高效過濾器（HEPA）在潔淨室設計中的性能要求與選型指南 一、高效過濾器（HEPA）概述 高效空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filter，簡稱 HEPA）是一種廣泛應用於潔淨室、醫院手術室、製藥...
高效過濾器（HEPA）在潔淨室設計中的性能要求與選型指南
一、高效過濾器（HEPA）概述
高效空氣過濾器（High-Efficiency Particulate Air Filter，簡稱 HEPA）是一種廣泛應用於潔淨室、醫院手術室、製藥車間、實驗室等對空氣質量有高要求的環境中的空氣過濾設備。其主要功能是去除空氣中懸浮的微粒汙染物，確保室內空氣達到特定的潔淨等級標準。根據美國能源部（DOE）的標準，HEPA 過濾器必須能夠至少攔截 99.97% 的直徑為 0.3 微米的顆粒物，這一尺寸被認為是穿透 HEPA 過濾介質難被捕捉的“易穿透粒子”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）。
在潔淨室設計中，HEPA 過濾器不僅是空氣淨化係統的核心組成部分，還直接決定了整個潔淨空間的空氣質量等級。因此，合理選擇和配置 HEPA 過濾器對於保證潔淨室的運行效率、能耗控製以及長期維護成本具有重要意義。
二、HEPA 過濾器的分類與結構
1. HEPA 過濾器的分類
根據國際標準 ISO 4500-1:2021 和歐洲標準 EN 1822，HEPA 過濾器可以分為以下幾類：
| 分類 | 效率等級 | 測試粒子大小（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 標準還引入了 ULPA（Ultra Low Penetration Air Filter）過濾器，其低效率要求為 99.999%，適用於更高級別的潔淨環境，如半導體製造廠或生物安全實驗室。
2. HEPA 過濾器的結構
HEPA 過濾器通常由以下幾個部分組成：
- 濾材：采用玻璃纖維或其他合成材料製成的多層折疊式濾紙，具有較大的表麵積和較高的容塵能力。
- 邊框：用於支撐濾材，常見的材料包括鋁合金、鍍鋅鋼板、塑料等。
- 密封膠：防止空氣繞過濾材，確保所有空氣都經過過濾。
- 出風麵保護網：防止濾材因氣流衝擊而變形或破損。
不同的應用場景需要不同結構形式的 HEPA 過濾器，例如板式、折疊式、箱式、液槽式等。
三、HEPA 過濾器的主要性能參數
在潔淨室設計中，HEPA 過濾器的性能直接影響空氣潔淨度、換氣次數、能耗及運行成本。以下是關鍵性能參數：
1. 過濾效率（Efficiency）
過濾效率是指 HEPA 過濾器對特定粒徑顆粒的捕獲能力。根據 IEST-RP-CC001（Institute of Environmental Sciences and Technology）標準，HEPA 過濾器應在額定風量下對 0.3 μm 粒子的過濾效率不低於 99.97%。
2. 初始阻力（Initial Resistance）
初始阻力是指新安裝的 HEPA 過濾器在額定風速下的壓降值，通常在 100~250 Pa 之間。該參數影響風機功率和能耗，因此在選型時應綜合考慮係統的壓力損失。
3. 容塵量（Dust Holding Capacity）
容塵量表示過濾器在使用壽命期內可容納的灰塵總量，通常以克（g）為單位。容塵量越高，更換周期越長，維護成本越低。
4. 泄漏率（Leakage Rate）
泄漏率是指未經過濾的空氣通過濾材缺陷或密封不良處的比例。高質量的 HEPA 過濾器泄漏率應小於 0.01%。
5. 風量（Airflow Rate）
風量是指單位時間內通過 HEPA 過濾器的空氣體積，通常以立方米每小時（m³/h）或立方英尺每分鍾（CFM）表示。風量決定了潔淨室的換氣次數和空氣潔淨度水平。
以下是一些常見 HEPA 過濾器的技術參數對比表：
| 型號 | 尺寸（mm） | 額定風量（m³/h） | 初始阻力（Pa） | 過濾效率（@0.3μm） | 容塵量（g） | 應用場景 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| H13-610×610 | 610×610×90 | 2000 | 180 | ≥99.95% | 300 | 醫院手術室 |
| H14-484×484 | 484×484×90 | 1500 | 220 | ≥99.995% | 250 | 半導體廠 |
| ULPA-915×915 | 915×915×90 | 3000 | 250 | ≥99.999% | 400 | 生物實驗室 |
四、HEPA 過濾器在潔淨室設計中的應用要求
1. 潔淨等級與 HEPA 過濾器的選擇
根據 ISO 14644-1 標準，潔淨室按照空氣中懸浮粒子濃度劃分為 ISO Class 1 至 ISO Class 9 九個等級。不同等級對應的 HEPA 過濾器類型如下：
| 潔淨等級（ISO） | 典型應用場所 | 推薦 HEPA 類型 |
|---|---|---|
| ISO Class 1–3 | 半導體製造、航天工業 | ULPA 或 H14 |
| ISO Class 4–5 | 製藥生產、精密電子 | H13 或 H14 |
| ISO Class 6–7 | 醫療器械製造、醫院手術室 | H12 或 H13 |
| ISO Class 8–9 | 一般工業潔淨區 | H10 或 H11 |
2. 換氣次數與 HEPA 過濾器數量計算
換氣次數（ACH, Air Changes per Hour）是衡量潔淨室空氣更新頻率的重要指標。一般來說，潔淨等級越高，所需的換氣次數越多。
例如：
- ISO Class 5 潔淨室建議換氣次數為 300～600 次/小時；
- ISO Class 7 潔淨室建議換氣次數為 30～60 次/小時。
HEPA 過濾器的數量可通過以下公式估算：
$$
N = frac{V times ACH}{Q}
$$
其中：
- $ N $：所需 HEPA 過濾器數量
- $ V $：潔淨室體積（m³）
- $ ACH $：換氣次數（次/小時）
- $ Q $：單台 HEPA 過濾器的額定風量（m³/h）
3. HEPA 過濾器的安裝方式
根據安裝位置和使用方式，HEPA 過濾器可分為以下幾種類型：
- 頂送風式：常用於垂直層流潔淨室，將 HEPA 安裝在天花板上，向下送風。
- 側送風式：適用於水平層流潔淨工作台，氣流沿水平方向流動。
- 回風式：安裝在回風口，用於二次過濾，提高空氣循環效率。
- 液槽式：采用矽油密封，適用於對密封性要求極高的潔淨室。
五、HEPA 過濾器的選型指南
1. 選型原則
在潔淨室設計過程中，HEPA 過濾器的選型應遵循以下原則：
- 匹配潔淨等級：根據潔淨室的設計標準選擇合適的 HEPA 等級。
- 適應風量需求：確保所選 HEPA 的額定風量滿足潔淨室的換氣次數要求。
- 控製壓降：避免選用阻力過大的 HEPA，以免增加風機負荷和能耗。
- 便於維護：選擇易於更換和清潔的 HEPA 結構形式。
- 成本效益分析：綜合考慮初投資、運行費用和更換周期，選擇性價比高的產品。
2. 常見品牌與型號推薦
國內外知名的 HEPA 過濾器製造商包括：
| 品牌 | 國家 | 特點 |
|---|---|---|
| Camfil（康斐爾） | 瑞典 | 高效節能，廣泛應用於醫療和製藥行業 |
| Donaldson（唐納森） | 美國 | 工業級 HEPA，耐用性強 |
| Freudenberg（科德寶） | 德國 | 多種規格可選，適用於潔淨室和實驗室 |
| 金宇生物 | 中國 | 國產優質品牌，價格優勢明顯 |
| 蘇州安泰空氣技術有限公司 | 中國 | 提供定製化 HEPA 解決方案 |
3. 選型案例分析
假設某製藥企業計劃建設一個 ISO Class 7 的潔淨室，其建築麵積為 200 平方米，高度為 3 米，換氣次數要求為 60 次/小時，擬采用 H13 級別 HEPA 過濾器，額定風量為 2000 m³/h。
計算所需 HEPA 數量：
$$
N = frac{200 times 3 times 60}{2000} = 18 text{ 台}
$$
因此，該潔淨室需安裝 18 台 H13 級 HEPA 過濾器，以滿足空氣潔淨度要求。
六、HEPA 過濾器的測試與認證標準
為了確保 HEPA 過濾器的質量和性能，各國製定了相應的測試與認證標準。
1. 國際標準
- EN 1822（歐洲標準）：規定了 HEPA 和 ULPA 過濾器的分級、測試方法和性能要求。
- IEST-RP-CC001（美國標準）：提供了 HEPA 和 ULPA 過濾器的測試程序和性能評估方法。
- ISO 4500-1：關於空氣過濾器的一般規範和測試方法。
2. 中國國家標準
- GB/T 13554-2020《高效空氣過濾器》：規定了 HEPA 過濾器的技術要求、試驗方法和檢驗規則。
- GB/T 14295-2008《空氣過濾器》：涵蓋了各類空氣過濾器的基本性能要求。
3. 認證機構
- UL（Underwriters Laboratories）：美國權威認證機構，提供 HEPA 過濾器的安全與性能認證。
- TÜV（德國技術監督協會）：提供歐洲市場的 HEPA 產品認證服務。
- CNAS（中國合格評定國家認可委員會）：負責國內 HEPA 過濾器的檢測與認證。
七、HEPA 過濾器的維護與更換
1. 維護要點
- 定期檢測壓差：通過監測 HEPA 過濾器的前後壓差變化判斷其堵塞程度。
- 保持密封良好：定期檢查密封膠條和邊框，防止空氣泄漏。
- 清潔外部表麵：避免灰塵積聚影響氣流分布。
2. 更換周期
HEPA 過濾器的更換周期取決於使用環境和運行時間。一般情況下：
- 在常規潔淨環境下，H13/H14 級 HEPA 使用壽命約為 3～5 年。
- 在高汙染環境中，可能需要每年更換一次。
更換前應進行完整性測試（如 DOP 測試），以確認是否發生泄漏。
八、結論
綜上所述，HEPA 過濾器作為潔淨室空氣處理係統的核心組件，其性能參數、選型策略和安裝方式直接影響潔淨室的空氣質量和運行效率。在實際工程應用中，應結合具體潔淨等級、風量需求、空間布局等因素，科學合理地選擇和配置 HEPA 過濾器，並嚴格執行測試、維護和更換流程，以確保潔淨室係統的長期穩定運行。
參考文獻
- GB/T 13554-2020. 高效空氣過濾器[S]. 北京：中國標準出版社，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.
- 百度百科. 高效空氣過濾器[EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/高效空氣過濾器, 2023.
- 張振華. 潔淨室設計與空氣過濾技術[M]. 北京：化學工業出版社，2018.
- 李明. 空氣淨化與 HEPA 技術研究進展[J]. 暖通空調，2021, 51(3): 45-50.
- Wang, L., et al. Performance evalsuation of HEPA Filters in Cleanroom Applications. Journal of Aerosol Science, 2020, 145: 105567.
