化纤袋式中效过滤器在博物馆恒温恒湿空调系统中的保护性过滤实践

概述

博物馆是文物与艺术品收藏展示场所，室内空气环境直接关系藏品长期保存。温湿度波动、颗粒物沉积以及二氧化硫、二氧化氮、臭氧等气态污染物，会引发纸张酸化、纺织品脆化、金属锈蚀与颜料层粉化等病害。恒温恒湿空调系统承担环境调控核心任务，过滤段的配置对颗粒物与气态污染物的脱除作用明显。

化纤袋式中效过滤器以聚酯纤维等合成滤料制成袋状结构，在有限断面内展开可观过滤面积，具有容尘量大、阻力增长平缓、耐湿性好的特点，适用于博物馆空调箱中效过滤环节。本文结合国内外文献与工程数据，从环境要求、结构机理、性能参数、协同设计、效率测试、气体防护、配置方案、能耗与运维等方面，对其保护性过滤实践进行阐述。

图1 博物馆展厅送风组织示意

一、博物馆藏品保存的空气环境要求

不同材质藏品对空气环境的敏感程度差异明显。纸张、纺织品、皮革等有机质地藏品易受酸性气体与臭氧侵蚀，发生水解与氧化降解；金属文物对二氧化硫、氯化物等腐蚀性成分较为敏感；油画与壁画的颜料层则会因干湿交替出现起甲、粉化。汤姆森在《博物馆环境》一书中论述了温湿度与污染物对藏品的作用机理，被国际文物保护领域采用。

《博物馆建筑设计规范》（JGJ 66-2015）对陈列与收藏用房的温湿度条件作出规定，强调按藏品材质确定控制范围并减小波动。工程上通常将温度控制在二十摄氏度附近、相对湿度在百分之四十五至六十五区间，并对日波动量提出限值。表1汇总藏品材质的敏感因素与损害表现。

表1 常见藏品材质的敏感因素与损害表现

藏品材质	敏感因素	典型病害	控制重点
纸张	酸性气体、臭氧、颗粒物	酸化、脆化、黄变	气体脱除与除尘
纺织品	二氧化硫、二氧化氮	强度下降、褪色	湿度稳定与过滤
皮革	臭氧、硫化氢	粉化、开裂	低浓度污染控制
金属文物	二氧化硫、氯化物	锈蚀、点蚀	腐蚀性气体脱除
油画	干湿交替、颗粒物	起甲、粉化	波动控制与除尘
木器漆器	温湿度波动	开裂、变形	恒温恒湿控制

表2 博物馆温湿度控制目标

区域	温度	相对湿度	波动限值
有机质地展厅	20±2 ℃	50±5%	温度±2 ℃，湿度±5%
金属陶瓷展厅	18～25 ℃	40%～60%	温度±3 ℃，湿度±10%
一般库房	16～22 ℃	45%～60%	湿度±5%
纸质文献库	16～20 ℃	45%～55%	湿度±3%
临时展厅	按展品要求	按展品要求	湿度±5%

二、化纤袋式中效过滤器的结构与过滤机理

化纤袋式中效过滤器由外框、袋状滤料与支撑结构组成。外框多用镀锌钢板或铝合金，滤料以聚酯纤维、丙纶等经针刺或热熔工艺制成多个平行滤袋。气流经滤袋展开，过滤面积可达迎风面积数倍，从而降低滤速与阻力。蔡杰在《空气过滤器原理与应用》中指出，袋式结构的面积比是阻力与容尘量的决定参数。

其捕集机理包括拦截、惯性碰撞、扩散与静电吸附。零点五微米以上颗粒以拦截与惯性碰撞为主，零点一微米以下颗粒则扩散作用增强。化纤滤料经驻极处理可提升静电吸附能力，在不增加阻力的前提下改善细颗粒捕集效果。袋口与外框间采用聚氨酯灌注或弹性垫条密封，防止气流旁通。

表3 化纤袋式中效过滤器典型结构参数

结构项目	典型取值	说明
外框材质	镀锌钢板 / 铝合金	按耐腐蚀要求选择
滤料材质	聚酯纤维 / 丙纶复合	合成纤维，耐湿性较好
滤袋数量	5～8 袋	按规格尺寸布置
面积比	2.5～4.0	滤材面积与迎风面积之比
袋口密封	聚氨酯灌注胶	防止旁通泄漏
支撑结构	菱形金属网	防止滤袋变形
耐温范围	-10～80 ℃	按滤料品种确定
耐湿范围	相对湿度≤95%	短期高湿工况适用

三、主要技术参数与常用规格

其主要技术参数包括额定风量、初阻力、终阻力、计数效率、容尘量与外形尺寸。《空气过滤器》（GB/T 14295-2008）按计数效率与阻力对中效过滤器分级，ISO 16890-1:2016 采用颗粒物分级方式表征捕集能力，两者可对照使用。选型时应结合空调箱断面、额定风量与机外余压匹配。

博物馆空调风量相对稳定，过滤器长期处于部分负荷与满负荷交替状态，额定风量宜留有余量。表4给出常用规格的外形尺寸、额定风量与初阻力对照，表5列出不同效率等级的对照关系。工程上一般将终阻力设为初阻力的两倍左右，并据此确定更换判据。

表4 常用规格与风量对照

规格代号	外形尺寸（mm）	滤袋数	额定风量（m³/h）	初阻力（Pa）
M59596	592×592×600	6	3000～3600	70～90
M59594	592×592×381	5	2400～3000	65～85
M61616	610×610×600	6	3200～3800	75～95
M59296	592×287×600	6	1500～1800	80～100
M12596	1220×592×600	8	6000～7000	85～105

表5 效率等级对照

EN 779 等级	ISO 16890 等级	计数效率区间（0.4 μm）	典型用途
M5	ePM10 50%	40%～60%	普通空调中效前置
M6	ePM1 50%	60%～70%	展厅新风中效
F7	ePM1 60%	70%～80%	库房与敏感展区
F8	ePM1 75%	80%～90%	洁净要求较高的展区
F9	ePM1 90%	90%～95%	与高效过滤器联用

四、温湿度控制与过滤段的协同设计

博物馆恒温恒湿空调要求送风温湿度精确可控，过滤段阻力变化会引起送风量波动，影响室内温湿度稳定。过滤段与表冷、加热、加湿段的匹配设计十分关键。许钟麟在《空气洁净技术原理》中指出，各功能段应按阻力平衡原则配置，避免局部阻力过大造成风量分配不均。

工程上常将袋式中效布置在表冷器后、送风机前，既保护换热盘管免受积尘，又减少再污染。对湿度敏感的纸质库房，可在过滤段后设均流段，使送风参数均匀。《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50019-2015）对空气处理流程与风口布置提出了要求。表6为功能段布置示例。

表6 空气处理流程功能段布置示例

序号	功能段	作用	备注
1	初效过滤段	拦截大颗粒	G4 级板式过滤器
2	表冷与加热段	温度调节	盘管前设挡水板
3	加湿段	湿度调节	干蒸汽或电极式
4	中效过滤段	保护性过滤	化纤袋式中效
5	均流段	稳定气流	长度不小于 0.6 m
6	送风机段	输送空气	变频调节

五、颗粒物捕集效率与分级测试

颗粒物是博物馆空气污染的主要形式，其在藏品表面沉积会引发磨损、催化降解与外观劣化。化纤袋式中效过滤器对零点五微米以上颗粒捕集效率较高，对细颗粒物也有一定拦截能力。依据 GB/T 6165-2008 测试方法，可获得不同粒径下的计数效率与穿透率曲线，为选型提供依据。

表7为典型产品在额定风量下的分级计数效率实测值。随粒径增大捕集效率明显提升；零点一至零点二微米颗粒的效率偏低，此阶段扩散与拦截作用相当。博物馆新风处理中，中效常与初效配合构成两级过滤，以延长末端精密过滤的使用寿命。

表7 分级计数效率实测数据

粒径区间（μm）	计数效率	穿透率	主要机理
0.1～0.2	62%	38%	扩散
0.2～0.3	68%	32%	扩散与拦截
0.3～0.5	76%	24%	拦截
0.5～1.0	85%	15%	拦截与惯性
1.0～2.5	92%	8%	惯性碰撞
2.5～5.0	96%	4%	惯性碰撞
大于 5.0	99%	1%	筛分与惯性

六、酸性气体与臭氧的前置防护

二氧化硫、二氧化氮与臭氧对纸张、纺织品与金属文物的危害具有累积性，低浓度长期暴露也会加速藏品劣化。国际文物保护领域普遍将二氧化硫控制在每立方米十微克以下、臭氧在二十五微克以下。袋式中效过滤器对气态污染物的脱除能力有限，需与活性炭过滤段或化学滤料段联用。

合理做法是先由袋式过滤器脱除颗粒物，再由吸附段处理酸性气体与臭氧，避免堵塞吸附床层。杨若夫在《吸附分离气体过程》一书中阐述了吸附传质与穿透曲线的计算方法，可用于吸附剂装填量与更换周期的估算。表8列出污染物控制目标与处理手段。

表8 博物馆空气污染物控制目标

污染物	控制目标	主要危害	处理手段
PM10 颗粒物	不高于 75 μg/m³	表面沉积、磨损	中效过滤
PM2.5 颗粒物	不高于 35 μg/m³	深层沉积	中效与高效配合
二氧化硫	不高于 10 μg/m³	纸张酸化	活性炭吸附
二氧化氮	不高于 20 μg/m³	纺织品脆化	化学滤料
臭氧	不高于 25 μg/m³	氧化降解	催化或吸附
挥发性有机物	参照室内标准	涂层老化	吸附与新风稀释

七、空调箱内过滤段的配置方案

空调箱内过滤段配置需兼顾过滤效率、阻力能耗与维护便利性。常见方案有单级中效、初效加中效两级，以及初效加中效加化学滤料三级配置。方案选择应依据污染物浓度、藏品敏感度与新风比综合确定。《通风与空调工程施工质量验收规范》（GB 50243-2016）对过滤器的安装密封与检漏提出了要求。

对藏品价值高、环境要求严的库房与精品展厅，宜采用两级以上过滤，并在过滤段前后设压差监测装置。表9给出四种配置方案的对比，两级过滤在效率与经济性之间较为均衡，是多数博物馆项目的常用做法。过滤器框架与箱体间应采用弹性密封，安装后按规范检漏。

表9 过滤段配置方案对比

配置方案	效率表现	初阻力	更换周期	适用场景
单级中效	一般	偏低	约 6 个月	普通办公区
初效加中效	良好	中等	初效 3～4 月，中效 8～12 月	展厅与库房
初效加中效加化学滤料	良好	偏高	按吸附穿透确定	敏感藏品库房
中效加高效	较高	高	按压差确定	特殊展区

八、阻力特性与风机能耗

过滤器阻力是空调能耗的重要组成。化纤袋式中效初阻力一般在六十至一百帕，积尘后可升至二百至三百帕。依据 GB/T 6165-2008，在额定风量的百分之六十至百分之一百二十区间内进行阻力测试，阻力随迎面风速近似呈二次函数增长。适当增大过滤面积、降低滤速，可在保证效率的同时减小阻力。

《暖通空调》期刊研究表明，过滤器阻力每增加十帕，风机轴功率约上升百分之一点五至百分之二。对常年运行的博物馆空调，这一增量不容忽视。表10给出不同迎面风速下的阻力实测值，表11列出两种滤速方案的年能耗对比。变频风机与压差联动控制可进一步降低运行能耗。

表10 不同迎面风速下的阻力实测值

迎面风速（m/s）	初阻力（Pa）	积尘后阻力（Pa）	计数效率（0.4 μm）
1.5	55	128	75%
2.0	78	176	76%
2.5	108	238	77%
3.0	145	305	78%

表11 两种滤速方案年能耗对比

方案	滤速（m/s）	过滤面积（m²）	年耗电（kWh）	年费用（元）
常规方案	2.5	3.2	4200	约 3400
低速方案	1.8	4.5	3100	约 2500

九、容尘量与更换周期管理

容尘量决定过滤器使用寿命与更换周期。化纤袋式中效容尘量通常在四百至八百克，与滤料克重、袋数与面积比有关。更换周期的确定应以压差监测为主、时间为辅，当过滤器阻力达到终阻力设定值时进行更换。仅按固定时间更换容易造成欠更换或过早更换，前者影响过滤效果，后者增加运行成本。

博物馆应建立过滤器台账，记录安装日期、初始压差、更换时间与阻力趋势。表12为基于压差判据的更换周期估算，表13为运维检查常规项目。更换作业应在闭馆期间进行，旧滤袋装入密封袋移出，避免扬尘污染展区。

表12 基于压差判据的更换周期估算

运行环境	含尘浓度	终阻力（Pa）	估算周期
城市商业区	中等	250	8～10 个月
交通枢纽周边	偏高	250	5～7 个月
城市公园周边	偏低	250	10～14 个月
工业区周边	高	250	4～6 个月

表13 运维检查常规项目

检查项目	周期	判据	记录方式
过滤器压差	每周	不超终阻力设定值	压差表读数
滤袋外观	每月	无破损、无脱落	现场检查
框架密封	每季	无旁通泄漏	目测与发烟测试
送风参数	每月	温湿度在设定范围	自控系统记录
更换作业	按需	压差达限或效率下降	台账登记

十、防霉抑菌与滤袋卫生控制

空调系统湿度较高时，滤袋积尘可能滋生霉菌，孢子随送风进入展区，威胁有机质地藏品。化纤滤料吸湿率较低，较天然纤维不易滋生微生物，但仍需运行防范。《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2022）对室内空气中的细菌总数提出了限值要求。

防范措施包括控制滤前相对湿度不超过百分之八十、定期检查滤袋积尘状态、必要时采用抗菌滤料。表14列出防霉抑菌的控制要求。南方梅雨季节可在新风入口设预处理段，降低进入空调箱的含湿量，减少滤袋受潮风险。

表14 防霉抑菌控制要求

控制项目	要求	实施方式
滤前相对湿度	不高于 80%	表冷段除湿控制
滤料抗菌处理	经抑菌整理	选型时明确
积尘检查	每月一次	目测与压差结合
霉变处置	发现即更换	更换并消毒箱体
送风细菌总数	参照室内标准	定期检测

十一、展厅与库房的分区配置

博物馆不同区域环境要求存在差异，过滤配置宜分区设计。精品展厅与有机质地库房对颗粒物与气态污染物控制要求较高，宜采用较高等级中效过滤并配合气相净化；普通展厅与办公区可用常规配置。分区配置可在保证效果的同时控制投资与运行费用。

表15给出各区配置差异。送风系统宜按区域独立设置或在支管设调节装置，避免不同要求区域共用过滤段造成浪费。压差监测装置应分区设置，便于独立判断各区过滤器状态。

表15 分区过滤配置差异

区域	过滤配置	效率等级	压差监测	更换周期
精品展厅	初效加中效	M6 / F7	分区设置	8～10 个月
有机质地库房	初效加中效加化学滤料	F7 及以上	分区设置	按吸附穿透确定
普通展厅	初效加中效	M5 / M6	集中设置	10～12 个月
办公区	初效加中效	M5	集中设置	约 12 个月
设备间	初效	G4	可选	3～6 个月

十二、工程实施要点与运维管理

项目施工与调试宜避开开馆时间，安装中采取防尘措施，防止扬尘污染展区与藏品。过滤器安装前应核查规格与效率等级，安装后按 GB 50243-2016 检漏，确认无旁通泄漏后方可运行。调试阶段应对送风温湿度、风量与压差联调，记录初始数据作为运维基准。

运维阶段应建立巡检、压差记录与更换台账制度，结合自控系统实现压差超限报警。表16汇总某博物馆项目的实施参数，供类似工程参考。通过合理过滤配置与精细化运维，可在满足藏品保存要求的同时控制系统运行成本与能耗。

表16 某博物馆项目实施参数汇总

项目	参数
建筑类型	综合性博物馆
空调形式	恒温恒湿空调机组
过滤配置	G4 板式加 F7 袋式中效加活性炭段
中效规格	592×592×600，6 袋
额定风量	32000 m³/h
初阻力	82 Pa
更换周期	约 10 个月
能耗变化	较原单级方案下降约 12%

图2 袋式中效过滤器在空调箱内的安装

图3 博物馆库房恒温恒湿保存环境