王文淵

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)館，北京100012）

1 研究背景

1.1 目的和意義

我國(guó)在1996年發(fā)布的室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)PM10提出控制標(biāo)準(zhǔn)要求，2012年《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》將PM2.5納入環(huán)境空氣質(zhì)量常規(guī)評(píng)價(jià)體系。世衛(wèi)組織在《空氣污染影響健康的證據(jù)研究》中指出，長(zhǎng)期暴露在充滿PM2.5的空氣中會(huì)增加心血管疾病等發(fā)生率和死亡率，長(zhǎng)期暴露在充滿PM10的空氣中同樣會(huì)對(duì)健康造成影響?？刂剖覂?nèi)空氣質(zhì)量，特別是降低人員密集的公共建筑室內(nèi)顆粒物濃度，已成為空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和升級(jí)改造必須要面對(duì)的問(wèn)題。

1.2 空氣過(guò)濾器原理及過(guò)濾效率分級(jí)

空氣過(guò)濾材料對(duì)顆粒物的過(guò)濾由多種過(guò)濾效應(yīng)共同作用，通常認(rèn)為有攔截效應(yīng)、慣性效應(yīng)、吸附效應(yīng)、重力效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)、靜電效應(yīng)等。我國(guó)空氣過(guò)濾器質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 14295——1993《空氣過(guò)濾器》及GB 13554——1992《高效空氣過(guò)濾器》等，按過(guò)濾效率指標(biāo)分為粗效、中效、中高效、亞高效、高效、超高效等空氣過(guò)濾器。歐標(biāo)中將粗效過(guò)濾器分為四級(jí)（G1～G4），中效過(guò)濾器分為兩級(jí)（F5～F6），中高效過(guò)濾器分為兩級(jí)（F7～F9），亞高效過(guò)濾器分為兩級(jí)（H10～H11），高效過(guò)濾器分為兩級(jí)（H12～H13）。美標(biāo)中將空氣過(guò)濾器分為16級(jí)。

1.3 研究進(jìn)展

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外博物館進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。丹麥國(guó)家博物館通過(guò)對(duì)低流通型庫(kù)房使用可移動(dòng)單體式過(guò)濾裝置測(cè)定顆粒物濃度。實(shí)驗(yàn)表明，HEPA對(duì)顆粒物過(guò)濾效果十分顯著。中國(guó)國(guó)家博物館采用粗效加高效PP紙過(guò)濾網(wǎng)對(duì)展廳改造后，重度霧霾天氣下，展廳PM2.5值仍能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。河南省博物館在2014年對(duì)“空氣污染與文物展品保護(hù)”展開(kāi)專項(xiàng)調(diào)查，沈天鷹研究發(fā)現(xiàn)博物館內(nèi)選用合成海綿或者細(xì)纖維的粉塵過(guò)濾器能大大改善館內(nèi)的空氣粉塵含量，但是對(duì)空氣流通有嚴(yán)重妨礙。李安桂等實(shí)測(cè)陜西省歷史博物館空氣質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)隨著使用時(shí)間增加，阻力非線性增大，粗效+中效過(guò)濾器過(guò)濾性能相對(duì)加裝粗效過(guò)濾器較高。

本文基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析在室外不同空氣質(zhì)量下，經(jīng)粗、中、高效過(guò)濾器過(guò)濾后室內(nèi)顆粒物濃度，旨在為博物館類型建筑室內(nèi)顆粒物研究和污染控制提供參考。

2 研究方法和數(shù)據(jù)采集

2.1 測(cè)試地點(diǎn)和研究對(duì)象

中國(guó)科技館是我國(guó)唯一的國(guó)家級(jí)綜合性科技館，位于北京市奧林匹克公園內(nèi)，展廳空調(diào)為空調(diào)機(jī)組+VAV變風(fēng)量系統(tǒng)，過(guò)濾器安裝在空調(diào)機(jī)組內(nèi)。影院放映間采用恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)，末端加設(shè)高效過(guò)濾段。

本文研究對(duì)象為室外不同空氣質(zhì)量下，不同過(guò)濾等級(jí)過(guò)濾器下的展廳、影院放映間等區(qū)域室內(nèi)顆粒物濃度。根據(jù)博物館類型建筑特點(diǎn)，本文選取四個(gè)典型區(qū)域?yàn)闇y(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)象，分別為中國(guó)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(qū)域基本情況見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)域基本情況

2.2 數(shù)據(jù)采樣

采用基于激光的便攜式環(huán)境空氣PM2.5濃度測(cè)定儀，按照《塵埃粒子計(jì)數(shù)器校準(zhǔn)規(guī)范》校準(zhǔn)測(cè)試儀，依據(jù)《公共場(chǎng)所衛(wèi)生監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 17720——1998）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。取測(cè)試區(qū)中心多次測(cè)量的平均值。測(cè)試地區(qū)在2020年10月7——11日內(nèi)出現(xiàn)一次霧霾污染。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 空調(diào)機(jī)組安裝粗、中、高效過(guò)濾器室內(nèi)顆粒物濃度變化規(guī)律

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1，在只考慮顆粒物污染情況下，室內(nèi)顆粒物濃度均小于室外，放映間空氣質(zhì)量均為優(yōu)，三層C廳空氣質(zhì)量均為良及以上。三層B廳、三層C廳顆粒物濃度變化趨勢(shì)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(nèi)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(nèi)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(nèi)顆粒物濃度。

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入公式，可得表2。三層B廳、三層C廳室內(nèi)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(guān)性很強(qiáng)。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(guān)性很小。

表2 各區(qū)域顆粒物濃度變化回歸方程和R2

3.2 空調(diào)機(jī)組安裝粗效過(guò)濾器對(duì)室內(nèi)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(duì)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(shí)際過(guò)程中，粗效過(guò)濾器的使用時(shí)間、過(guò)濾器上積塵量、清洗次數(shù)也會(huì)對(duì)過(guò)濾效果造成影響。由于粗效過(guò)濾器對(duì)主要用于過(guò)濾5μg以上的顆粒物，在空調(diào)箱內(nèi)加裝粗效過(guò)濾器對(duì)室內(nèi)PM2.5濃度基本無(wú)影響，對(duì)室內(nèi)PM10濃度降低作用十分有限。

圖1 各區(qū)域顆粒物濃度變化

3.3 空調(diào)機(jī)組增裝中效過(guò)濾器對(duì)室內(nèi)顆粒物濃度影響

三層C廳空調(diào)機(jī)組在2017年11月進(jìn)行了升級(jí)改造，改造完成后空調(diào)機(jī)組空氣過(guò)濾器在粗效過(guò)濾器G4基礎(chǔ)上增裝中效過(guò)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(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，三層B廳、三層C廳PM2.5濃度曲線基本重合，變化趨勢(shì)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(guān)性很強(qiáng)，斜率分別為70%、71%。

三層B廳空調(diào)機(jī)組過(guò)濾器在2017年、2020年均為粗效過(guò)濾器，測(cè)試數(shù)據(jù)中PM2.5濃度變化回歸方程斜率分別為70%、68%，相差不大，室內(nèi)PM2.5濃度均約為室外70%。三層C廳增裝中效過(guò)濾器后，在2017年、2020年測(cè)試數(shù)據(jù)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(nèi)空氣質(zhì)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(jié)論

文章通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析不同區(qū)域顆粒物濃度，得出的主要結(jié)論如下：

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

（2）空調(diào)系統(tǒng)中加裝粗效過(guò)濾器G4以及加裝粗效過(guò)濾器G4+中效過(guò)濾器F7后，室內(nèi)外顆粒物濃度線性相關(guān)性均很強(qiáng)，R2均大于0.94。增裝中效過(guò)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(nèi)空氣質(zhì)量明顯改善。

（3）空調(diào)系統(tǒng)中加裝粗效過(guò)濾器G4+高效過(guò)濾器H13后，放映間室內(nèi)外顆粒物濃度線性相關(guān)性很小，即使室外重度污染時(shí)，室內(nèi)空氣質(zhì)量仍為優(yōu)。