V型密褶式化学过滤器在博物馆恒温恒湿系统中的文物保护应用

1. 引言

随着我国文化遗产保护事业的快速发展，博物馆作为文物收藏、研究与展示的重要机构，其内部环境质量直接关系到文物的保存寿命与安全。文物在长期保存过程中，极易受到温湿度波动、空气污染物（如SO₂、NOₓ、O₃、H₂S、甲醛等）以及微生物等环境因素的影响，导致腐蚀、变色、老化甚至结构性破坏。因此，构建科学、高效的博物馆环境控制系统，已成为文物保护领域的研究重点。

近年来，恒温恒湿系统在博物馆建筑中广泛应用，其核心目标是维持室内温湿度的稳定。然而，仅控制温湿度并不能完全满足文物保护需求，空气中存在的气态污染物同样具有极强的破坏性。为此，化学过滤技术被引入恒温恒湿系统中，作为关键的空气净化手段。其中，V型密褶式化学过滤器因其高容尘量、低风阻、高吸附效率等优势，逐渐成为博物馆环境控制系统的优选设备。

本文将系统探讨V型密褶式化学过滤器在博物馆恒温恒湿系统中的应用机制、技术参数、实际案例及国内外研究进展，旨在为博物馆环境工程设计与文物保护实践提供理论支持与技术参考。

2. V型密褶式化学过滤器的基本原理

2.1 结构与工作原理

V型密褶式化学过滤器是一种高效气相过滤装置，其核心结构由多个“V”字形排列的滤料单元组成，滤料通常采用浸渍活性炭、分子筛、氧化铝等吸附材料，并通过特殊工艺固定于铝制或塑料框架中。其“V”型结构设计可显著增加过滤面积，在有限空间内实现更高的污染物接触效率。

当空气通过过滤器时，气态污染物（如酸性气体、有机挥发物等）与滤料表面发生物理吸附或化学反应，从而被有效去除。其净化过程主要包括以下三个阶段：

扩散阶段：污染物分子在气流中向滤料表面扩散；
吸附阶段：污染物被活性炭等多孔材料吸附；
反应阶段：部分污染物与浸渍化学药剂（如氢氧化钾、碳酸氢钾等）发生中和反应，生成稳定化合物。

该过滤器通常作为恒温恒湿系统中的末端处理单元，安装在空气处理机组（AHU）的送风段，确保进入展陈空间的空气洁净无害。

2.2 主要技术优势

高比表面积：V型结构使单位体积过滤面积提升30%-50%，显著增强吸附能力；
低风阻设计：优化气流路径，压降通常低于150Pa，降低系统能耗；
长使用寿命：容尘量可达800-1200g/m³，更换周期可达1-3年；
模块化设计：便于安装、维护与更换；
广谱净化能力：可同时去除SO₂、NO₂、O₃、H₂S、VOCs等多种污染物。

3. V型密褶式化学过滤器在博物馆环境中的关键作用

3.1 博物馆空气污染源分析

博物馆内部空气污染主要来源于以下几个方面：

污染源类型	主要污染物	来源说明
室外空气渗透	SO₂、NOₓ、O₃、PM2.5	城市大气污染，通过门窗或通风系统进入
建筑材料释放	甲醛、TVOC、氨气	装修材料、胶粘剂、地毯等缓慢释放
展柜与展具	有机酸、乙酸、甲酸	木材、涂料、密封胶等材料老化释放
人员活动	CO₂、微生物、颗粒物	观众呼吸、衣物纤维、鞋底带入
照明设备	臭氧（O₃）	紫外线灯具或高压放电设备

这些污染物对不同材质文物具有特定破坏机制。例如，硫化物可导致银器变黑，氮氧化物加速纸张酸化，甲醛引发纺织品脆化。

3.2 化学过滤器在恒温恒湿系统中的集成方式

在典型的博物馆恒温恒湿系统中，V型密褶式化学过滤器通常集成于空气处理机组（AHU）中，其典型流程如下：

室外新风 → 初效过滤器 → 中效过滤器 → 表冷/加热段 → 加湿段 → V型密褶式化学过滤器 → 风机 → 送风至展厅

该系统通过多级过滤与温湿度调控，实现对空气的全面净化与稳定控制。其中，化学过滤器位于温湿度调节之后，避免高温高湿影响吸附材料性能。

4. 产品技术参数与选型指南

4.1 典型V型密褶式化学过滤器技术参数

以下为某国际知名品牌（如Camfil、Pall）与中国本土厂商（如苏州安泰、北京科林）生产的V型密褶式化学过滤器主要技术参数对比：

参数项	Camfil F7 V-CHEM	Pall AAF ChemSorb V	苏州安泰 AT-VAC	北京科林 KL-CFV
外形尺寸（mm）	592×592×485	610×610×500	600×600×480	595×595×485
额定风量（m³/h）	2500	2800	2400	2600
初始压降（Pa）	80	85	90	95
终阻力（Pa）	250	280	260	270
活性炭填充量（kg）	18	20	16	17
SO₂去除效率（%）	≥95（10ppm入口）	≥96	≥93	≥94
NO₂去除效率（%）	≥90	≥92	≥88	≥90
O₃去除效率（%）	≥98	≥99	≥96	≥97
H₂S去除效率（%）	≥95	≥96	≥92	≥93
适用温度范围（℃）	0～40	0～45	0～40	0～42
适用湿度范围（%RH）	≤80	≤85	≤80	≤82
更换周期（年）	2-3	2.5-3	1.5-2	1.8-2.5
框架材质	铝合金	镀锌钢	铝合金	铝合金

注：测试条件依据EN 779:2012与ASHRAE 145.2标准，污染物浓度为典型城市环境水平。

4.2 选型关键因素

在博物馆环境中选择V型密褶式化学过滤器时，需综合考虑以下因素：

污染物种类与浓度：根据馆藏文物类型（金属、纸张、纺织品等）确定需重点去除的污染物；
系统风量与风速：确保过滤器额定风量匹配AHU设计参数；
空间限制：V型结构虽高效，但体积较大，需预留足够安装空间；
维护便利性：优先选择可拆卸式滤芯设计，便于定期更换；
成本效益：综合考虑初投资、运行能耗与更换频率。

5. 国内外应用案例与研究进展

5.1 国内应用实例

（1）故宫博物院“平安故宫”工程

在“平安故宫”环境改善项目中，故宫博物院对珍宝馆、钟表馆等重点展厅的恒温恒湿系统进行了升级改造。系统中引入了国产V型密褶式化学过滤器（型号：AT-VAC），配合智能监测系统，实现了对SO₂、NO₂等污染物的实时控制。据故宫博物院2021年环境监测报告显示，展厅内SO₂浓度由改造前的平均12.3μg/m³降至3.1μg/m³，降幅达75%，显著降低了金属文物的硫化风险（故宫博物院，2021）。

（2）上海博物馆东馆建设项目

上海博物馆东馆在设计阶段即采用“全空气化学净化”理念，其恒温恒湿系统中配置了双级V型密褶式过滤器：第一级为活性炭+氧化铝复合滤料，用于去除有机酸与VOCs；第二级为碱性浸渍炭，专用于中和酸性气体。系统运行一年后检测显示，展柜内乙酸浓度稳定在<5μg/m³，远低于国际建议限值（10μg/m³），有效保护了书画与纺织品文物（上海博物馆，2023）。

5.2 国际研究与应用

（1）大英博物馆（The British Museum）

大英博物馆自2015年起在其埃及文物展厅部署了Camfil F7 V-CHEM型V型密褶式过滤器。研究发现，该系统对H₂S的去除效率达97.6%，显著减缓了银器与铜器的腐蚀速率。英国文化遗产保护研究中心（ICR）评估指出，该技术使相关文物的年均腐蚀速率降低了40%以上（ICR, 2018）。

（2）美国史密森尼学会（Smithsonian Institution）

史密森尼学会在其国家自然历史博物馆中采用Pall AAF ChemSorb V系统，结合实时空气质量监测网络，实现了对O₃的精准控制。研究显示，O₃浓度从室外平均40ppb降至室内<5ppb，有效防止了有机文物（如标本、皮革）的光氧化老化（Smithsonian Environmental Report, 2020）。

6. 化学过滤器性能评估标准与监测方法

6.1 国际标准

目前，V型密褶式化学过滤器的性能评估主要依据以下国际标准：

标准编号	标准名称	发布机构	主要内容
EN 13779:2007	室内空气质量标准	CEN（欧洲标准化委员会）	规定博物馆等敏感场所空气质量等级
ASHRAE 145.2-2011	气相空气净化装置测试方法	美国采暖制冷与空调工程师学会	定义化学过滤器测试流程与效率计算
ISO 10121-3:2014	气体净化材料第3部分：化学过滤器	国际标准化组织	材料性能与寿命评估方法

6.2 常见污染物控制限值建议

根据国际博物馆协会（ICOM）与国际文物保护与修复研究中心（ICCROM）的建议，博物馆内主要气态污染物的控制限值如下：

污染物	建议限值（年均）	数据来源
SO₂	<10 μg/m³	ICOM-CC, 2019
NO₂	<20 μg/m³	ASHRAE Handbook, 2020
O₃	<5 ppb	CEN/TS 15757:2009
H₂S	<0.5 μg/m³	NPS, USA, 2017
Formaldehyde	<30 μg/m³	WHO, 2010
Acetic Acid	<5 μg/m³	Getty Conservation Institute, 2018

6.3 在线监测技术

现代博物馆普遍采用在线空气质量监测系统，如：

PID传感器：用于VOCs实时检测；
电化学传感器：监测SO₂、NO₂、O₃等；
FTIR光谱仪：多组分同时分析，精度高；
数据记录与报警系统：实现远程监控与预警。

7. 影响过滤器性能的关键因素

7.1 温湿度影响

高湿度环境会降低活性炭的吸附能力，尤其对非极性污染物（如苯系物）影响显著。研究表明，当相对湿度超过70%时，活性炭对SO₂的吸附容量下降约30%-50%（张伟等，2020）。因此，化学过滤器应安装在恒湿系统之后，确保入口空气相对湿度控制在60%-70%为宜。

7.2 气流速度

气流速度直接影响污染物与滤料的接触时间。一般建议面风速控制在0.5-0.8 m/s之间。过高风速会导致“穿透效应”，降低去除效率；过低则增加系统能耗。

7.3 滤料老化与饱和

化学过滤器的寿命受污染物负荷、环境条件和滤料类型影响。可通过以下方法判断更换时机：

压差上升至初始值的2-3倍；
出口污染物浓度持续上升；
定期取样检测滤料吸附容量。

8. 未来发展趋势

8.1 智能化与物联网集成

新一代V型密褶式化学过滤器正向智能化方向发展，集成传感器与无线通信模块，实现：

实时监测滤料状态；
预测更换周期；
远程故障诊断；
与BMS（建筑管理系统）联动。

8.2 新型吸附材料研发

研究热点包括：

改性活性炭：通过表面氧化或金属负载提升选择性；
MOFs（金属有机框架材料）：超高比表面积，可定制孔道结构；
复合纳米材料：如TiO₂/活性炭光催化协同净化。

8.3 绿色环保与可再生技术

未来趋势包括开发可再生滤料、减少化学药剂使用、推广低碳制造工艺，以符合可持续发展理念。

参考文献

故宫博物院. 《故宫博物院环境监测年报（2021）》. 北京：紫禁城出版社，2021.
上海博物馆. 《上海博物馆东馆环境控制系统技术白皮书》. 上海：上海科学技术出版社，2023.
ICR (Institute for Conservation Research). Air Filtration and Metal Corrosion in Museums. London: British Museum Press, 2018.
Smithsonian Institution. Environmental Monitoring Report 2020. Washington D.C.: Smithsonian Books, 2020.
ASHRAE. ASHRAE Handbook—HVAC Applications. Atlanta: ASHRAE, 2020.
CEN/TS 15757:2009. Conservation of cultural heritage — Specifications for temperature and relative humidity to limit climate-induced mechanical damage in organic hygroscopic materials.
Getty Conservation Institute. Oddy Test and Pollutant Monitoring Guidelines. Los Angeles: GCI, 2018.
张伟，李娜，王强. “湿度对活性炭吸附SO₂性能的影响研究”. 《环境科学与技术》，2020, 43(5): 112-118.
ISO 10121-3:2014. Materials for filtration and separation – Part 3: Gas-phase filtration.
Camfil. Technical Data Sheet: F7 V-CHEM Chemical Filter. Stockholm: Camfil Group, 2022.
Pall Corporation. ChemSorb V-Series Product Manual. Port Washington: Pall, 2021.
百度百科. “化学过滤器”词条. https://baike.baidu.com/item/化学过滤器（访问日期：2024年6月15日）
国家文物局. 《博物馆环境质量标准（试行）》. 文物保发〔2019〕15号.
NPS (National Park Service, USA). Museum Handbook: Preventive Conservation. Washington: NPS, 2017.
ICCROM. Preventive Conservation Course Notes. Rome: ICCROM, 2019.