节能型图书馆建设初探——以郑州市图书馆为例

汤更生 李红岩

（1.国家图书馆，北京 100081；2.郑州图书馆，河南 郑州 450053）

1 背景

近年来，中国建筑的能源消耗量越来越大，尤其是公共建筑更为突出。从1996年到2008年，中国总商品能耗从2.59亿吨标准煤（tce）涨到6.55亿tce（不含生物质能），增加了1.5倍[1]。当前，建筑能耗约占全国社会总能耗的1/3[2]；其中公共建筑面积约为建筑总面积的10%，但其总能耗（采暖除外）占建筑总能耗的22%；大型公共建筑面积比例占公共建筑总量的5%，其耗电占公共建筑总耗电的17%。近年来，为了解决建筑高耗能的问题，政府大力宣传推广节能减排理念和技术，已初见成效。图书馆作为传承文明、提供普遍均等信息服务、满足社会精神文化需求的特殊公共建筑和公共文化服务机构更应承担起为社会做出节能环保示范的社会责任。

在中国，很多图书馆已经开始感觉到每年馆舍所消耗的水电煤气、汽油柴油煤炭能源资源费用可观，甚至很可能已经超出购书经费。因此，让图书馆成为一个低能耗的绿色图书馆逐渐成为业界关注的重要问题。2009年10月，中国图书馆学会倡议并联合中国建筑标准设计研究院、北京市建筑设计研究院、维态同慧（北京）科技有限公司（合同能源管理公司）、中关村国际环保产业促进中心以及基层图书馆等多家单位，共同发起了图书馆节能减排项目。由图书馆、节能、环保、建筑等各领域专家组成的项目组开展了大量的调查和研究，提出了相应的对策。2010年7月，该项目得到了文化部科技司的认可，“图书馆节能减排现状调查与对策分析项目”正式在文化部科技创新项目中立项。同年12月第一个示范项目——郑州图书馆新馆节能建设正式开始实施。

2 调查研究和对策分析

2.1 现状调查

数年前，在我国部分西部欠发达地区的图书馆经费严重短缺，出现了“人吃书”（人员经费挤占购书费用）的现象，还出现了“书吃人”（有的图书馆为了挤出少量的购书经费，不得不扣减职工的工资）的现象[3]。近年来，随着国家对公共文化服务体系建设的重视，加大力度进行图书馆馆舍建设，很多新馆、大馆陆续建成，如果我们在图书馆建筑建设中不注重节能设施及节能管理控制，新馆、大馆落成的同时，也就诞生了一个耗能大户、排放大户。

我国公共图书馆基本上依照全国行政区划设立，全国省级行政区34个，地市级行政区332个，区县级行政区2853个[4]，县级以上独立建制的公共图书馆已有2951个[5]。馆舍建筑面积超过10000m2的图书馆约300所。为了摸清能耗现状，提出对策措施，在全国各级各类图书馆中积极倡导节能减排，中国图书馆学会于2010年5月向全国100家具有代表性的省、市、区、县级公共图书馆和高校图书馆发出了《图书馆能耗现状调查表》。该调查表涉及48项具体指标，希望通过定量分析图书馆的体形设计、墙体、窗设计、空调系统、照明系统、水循环系统、新型能源技术的利用，结合图书馆行业特点，提出节能减排的有效对策。

调查收回的54份有效问卷显示，20世纪90年代中期以前建设的、10000m2以下、一般白天采用外窗采光且未安装中央空调设备的图书馆，耗能较低，属于每年每平方米耗电不到40度，一年总耗电量不到50万度的低耗能建筑。20世纪90年代末及以后建设的、投资在亿元以上、建筑面积在20000m2以上的大型图书馆，是图书馆行业或所在城市的耗能大户。由于馆舍建筑体量大，白天自然采光条件差，室内区域需要依靠人工照明，室内的空气质量需要依靠机械通风换气维持，室内温度需要长时间通过中央空调或暖气维持，且电梯数量较多，从而导致每年每平米耗电超过70度。调查发现，图书馆耗电的主要设备有空调系统、照明系统、电梯、电脑、服务器、防盗器、存包柜和消防监控等。这个结果与国家级权威机构发布的调查结果基本一致。

2.2 对策方案

基于上述调研，图书馆节能减排项目组设计了两种方案解决图书馆耗能问题。

第一，对已建成的高耗能的图书馆通过合同能源管理方式进行改造。合同能源管理的引进既可以减低图书馆投入又可以达到节能减排的目标。黑龙江图书馆较早地意识到了节能问题的重要性，对空调系统进行了节能改造，通过将普通空调系统改为变频系统使空调能耗降低了近40%。2010年3月，专家通过一系列《系统能源审计信息调查表》分析了黑龙江图书馆近两年来的各项能源数据，最终经过实地考察、计算、分析，形成了一个节能改造方案。计划一期对照明系统施行改造。采用更加节能的荧光节能灯，在不降低照度（照度可能会有一定程度提高）的前提下，预计投入80万元，可将照明总功率降低约33%。在同样使用条件下，每年可节省照明用电费用约20万元。计划二期改造水蓄冷与空调系统自动控制和太阳能生活热水系统，但这两项需要投入的费用较高，在节能效果、技术经济性上还需要进一步针对需求深入论证、评测。此外，项目组还为南京图书馆拟定了空调变频改造方案。

第二，针对新建图书馆，在建筑设计阶段优先选用节能技术及产品。郑州图书馆的新馆建设就是一个典型的例子，笔者将重点介绍郑州图书馆的经验和成果。

3 郑州图书馆新馆的节能改造

3.1 气候、位置与建筑概况

郑州市是河南省省会，素有“中国铁路心脏”之称，地处中华腹地，九省通衢，中原地区最大的城市，全市总面积7446.2平方公里，人口735.6万[6]。郑州属暖温带季风气候，四季分明，年平均气温14.4℃。7月最热，平均27.3℃；1月最冷，平均0.2℃；年平均降雨量640.9毫米，全年日照时间约2200小时。从郑州气候平均数据（表1）中可以看出，郑州夏季温度较高，日照较强烈，冬季气温较低，日照时间较短。在此气候条件下，建筑节能的关键是围护结构的隔热性和保温性。

郑州市图书馆新馆坐落于郑州市郑东新区拓展区，整个项目总用地面积约76亩，总投资6个亿。总建筑面积72095m2，其中地下19053m2，地上53042m2，建筑总高度30.6m。主楼地上五层，裙房二层，地下一层，局部有设备夹层。规划总藏书量240万册（件），阅览座席总数1600个。人性化服务体现市民参与、互动是贯穿始终的建馆思想。工程于2009年6月动工，2011年6月竣工，2012年1月交付使用。新馆由北京市建筑设计研究院和机械工业第六设计研究院共同设计，在设计理念上突破了传统意义上的图书馆功能，复合了一个市民文化活动中心的功能，即图书馆和市民文化中心的结合体，是集文献典藏、检索咨询、学术交流、文化创意、教育培训、休闲娱乐等功能为一体的综合性现代化大型公共文化场馆。

郑州图书馆新馆紧邻街道，易受到交通噪音的干扰，同时，裙楼位置、商业服务设施和人群产生的噪音也不容忽视。为了体现公共文化设施的开放性和包容性，为使用者创造良好的空间感受，建筑设计围护结构采用大面积玻璃幕墙，立面窗、墙比达到67%，玻璃屋顶占比达到20%，均接近公共建筑节能设计标准的规定上限[7]。特别是为营造图书馆的外观效果，在南、东、西立面各有一面高透光性的拉索玻璃幕墙，其热工性能不能满足河南省公共建筑节能设计标准的要求，这就对围护结构其他部位的热工性能提出了更高的要求。

3.2 建筑节能改造设计

郑州市图书馆新馆在设计之初优先考虑的是其作为多功能市民文化中心的作用和外观效果，并未充分考虑建筑节能问题，因此其原有设计并不能达到《公共建筑节能设计标准》、《河南省公共建筑节能设计标准实施细则》等的要求。为了坚持节能环保的原则，专家对其原有设计进行了节能改造，节能改造设计主要体现在以下5个方面。

3.2.1监测与控制系统——采用综合能耗管理系统

楼宇的节能降耗是一个各系统综合运作的过程，能耗计量与监测系统的主要作用是管理和优化。它通过实时的能耗计量与分析，实时监测大楼各节能措施的运行效果，使各系统节能控制与使用时的情况结合得更加完美；另外，实时分析、及时发现运行的异常情况，及时帮助管理者找到问题并加以解决，减少异常损耗持续的时间。具体有以下6个措施：

表1 郑州气候平均数据（1971~2000年）

①系统实时监控环境质量并自动调整，确保人身安全和健康、舒适，维护安静的阅读环境；

②全面能耗在线监控，确保各设备运行在最佳状态，做到既安全又节能，同时尽可能延长设备使用寿命；

③方便对内计量考核管理，对具备收费条件的外部合作单位实行计量收费等，从而杜绝人为浪费；

④中央空调末端节能控制，可以远程设定温度、开关、定时控制等，在确保舒适的前提下降低管理成本；

⑤通过实际数据，建立理想节能数学模型，从而实现设备的联动控制；

⑥与中央空调主机的群控、水泵的变频节能控制、新风的智能控制、照明智能控制等楼控系统结合实现最佳节能控制。

根据该系统在其他项目中的实际节能效果分析，每年将节省20%～30%能源消耗。郑州图书馆新馆7.2万平米建筑，每年能耗估计为7.2万平米×118度/平米=849.6万度/年（文化场馆建筑的能耗约为118度/平米8），因此每年将节省170万～255万度电。

3.2.2建筑围护结构——采用复合型真空玻璃技术

在公共建筑的全年能耗中，大约50%～60%消耗于空调制冷和采暖系统，其中50%以上是由门窗（幕墙）传热所消耗，有大面积玻璃幕墙结构的建筑更是如此。郑州图书馆新馆的围护结构大量设计玻璃幕墙，给节能提出了挑战。此外，为了满足建筑外形设计理念的需要，一楼共享大厅需要使用通透性较好但隔热性较差的单层玻璃幕墙，即采用单层夹胶钢化Low-e玻璃（其传热系数为5.22W/M2K）。通过权衡判断计算，需要玻璃幕墙的传热系数小于1.86W/M2K，该建筑才能满足《公共建筑节能设计标准》的要求。为此，改造设计通过以下3种措施来弥补不足并实现节能。

①将单层玻璃幕墙占整个玻璃幕墙的面积比例控制在9.1%；

图1 复合真空玻璃结构

②加强其他部位幕墙的保温性，采用复合型真空玻璃作为玻璃幕墙的主材料；

③充分考虑直射阳光对室内空间的影响，天窗部位设置电动遮阳帘。

其中，最主要的措施就是采用复合型真空玻璃作为玻璃幕墙的主材料。真空玻璃是继中空玻璃之后最新一代的高性能玻璃。此技术已经有1万平米以上，7到10年的实际成功使用案例。复合真空玻璃（图1）可以把对流、传导和辐射3种方式传递的热量降到最低，传热系数K值可低至0.8W/M2K以下，计权隔声量可达42分贝以上，与保温墙体基本处于同一级别，可有效防止两层玻璃间内结露的可能。此外，真空玻璃具有较低的遮蔽系数（通常在0.76～0.23之间），特别是阻止远红外光的进入，可以尽量减少夏季太阳光辐射的热量传递。

通过使用真空玻璃可以大幅提高图书馆的舒适性，提供一个更安静的阅读环境。当室外温度为零下10℃时，真空玻璃的内表温度仅比室内空气温度低3～4℃。即使坐在窗前也不会有凉气袭人的感觉，从而提高了室内环境的体感舒适度。较好的隔音性能也解决了建筑的外界噪音问题。此外，真空玻璃可以阻止紫外光的进入，也对藏书具有一定的保护作用。

复合型真空玻璃最重要的功效是可以满足节能要求。经过计算，如果将新馆主楼的可透视部分全部采用真空玻璃，将比使用能达到《公共建筑节能设计标准》的中空玻璃每年多节电32%，约39万度，节约资金近30万元（具体参数计算等见下表 2～4）。

表2 Low-e中空玻璃与真空玻璃幕墙的性能参数对照

表3 达标中空Low-e玻璃与真空玻璃能耗

表4 外围护节能效果

* 冬季 20：00～7：00 室内设计温度为 10℃，8：00～19：00室内设计温度20℃；供暖季为11月25日至2月28日，共计96天。夏季 7：00～20：00室内设计温度为 26℃，供冷季为 5月至9月。郑州室外气象参数引用DEST气象参数。玻璃窗负荷计算公式Q=KF△t总/1000(kWh），△t总是供热季（供冷季）室内外温差总和。本表只计算由玻璃产生的冷热负荷，不包含建筑物中单层玻璃及不与室内空气直接接触的玻璃。电能耗换率为0.5。

3.2.3照明系统——采用LED照明、照明控制系统和光伏发电

照明系统主要采用3方面的节能措施：

①采用节能型产品尽量减少能耗。在书库和阅览室中，采用LED照明。LED灯具没有频闪，眩光小，是保护视力并且环保的健康光源。其光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，有利于书库文献的保护。而且废弃物可回收，没有污染，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。LED光源寿命长达50000小时，是传统日光灯的6.25倍（传统日光灯使用寿命为8000小时左右），且灯具透光罩在设计时增加防静电材料，可以防止静电吸尘，基本不需维护。此外，采用LED照明还可以通过不同角度的配光，采取混合照明方式，同时满足水平照度和垂直照度，使读者更舒适。

LED照明最主要的优点是能耗小，应用LED照明比同照度的传统荧光灯照明年节电10512KW，节电64.2%（见表5）。

表5 LED照明与传统荧光灯照明耗能对比

另外，LED灯具设计配置红外感应控制系统，可根据不同情况进行调光，实现人来灯亮人走灯暗。此种照明方式比传统照明方式节电30%～40%。

②在室内增加照明控制系统并与综合能耗管理系统相配合。在满足照明质量的前提下，合理地对图书馆内照明进行调光，可节省大量的电能。公共照明均采用智能化照明控制系统，设在现场的各控制单元可根据需要，通过预编程序，对各照明系统进行多场景或定时开启等多种功能控制，各照明子系统之间可通过数据总线构成完善的管理网络系统。根据不同环境的照度设定值，通过感应系统对灯具进行实时调节。当天然光减弱时，自动增加灯具数量和亮度；当天然光较强时，自动减少灯具数量和亮度。此外，管理人员可通过集中监控单元监测各地点的照明状态，并可随时更改或控制各区域的照明方式，通过管理程序的不断优化，达到进一步降低能耗的目的。

③室外采用太阳能光伏发电系统解决庭院和草坪用灯的电能。通过庭院灯等自带的太阳能发电装置白天收集太阳能，夜间用于庭院和草坪用灯。郑州所处地理位置，全年日照时间约2200小时，适合使用太阳能技术，为推广绿色能源树立样板；太阳能电池板使用寿命20年以上，具有节能环保、使用安全、造型美观、使用简单的特点；安装1KW太阳能光伏发电系统，每年可减少二氧化碳CO2排量600～2300公斤。

3.2.4供热通风与空气调节——采用变频空调

郑州市图书馆新馆在暖通和空气调节方面，设计采取如下措施：

①采暖以热水为热媒，并充分考虑分区热量计量的灵活性、方便性和可能性。

②空调系统优先采用节能型冷暖空调设备，合理确定供热（冷）指标；合理配置设备的容量和数量，完善调节手段，防止轻载或过载，节约能源。

③阅览区域、报告厅、展厅等由于空间较大，人员较多，应采用全空气空调系统，风机设备采用变频调速技术，以提高设备总效率、降低电能损耗。

3.2.5节水——雨水综合利用系统

郑州市年均降雨量613.7mm。建筑设计屋面使用虹吸排水，汇水面积约为5000立方米，综合雨量径流系数为0.9。年均可直接利用雨水量 QP＝5000×0.6137×0.9＝2761.65 立方米。收集的雨水主要用于绿化、景观补水、道路浇洒。

降雨前期的初期径流储存在系统内，后期的洁净雨水进入雨水储水池。根据现场条件可将一部分雨水收集管线设置成渗排一体化管线，已达到渗透、弃流的目的。绿地内铺设450米渗透雨水管，一次降雨可直接收集雨水Qs＝450×1×0.21＝94.5立方米。

雨水综合利用具有良好的节水效能和环境生态效益。一是年节水2761.65立方米，直接节省自来水费12700.3元（按商业用水每立方米4.6元计算）；二是减少向市政管网排放的雨水量，间接减少市政雨水排放设施建设的投资。

3.3 节能改造实现情况

郑州图书馆新馆于2012年1月交付使用，最终实现了监测控制系统和建筑维护结构的改造。因对原始建筑设计方案修改较大，且工期紧张，电压、电路等较难匹配调整，供热通风和空气调节系统改造未能实现；由于项目资金投入有限等原因照明和节水系统也未能采用。虽然未能实现全部的节能改造设计，但综合能耗管理系统和复合型真空玻璃的安装应用已经使郑州图书馆新馆达到了公共建筑节能设计标准，控制了主要的能源消耗。可见，今后在图书馆建筑设计之初就应充分考虑功能、外观和节能环保的关系，做好工程项目规划和预算，将更多的节能技术融入建筑设计，最大限度地实现图书馆建筑的节能减排。

4 小结

图书馆作为文化教育建筑，理应在生态文明建设中发挥引导和示范作用，成为节能环保行动的积极参与者和倡导者。一方面，图书馆作为文化教育类的公共建筑，其本身就面临着诸多方面的节能问题亟待解决。图书馆节能不仅关系自身的生存和发展，而且关系到公共财政投入建设的公益性文化基础设施的投资效益和社会效益能否充分实现。另一方面，图书馆作为文化传播和社会教育机构，承担着教化公众的重要职责，是向社会传播节能环保理念和提供知识信息的重要基地和平台，并通过开展多种形式的科普活动和信息服务，为生态社会和节约型社会建设做出应有贡献。

图书馆建筑应在注重建筑美观和服务功能完善的基础上，提高节能环保意识，更加重视人与自然环境的和谐，成为一个国家、一座城市的“绿色名片”。建设节能型图书馆犹如一个系统工程，需要完善的政府政策，舆论的正面引导，公众的自觉意识，成熟的技术支持，以及产业体系的创新和图书馆行业的积极行动，才能最终得以实现。

[1]华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2010[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2] 李松涛.如何堵住建筑能耗的大嘴[N].中国青年报，2012-11-24（3）.

[3] 图书馆现状：不是“书吃人”就是“人吃书”[N/OL].[2013-01-20].http：//news.xinhuanet.com/edu/2005-08/22/content_3387760.htm.2005-08-22/2013-07-10.

[4]国家统计数据库.行政区划和自然资源——2011年全国行政区划 [DB/OL].[2013-01-20].http：//219.235.129.58/report View.doUrl=/xm lFiles/a61bff3ea25d4f0f8aab1e9f95619e96.xm l&id=30ff6c14bc944ebd972de8bd80009381&bgqDm=20110000&i18nLang=zh_CN.

[5] 周和平.中国图书馆事业发展报告[M].北京：国家图书馆出版社，2013.

[6] 郑州市人民政府.郑州概览[EB/OL].[2013-01-20].http：//www.zhengzhou.gov.cn/viewCmsCac.docacId=fdae9f5d2880d70e 012880ebfba0005e.

[7]DBJ41/075-2006，河南省公共建筑节能设计标准实施细则[S].

[8]住房和城乡建设部信息中心建筑节能项目执行办公室.政府办公建筑和大型公共建筑能耗调查、评价与能效公示制度研究[R].2008：11.