空調系統中空氣過濾器對博物館類型建筑室內顆粒物過濾性能研究
——以中國科技館為例

王文淵

（中國科學技術館，北京100012）

1 研究背景

1.1 目的和意義

我國在1996年發布的室內空氣質量標準僅對PM10提出控制標準要求，2012年《環境空氣質量標準》將PM2.5納入環境空氣質量常規評價體系。世衛組織在《空氣污染影響健康的證據研究》中指出，長期暴露在充滿PM2.5的空氣中會增加心血管疾病等發生率和死亡率，長期暴露在充滿PM10的空氣中同樣會對健康造成影響。控制室內空氣質量，特別是降低人員密集的公共建筑室內顆粒物濃度，已成為空調通風系統設計和升級改造必須要面對的問題。

1.2 空氣過濾器原理及過濾效率分級

空氣過濾材料對顆粒物的過濾由多種過濾效應共同作用，通常認為有攔截效應、慣性效應、吸附效應、重力效應、擴散效應、靜電效應等。我國空氣過濾器質量標準有GB/T 14295——1993《空氣過濾器》及GB 13554——1992《高效空氣過濾器》等，按過濾效率指標分為粗效、中效、中高效、亞高效、高效、超高效等空氣過濾器。歐標中將粗效過濾器分為四級（G1～G4），中效過濾器分為兩級（F5～F6），中高效過濾器分為兩級（F7～F9），亞高效過濾器分為兩級（H10～H11），高效過濾器分為兩級（H12～H13）。美標中將空氣過濾器分為16級。

1.3 研究進展

近年來，國內外博物館進行了一系列實驗研究。丹麥國家博物館通過對低流通型庫房使用可移動單體式過濾裝置測定顆粒物濃度。實驗表明，HEPA對顆粒物過濾效果十分顯著。中國國家博物館采用粗效加高效PP紙過濾網對展廳改造后，重度霧霾天氣下，展廳PM2.5值仍能滿足國家標準。河南省博物館在2014年對“空氣污染與文物展品保護”展開專項調查，沈天鷹研究發現博物館內選用合成海綿或者細纖維的粉塵過濾器能大大改善館內的空氣粉塵含量，但是對空氣流通有嚴重妨礙。李安桂等實測陜西省歷史博物館空氣質量，發現隨著使用時間增加，阻力非線性增大，粗效+中效過濾器過濾性能相對加裝粗效過濾器較高。

本文基于試驗數據，分析在室外不同空氣質量下，經粗、中、高效過濾器過濾后室內顆粒物濃度，旨在為博物館類型建筑室內顆粒物研究和污染控制提供參考。

2 研究方法和數據采集

2.1 測試地點和研究對象

中國科技館是我國唯一的國家級綜合性科技館，位于北京市奧林匹克公園內，展廳空調為空調機組+VAV變風量系統，過濾器安裝在空調機組內。影院放映間采用恒溫恒濕空調系統，末端加設高效過濾段。

本文研究對象為室外不同空氣質量下，不同過濾等級過濾器下的展廳、影院放映間等區域室內顆粒物濃度。根據博物館類型建筑特點，本文選取四個典型區域為測試數據對象，分別為中國科技館三層“居家之道”展廳、三層“信息之橋”展廳、球幕影院放映間、某辦公室（下文分別用三層B廳、三層C廳、放映間、辦公室代替）。各區域基本情況見表1。

表1 研究區域基本情況

2.2 數據采樣

采用基于激光的便攜式環境空氣PM2.5濃度測定儀，按照《塵埃粒子計數器校準規范》校準測試儀，依據《公共場所衛生監測技術規范》（GB/T 17720——1998）等相關標準測試。取測試區中心多次測量的平均值。測試地區在2020年10月7——11日內出現一次霧霾污染。

3 數據分析

3.1 空調機組安裝粗、中、高效過濾器室內顆粒物濃度變化規律

測試結果見圖1，在只考慮顆粒物污染情況下，室內顆粒物濃度均小于室外，放映間空氣質量均為優，三層C廳空氣質量均為良及以上。三層B廳、三層C廳顆粒物濃度變化趨勢和室外相似，顆粒物濃度大小分別為：室外＞三層B廳＞三層C廳＞放映間。

建筑室內顆粒物濃度受多種因素影響，假定只考慮室外污染源和室內恒定污染源，引入顆粒物濃度線性回歸模型：y=ax+b，其中：x表示室外顆粒物濃度，y表示室內顆粒物濃度。

將實測數據代入公式，可得表2。三層B廳、三層C廳室內外顆粒物濃度線性擬合后R2接近于1，模型擬合效果較好，線性相關性很強。三層B廳PM2.5、PM10濃度變化回歸方程斜率分別為68%、64%；三層C廳PM2.5、PM10濃度變化回歸方程斜率分別為24%、26%；放映間PM2.5、PM10濃度變化回歸方程的R2≤1，與室外空氣顆粒物濃度線性相關性很小。

表2 各區域顆粒物濃度變化回歸方程和R2

3.2 空調機組安裝粗效過濾器對室內顆粒物濃度影響

三層B廳和辦公室PM2.5濃度均值差別0.6，PM10濃度均值差14.8，相對較大。用I2.5表示三層B廳PM2.5濃度與辦公室PM2.5濃度比，I10表示三層B廳PM10濃度與辦公室PM10濃度比。I2.5的范圍：(0.9～1.1)，I10范圍：(0.7～0.9)。三層B廳PM10濃度值均小于辦公室PM10濃度值10%以上。工程實際過程中，粗效過濾器的使用時間、過濾器上積塵量、清洗次數也會對過濾效果造成影響。由于粗效過濾器對主要用于過濾5μg以上的顆粒物，在空調箱內加裝粗效過濾器對室內PM2.5濃度基本無影響，對室內PM10濃度降低作用十分有限。

圖1 各區域顆粒物濃度變化

3.3 空調機組增裝中效過濾器對室內顆粒物濃度影響

三層C廳空調機組在2017年11月進行了升級改造，改造完成后空調機組空氣過濾器在粗效過濾器G4基礎上增裝中效過濾器F7。取改造前（2017年8月29日—9月3日）的一次霧霾天氣，三層B廳、三層C廳PM2.5濃度測試數據見圖3。根據測試結果，三層B廳、三層C廳PM2.5濃度曲線基本重合，變化趨勢與室外相似，均小于室外。2017年三層B廳、三層C廳PM2.5濃度變化回歸方程分別為：y=0.7022x-0.1936、y=0.7114x+0.0823；R2分別為0.9903、0.9929，回歸方程模型擬合效果較好，線性相關性很強，斜率分別為70%、71%。

三層B廳空調機組過濾器在2017年、2020年均為粗效過濾器，測試數據中PM2.5濃度變化回歸方程斜率分別為70%、68%，相差不大，室內PM2.5濃度均約為室外70%。三層C廳增裝中效過濾器后，在2017年、2020年測試數據中PM2.5濃度變化回歸方程斜率相差較大，分別為71%、24%，PM2.5濃度下降明顯，室內空氣質量有明顯改善。

圖2 顆粒物濃度比變化

圖3 顆粒物濃度變化

4 結論

文章通過監測和分析不同區域顆粒物濃度，得出的主要結論如下：

（1）空調系統中加裝粗效過濾器G4的展廳與未加裝空氣過濾器的辦公室相比，PM2.5濃度近似，PM10濃度略小，粗效過濾控制細顆粒物污染作用很小。

（2）空調系統中加裝粗效過濾器G4以及加裝粗效過濾器G4+中效過濾器F7后，室內外顆粒物濃度線性相關性均很強，R2均大于0.94。增裝中效過濾器后，PM2.5濃度變化回歸方程斜率下降明顯，三層C廳室內空氣質量明顯改善。

（3）空調系統中加裝粗效過濾器G4+高效過濾器H13后，放映間室內外顆粒物濃度線性相關性很小，即使室外重度污染時，室內空氣質量仍為優。