中國建筑科學研究院有限公司 馮昕
清華大學 江鋒
中國建筑科學研究院有限公司 張惠 曹冠朋 梁磊 孟令坤

       【摘   要】本文為2015~2017年間高效空氣過濾國標體系修訂過程的研究工作技術總結，文章通過對近10年來國內外對高效空氣過濾器性能測試研究的進展以及國際技術標準體系的發展進行梳理，總結了現行國家標準體系所存在的主要技術問題，并對標準修訂工作針對所述問題所開展的主要研究工作進行了介紹，對標準體系主要修訂內容進行了相應解讀。

       【關鍵詞】高效及超高效過濾器 空氣凈化 過濾器性能測試 高效過濾器分級 高效過濾器生命周期評價

Abstract:This paper is a technical summary of the related research work conducted in revision procedure of the national standardization system on HEPA and ULPA filters from 2015 to 2017. The paper review the related research and development in air cleaning industry and international standards in the past decade, and point the major problems in the current standards. The corresponding research, analyze and experimental validation efforts are introduced to explain the major revised and updated part of the standards.

Keywords:HEPA and ULPA filters, air cleaning, filter performance test, HEPA filter classification, HEPA filter life cycle performance evaluation 

0 前言

       高效及超高效過濾器是各類型潔凈受控環境用于保護室內環境、工作人員以及周邊環境安全的關鍵性凈化處理措施，被廣泛應用于微電子、制藥、食品、醫療衛生、檢驗檢疫以及航空航天等諸多國民經濟支柱性產業。我國高效空氣過濾器于上世紀60年代研制成功,80年代，我國借鑒英國的鈉焰法（火焰光度計法）以及前蘇聯的油霧法初步建立高效空氣過濾器的效率測試標準GB 6165《高效空氣過濾器性能試驗方法 效率和阻力》，90年代形成涵蓋高效空氣過濾器產品設計、生產、技術要求以及相應檢測方法的完整產品技術標準GB 13554《高效空氣過濾器》。2008年，我國參考歐美發達國家在2000年前后開始采用的計數法，建立分別針對過濾器以及過濾材料的MPPS效率測試方法，將對過濾器的效率檢測范圍提高到99.99999%以上的超高效過濾器范疇。

       截至2015年，一方面國內空氣凈化行業在7年的國標運行使用過程中對于舊版國標體系的一些存在問題取得了新的認識與積累，另一方面，2011年國際標準化組織ISO也以歐洲標準為藍本形成并正式頒布了首份全球通用國際標準ISO29463《High-efficiency filters and filter media for removing particles in air》，因此，有必要對當時標準存在的主要技術問題進行梳理，并對新國際標準環境下提高國標體系與國際標準體系的適應性和對接性進行改進提升。因此標準主編單位會同行業內主要技術研發機構、高校、生產廠家以及檢測機構等有關單位成立標準修訂編制組并開展了大量的比對測試以及基礎技術改進評估工作，于2017年底完成了新一輪國標體系修訂稿的標準審查與報批工作。本文將對國標體系修訂過程所面臨的主要問題、技術研發工作以及所形成的主要修訂內容進行介紹，供行業各領域專家批評指正。

1 當前國標體系主要存在的問題

       通過對近年來國標體系使用情況以及終端用戶、生產廠家、檢測機構的信息反饋匯總，我國舊版國標體系主要存在的技術問題包括：

       a）產品性能分級標識體系與國際分級體系不相適應。

圖1 08版國標分級體系與國際標準比對^[1-4]

       圖1給出了08版國標高效分級體系與歐、美以及ISO標準分級體系的比對。從中可以看出08版國標分級體系的主要不足包括：第一，在拋棄不同標準體系中檢測方法的差異性前提下，08版分級體系高效過濾器的起始值（99.9%）低于國際標準體系（99.95（歐盟及ISO標準）、99.97%（美國標準））。考慮到08版國標體系采用鈉焰法為標準試驗方法，而鈉焰法的效率測試結果一般高于國際上流行的計數法測試結果，因此，08版標準分級體系中A級高效過濾器其實際效率相當于國際標準分級中的亞高效過濾器，這種差異不利于滿足過濾器所應用的各類潔凈室行業進行符合生產工藝要求的風險控制需求。第二，從國際標準體系的發展來看，過濾器分級標識體系從早期的單純效率數值標識體系向更豐富信息層次發展，現代的過濾器標識體系除效率級別外，傾向與通過盡可能簡潔的符號標識傳遞用戶所需要的必要信息，如具體效率測試結果、所采用測試方法以及檢漏方法還希望體現過濾器出廠檢測的核心試驗方法等。例如，歐洲標準以及ISO標準中的U組過濾器，即表示過濾出廠必須經過掃描檢漏測試，而在ISO29463的制定討論過程中，針對H組別過濾器若出廠為掃描檢漏測試是否標識為U組也曾有過廣泛的討論。08版國標體系在此方面則存在不足。

       b）08版國標體系的效率標準試驗方法——鈉焰法粒徑分布與過濾器最易穿透粒徑（Most Penetrate Particle Size， MPPS）存在較大偏差，因此試驗結果與國際上通行的計數法試驗結果存在偏差。

       鈉焰法作為我國高效過濾器效率檢測的傳統方法，采用火焰光度計對經噴霧干燥發生過程獲得的多分散NaCl固體氣溶膠進行質量濃度進行測試、比較，進而獲得被測過濾器的效率檢測結果。圖2給出了采用粒徑頻譜儀所獲得的傳統鈉焰法測試氣溶膠粒徑分布，其計數中值粒徑為40~50nm，計重中值粒徑約為300nm，同時粒徑分布較為分散。因此，其實際測試結果與國際通行計數法相比存在較為明顯的差距。

圖2 傳統鈉焰法測試NaCl氣溶膠粒徑分布

       c）08版國標體系中包含有針對特殊行業的特殊性能需求。我國的高效過濾產品及標準化測試方法均源于核工業的特殊要求，因此，過濾器產品標準GB/T13554中一直保留了部分針對核工業行業特定的特殊產品強度要求，例如要求高效過濾器能在10倍阻力下運行一定時間并保持完好等。時至今日，一方面當前我國高效過濾器產品已經廣泛應用于微電子電子、液晶面板、精密加工制造、醫藥、衛生等諸多科技行業，而另一方面國內核工業已經以美國標準體系為藍本完成了相應國標^[5]的制定并應用至今。因此，作為通用產品技術標準，不宜再保留相應的特殊性能要求。

2 新版國標體系主要修訂內容及相應研究基礎工作介紹

       2.1 對國內現有高效過濾器試驗臺開展樣本傳遞試驗（Round Robin Test），了解當前各試驗臺差異性現狀，提升標準在試驗臺質量控制要求。

       過濾器試驗裝置的基礎性能參數，如風量穩定性、風速均勻性、氣溶膠濃度均勻性、穩定性以及管道氣密性等，均需要有較為嚴格并且一致的規定，方能避免不同試驗臺的測試結果偏差。但在08版國標體系中，鈉焰法、計數法以及油霧法三種試驗方法均對試驗裝置基礎性能參數有各自要求，各自所要求指標項目以及允許數值均存在偏差，因此容易導致不同試驗臺在測試同一樣品時存在偏差，造成數據結果的不可比對。為明確國內目前在用過濾器試驗臺性能差異，國標修訂編制組于2016年組織國內現有部分高效過濾器試驗臺的測試結果比對傳遞試驗（Round Robin Test， RRT測試），傳遞試驗采用過濾器（效率測試標件）和金屬孔板（阻力標件）同時進行。圖3給出了采用金屬孔板作為阻力標件的部分試驗臺測試結果，圖中，1#~5#為參與傳遞試驗的試驗臺編號，CV為各試驗臺測試結果差異系數。表1給出了4臺計數法試驗臺對傳遞過濾器的效率測試結果比較。從各試驗臺的效率及阻力測試比較結果來看，各試驗臺間存在較為明顯的差異性，不同試驗臺對同一阻力標件的測試結果差異明顯，1#、2#、5#試驗臺測試結果基本相當，3#試驗臺測試結果明顯低于其它，4#試驗臺測試結果明顯高于其它，在高效空氣過濾器常用風量范圍（500~1700m³/h），各試驗臺總體差異系數15%左右，相比發達國家較為成熟的技術水平存在一定差距。而對于效率標件的傳遞比對測試結果，各試驗臺間的差異性結果要略好于阻力，同為計數法的4臺試驗臺中，對同一臺過濾器的透過率測試結果最大值與最小值偏差4~5倍，效率測試結果偏差則超過半個9。由于在新版ISO國際標準中高效及超高效過濾器分級體系以半個9劃分級別，因此，這種差異最終將導致同一臺過濾器在不同試驗臺上的測試結果出現級別差異。

圖3 使用金屬孔板作為阻力標件的各實驗室測試結果間相對偏差^[6]
表1 國內4臺在用計數法高效過濾器試驗臺效率傳遞比較測試結果^[6]

       為了進一步規范試驗臺設計、建設和使用維護，逐步縮小不同生產廠家、實驗室試驗臺間的差異性，新版國標體系的修訂過程中，統一提出了試驗臺的基礎性能參數要求，表2給出了新版修訂國標體系所提出的過濾器試驗臺性能及標定維護要求。所要求的基礎性能參數中，除管道密封性、混勻性等傳統的常規要求外，相比與國際標準體系，新增了對于阻力標件以及參考過濾器的定期回溯要求，希望可以為國內生產廠家提升產品質量控制水平提供助力。

表2 新版修訂國標所規定的高效過濾器試驗臺性能及標定維護要求

       2.2 完善高效過濾器的鈉焰法測試方法

       鈉焰法是我國進行高效過濾器檢漏測試的傳統方法，也是舊版國標體系的效率基準測試方法，相比于2000年左右開始廣泛應用的計數法測試，鈉焰法的優勢與劣勢同等突出，其主要優點包括：采用NaCl作為測試氣溶膠，安全并且對人員健康及環境無負面影響；采用火焰光度計作為測試手段，只針對含鈉顆粒物進行測試，環境氣溶膠對測試結果的影響小；與美國目前仍在使用的DOP光度計法一樣，第一代光度法測試方法雖然試驗方法相對粗糙，但試驗臺之間微小差異對試驗結果的影響較計數法小，因此更容易實現不同試驗臺對相同測試樣品的測試結果穩定性。而鈉焰法的主要劣勢在于：其測試結果高于計數法，并且二者測試結果不具備可比性。這是由于鈉焰法采用多分散NaCl氣溶膠粒徑分布特征與過濾元件MPPS粒徑范圍（最易穿透粒徑，傳統玻纖濾材一般為100nm~250nm，PTFE濾膜則一般為50~70nm）存在明顯偏差，同時，測試手段采用質量濃度而非計數濃度測試，因此大粒子尤其是粒徑大于1μm的粒子對于效率測試結果的貢獻會顯著高于MPPS粒徑范圍的小粒子。另一方面，測試氣溶膠中的Na及Cl會破壞電子芯片絕緣層從而影響產品成品率和可靠性^[7]。

       為改善鈉焰法測試氣溶膠的粒徑分布，標準編制組對不同NaCl氣溶膠發生制備參數（溶液濃度以及噴霧壓力）進行大量測試，并利用中效過濾過濾元件的MPPS特性進一步對發生NaCl氣溶膠進行篩選從而獲得分布更接近于MPPS范圍的測試氣溶膠，圖4給出了使用Laskin噴嘴噴霧發生NaCl固體氣溶膠，再經不同級別過濾器篩選所得到多分散氣溶膠計數峰值粒徑，試驗所使用NaCl溶液濃度10%，噴霧壓力0.2~0.6MPa。由測試結果可見，隨著篩選過濾器效率級別的提高，篩選后多分散NaCl氣溶膠的粒徑分布越來越接近于高效過濾器的MPPS范圍，但過高的篩選過濾器級別會導致NaCl氣溶膠質量濃度下降過多，不利于高效過濾器的效率檢測，經比較權衡，F7、F8級別的中效過濾器就足以滿足測試需求。圖5為使用WPS測試得到的改進后鈉焰法試驗氣溶膠粒徑分布，相比于傳統鈉焰法的測試氣溶膠粒徑分布（圖2），改進后的試驗塵粒徑分布更集中，也更接近過濾器MPPS范圍。

圖4 噴霧發生的NaCl顆粒物經不同等級過濾器篩選后的計數峰值粒徑（NaCl溶液濃度10%）^[8] 

圖5 改進后的鈉焰法試驗粉塵粒徑分布

       圖6為改進后的鈉焰法與傳統方法的測試結果比對，可見改進方法確實可在一定程度上降低鈉焰法對于過濾器效率測試結果，使之進一步接近計數法測試結果。但同時我們仍必須看到改進后的鈉焰法測試結果與計數法仍有相當差距（圖7），未來對于鈉焰法的性能改進與提升仍是標準工作組需要持續努力與技術投入的方向之一。關于這部分工作的詳細技術內容請讀者參考張惠及曹冠朋二位的文章[8-9]。

圖6 改進后的鈉焰法與傳統方法的測試結果比對^[9]

（a）                                  （b）
圖7 改進后的鈉焰法與計數法的測試結果比對^[9]

       2.3 完善高效過濾器檢漏試驗方法

       高效過濾器的檢漏測試是過濾器最為關鍵的性能測試之一，其重要性與過濾效率測試相當，但在國內外不同技術標準中對于檢漏測試方法以及試驗參數的技術規定一直存在差異，這就時常會導致不同實驗室、實驗裝置試驗結果判定存在差異。以測試粒徑為例，歐洲標準強調測試氣溶膠粒徑應與過濾器最易穿透粒徑（MPPS）接近[10]，美國標準則采用大粒子進行測試（計數中值直徑0.4μm，計重中值直徑0.7μm）^[11]，ISO潔凈室測試標準規定當使用光度計進行測試時，氣溶膠粒徑分布與美國標準一致，當使用光學粒子計數器進行測試時，測試氣溶膠計數中值直徑應為0.1~0.5μm^[12]。針對上述問題，國內在2010年以來開展了諸多理論分析[13]以及實際試驗驗證[14-16]等研究工作，為上述問題的解決提供了有力的技術支撐。現有的研究成果主要解決與澄清了下列認識：

       a）與完好過濾器不同，一旦過濾器存在局部漏泄缺陷，則漏點對于不同尺寸粒子的通過不具有選擇性，均呈現出一致的局部透過率，因此無論是同一測試方法選擇不同的測試粒徑進行試驗，還是不同的試驗方法均不影響漏泄缺陷的判定結果；

       b）采用20%及100%額定風量效率測試比較的檢漏試驗方法仍具有一定的實際應用意義。在舊版國標體系中，20%風量下的效率試驗是作為過濾器效率試驗的一部分，但這一試驗的主要問題在于一方面100%風量下的效率試驗足以表征過濾器的整體凈化能力，另一方面，大多數試驗臺在進行雙風量切換時操作較為麻煩，耗時長，會較為嚴重的影響生產企業的生產效率，因此在20多年的產品國標使用歷史中，很少有生產企業會在生產檢測中執行雙風量效率測試。但在近年來的試驗研究中發現，對于W密摺型（V-Bank）、圓筒型等掃描檢漏試驗靈敏度低的異型過濾器，采用雙風量測試對于探查潛在漏泄缺陷的靈敏度更高。但對于雙風量測試的檢漏評判依據，傳統觀點認為有局部漏泄缺陷的過濾器在低風量下測試時效率會低于100%風量下的測試結果，因此美國標準要求低風量下效率測試結果與100%風量下結果保持一致即為合格。但近年來較多的試驗研究表明，成品過濾器與濾材試驗一樣，在完好并且不存在局部漏泄缺陷的情況下，隨著風量的降低其效率升高，試驗風量降低50%時，其效率測試結果上升接近1個9，因此，對于完好過濾器，其20%風量下的效率試驗結果相比100%風量應升高約2個9，而對于有漏點的過濾器，其20%風量下的效率試驗結果與100%風量下試驗結果相當，見表3所給出某批次密摺型高效過濾器的檢漏試驗比對結果。

表3 某批次密摺型高效過濾器的檢漏試驗比對結果

       因此，在本次國標體系修訂中，雙方量效率試驗被明確為針對異型過濾器的檢漏試驗方法，在結果判定上，低風量效率測試結果應相比100%風量測試結果至少高1個9方判定檢漏測試結果為合格。

       2.4 新增高效過濾元件的生命周期綜合能效評價試驗方法與要求

       對于空氣凈化及潔凈室行業，傳統觀點一般認為高效過濾器的整個生命周期能效評價意義不大，做好預過濾的保護措施即可保證高效過濾器在相當長的運行時間內以接近清潔狀態的條件下低阻運行。因此，國內外的高效過濾器測試標準一直沒有如何評價高效過濾器的生命周期性能評價方法。但近年來，一方面PTFE納米纖維為代表的新型膜過濾材料的出現^[17]，雖然高效過濾器的阻力獲得大幅度降低，但也同時產生了如何比較傳統深層過濾材料與新興材料在整個生命周期內綜合能效的比較需求^[18-19]；另一方面，面對當前迅速發展的工業建筑尤其是各類潔凈室進行綠色建筑評價以及綜合運行能耗評價的市場需求，作為通風空調系統中的重要能耗部件，用戶需要對高效過濾器在整個運行周期內的綜合能耗表現建立更為科學的認識，凈化行業也需要為用戶提供更為清晰科學的產品評價與標識體系。

       而要建立一個科學的高效過濾元件生命周期綜合能效評價試驗方法，就必須解決2個核心問題：

       第一，采用什么樣的負荷試驗粉塵來實現對于過濾器全生命周期的加速模擬，負荷塵的主要特征應符合高效過濾器日常使用環境負荷粉塵核心特征，因此，針對各類潔凈室中高效過濾器的使用環境特點，我們需要找到這樣一種試驗粉塵：固體、粒徑分布特征符合應用環境特點，從而可以科學的對粉塵在濾材纖維結構上堆積的過程模擬。

       第二，核心試驗參數的明確，主要包括試驗粉塵的濃度等，高粉塵試驗濃度有利于縮短試驗時間，降低過濾器生產廠家的試驗成本。但過高的粉塵濃度會導致試驗塵在過濾材料表面的快速堆積，從而使得試驗結果與實際偏離較遠。

       針對上述的試驗塵源問題，使用改進后的鈉焰法試驗塵可以較好的解決，通過使用中效過濾器篩選方式獲取的固體試驗粉塵在粒徑分布特征上與高效過濾器實際處理粉塵一致，較為容易獲得用戶以及生產企業的認可，圖8給出了使用上述塵源進行高效過濾器生命周期模擬試驗后的過濾器濾材剖面電鏡照片，照片顯示的由過濾器迎風面至濾材內部不同深度（由左至右）的粉塵堆積情況，由照片可見，盡管大多數粉塵仍主要堆積在濾材表層及淺層結構，但在濾材內部仍存在不同程度的粉塵堆積現象，表明試驗粉塵對于模擬深層過濾材料的全生命周期具有一定的科學合理性。

圖8 生命周期試驗后的高效過濾器濾材樣品截面電鏡結果（NaCl塵源）^[20]

       2.5 調整過濾器效率測試基準方法，并采用ISO國際標準的過濾器分級體系，實現國內產品標識與國際市場的基本接軌。

       如前文所述，盡管本次國標體系修訂工作中對我國傳統的效率基準試驗方法——鈉焰法進行了較多研究及改進提升，但比對試驗顯示鈉焰法效率測試結果仍高于國際通行的計數法，在此前提下，不適宜將鈉焰法仍規定為國標基準方法，因為這會使得按國標體系標識的過濾器實際性能低于同等級別標識的國際標準體系產品，不利于實現下游潔凈室行業的環境控制及產品質量控制需求。所以在本次國標體系修訂中，經過充分的協調與討論，將計數法調整為過濾器效率測試的基準試驗方法。在過濾器級別標識體系上，新版國標在首個ISO國際標準ISO29463系列標準分級標識體系的基礎上，采用兩位數字標識過濾器效率級別，并附加1~2位字母標識效率試驗方法和檢漏試驗方法。在效率級別上，新版國標體系與ISO標準一致，從而實現國內過濾器標識體系與國際體系的接軌，例如，國標體系的“35J”等同于ISO標準體系的ISO35(H)，也等同于歐洲EN1822標準的H13級過濾器，均表示采用計數法測試，效率測試結果不低于99.95%的高效過濾器。相比國際標準體系更進一步的是，新版國標體系增加了過濾器檢漏試驗方法的標識，上述“35J”高效若采用掃描檢漏試驗方法則標識為“35JS”，推動促進國內生產廠家采用更嚴格的掃描檢漏試驗方法，進一步提升我國過濾器行業的產品質量控制水平。

3 結論

    本次高效過濾器國標體系修訂工作歷時三年，標準修訂工作組對現行國標體系的主要存在問題、近10年來國際標準化體系的發展情況及主要技術爭議內容進行了較為系統的梳理，對標準擬修訂內容做了大量、扎實的試驗研究及驗證工作，充分保證了新版國標技術體系的科學性、合理性，反映我國當前空氣凈化行業的主流技術現狀，并為行業未來的技術水平提升提供幫助、指引方向。標準修訂工作組也誠摯希望行業各有關生產廠家、檢測實驗室、各專家及工程技術人員能在未來的工作中對標準技術內容充分評價審視，隨時向工作組反饋意見，為我國高效過濾器標準體系的持續發展提升共同努力。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊 總第37期（第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。