泵、进水电磁阀等组成，水源采用纯净水。室内空气先经过空气过滤器，在离心式鼓风机的作用下进入到绝热的不锈钢水箱中，不锈钢水箱中的水可以通过制冷系统和电加热器保持在精确的温度，空气与水在水箱中经过充分热质交换达到所需的相对湿度的空气输出。经过净化和湿度控制的空气通过空气分配系统输送到1个或多个展柜，空气分配系统由直径为DN50mm的主干管和直径略小的分支管组成。输送的空气在进入分配系统前，会经过一个三通阀，部分空气在进入三通阀之前通过一根小管道输送到传感盒内，传感盒安装在同受控展柜温度一致的展厅墙上或者置于 “有代表性”的展柜里面。利用传感盒内的高精度湿度传感器检测空气湿度，数据通过线缆反馈到恒湿机控制面板上。当检测到的相对湿度在设定范围内时，三通阀将空气输送到展柜；如果湿度不在设定范围内，三通阀会将空气排放到空调机房内。

图2 大型展柜恒湿空调系统原理图

小型桌柜采用小型恒湿机，每个展柜配置一台小型恒湿机，安装在被控展柜下方的基座内，经过过滤、湿度控制处理的恒定气流通过挠性软管输送到展柜内，替换掉展柜内原有空气和污染物，原有的空气和污染物会通过垫片上的小孔排出柜外，使展柜空间微环境维持正压和稳定的相对湿度水平。小型恒湿机有两种类型，以固态技术为基础的免加水PMCG恒湿机和需要人工加水的MAXI ONE小型恒湿机。

5 空调自动控制与运行节能措施

5.1 空调自动控制

与一般公共建筑的环境要求不同，博物馆空调系统需要全年365天24小时运行，保持室内环境温、湿度的相对稳定，并对室内空气质量也有较高的要求。为了保证空调系统设备安全、稳定、高效地运行，降低运行成本，节约能源，延长设备使用寿命，离不开可靠的自动控制系统。国家典籍博物馆空调自控为国家图书馆楼宇自控系统的一部分，具备参数检测、设备运行状态显示与故障报警、自动调节与远程／就地控制、工况转换、设备连锁与安全保护以及中央监控与管理等功能。

（1）参数检测与状态显示：检测空调机组送、回风温度、湿度，展厅室内温、湿度；检测风机、电热加湿器、电加热设备手／自动状态、运行状态及故障报警；检测送风机前后压差；检测过滤器压差开关状态，压差超限时堵塞报警。

（2）自动调节：温、湿度控制采用温度优先控制策略，在温度达标的前提条件下再控制调节湿度。根据室内温度设定值，比侧积分连续调节冷／热水阀开度，保持室内温度不变；根据室内湿度设定值，冬季连续调节电热加湿器加湿量，夏季分三级控制电再热器的启停，保持室内相对湿度稳定。

（3）安全保护：风阀、水阀以及机组内的电再热器、电热加湿器与风机连锁，并设无风 （风机前后压差＜30Pa）、超温 （送风温度＞70℃）报警断电保护。设置防冻开关，冬季运行时，检测盘管出口空气温度，当温度低于5℃时，自动停止风机，关闭新风及排风阀门，热水阀全开，同时发出声光报警。当故障排除后，重新启动风机，打开新风和排风阀，恢复机组的正常工作。

（4）工况转换：空调系统采用多工况运行的监控，可以设定和修改供冷／供热／过渡季工况，夏季供冷、冬季供热、过渡季可实现全新风或增大新风比运行。

5.2 空调运行节能措施

（1）采用3M HAF静电吸附高流量板式过滤器替代原有过滤器，阻力更低，效率更高。尽管前期费用高于原来的平板滤网，但3M过滤器使用寿命为三年，维护方便，定期使用吸尘器直接清洗即可，而原过滤器一个季度需要更换一次，减少了更换频率及人工维护，综合运营成本 （电力、滤材更换、维护人工）显著下降。

（2）空调系统的送风机和回 （排）风机根据空调负荷的变化进行变频调速控制，具有很好的节能效果。

（3）展厅内人员密度较大，而且变化比较频繁，冬、夏季展厅开馆期间，根据展厅内CO2浓度检测值来调节新风量，并使CO2浓度满足人体卫生要求，夜间闭馆后关闭新风，节约新风处理用能。

（4）在过渡季充分利用室外空气的自然冷量，最大限度地利用新风降温，空调系统采用全新风或增大新风比运行，有效地改善展厅内的空气品质，大量节省空气处理所需消耗的能量。

6 结论

国家典籍博物馆属于改造工程，改造建设过程中受现状条件限制，面临的方方面面的困难也较多。综合考虑保证文物安全、兼顾文物保护和为参观者提供舒适的环境，合理确定室内展厅环境参数；结合馆区的冷热源条件确定展厅和展柜所采用的空调系统形式；根据工艺要求确定空调自控系统的控制策略，进行精确地恒温恒湿控制，在后期运行过程中结合实际运行效果和需求对控制参数进行适时调整，挖掘节能潜力。典籍博物馆开馆后，经过近三年的连续运行，空调系统达到了预期的要求。国家典籍博物馆改造的实践为博物馆、图书馆类建筑的改造提供了良好的借鉴。