德国希尔德斯海姆大学图书馆建筑智慧化改造的实践与启示*

2021-01-08王碧

图书馆研究与工作 2021年11期

王碧

（深圳大学城图书馆广东深圳 518055）

1 引言

2009年，IBM（International Business Machines Corporation）首次提出智慧地球（Smarter Planet）的概念，各国纷纷开始大力发展智慧城市。智慧图书馆是智慧城市的重要组成部分，建立在物联网基础之上，包含智慧建筑、智慧管理、智慧服务等主要内容。其中，图书馆智慧建筑指通过传感器等智能终端收集图书馆建筑物内各个空间的信息，通过云计算分析作出决策，再将决策传递到相应的控制终端完成动作指令，以实现图书馆的节能环保、智能控制、环境升级、人文关怀等目标[1]。

如今国内学界对智慧图书馆越来越重视[2]，但关于图书馆智慧建筑建设实践的讨论却很有限，仅有一些研究从建筑学角度单独聚焦智慧照明系统或者空调系统[3-5]，而关于国外案例的介绍更是稀缺。因此，本文对“德国首家智慧图书馆”[6]希尔德斯海姆大学图书馆的智慧建筑改造项目展开分析，希望能为我国图书馆的建设实践提供参考。

2 希尔德斯海姆大学图书馆智慧建筑改造实践

2.1 背景概况

希尔德斯海姆大学（Universität Hildesheim）位于德国下萨克森州，建成于1946年，目前在校学生八千多人，教师八百多人[7]。大学图书馆主体为一栋建于1990年的独立二层建筑，到2012年改造升级前，一直是全校师生学习和工作的重要场所，但由于拥有二十多年的历史，其建筑技术（尤其是供暖技术）已经明显过时，照明、通风、供暖等功能仍需手动操作，且无法进行分区控制[8]。

为此，2011年4月图书馆改造项目启动，2011年11月开始施工，2012年6月进行正式调试，2013年12月完成最终调试[9]。项目有三大着眼点，一是打造节能图书馆，二是提高馆内学习工作的环境舒适度，三是在不影响正常开馆的前提下完成施工[10]。就最终效果来说，除了供暖方面差强人意，其他目标基本实现，大大节省了各方面能耗，改善了室内照明和气候环境，也减少了关于阳光刺眼、窗帘干扰的投诉。

2.2 改造项目的主要内容

2.2.1 照明系统

首先，将荧光管灯管更换为更加节能的荧光灯灯管类型，并保留了原有灯座、灯罩和电路。新的灯管理论上可以省电48%，在实际使用中也节省了45%—50%的能源。

其次，原有灯带只能手动控制，大片区域只能同时打开或同时关闭，使得某些区域在白天光线充足的时候也保持长明灯状态，造成浪费。此次改造在沿窗等光线充足的区域，为灯具安装光线传感器，以便在光线充足的时段充分利用自然光。在夏季，每天可以节省约4小时的灯具照明能耗。

此外，图书馆窗户外部的百叶窗也安装了光线感应器，当馆内自然光照由过剩转为不足时，百叶窗会自动开启，以适量补足室内光线，从而无需开灯。2.2.2 供暖、通风和空调系统

供暖方面，详细划出23个分区，以便针对不同区域在不同时段有区别地供暖。在暖气阀上安装了传感器和执行器，可根据实际情况对室内温度作出微调。外窗上还安装了触点装置，一旦有窗户打开或者破损，就会立刻上报中央系统，自动停止供暖，从而避免因漏风造成热量损失。

通风方面，原本只能通过手动打开有限的几扇窗户和靠近天花板的少数通风盖进行通风。改造后采用了“夜间冲洗”方法，在炎热的夏季夜晚，用冷风扇将热空气从天花板下方的通风口吹出，让凉爽的室外空气从下方窗户缝隙流入，达到通风和降温的效果，从而节省空调的使用。

空调方面，改造前图书馆的空调系统由学校的控制中心统一控制，改造后由图书馆自行控制，可根据馆内的温度感应器反馈的实时温度随时作出相应调整，以符合智能设定的区域和时段目标温度，并让室温更均匀地分布。此外，图书馆部分百叶窗窗帘上不仅装有光线传感器，也装有温度传感器，可通过控制窗帘开合来调整室内温度。

2.2.3 中央控制系统

（1）核心架构

本项目中央控制系统采用了智慧家居技术（Smart Home Technology，SHT），采用建立在传感器、执行器和无线通信网络技术之上的智慧控制系统，将图书馆分割为可以单独控制的“消费区块”。其核心可被看作一款软件，通过传感器和执行器与照明、供暖、通风、空调系统相连，并具有高度的可扩展性。

具体说来，本项目采用了分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）架构，包含一个中央站和四个直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）单元。DDC控制单元可独立接收传感器信息，完成分析判断并向执行器发送指令，也可接受中央站的上层指令和监督[11]。传感器、执行器、DDC单元和中央站之间通过无线通信网络连接。

（2）操作界面

中央站即中央管理计算机，提供视窗操作系统，其界面友好，无需专门的计算机知识就可操作。点击几下鼠标即可调出各区域的实时参数，还可以查看历史数据和相关分析，例如故障历史记录、温度曲线图、能耗曲线图等。这些记录揭示了能耗随供暖目标温度、开窗通风时长及通风策略等的改变而发生的变化，有助于探索找寻最优节能方案。例如，通过温度曲线图可以判断需要加热多久才能弥补晨间通风造成的热量损失，让温度恢复目标值，并由此发现了使用短暂和猛烈的“交叉通风法”可以最小化热量损失。借助丰富的历史数据，还可结合经验去判断某些时刻是否确实需要采取补救措施去提高（或降低）室内温度，而非仅仅依靠个别读者的主观诉求。

3 希尔德斯海姆大学图书馆智慧建筑改造实践的特点

3.1 低成本项目

本项目的原则是不追求“以更多来服务更多”，而追求“以更准确的少数来服务更多”。在尽量精简之后，仅设置了一百余个传感器和执行器。项目总投资仅7万欧元，按照每年耗能61 000欧元、改造后总体可节省能耗35%来计算，三年多即可收回成本。项目不追求最高精尖的技术，而是采取符合当下实情和预算的、性价比最高的方案。例如，照明系统改造并未选择各方面性能更优但价格更高的LED灯管，而选择了比LED稍逊但比此前更优类型的荧光灯管。又如在给照明系统安装传感器时，通过实验发现，由于书架的遮挡，如若设置人体感应器，则每隔一列书架就需要一个，所需数量较多，成本过高，所以只在确有需要的靠窗区域设置了光线传感器。

3.2 节能环保原则

本项目一切均以环保节能为首要出发点和最终落脚点。例如，在照明系统改造中，仅更换灯管而保留了原有的灯座和电线线路，极大地节省了预算和工程量。而传感器、执行器与控制系统之间通过无线网络相连，除了13个信号发射器和中央电池管理系统需要铺设新的管线之外，几乎没有挖凿焊接之类的施工需求。这样既节省预算，节约资源，又减少了施工噪音和尘埃污染。由此，作为项目重要目标之一的“隐形施工”得以实现。根据采访反馈，几乎没有用户发现图书馆在进行翻新改造，大多数人以为是在进行普通的日常维护。此外，图书馆尽量借助自然通风、自然降温和自然光照明，不仅节能环保，还能提高室内气候环境的自然舒适度。

3.3 校内外合作意识

希尔德斯海姆大学于2003年正式转制为公法基金会大学，由公法基金会代替国家成为责任的承担主体，因而学校享有较高的自治权，同时学校与社会的关系也更为紧密，与各科教文化机构及商业经济组织都保持着强有力的联系与合作。其办学理念强调实践，鼓励学生参与教学过程的设计，大力发展跨学科和跨院系的项目合作[12]。

本项目选择与Ben Said电子科技公司和INGA建筑自动化公司合作，这两家企业均是专注楼宇自动化开发技术[13]的中型企业。此外与校内师生也有相当程度的合作：学校工商管理和经济信息学院的学生早前在学校其他建筑做过供暖通风改造的类似实验，有宝贵的试点经验；项目本身就构成学校环境保护系和环境科学与自然保护系学生的一项研究课题，能得到其研究成果的助力；学校建筑和不动产学院的教师和学者为项目提供了技术支持。通过与校内外的合作，既提高了师生的科研能力，又对其他建筑尤其是旧建筑的智慧化节能改造给出了实践参考样本。

4 对我国图书馆改造的启示

4.1 以改代建，轻装上阵

在我国图书馆智慧建筑建设中，强调以改代建很有必要。首先，无论是高校图书馆还是公共图书馆，通常是地标建筑，承载着重要的历史回忆和文化情感价值。其次，有的图书馆不便改做他途，例如邵逸夫先生就曾规定其捐赠的图书馆永不得另作他用[14]，若建了新馆，旧馆沦为书库或被废置，会造成资源的严重浪费。最后，很多图书馆没有足够的智慧化升级预算和条件。

目前我国关于智慧图书馆科技的讨论，集中在最先进的前沿科技，少见普通图书馆易于着手效仿的建设案例。希尔德斯海姆大学图书馆建于1990年，原本建筑技术已很落后，仅用7万欧元预算就完成了智慧化改造，布局了无线传感器网络，实现了智能照明、温控和通风控制，极大地改善了阅读环境，并达到了总体节能35%的目标，很快就通过节能收回成本。这一切都要归功于其投入“少而准”的理念，值得我们借鉴学习。若要一步到位建造新馆，参考2015年新建的丹麦Dokk1智慧图书馆项目，投入资金达到2.28亿欧元[15]，和7万欧元远不是一个量级。目前我国大部分图书馆仍然处于经费紧张的状态[16]，研究轻量级、短阵线、高收益的智慧化建筑改造项目，无疑有着重大的现实意义。加之我国有很多20世纪80年代及其以前的图书馆建筑，越是老旧的建筑和落后的建筑技术，在改造后节能提升和环境改善的效果越明显[17]。

4.2 开馆施工，并行不悖

如果改造施工时闭馆，用户无处可去，但如果坚持开馆，用户则会受到噪音、粉尘、震动、遮挡等各方面的困扰。在我国，绝大多数图书馆在改造施工时会选择全部或至少部分闭馆，但很多时候闭馆与用户的现实需求有激烈的冲突，这直接扼杀了很多升级改造的计划和想法。而希尔德斯海姆大学图书馆的实践证明，开馆与施工可以并行不悖，其绿色施工并没有给到馆用户的阅读体验带来明显的负面影响。这得益于改造工程尽量沿用了旧有的电路、管线以及灯座等硬件设施，并且选择无线通信技术也最小化了管线铺设任务，避免了对墙体及地面的破坏。此外，该项目还选择在夏季学期的上课时间，也是到馆用户最少的时段进行施工，这一点也值得注意。

4.3 多方合作，重视推广

智慧图书馆的发展需要多方合作，包括图书馆间合作、馆企间合作，也包括图书馆与高校院系、研究院等其他与信息数据相关的单位合作[19]。我国高校图书馆已经越来越重视与学校各院系的紧密联系，例如为其提供定制化的学科服务，但在自身的智慧图书馆建筑建设或其他硬件建设过程中却很少会想到在校内寻求帮助，或创造共赢的机会。但其实一方面，可以借助建筑系、土木工程系、计算机系、设计系等专业师生的技术和资源，另一方面又可以为这些院系提供实践、合作和科研实验的机会。在这个过程中：①学校领导可以发挥重要的倡导、协调和指挥作用；②图书馆可以通过学科馆员与各院系建立长期稳定的交流沟通机制，定期了解各院系的资源、项目及实践需求；③图书馆可以将本馆或其他图书馆与校内院系合作的成功案例制成宣传样本，通过各种社交媒体及校内媒体渠道进行宣传，以吸引更多院系的合作。

此外，希尔德斯海姆大学图书馆非常重视自身改造项目的试点意义，多次指出希望为其他图书馆馆舍和校内外其他类型建筑的改造提供参考范例，显示出很强的分享意识和推广精神。

4.4 重视特点，汲取经验

4.4.1 热惰性特点

图书馆内存放着相当数量的书籍，其热惰性高，储热多，散热慢，因此馆内书籍储藏区域降温慢，升温也慢。希尔德斯海姆大学图书馆未能事先充分考虑这一物理特性，所以初期根据在其他校内建筑的试点实验数据，对夜间散热效果和晨间加热所需时间做出了错误的估计，在预算阶段也对供暖系统的节能效果做出了过高的预期。

4.4.2 旧建筑特点

对图书馆旧建筑进行改造，要认真考察现有硬件的实际状态，并提前制定因设备老化可能带来的极端情况的应急预案。在设置节能目标时，也要充分考虑到沿用的原有设备的能力局限性。希尔德斯海姆大学图书馆在升级改造完成后，仍有部分暖气装置供暖不足或者根本无法工作，就是因为其暖气系统管道老旧，水动力平衡性有较大问题，无论是供暖效果还是节能效果都无法达到预期水平。因此还需要等待供暖季结束后，开启新一轮改造，更换过分老旧的暖气系统硬件。如果此前做好勘察，施工本可一步到位，所以把握旧建筑的特点，才能制定更科学的目标，作出更周密的安排。

4.4.3 公共场所特点

图书馆是人流量很大的公共场所和文化场所，需要注重公众的隐私保护，或考虑到公众在这方面的顾虑，做好解释宣传，有时还需要对公众行为做出必要的引导，这在智慧图书馆建筑建设的过程中也必然有所体现。

隐私保护方面，希尔德斯海姆大学图书馆认为，在图书馆这样的公共场所设置传感器等设备需要非常慎重。这种关于传感器及监控摄像头的隐私保护和授权意识，在我国目前关于图书馆建设实践的讨论中非常少见，值得引起注意。可以预见随着科技的进一步发展，未来这方面的问题会越发突出，建议可以考虑以下对策：①在相关地点、网站和社交媒体账号上张贴或推送提示、警告和宣传语；②在区域规划上专门区分设置有人体感应、摄像监控甚至人脸识别等智能技术装置的区域，和没有任何感应器材的“绿色”区域；③允许用户通过互联网授权的方式启动或关闭其所在位置的相关敏感装置。

宣传引导方面，智慧建筑技术改变了传统的照明、通风和供暖方式，需要图书馆引导大众改变以前的使用习惯，也需要通过宣传让大众理解和掌握使用更多新的设备和资源。希尔德斯海姆大学图书馆的供暖系统改造升级后，通过DDC单元和中央控制系统进行智能温度调节，但很多用户还是习惯性地手动去拧暖气片的开关，这样不仅徒劳无功，还容易损坏设备。所以我国在建设智慧图书馆的计划阶段，就应该把如何更好地引导公众正确接受和高效使用智慧图书馆建筑设施纳入思考和规划范畴。