空调系统中空气过滤器对博物馆类型建筑室内颗粒物过滤性能研究——以中国科技馆为例

王文渊

（中国科学技术馆，北京100012）

1 研究背景

1.1 目的和意义

我国在1996年发布的室内空气质量标准仅对PM10提出控制标准要求，2012年《环境空气质量标准》将PM2.5纳入环境空气质量常规评价体系。世卫组织在《空气污染影响健康的证据研究》中指出，长期暴露在充满PM2.5的空气中会增加心血管疾病等发生率和死亡率，长期暴露在充满PM10的空气中同样会对健康造成影响。控制室内空气质量，特别是降低人员密集的公共建筑室内颗粒物浓度，已成为空调通风系统设计和升级改造必须要面对的问题。

1.2 空气过滤器原理及过滤效率分级

空气过滤材料对颗粒物的过滤由多种过滤效应共同作用，通常认为有拦截效应、惯性效应、吸附效应、重力效应、扩散效应、静电效应等。我国空气过滤器质量标准有GB/T 14295——1993《空气过滤器》及GB 13554——1992《高效空气过滤器》等，按过滤效率指标分为粗效、中效、中高效、亚高效、高效、超高效等空气过滤器。欧标中将粗效过滤器分为四级（G1～G4），中效过滤器分为两级（F5～F6），中高效过滤器分为两级（F7～F9），亚高效过滤器分为两级（H10～H11），高效过滤器分为两级（H12～H13）。美标中将空气过滤器分为16级。

1.3 研究进展

近年来，国内外博物馆进行了一系列实验研究。丹麦国家博物馆通过对低流通型库房使用可移动单体式过滤装置测定颗粒物浓度。实验表明，HEPA对颗粒物过滤效果十分显著。中国国家博物馆采用粗效加高效PP纸过滤网对展厅改造后，重度雾霾天气下，展厅PM2.5值仍能满足国家标准。河南省博物馆在2014年对“空气污染与文物展品保护”展开专项调查，沈天鹰研究发现博物馆内选用合成海绵或者细纤维的粉尘过滤器能大大改善馆内的空气粉尘含量，但是对空气流通有严重妨碍。李安桂等实测陕西省历史博物馆空气质量，发现随着使用时间增加，阻力非线性增大，粗效+中效过滤器过滤性能相对加装粗效过滤器较高。

本文基于试验数据，分析在室外不同空气质量下，经粗、中、高效过滤器过滤后室内颗粒物浓度，旨在为博物馆类型建筑室内颗粒物研究和污染控制提供参考。

2 研究方法和数据采集

2.1 测试地点和研究对象

中国科技馆是我国唯一的国家级综合性科技馆，位于北京市奥林匹克公园内，展厅空调为空调机组+VAV变风量系统，过滤器安装在空调机组内。影院放映间采用恒温恒湿空调系统，末端加设高效过滤段。

本文研究对象为室外不同空气质量下，不同过滤等级过滤器下的展厅、影院放映间等区域室内颗粒物浓度。根据博物馆类型建筑特点，本文选取四个典型区域为测试数据对象，分别为中国科技馆三层“居家之道”展厅、三层“信息之桥”展厅、球幕影院放映间、某办公室（下文分别用三层B厅、三层C厅、放映间、办公室代替）。各区域基本情况见表1。

表1 研究区域基本情况

2.2 数据采样

采用基于激光的便携式环境空气PM2.5浓度测定仪，按照《尘埃粒子计数器校准规范》校准测试仪，依据《公共场所卫生监测技术规范》（GB/T 17720——1998）等相关标准测试。取测试区中心多次测量的平均值。测试地区在2020年10月7——11日内出现一次雾霾污染。

3 数据分析

3.1 空调机组安装粗、中、高效过滤器室内颗粒物浓度变化规律

测试结果见图1，在只考虑颗粒物污染情况下，室内颗粒物浓度均小于室外，放映间空气质量均为优，三层C厅空气质量均为良及以上。三层B厅、三层C厅颗粒物浓度变化趋势和室外相似，颗粒物浓度大小分别为：室外＞三层B厅＞三层C厅＞放映间。

建筑室内颗粒物浓度受多种因素影响，假定只考虑室外污染源和室内恒定污染源，引入颗粒物浓度线性回归模型：y=ax+b，其中：x表示室外颗粒物浓度，y表示室内颗粒物浓度。

将实测数据代入公式，可得表2。三层B厅、三层C厅室内外颗粒物浓度线性拟合后R2接近于1，模型拟合效果较好，线性相关性很强。三层B厅PM2.5、PM10浓度变化回归方程斜率分别为68%、64%；三层C厅PM2.5、PM10浓度变化回归方程斜率分别为24%、26%；放映间PM2.5、PM10浓度变化回归方程的R2≤1，与室外空气颗粒物浓度线性相关性很小。

表2 各区域颗粒物浓度变化回归方程和R2

3.2 空调机组安装粗效过滤器对室内颗粒物浓度影响

三层B厅和办公室PM2.5浓度均值差别0.6，PM10浓度均值差14.8，相对较大。用I2.5表示三层B厅PM2.5浓度与办公室PM2.5浓度比，I10表示三层B厅PM10浓度与办公室PM10浓度比。I2.5的范围：(0.9～1.1)，I10范围：(0.7～0.9)。三层B厅PM10浓度值均小于办公室PM10浓度值10%以上。工程实际过程中，粗效过滤器的使用时间、过滤器上积尘量、清洗次数也会对过滤效果造成影响。由于粗效过滤器对主要用于过滤5μg以上的颗粒物，在空调箱内加装粗效过滤器对室内PM2.5浓度基本无影响，对室内PM10浓度降低作用十分有限。

图1 各区域颗粒物浓度变化

3.3 空调机组增装中效过滤器对室内颗粒物浓度影响

三层C厅空调机组在2017年11月进行了升级改造，改造完成后空调机组空气过滤器在粗效过滤器G4基础上增装中效过滤器F7。取改造前（2017年8月29日—9月3日）的一次雾霾天气，三层B厅、三层C厅PM2.5浓度测试数据见图3。根据测试结果，三层B厅、三层C厅PM2.5浓度曲线基本重合，变化趋势与室外相似，均小于室外。2017年三层B厅、三层C厅PM2.5浓度变化回归方程分别为：y=0.7022x-0.1936、y=0.7114x+0.0823；R2分别为0.9903、0.9929，回归方程模型拟合效果较好，线性相关性很强，斜率分别为70%、71%。

三层B厅空调机组过滤器在2017年、2020年均为粗效过滤器，测试数据中PM2.5浓度变化回归方程斜率分别为70%、68%，相差不大，室内PM2.5浓度均约为室外70%。三层C厅增装中效过滤器后，在2017年、2020年测试数据中PM2.5浓度变化回归方程斜率相差较大，分别为71%、24%，PM2.5浓度下降明显，室内空气质量有明显改善。

图2 颗粒物浓度比变化

图3 颗粒物浓度变化

4 结论

文章通过监测和分析不同区域颗粒物浓度，得出的主要结论如下：

（1）空调系统中加装粗效过滤器G4的展厅与未加装空气过滤器的办公室相比，PM2.5浓度近似，PM10浓度略小，粗效过滤控制细颗粒物污染作用很小。

（2）空调系统中加装粗效过滤器G4以及加装粗效过滤器G4+中效过滤器F7后，室内外颗粒物浓度线性相关性均很强，R2均大于0.94。增装中效过滤器后，PM2.5浓度变化回归方程斜率下降明显，三层C厅室内空气质量明显改善。

（3）空调系统中加装粗效过滤器G4+高效过滤器H13后，放映间室内外颗粒物浓度线性相关性很小，即使室外重度污染时，室内空气质量仍为优。