德國希爾德斯海姆大學圖書館建筑智慧化改造的實踐與啟示*

王 碧

（深圳大學城圖書館 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，各國紛紛開始大力發展智慧城市。智慧圖書館是智慧城市的重要組成部分，建立在物聯網基礎之上，包含智慧建筑、智慧管理、智慧服務等主要內容。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各個空間的信息，通過云計算分析作出決策，再將決策傳遞到相應的控制終端完成動作指令，以實現圖書館的節能環保、智能控制、環境升級、人文關懷等目標[1]。

如今國內學界對智慧圖書館越來越重視[2]，但關于圖書館智慧建筑建設實踐的討論卻很有限，僅有一些研究從建筑學角度單獨聚焦智慧照明系統或者空調系統[3-5]，而關于國外案例的介紹更是稀缺。因此，本文對“德國首家智慧圖書館”[6]希爾德斯海姆大學圖書館的智慧建筑改造項目展開分析，希望能為我國圖書館的建設實踐提供參考。

2 希爾德斯海姆大學圖書館智慧建筑改造實踐

2.1 背景概況

希爾德斯海姆大學（Universit?t Hildesheim）位于德國下薩克森州，建成于1946年，目前在校學生八千多人，教師八百多人[7]。大學圖書館主體為一棟建于1990年的獨立二層建筑，到2012年改造升級前，一直是全校師生學習和工作的重要場所，但由于擁有二十多年的歷史，其建筑技術（尤其是供暖技術）已經明顯過時，照明、通風、供暖等功能仍需手動操作，且無法進行分區控制[8]。

為此，2011年4月圖書館改造項目啟動，2011年11月開始施工，2012年6月進行正式調試，2013年12月完成最終調試[9]。項目有三大著眼點，一是打造節能圖書館，二是提高館內學習工作的環境舒適度，三是在不影響正常開館的前提下完成施工[10]。就最終效果來說，除了供暖方面差強人意，其他目標基本實現，大大節省了各方面能耗，改善了室內照明和氣候環境，也減少了關于陽光刺眼、窗簾干擾的投訴。

2.2 改造項目的主要內容

2.2.1 照明系統

首先，將熒光管燈管更換為更加節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%，在實際使用中也節省了45%—50%的能源。

其次，原有燈帶只能手動控制，大片區域只能同時打開或同時關閉，使得某些區域在白天光線充足的時候也保持長明燈狀態，造成浪費。此次改造在沿窗等光線充足的區域，為燈具安裝光線傳感器，以便在光線充足的時段充分利用自然光。在夏季，每天可以節省約4小時的燈具照明能耗。

此外，圖書館窗戶外部的百葉窗也安裝了光線感應器，當館內自然光照由過剩轉為不足時，百葉窗會自動開啟，以適量補足室內光線，從而無需開燈。2.2.2 供暖、通風和空調系統

供暖方面，詳細劃出23個分區，以便針對不同區域在不同時段有區別地供暖。在暖氣閥上安裝了傳感器和執行器，可根據實際情況對室內溫度作出微調。外窗上還安裝了觸點裝置，一旦有窗戶打開或者破損，就會立刻上報中央系統，自動停止供暖，從而避免因漏風造成熱量損失。

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

空調方面，改造前圖書館的空調系統由學校的控制中心統一控制，改造后由圖書館自行控制，可根據館內的溫度感應器反饋的實時溫度隨時作出相應調整，以符合智能設定的區域和時段目標溫度，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調整室內溫度。

2.2.3 中央控制系統

（1）核心架構

本項目中央控制系統采用了智慧家居技術（Smart Home Technology，SHT），采用建立在傳感器、執行器和無線通信網絡技術之上的智慧控制系統，將圖書館分割為可以單獨控制的“消費區塊”。其核心可被看作一款軟件，通過傳感器和執行器與照明、供暖、通風、空調系統相連，并具有高度的可擴展性。

具體說來，本項目采用了分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）架構，包含一個中央站和四個直接數字控制（Direct Digital Control，DDC）單元。DDC控制單元可獨立接收傳感器信息，完成分析判斷并向執行器發送指令，也可接受中央站的上層指令和監督[11]。傳感器、執行器、DDC單元和中央站之間通過無線通信網絡連接。

（2）操作界面

中央站即中央管理計算機，提供視窗操作系統，其界面友好，無需專門的計算機知識就可操作。點擊幾下鼠標即可調出各區域的實時參數，還可以查看歷史數據和相關分析，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溫度、開窗通風時長及通風策略等的改變而發生的變化，有助于探索找尋最優節能方案。例如，通過溫度曲線圖可以判斷需要加熱多久才能彌補晨間通風造成的熱量損失，讓溫度恢復目標值，并由此發現了使用短暫和猛烈的“交叉通風法”可以最小化熱量損失。借助豐富的歷史數據，還可結合經驗去判斷某些時刻是否確實需要采取補救措施去提高（或降低）室內溫度，而非僅僅依靠個別讀者的主觀訴求。

3 希爾德斯海姆大學圖書館智慧建筑改造實踐的特點

3.1 低成本項目

本項目的原則是不追求“以更多來服務更多”，而追求“以更準確的少數來服務更多”。在盡量精簡之后，僅設置了一百余個傳感器和執行器。項目總投資僅7萬歐元，按照每年耗能61 000歐元、改造后總體可節省能耗35%來計算，三年多即可收回成本。項目不追求最高精尖的技術，而是采取符合當下實情和預算的、性價比最高的方案。例如，照明系統改造并未選擇各方面性能更優但價格更高的LED燈管，而選擇了比LED稍遜但比此前更優類型的熒光燈管。又如在給照明系統安裝傳感器時，通過實驗發現，由于書架的遮擋，如若設置人體感應器，則每隔一列書架就需要一個，所需數量較多，成本過高，所以只在確有需要的靠窗區域設置了光線傳感器。

3.2 節能環保原則

本項目一切均以環保節能為首要出發點和最終落腳點。例如，在照明系統改造中，僅更換燈管而保留了原有的燈座和電線線路，極大地節省了預算和工程量。而傳感器、執行器與控制系統之間通過無線網絡相連，除了13個信號發射器和中央電池管理系統需要鋪設新的管線之外，幾乎沒有挖鑿焊接之類的施工需求。這樣既節省預算，節約資源，又減少了施工噪音和塵埃污染。由此，作為項目重要目標之一的“隱形施工”得以實現。根據采訪反饋，幾乎沒有用戶發現圖書館在進行翻新改造，大多數人以為是在進行普通的日常維護。此外，圖書館盡量借助自然通風、自然降溫和自然光照明，不僅節能環保，還能提高室內氣候環境的自然舒適度。

3.3 校內外合作意識

希爾德斯海姆大學于2003年正式轉制為公法基金會大學，由公法基金會代替國家成為責任的承擔主體，因而學校享有較高的自治權，同時學校與社會的關系也更為緊密，與各科教文化機構及商業經濟組織都保持著強有力的聯系與合作。其辦學理念強調實踐，鼓勵學生參與教學過程的設計，大力發展跨學科和跨院系的項目合作[12]。

本項目選擇與Ben Said電子科技公司和INGA建筑自動化公司合作，這兩家企業均是專注樓宇自動化開發技術[13]的中型企業。此外與校內師生也有相當程度的合作：學校工商管理和經濟信息學院的學生早前在學校其他建筑做過供暖通風改造的類似實驗，有寶貴的試點經驗；項目本身就構成學校環境保護系和環境科學與自然保護系學生的一項研究課題，能得到其研究成果的助力；學校建筑和不動產學院的教師和學者為項目提供了技術支持。通過與校內外的合作，既提高了師生的科研能力，又對其他建筑尤其是舊建筑的智慧化節能改造給出了實踐參考樣本。

4 對我國圖書館改造的啟示

4.1 以改代建，輕裝上陣

在我國圖書館智慧建筑建設中，強調以改代建很有必要。首先，無論是高校圖書館還是公共圖書館，通常是地標建筑，承載著重要的歷史回憶和文化情感價值。其次，有的圖書館不便改做他途，例如邵逸夫先生就曾規定其捐贈的圖書館永不得另作他用[14]，若建了新館，舊館淪為書庫或被廢置，會造成資源的嚴重浪費。最后，很多圖書館沒有足夠的智慧化升級預算和條件。

目前我國關于智慧圖書館科技的討論，集中在最先進的前沿科技，少見普通圖書館易于著手效仿的建設案例。希爾德斯海姆大學圖書館建于1990年，原本建筑技術已很落后，僅用7萬歐元預算就完成了智慧化改造，布局了無線傳感器網絡，實現了智能照明、溫控和通風控制，極大地改善了閱讀環境，并達到了總體節能35%的目標，很快就通過節能收回成本。這一切都要歸功于其投入“少而準”的理念，值得我們借鑒學習。若要一步到位建造新館，參考2015年新建的丹麥Dokk1智慧圖書館項目，投入資金達到2.28億歐元[15]，和7萬歐元遠不是一個量級。目前我國大部分圖書館仍然處于經費緊張的狀態[16]，研究輕量級、短陣線、高收益的智慧化建筑改造項目，無疑有著重大的現實意義。加之我國有很多20世紀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，在改造后節能提升和環境改善的效果越明顯[17]。

4.2 開館施工，并行不悖

如果改造施工時閉館，用戶無處可去，但如果堅持開館，用戶則會受到噪音、粉塵、震動、遮擋等各方面的困擾。在我國，絕大多數圖書館在改造施工時會選擇全部或至少部分閉館，但很多時候閉館與用戶的現實需求有激烈的沖突，這直接扼殺了很多升級改造的計劃和想法。而希爾德斯海姆大學圖書館的實踐證明，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帶來明顯的負面影響。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施，并且選擇無線通信技術也最小化了管線鋪設任務，避免了對墻體及地面的破壞。此外，該項目還選擇在夏季學期的上課時間，也是到館用戶最少的時段進行施工，這一點也值得注意。

4.3 多方合作，重視推廣

智慧圖書館的發展需要多方合作，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據相關的單位合作[19]。我國高校圖書館已經越來越重視與學校各院系的緊密聯系，例如為其提供定制化的學科服務，但在自身的智慧圖書館建筑建設或其他硬件建設過程中卻很少會想到在校內尋求幫助，或創造共贏的機會。但其實一方面，可以借助建筑系、土木工程系、計算機系、設計系等專業師生的技術和資源，另一方面又可以為這些院系提供實踐、合作和科研實驗的機會。在這個過程中：①學校領導可以發揮重要的倡導、協調和指揮作用；②圖書館可以通過學科館員與各院系建立長期穩定的交流溝通機制，定期了解各院系的資源、項目及實踐需求；③圖書館可以將本館或其他圖書館與校內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媒體渠道進行宣傳，以吸引更多院系的合作。

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

4.4 重視特點，汲取經驗

4.4.1 熱惰性特點

圖書館內存放著相當數量的書籍，其熱惰性高，儲熱多，散熱慢，因此館內書籍儲藏區域降溫慢，升溫也慢。希爾德斯海姆大學圖書館未能事先充分考慮這一物理特性，所以初期根據在其他校內建筑的試點實驗數據，對夜間散熱效果和晨間加熱所需時間做出了錯誤的估計，在預算階段也對供暖系統的節能效果做出了過高的預期。

4.4.2 舊建筑特點

對圖書館舊建筑進行改造，要認真考察現有硬件的實際狀態，并提前制定因設備老化可能帶來的極端情況的應急預案。在設置節能目標時，也要充分考慮到沿用的原有設備的能力局限性。希爾德斯海姆大學圖書館在升級改造完成后，仍有部分暖氣裝置供暖不足或者根本無法工作，就是因為其暖氣系統管道老舊，水動力平衡性有較大問題，無論是供暖效果還是節能效果都無法達到預期水平。因此還需要等待供暖季結束后，開啟新一輪改造，更換過分老舊的暖氣系統硬件。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，才能制定更科學的目標，作出更周密的安排。

4.4.3 公共場所特點

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

隱私保護方面，希爾德斯海姆大學圖書館認為，在圖書館這樣的公共場所設置傳感器等設備需要非常慎重。這種關于傳感器及監控攝像頭的隱私保護和授權意識，在我國目前關于圖書館建設實踐的討論中非常少見，值得引起注意。可以預見隨著科技的進一步發展，未來這方面的問題會越發突出，建議可以考慮以下對策：①在相關地點、網站和社交媒體賬號上張貼或推送提示、警告和宣傳語；②在區域規劃上專門區分設置有人體感應、攝像監控甚至人臉識別等智能技術裝置的區域，和沒有任何感應器材的“綠色”區域；③允許用戶通過互聯網授權的方式啟動或關閉其所在位置的相關敏感裝置。

宣傳引導方面，智慧建筑技術改變了傳統的照明、通風和供暖方式，需要圖書館引導大眾改變以前的使用習慣，也需要通過宣傳讓大眾理解和掌握使用更多新的設備和資源。希爾德斯海姆大學圖書館的供暖系統改造升級后，通過DDC單元和中央控制系統進行智能溫度調節，但很多用戶還是習慣性地手動去擰暖氣片的開關，這樣不僅徒勞無功，還容易損壞設備。所以我國在建設智慧圖書館的計劃階段，就應該把如何更好地引導公眾正確接受和高效使用智慧圖書館建筑設施納入思考和規劃范疇。

5 結語

德國希爾德斯海姆大學圖書館智慧建筑改造項目以節能為主要目的，采用了建立在傳感器、執行器和無線通信網絡技術之上的智慧樓宇技術，對我國大多數預算不高但有智慧升級需求的圖書館具有較高的參考價值。此外，該項目施工中所體現的以簡馭繁、以人為本、綠色節能、合作共贏等理念，以及一些細節經驗都值得我們借鑒。