談博物館如何利用樓宇自控系統監控展廳空氣質量

代小娟

DAI Xiao-juan

（中國國家博物館）

（National Museum of China）

1 引言

博物館是征集、典藏、陳列和研究代表自然和人類文化遺產的實物的場所。博物館為了保存展品和保證觀眾參觀環境的舒適性，展廳的空氣質量變得尤為重要。而如何對展廳的空氣質量進行監控是我們研究的重點。

一般認為，室內空氣質量是指定性或定量的描述室內空氣狀況好壞的程度，它是與室內人體健康最密切相關的一種本質屬性。而室內空氣質量參數是指室內空氣中與人體健康有關的物理、化學、生物和放射性參數。其物理性參數包括溫度、相對濕度、空氣流速和新風量等4個物理性參數。化學性參數包括二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、氨、臭氧、甲醛、苯等13個化學性參數。

2 國家博物館的樓宇自控系統

國家博物館展廳主要通過樓宇自控系統監測和控制以下五個參數來監控展廳的空氣質量：溫度、相對濕度、新風量、二氧化碳及PM2.5。

國家博物館展廳采用四管制空調機組，空調機組控制點位包括：送回溫濕度、混風溫度、回風二氧化碳濃度、新風回風排風閥開度、過濾器初效、電子除塵、防凍報警、冷熱水閥開度及反饋、加濕閥開度、送排風機啟停控制及運行狀態、送排風機變頻啟停控制及運行狀態。

控制系統的現場元件包括：送回風溫濕度傳感器、混風溫度傳感器、二氧化碳傳感器、防凍開關、壓差開關、新回排風風閥執行器、冷熱水閥執行器、加濕閥執行器。

主要監控內容包括：送、排風機及變頻器運行狀態，送、回風溫濕度及含濕量，回風二氧化碳濃度、混風溫度，新風、回風、排風閥開度，冷、熱水閥、加濕閥開度及反饋，過濾網，電子除塵、防凍開關及各類參數歷史曲線及運行記錄等。

3 展廳溫度和相對濕度的監測及控制

溫度和濕度對博物館文物的保藏和陳列有著十分重要的影響，不同類型的文物對溫濕度的需求也不同。根據國家文物局發布的《博物館藏品保存環境試行規范》博物館的溫度控制在15℃～20℃，相對濕度在45%～60%將會比較理想。而不同材質種類的文物對溫濕度要求也不相同，有些特殊文物要單獨設定溫濕度。溫濕度的大幅度波動， 會引發文物材料在短時間內頻繁地熱脹冷縮和濕漲干縮而造成破壞。因此，在文物保存展示的過程中控制溫濕度的平穩性要比控制到某一具體數值更為重要，一般情況下溫度變化小于或等于2℃，相對濕度變化小于或等于5%。

博物館展廳的溫濕度主要依靠中央空調系統來控制，通過對空調機組自控系統編程、調試等手段來減小誤差，在保證展廳溫濕度穩定性的同時，盡可能達到恒溫恒濕。

國家博物館展廳空調機組溫濕度控制的相關點位包括：冷水閥、熱水閥及加濕閥執行器、溫濕度傳感器。這里系統設置了冷水溫度、熱水溫度及加濕濕度和除濕濕度的設定值，并根據展廳文物溫濕度需求來設定。

溫度控制原理：如果回風溫度小于熱水溫度設定值，則打開熱水閥加溫；如果大于冷水溫度設定值，則打開冷水閥降溫。同時冷熱水閥開度大小由PID算法決定。

濕度控制原理：在設定加濕濕度和除濕濕度后，系統自動計算出對應的含濕量下限值和上限值，同時將回風濕度換算成回風含濕量。如果回風含濕量小于含濕量下限，則打開加濕閥加濕；如果大于含濕量上限，則關閉加濕閥，打開冷水閥除濕。加濕閥開度大小由PID算法決定。

4 展廳新風量和二氧化碳的監測及控制

博物館展廳在滿足文物溫濕度需求的情況下，盡可能給觀眾提供舒適的參觀環境。而室外新風是改善展廳空氣質量的一個重要參數，同時在空調系統的控制中也可以利用室外新風來節約能源。國家博物館空調系統控制主要通過回風二氧化碳濃度來調節控制展廳的新風量，從而保證展廳空氣的新鮮程度；同時在不同工況下采用不同的運行模式來節約能源。

4.1 控制二氧化碳濃度-保證空氣新鮮程度

在回風管道安裝二氧化碳傳感器，并在樓控系統監控界面上顯示，同時設置二氧化碳濃度限定值。在空調機正常工作的時候，樓宇自控系統通過調節新風閥、回風閥和排風閥開度即調節室外新鮮空氣和室內回風空氣的混風比保證室內CO2不超過設定值。此時的混風系統中新風閥開度實時決定了最小新風模式下的新風閥開啟度。

4.2 在除濕工況下采用最經濟的方法除濕-最小的能源消能耗保證濕度

當室內所要求的含濕量在計算的室外含濕量和回風含濕量之間時，可以通過調節新風閥、回風閥和排風閥的混風比獲得所需的含濕量，如果室外含濕量小于回風含濕量，混風系統中新風閥逐漸開啟，回風閥逐漸關閉直到室內含濕量滿足設定要求，如果室外含濕量大于回風含濕量，混風系統中新風閥逐漸關閉，回風閥逐漸打開，直到室內含濕量滿足設定要求。并輔助通過調節冷水閥或者熱水閥，以獲得所需要的溫度。

當所需的室內空氣含濕量超出通過混風所可能提供的范圍，即室外含濕量和回風含濕量均大于滿足室內工況所需的含濕量：根據計算室外和回風焓值，如果室外焓值大于回風焓值，則采用最小新風模式；如果室外焓值小于回風焓值，則采用全新風模式（回風閥關閉）。通過調節冷水閥把送風溫度降到露點溫度除去空氣中多余的水分，達到所需的設定濕度，并輔助調節熱水閥保證所需的設定溫度。

4.3 非除濕工況，通過調節混風比，使室內溫度達到或者趨近于設定點—最小的能源消耗保證溫度

當室內溫度低于設定值，且回風溫度大于室外溫度時；或者室內溫度大于設定值，且回風溫度小于室外溫度時。混風系統中新風閥朝趨向于完全關閉的方向運轉直到最小新風模式。

當室內溫度低于設定值，且回風溫度小于室外溫度時；或者室內溫度大于設定值，且回風溫度大于室外溫度時。混風系統中新風閥朝趨向于完全打開的方向運轉直到全新風模式。

4.4 新風閥關閉模式

當混風溫度過高或者過低、送排風機停機包括送排風機故障或者防凍保護報警導致的風機停機，混風系統進入全回風模式（即關閉新風閥）。

5 展廳PM2.5的監測及控制

由于空氣污染，霧霾天氣頻繁出現，對室內空氣質量產生了重要影響。為了保證觀眾參觀環境的舒適度和文物儲存、展覽環境的潔凈度，解決霧霾天氣時展廳PM2.5污染值超標問題，博物館從技術和管理角度采取了一系列措施，提高空氣質量。

5.1 PM2.5技術預防措施

由于室外空氣通過風道進入空調機組，需要經過過濾網凈化后，才能送入展廳，因此過濾網的選擇尤其重要。博物館為了改善展廳空氣質量，通過對調研實驗，根據性價比采取了初效加高效PP紙過濾網。該過濾網由兩層構成，外面一層是初效過濾紙，主要攔截空氣中的大顆粒，里面是高效過濾紙，即PP紙，主要阻擋PM2.5。

5.2 充分利用樓宇自控系統監控展廳PM2.5

通過樓宇自控系統設置過濾網報警裝置，進而及時檢查、清洗及更換過濾網。

同時在展廳和室外安裝PM2.5傳感器，并在樓控系統監控界面上顯示。在霧霾天氣下，根據室外及展廳PM2.5檢測值或者系統管理員確認，充分利用樓宇自控平臺智能控制模式，混風系統進入霧霾控制模式，混風系統趨向最小新風模式（滿足CO2低于設定值的最小新風量）或全回風模式（關閉新風閥），從而減少室外污染空氣對室內的影響。

6 小結

目前國家博物館通過樓宇自控系統監控展廳的溫度、相對濕度、新風量、二氧化碳濃度及PM2.5等參數，在保證文物安全的條件下盡可能地為觀眾提供舒適的參觀環境。不僅改善了展廳的空氣質量，同時對于博物館了解自身運行環境和提升博物館服務功能均有明顯促進作用。

[1]鄧佳,李隆田,唐歡.空氣質量智能化監測系統在博物館中的應用—以白鶴梁水下博物館為例[J].遺產與保護研究 .2017(5)：92-96.

[2]呂大偉.新風控制系統在博物館的應用[J].智能建筑與城市信息.2015(7)：61-62.

[3]代小娟.談國家博物館在霧霾天氣下展廳空氣質量治理措施[J].智能建筑與智慧城市,2017(2)：69-72.