高效过滤器（HEPA）在洁净室设计中的性能要求与选型指南 一、高效过滤器（HEPA）概述 高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter，简称 HEPA）是一种广泛应用于洁净室、医院手术室、制药...
高效过滤器（HEPA）在洁净室设计中的性能要求与选型指南
一、高效过滤器（HEPA）概述
高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter，简称 HEPA）是一种广泛应用于洁净室、医院手术室、制药车间、实验室等对空气质量有高要求的环境中的空气过滤设备。其主要功能是去除空气中悬浮的微粒污染物，确保室内空气达到特定的洁净等级标准。根据美国能源部（DOE）的标准，HEPA 过滤器必须能够至少拦截 99.97% 的直径为 0.3 微米的颗粒物，这一尺寸被认为是穿透 HEPA 过滤介质难被捕捉的“易穿透粒子”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）。
在洁净室设计中，HEPA 过滤器不仅是空气净化系统的核心组成部分，还直接决定了整个洁净空间的空气质量等级。因此，合理选择和配置 HEPA 过滤器对于保证洁净室的运行效率、能耗控制以及长期维护成本具有重要意义。
二、HEPA 过滤器的分类与结构
1. HEPA 过滤器的分类
根据国际标准 ISO 4500-1:2021 和欧洲标准 EN 1822，HEPA 过滤器可以分为以下几类：
| 分类 | 效率等级 | 测试粒子大小（μm） | 低效率要求 |
|---|---|---|---|
| H10 | 中高效 | 0.3 | ≥85% |
| H11 | 中高效 | 0.3 | ≥95% |
| H12 | 高效 | 0.3 | ≥99.5% |
| H13 | 超高效 | 0.3 | ≥99.95% |
| H14 | 超高效 | 0.3 | ≥99.995% |
此外，ISO 标准还引入了 ULPA（Ultra Low Penetration Air Filter）过滤器，其低效率要求为 99.999%，适用于更高级别的洁净环境，如半导体制造厂或生物安全实验室。
2. HEPA 过滤器的结构
HEPA 过滤器通常由以下几个部分组成：
- 滤材：采用玻璃纤维或其他合成材料制成的多层折叠式滤纸，具有较大的表面积和较高的容尘能力。
- 边框：用于支撑滤材，常见的材料包括铝合金、镀锌钢板、塑料等。
- 密封胶：防止空气绕过滤材，确保所有空气都经过过滤。
- 出风面保护网：防止滤材因气流冲击而变形或破损。
不同的应用场景需要不同结构形式的 HEPA 过滤器，例如板式、折叠式、箱式、液槽式等。
三、HEPA 过滤器的主要性能参数
在洁净室设计中，HEPA 过滤器的性能直接影响空气洁净度、换气次数、能耗及运行成本。以下是关键性能参数：
1. 过滤效率（Efficiency）
过滤效率是指 HEPA 过滤器对特定粒径颗粒的捕获能力。根据 IEST-RP-CC001（Institute of Environmental Sciences and Technology）标准，HEPA 过滤器应在额定风量下对 0.3 μm 粒子的过滤效率不低于 99.97%。
2. 初始阻力（Initial Resistance）
初始阻力是指新安装的 HEPA 过滤器在额定风速下的压降值，通常在 100~250 Pa 之间。该参数影响风机功率和能耗，因此在选型时应综合考虑系统的压力损失。
3. 容尘量（Dust Holding Capacity）
容尘量表示过滤器在使用寿命期内可容纳的灰尘总量，通常以克（g）为单位。容尘量越高，更换周期越长，维护成本越低。
4. 泄漏率（Leakage Rate）
泄漏率是指未经过滤的空气通过滤材缺陷或密封不良处的比例。高质量的 HEPA 过滤器泄漏率应小于 0.01%。
5. 风量（Airflow Rate）
风量是指单位时间内通过 HEPA 过滤器的空气体积，通常以立方米每小时（m³/h）或立方英尺每分钟（CFM）表示。风量决定了洁净室的换气次数和空气洁净度水平。
以下是一些常见 HEPA 过滤器的技术参数对比表：
| 型号 | 尺寸（mm） | 额定风量（m³/h） | 初始阻力（Pa） | 过滤效率（@0.3μm） | 容尘量（g） | 应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| H13-610×610 | 610×610×90 | 2000 | 180 | ≥99.95% | 300 | 医院手术室 |
| H14-484×484 | 484×484×90 | 1500 | 220 | ≥99.995% | 250 | 半导体厂 |
| ULPA-915×915 | 915×915×90 | 3000 | 250 | ≥99.999% | 400 | 生物实验室 |
四、HEPA 过滤器在洁净室设计中的应用要求
1. 洁净等级与 HEPA 过滤器的选择
根据 ISO 14644-1 标准，洁净室按照空气中悬浮粒子浓度划分为 ISO Class 1 至 ISO Class 9 九个等级。不同等级对应的 HEPA 过滤器类型如下：
| 洁净等级（ISO） | 典型应用场所 | 推荐 HEPA 类型 |
|---|---|---|
| ISO Class 1–3 | 半导体制造、航天工业 | ULPA 或 H14 |
| ISO Class 4–5 | 制药生产、精密电子 | H13 或 H14 |
| ISO Class 6–7 | 医疗器械制造、医院手术室 | H12 或 H13 |
| ISO Class 8–9 | 一般工业洁净区 | H10 或 H11 |
2. 换气次数与 HEPA 过滤器数量计算
换气次数（ACH, Air Changes per Hour）是衡量洁净室空气更新频率的重要指标。一般来说，洁净等级越高，所需的换气次数越多。
例如：
- ISO Class 5 洁净室建议换气次数为 300～600 次/小时；
- ISO Class 7 洁净室建议换气次数为 30～60 次/小时。
HEPA 过滤器的数量可通过以下公式估算：
$$
N = frac{V times ACH}{Q}
$$
其中：
- $ N $：所需 HEPA 过滤器数量
- $ V $：洁净室体积（m³）
- $ ACH $：换气次数（次/小时）
- $ Q $：单台 HEPA 过滤器的额定风量（m³/h）
3. HEPA 过滤器的安装方式
根据安装位置和使用方式，HEPA 过滤器可分为以下几种类型：
- 顶送风式：常用于垂直层流洁净室，将 HEPA 安装在天花板上，向下送风。
- 侧送风式：适用于水平层流洁净工作台，气流沿水平方向流动。
- 回风式：安装在回风口，用于二次过滤，提高空气循环效率。
- 液槽式：采用硅油密封，适用于对密封性要求极高的洁净室。
五、HEPA 过滤器的选型指南
1. 选型原则
在洁净室设计过程中，HEPA 过滤器的选型应遵循以下原则：
- 匹配洁净等级：根据洁净室的设计标准选择合适的 HEPA 等级。
- 适应风量需求：确保所选 HEPA 的额定风量满足洁净室的换气次数要求。
- 控制压降：避免选用阻力过大的 HEPA，以免增加风机负荷和能耗。
- 便于维护：选择易于更换和清洁的 HEPA 结构形式。
- 成本效益分析：综合考虑初投资、运行费用和更换周期，选择性价比高的产品。
2. 常见品牌与型号推荐
国内外知名的 HEPA 过滤器制造商包括：
| 品牌 | 国家 | 特点 |
|---|---|---|
| Camfil（康斐尔） | 瑞典 | 高效节能，广泛应用于医疗和制药行业 |
| Donaldson（唐纳森） | 美国 | 工业级 HEPA，耐用性强 |
| Freudenberg（科德宝） | 德国 | 多种规格可选，适用于洁净室和实验室 |
| 金宇生物 | 中国 | 国产优质品牌，价格优势明显 |
| 苏州安泰空气技术有限公司 | 中国 | 提供定制化 HEPA 解决方案 |
3. 选型案例分析
假设某制药企业计划建设一个 ISO Class 7 的洁净室，其建筑面积为 200 平方米，高度为 3 米，换气次数要求为 60 次/小时，拟采用 H13 级别 HEPA 过滤器，额定风量为 2000 m³/h。
计算所需 HEPA 数量：
$$
N = frac{200 times 3 times 60}{2000} = 18 text{ 台}
$$
因此，该洁净室需安装 18 台 H13 级 HEPA 过滤器，以满足空气洁净度要求。
六、HEPA 过滤器的测试与认证标准
为了确保 HEPA 过滤器的质量和性能，各国制定了相应的测试与认证标准。
1. 国际标准
- EN 1822（欧洲标准）：规定了 HEPA 和 ULPA 过滤器的分级、测试方法和性能要求。
- IEST-RP-CC001（美国标准）：提供了 HEPA 和 ULPA 过滤器的测试程序和性能评估方法。
- ISO 4500-1：关于空气过滤器的一般规范和测试方法。
2. 中国国家标准
- GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》：规定了 HEPA 过滤器的技术要求、试验方法和检验规则。
- GB/T 14295-2008《空气过滤器》：涵盖了各类空气过滤器的基本性能要求。
3. 认证机构
- UL（Underwriters Laboratories）：美国权威认证机构，提供 HEPA 过滤器的安全与性能认证。
- TÜV（德国技术监督协会）：提供欧洲市场的 HEPA 产品认证服务。
- CNAS（中国合格评定国家认可委员会）：负责国内 HEPA 过滤器的检测与认证。
七、HEPA 过滤器的维护与更换
1. 维护要点
- 定期检测压差：通过监测 HEPA 过滤器的前后压差变化判断其堵塞程度。
- 保持密封良好：定期检查密封胶条和边框，防止空气泄漏。
- 清洁外部表面：避免灰尘积聚影响气流分布。
2. 更换周期
HEPA 过滤器的更换周期取决于使用环境和运行时间。一般情况下：
- 在常规洁净环境下，H13/H14 级 HEPA 使用寿命约为 3～5 年。
- 在高污染环境中，可能需要每年更换一次。
更换前应进行完整性测试（如 DOP 测试），以确认是否发生泄漏。
八、结论
综上所述，HEPA 过滤器作为洁净室空气处理系统的核心组件，其性能参数、选型策略和安装方式直接影响洁净室的空气质量和运行效率。在实际工程应用中，应结合具体洁净等级、风量需求、空间布局等因素，科学合理地选择和配置 HEPA 过滤器，并严格执行测试、维护和更换流程，以确保洁净室系统的长期稳定运行。
参考文献
- GB/T 13554-2020. 高效空气过滤器[S]. 北京：中国标准出版社，2020.
- EN 1822-1:2021. High efficiency air filters (HEPA and ULPA) – Part 1: Classification, performance testing, labelling[S]. CEN, 2021.
- IEST-RP-CC001. HEPA and ULPA Filters[S]. Institute of Environmental Sciences and Technology, 2020.
- ISO 4500-1:2021. Air filters for general ventilation – Specifications, requirements and test methods[S]. ISO, 2021.
- Camfil. HEPA Filter Technical Guide[EB/OL]. http://www.camfil.com/, 2023.
- Donaldson Company. HEPA Filtration Solutions[EB/OL]. http://www.donaldson.com/, 2023.
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- 张振华. 洁净室设计与空气过滤技术[M]. 北京：化学工业出版社，2018.
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