中國建筑科學研究院有限公司  馮 昕  路 賓  張 惠  曹冠朋

       【摘  要】頒布于2016年的ISO 16890系列標準是國際首個針對一般用空氣過濾器性能測試評價的國際標準。介紹了該標準的主要技術內容，對標準目前所存在的主要技術問題進行了重點剖析，并結合近年來的國內外研究現狀，對標準未來發展改進方向給出了相應的建議。

       【關鍵詞】過濾器 空氣凈化 凈化效率 標準試驗塵 過濾器消靜電試驗

       【基金項目】國家重點研發計劃項目“建筑室內空氣質量控制的基礎理論和關鍵技術研究”（項目編號：2017YFC0702700）

 Abstract:ISO 16890 standard, published on 2016, is the first international standard system on performance test and evaluation of general ventilation filters. This paper presents major technical content of the standards and analyses main technical problems in the current version. Suggestions on the standard improvement direction in the future are then presented based on a review of recent researches in China and worldwide.

Keywords:filter, air cleaning, filtration efficiency, standard challenge aerosol, filter conditioning test 

0 引言

       2016年底，國際標準化組織ISO第142技術委員會“氣體及其他氣體凈化設備”正式投票通過并頒布針對一般通風過濾器性能測試的首個國際標準ISO 16890-1～4:2016。這標志著經過接近10年的反復協商與妥協，歐洲國家與美國、玻纖行業與化纖行業基本形成相對一致的觀念，過濾產業朝全球共同市場方向邁出了關鍵性的一步。作為國際首個針對PM（顆粒物污染物）凈化效率評價與分級的標準體系，ISO 16890在技術標準體系中第一次對市場及普通用戶所關心的空氣凈化設備PM10（全球范圍、欠發達地區）、PM2.5（中國等發展中國家）及PM1.0（歐美等發達國家）效率如何進行測試及評價提供了完整的技術手段，從其編制過程乃至2016年底的正式頒布都引起了各方廣泛討論。中國建筑科學研究院作為ISO/TC 142的國內接口單位，全程參與了ISO 16890系列標準及其前身未通過最終投票的TS 21220標準過程討論，本文將從該標準的主要內容、標準目前所存在的問題與所面臨的爭議，以及未來標準進一步發展的方向進行介紹與探討，希望能夠拋磚引玉，引起業內各方對于該標準的重視、廣泛討論及技術投入，為我國空氣凈化行業在下一階段標準體系完善過程中發揮更大作用提前進行技術儲備。

1 ISO 16890系列標準內容簡介

        ISO 16890系列標準總標題為“一般通風過濾器”，共由四部分組成，分別為：

       第一部分：顆粒物過濾效率（ePM）技術要求和分級體系（technical specifications, requirements and classification system based upon particulate matter efficiency (ePM)）^[1]；

       第二部分：計徑效率和阻力的測量（measurement of fractional efficiency and air flow resistance）^[2]；

       第三部分：計重效率及阻力與試驗容塵量關系的測定（determination of the gravimetric efficiency and the air flow resistance versus the mass of test dust captured）^[3]；

       第四部分：確定最低計徑效率的消靜電方法（conditioning method to determine the minimum fractional test efficiency）^[4]。

       在具體的技術內容方面，ISO 16890系列標準以現有的歐美一般通風用過濾器測試標準（ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2012^[5]及EN 779:2012^[6]）為基礎，沿用目前歐美測試標準體系中在用的測試裝置、測試塵源、測試儀器及相應的測試方法，通過規定參考城鎮及郊區大氣塵粒徑分布特征曲線，并對0.3～10μm區間至少12擋粒徑擋的計徑效率進行測試，并依據測試結果通過計算而非直接測量的方式獲得被測過濾器的顆粒物過濾效率（ePM）。在參考大氣塵粒徑分布特征的數學表述上，由于ISO標準希望能沿用當前測試手段，因此放棄了對小于0.3μm粒子的描述，而是選擇大氣塵通常所認知的三模態分布中的細模態與粗模態2個對數正態分布按規定比例分別組合成參考大氣塵特征粒徑分布。圖1顯示了該標準所規定的城市和郊區參考大氣塵粒徑分布特征曲線，表1給出了當采用ISO 16890-2:2016所推薦的計數器粒徑分擋時，計算得到的城市和郊區參考大氣塵體積分布系數。

a 城市                  b 郊區
圖1 該標準所規定的城市和郊區參考大氣塵粒徑分布特征曲線

       注：i為計數器測試粒徑擋編號；d_i為測試粒徑擋下限粒徑，μm；d_i+1為測試粒徑擋上限粒徑，μm。

       具體測試過程上，過濾器計徑效率測試與ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2012標準一致，而后按式（1）計算顆粒物過濾效率ePM：

          （1）

       式中 下標x表示粒徑范圍；n為用于效率計算的計數器粒徑擋數量；E_i為第i擋粒徑所對應的計徑效率，當計算平均顆粒物過濾效率ePMx時，使用平均計徑效率，當計算最低顆粒物過濾效率ePM_x，min時，使用經消靜電處理后的過濾器最低計徑效率。

       計算ePM₁，ePM_2.5及ePM₁₀時，對應計算的粒徑范圍x分別為0.3～1.0，3.0，10.0μm。

       對于大氣塵離散粒子體積分布系數q³(^-d_i) ，當計算ePM₁及ePM_2.5時，使用表1的城市大氣粒徑分布；當計算ePM₁₀時，使用表1的郊區大氣粒徑分布。

       實驗室應分別在被測過濾器初始狀態及消靜電處理后，分別進行上述計徑效率測試與ePM計算，并以算術平均值作為被測過濾器的標稱效率，過濾器的分級報告值為實測效率向下圓整為5%的整數倍，效率大于95%的過濾器報告值為“>95%”，同時，標稱效率及消靜電處理后的最低效率均應滿足表2的分組最低效率要求。

表2 ISO 16890標準規定的過濾器分組最低效率要求

       上述過濾器消靜電測試方法由ISO 16890-4:2016規定，起點源自歐洲EN 779:2012標準，但在異丙醇處理試驗方法上，由EN 779:2012規定的浸泡后晾干調整為異丙醇蒸汽熏蒸方式。這一方法是由日本提出初步想法，并由我國蔡杰進行了較為詳細的比對試驗，證明其比EN 779:2012所規定的方法更能徹底消除濾材所附靜電，從而最終為ISO 16890系列標準所采納。

2 ISO 16890系列標準所存在的問題與爭議

        ISO 16890系列標準是國際上首個基于實際市場需求導向的技術標準，直接迎合了普通消費者對過濾器及各類凈化器的PM凈化效率解讀需求，因此在全球范圍內尤其是我國引起了較為熱烈的討論。但應清楚意識到，標準尤其是國際標準更多體現的是對現有成熟技術的總結與妥協，而大多數情況下，這種妥協既包括技術性，也包括政治性。以下對ISO 16890系列標準目前所面臨的一些問題以及爭議進行介紹。

       1）問題一：該標準只基于現有的測試手段選擇光散射等效粒徑進行計徑效率測量，通過計算而非直接測量獲取過濾器的PM凈化效率，測量結果難以反映空氣凈化裝置的實際運行性能。

       首先，光散射粒徑既不等同于粒子的實際幾何粒徑，也不等同于表征其空氣運動特性的空氣動力學粒徑。從光散射式粒子檢測儀器的原理上看，粒子光散射信號強度與粒徑的立方成正比，但只有針對理想球形的單一物質，方可基于這種比例關系得到所測粒子的粒徑，不同物質的形狀差異、光散射系數（refraction index real part，RIRP）差異都將導致測量結果偏離，針對這一本質上無法解決的問題，粒子測量行業采用標定的統一方法進行妥協處理，約定采用同樣的標準物質（聚苯乙烯乳膠球（PSL））作為參比物，當被測粒子與某粒徑的PSL給出一致的光散射強度信號時，認為被測粒子粒徑等同于所參比的PSL，當然被測粒子形狀、光散射系數與PSL偏差越大，則測量誤差也就越大。為驗證上述觀點，筆者團隊以球形的油性DEHS氣溶膠、正立方體的固體KCl氣溶膠及實際大氣塵作為測試對象，分別使用基于空氣動力學直徑測量的粒徑遷移率分析儀（DMA）與設置不同光散射系數的光學粒子計數器進行比對測試，結果見圖2。從圖2可以看出：即使球形的單一物質氣溶膠，也難以通過儀器光散射系數的調整實現光學粒子計數器測試結果與空氣動力學粒徑測試儀器建立一致性；而非球形氣溶膠，以及復合成分、形狀復雜的大氣塵，光散射測量結果與空氣動力學粒徑測試儀器無法建立可比性。

a 油性DEHS氣溶膠

b 固體KCl氣溶膠

c實際大氣塵
圖2 不同光散射系數的光學粒子計數器粒徑分布測試結果與DMA測試結果比較

       因此，基于光散射粒徑測試最終得到的顆粒物質量濃度有別于實際值，基于該濃度所測得的凈化效率，必然與其實際運行過程中的效率存在差異且不具可比性。

       其次，現有的歐美標準體系均采用最小測試粒徑為0.3μm的光學粒子計數器作為計徑效率測試手段，基于此，ISO 16890系列標準限定了用于測量并計算顆粒物凈化效率的粒徑范圍，無論PM1，PM2.5及PM10，均以0.3μm作為所測粒徑范圍的下限。但實際大氣塵粒徑分布的監測結果表明，小于0.3μm的粒子數量占大氣塵粒徑整體絕對優勢，筆者團隊在2015—2017年間對北京地區不同大氣污染狀況下10nm～10μm區間大氣塵計數濃度分布進行統計分析，圖3顯示了具有代表性的大氣PM2.5濃度分別為0～50μg/m³，100～150 μg/m³及300～400 μg/m³時，大氣粉塵粒徑分布測試結果，其他濃度條件下的大氣粉塵計數分布參見文獻[7]。監測結果顯示，大氣計數濃度峰值一般發生在愛根核模態（Aiken mode）的20～50 nm區間及凝聚模態（accumulation mode）的100～140 nm區間【7】。上述監測結果與國外研究學者在美國^[8]、德國^[9]、希臘^[10]、巴西^[11]及西班牙^[12]等國家進行的類似監測結果吻合。因此，在PM凈化效率尤其是PM1凈化效率的評價中排除0.3μm以下區間粒子，缺乏足夠的科學性與合理性支撐。

圖3 北京地區不同PM2.5濃度條件下的大氣粉塵平均粒徑分布

       2）問題二：采用2種標準氣溶膠而非單一標準氣溶膠帶來的問題。

       傳統的歐洲EN 779:2012 標準規定使用Laskin噴嘴所產生的油性DEHS液滴作為測試氣溶膠物質，而美國ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2012 標準則采用霧化干燥并經靜電中和處理的固體KCl氣溶膠作為測試氣溶膠。由于ISO 16890系列標準是基于一個相對寬的粒徑范圍內對多擋粒徑分別測試計徑效率，因此從技術角度考慮，選擇一種可保證各采樣粒徑擋均能獲取具有統計意義測試結果的單一試驗粉塵即可，美國標準的KCl氣溶膠粒徑分布更分散、更符合要求，但歐洲方面不愿意讓步，雙方最終作了一個妥協：即對于1μm以下粒子，沿用歐洲的DEHS氣溶膠；對于1μm以上粒子則采用KCl氣溶膠。妥協的結果：一方面帶來了操作層面不必要的麻煩，原本只需進行1次的試驗必須分為2次、采用2套發塵系統完成，對于容塵量較小的各類膜過濾裝置，存在試驗時間延長而導致性能遷移的風險；另一方面，針對不同物性試驗氣溶膠，光散射式計數器存在響應差異，進而導致測試結果偏差。表3給出了分別按照ISO 16890系列標準采用2種標準測試氣溶膠（DEHS和KCl）及只采用1種測試氣溶膠（KCl）分別進行PM2.5凈化效率測試時，所得到的相應ePM效率對比。從試驗結果來看，按照ISO 16890系列標準采用2種標準測試氣溶膠所獲得PM2.5凈化效率的試驗結果，相比采用單一氣溶膠的試驗結果，其效率絕對值偏差10%～15%，考慮到ISO標準級別標識以5%分擋劃界，這一偏差相當大。

表3 采用單一氣溶膠和采用2種氣溶膠的同一過濾器ePM效率試驗結果比較  %

       3）問題三：過濾器容塵量試驗問題。

       ISO 16890系列標準所規定的過濾器容塵量試驗方法與傳統標準方法沒有明顯區別，只是在試驗負荷塵方面采用ISO 15957:2015^[13]所規定的L2粉塵（即ISO 12103-1:2016《Road vehicle—test contaminants for filter evaluation—part1：Arizona test dust》所規定的A2細灰），這種試驗粉塵源自20世紀80年代前后對于汽車用過濾器的試驗負荷塵，以美國Arizona地區的荒漠土為主，表征對于道路揚塵的模擬，而后ASHRAE在此基礎上按比例添加炭黑（代表大氣中的燃燒產物）及纖維，形成目前世界范圍內廣泛使用的過濾器容塵試驗負荷塵。但超過30年的全球使用經驗表明，ASHRAE粉塵作為過濾器負荷塵存在的主要問題有：第一，負荷塵吸濕性較強，易結塊，使用前需嚴格烘干，否則試驗結果誤差較大；第二，負荷塵的全球幾個主要供應商產品存在差異，使用不同供應商產品所做的過濾器容塵量試驗結果不可對比。

       ASHRAE負荷塵成分中的炭黑和纖維是造成其吸濕結塊的主要因素，因此ISO 16890系列標準摒棄炭黑和纖維而直接采用ASHRAE負荷塵的基礎荒漠細灰作為負荷塵。但荒漠土作為大氣塵的模擬試驗手段存在明顯不足，這主要是因為從形成機理上看，基于風化、破碎等機理所逐漸形成的荒漠土粒徑偏大，亞微米尺度粒子占比極低，與實際大氣塵偏差大，因此難以反映出過濾器處理實際大氣粉塵時的性能表現，圖5為日本學者于2011年做的目前在用過濾器負荷塵與全球主要城市的大氣塵粒徑分布比較^[14]。由圖5可以看出，有的國際標準負荷塵包括ISO A2細灰絕大部分為1μm以上的大粒子，與實際大氣塵粒徑分布偏差較大，基于上述負荷塵的試驗結果也難以獲取反映過濾器真實性能變化的試驗結果。

圖4 日本學者所整理的國際主要城市大氣塵與現有標準負荷塵粒徑分布比對
（圖中：橫坐標：粒徑，μm；縱坐標：質量累積分布，%

圖例（由上至下）：
金沢大學（鄉村、日本）
Hat Yai DT（城市、泰國）
Hat Yai PSU（城市郊區、泰國）
JIS11標準塵（L3負荷塵）
JIS11標準塵（轉換為空氣動力學粒徑分布）
JIS11標準塵（RBG1000粉塵發生器所生成）
金沢大學（鄉村、日本、安德森采樣器測試結果）
曼谷（城市中心、泰國）
曼谷（Dindaeng區）
琦玉（城市、日本）
1987夏季（Takizawa）
1988冬季（Takizawa）
Wilrijk 1978（城市郊區、比利時）
Wilrijk 1979（城市郊區、比利時）
Petten 1979（海邊、比利時）
Botrang 1979（鄉村、比利時）
2001（城市、韓國）
2001（城市郊區、韓國）
維也納（城市、奧地利）
Gent（城市）
Bologna（城市）
Marseilles（城市郊區）
Mohal（高原、印度）
Kothi（高原、印度）
吉蘭泰沙塵暴（沙漠、中國）
ISO A1（超細塵）
ISO A2（細塵）
ISO A3（中等粗細塵）
ISO A4（粗塵）
ASHRAE標準塵
暹粒（城市郊區、柬埔寨）
Rondonia（牧場、巴西）
芝加哥（城市、美國、1994）
鹽湖城密歇根（水面，鄉村地區、美國）
維也納（城市）
維也納（城市）
北京1996（城市、中國）
沈陽1996（城市、中國）
未知城市1997（城市、東德）
維也納1994（城市、奧地利）
維也納1994（城市郊區、奧地利）

       4）問題四：對于化纖過濾材料的消靜電處理問題。

       對于化纖過濾材料的消靜電處理問題上，當前ISO 16890系列標準及EN 779:2012均傾向于不管材料駐極技術好壞，一律盡可能消除全部靜電后復測效率，并與未處理前的測試結果進行比對，其目的是提示用戶采購過濾器材料時基于濾材纖維的過濾效率和基于靜電駐極技術的過濾效率貢獻占比各為多少，即認為所有靜電駐極技術都是不可靠的，實際使用中均可能完全喪失。但從整個過濾行業的發展及市場實際需求來看，這種試驗方法較為簡單粗暴，存在以下主要問題：

       第一，化纖過濾材料的靜電荷保持特性與使用環境、使用時間等存在較強的關聯性，若處理空氣中含有油煙或各種醇類等揮發性有機物，確實會加速材料所附靜電荷的快速喪失，但在一般通風用過濾器使用場所，往往不涉及上述特殊污染處理，因此用其作為所有產品的統一評價方法過于苛刻。

       第二，一般通風過濾器使用時間有限，并不需要濾材永久駐極。而依據筆者所在團隊對于當前國內產品的測試經驗，不同供應商、不同加工工藝的化纖材料駐極特性差異顯著，部分濾材駐極效果極差，靜電保持時間不超過3天，但也有濾材確實能長時間保持其纖維所附靜電。此外，目前各種新型的靜電增強技術的發展也大幅提升了濾材靜電保持的可靠性^[15]，是否在未來國際標準化體系中一定要強調無差別的消靜電處理值得進一步商榷與討論。

       第三，更低阻力及更高效率是凈化過濾行業永恒的主題與前進方向，對于我國建筑物整體體量龐大、凈化處理設備市場需求快速發展的市場意義尤其重大。盡管存在靜電流失、效率下降問題，但采用靜電駐極技術的化纖材料在相同過濾效率下的阻力確實會優于傳統的玻纖過濾材料，是降低空氣凈化設備運行能耗的一個重要發展方向。而從行業發展角度考慮，該標準所體現的引導作用應該是促進化纖濾材廠商持續改進，提高靜電駐極技術，發展更加耐久、更加低阻節能的產品，而非在其存在不足的當下簡單地限制其應用、限制一個技術領域的未來發展可能性。因此，行業所需要的消靜電方法應該強度適中，能夠給出靜電對于整體凈化效率的貢獻占比，更為重要的是，可以比較出不同過濾材料靜電駐極技術的優劣，從而促進廠商提高駐極技術，持續提高產品可靠性。

3 未來一般通風用過濾器標準的發展方向

       綜上所述，現有的國際標準體系對于如何科學評價過濾器顆粒物凈化效率仍存在諸多不足，筆者認為，至少在以下幾個方面仍需進行扎實的基礎工作以獲得更具科學性的過濾器測試評價標準：

       1）第一，進一步完善大氣塵特征粒徑分布特征的基礎數據收集，并在此基礎上發展反映大氣塵實際尺度特征的新型試驗粉塵，建立基于直接測量而非間接計算的過濾器及類似用途凈化裝置的PM2.5凈化效率的試驗方法。首先，采用直接質量測量方法的優勢在于，測試儀器不需要對試驗塵粒徑范圍進行不必要、不合理的篩選，可采用標準的PM采樣頭配合多種檢測手段進行測試。其次，當試驗粉塵采用單一物質時，可采用標準比對方法對光散射式粉塵儀及光度計進行標定校準，使之符合測試要求，鑒于絕大多數光學粒子計數器廠商均不開放光散射系數的調整修訂，而主流光散射式粉塵儀則開放質量濃度修正系數，因此以試驗粉塵為標準物質，通過對粉塵儀與標準儀器比對修正，從而可在確保測試精度的前提下，大幅降低試驗成本。最后，通過特定粉塵物質及相應測量手段的選擇，可有效規避環境影響，使試驗方法既滿足實驗室測試需要，也適于對建筑物已安裝過濾裝置的測試需要。例如，通過選擇大氣含量低同時對人體無毒無害的NaCl或KCl等作為試驗塵，配合只針對相應Na或K進行質量濃度測量的火焰光度計等測試手段，就可在環境大氣顆粒物不作凈化處理的前提下，對已安裝的空氣凈化裝置進行性能評價，提高測試精度。

       2）第二，建立基于上述試驗粉塵的過濾器測試負荷塵發生方法，建立更為科學的過濾器容塵加速試驗方法，以使過濾器實驗室容塵試驗結果能更科學地反映過濾器實際運行過程中的性能變化，從而使過濾器生命周期綜合能效的科學評價與分級成為可能。同時，由于效率試驗和容塵試驗均采用同一種試驗塵，使試驗成本大幅降低，試驗進行也更為快捷方便。

       3）第三，建立新的、低強度化纖過濾材料消靜電試驗方法。新方法應在現有試驗方法提供的信息基礎上，更科學地比較與辨識不同靜電駐極技術及相應產品的優劣，以及不同化纖材料保有靜電能力的差異性，從而發揮促進行業發展的標準導向功能。

       4）第四，簡化過濾器的分級體系，使之更貼近市場需求。目前各國中效過濾器的分級標準普遍過細，以中效級別為例，歐洲EN 779:2012對效率為40%～95%的過濾器分5擋（M5~M6，F7～F9），美國ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2012對效率為50%～95%的過濾器分為8擋（MERV9～MERV16）。而對于ISO 16890系列標準，其實質上是對50%～95%區間級別分擋達到19擋。但過細的過濾器分擋體系，既非必要，也不符合市場需求。在實際市場應用上，即使是按分級最粗的歐洲標準組織生產的廠商，目前實際上也只有極少數大型國際廠商會在日常產品生產中考慮涵蓋所有級別過濾器，以適應各行業用戶的多樣化需求，而絕大多數規模廠商日常品種只包括2～3個最常用級別以保證生產成本的最優控制。回歸到分級體系的基礎出發點，過濾器級別劃分需要體現2個基本原則：一方面，突出不同過濾器在使用效果上的差異性，以及確保產品正常性能波動不會導致級別判定偏差。而要保證級別判定不出現偏差，則產品的質量控制體系必須能夠將產品性能的波動范圍最多控制在級別允許范圍的一半，也就是說，當以5%作為每一擋級別的允許范圍時，產品的生產性能波動必須控制在±2.5%以內，否則企業很難保證對給定級別過濾器的穩定生產。對于目前中效過濾器行業的普遍工藝水平及質量控制水平而言，要保證這一點是較為困難的。另一方面，過細的級別分擋也不符合市場實際需求，對于大多數中效過濾器應用場合而言，60%和65%的過濾器不存在可辨識的使用效果差異，甚至效率絕對值偏差10%～15%的過濾器在實際應用場合中的使用效果差異也難以體察。因此，在未來的標準修訂過程中，標準編制組及全行業都需要認真的思考一個真正符合用戶市場需求的過濾器分級體系。

4 結語

       本文對ISO 16890系列標準的核心技術內容進行了簡單介紹，著重對當前的標準所存在的問題進行了闡述，并對標準未來發展完善方向提供了參考建議。從筆者近10年來參與ISO標準工作的經驗來看，ISO標準更新完善是我國相關行業及企業發展的動力而非阻力，需要國內同仁在各個層面持續努力，這種努力既包括技術性的基礎投入，也包括國家層面改進當前ISO部分不合理運行規則的政治努力。ISO由歐洲國家發起，從誕生時所建立的運行規則就體現了對于歐洲標準體系的過度保護，在標準的投票規則上，ISO采用每個正式成員國均只有1票的完全平均做法，但在歐洲目前的一體化前提下，幾乎每個歐洲標準的背后都有至少10票的強勢支撐，這導致大多數歐洲標準可以輕松進階成為國際性的ISO標準。這一現狀對于國際其他主流經濟體如中國、美國及日本并不公平，也與目前大多數國際性經濟合作組織采用按GDP劃分投票權重的規則體制不符。而在歐盟內部，任何歐洲標準的投票表決也同樣采用按GDP劃分投票權重的規則。所以，我國各行業參與ISO標準體系的制定和修訂過程，既需要科學技術人員的努力付出，也需要國家標準管理部門的政策投入與政治外交努力，使得ISO成為更為公平的國際標準化技術平臺，更好地保證我國相關行業的利益，促進行業健康發展。

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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。