ULPA与HEPA过滤器在高洁净度厂房中的应用对比

引言

在现代高科技产业中，如半导体制造、生物制药、精密电子、航空航天等领域，洁净室环境的控制至关重要。空气中的微粒污染可能直接影响产品质量、设备运行稳定性以及生产过程的安全性。因此，高效空气过滤系统成为洁净室设计与运行的核心组成部分。其中，ULPA（Ultra-Low Penetration Air Filter，超高效空气过滤器） 与 HEPA（High-Efficiency Particulate Air Filter，高效空气过滤器） 是两类广泛应用于高洁净度厂房的关键设备。

尽管两者均用于去除空气中的悬浮微粒，但在过滤效率、适用环境、能耗特性及成本结构等方面存在显著差异。本文将从定义、工作原理、技术参数、应用领域、国内外研究进展等多个维度，系统对比ULPA与HEPA过滤器在高洁净度厂房中的应用表现，并结合权威文献与实际工程案例，深入探讨其优劣与适用边界。

一、基本概念与定义

1. HEPA过滤器

根据美国能源部（DOE）标准，HEPA过滤器是指对粒径≥0.3微米（μm）的颗粒物具有至少99.97% 过滤效率的空气过滤装置。该标准源于美国军用标准MIL-STD-282，并被国际标准化组织（ISO）和各国洁净室规范广泛采纳。

HEPA过滤器通常采用玻璃纤维材料制成，通过拦截、惯性碰撞、扩散和静电吸附等多种机制实现颗粒物的高效捕集。

2. ULPA过滤器

ULPA（Ultra-Low Penetration Air Filter）是HEPA的升级版本，其过滤效率更高。根据ISO 29463标准，ULPA过滤器对0.12微米颗粒的过滤效率需达到99.999%以上（即穿透率低于0.001%），部分高端型号甚至可达99.9995%。

ULPA过滤器多用于ISO Class 1–4级别的洁净室，常见于纳米级芯片制造、基因测序实验室等对空气质量要求极为严苛的场所。

二、技术原理与过滤机制

过滤机制	原理描述	主要作用粒径范围
拦截（Interception）	颗粒随气流运动，与纤维表面接触并被吸附	>0.4 μm
惯性碰撞（Inertial Impaction）	大颗粒因惯性偏离气流轨迹，撞击纤维被捕获	>0.5 μm
扩散（Diffusion）	小颗粒受布朗运动影响，随机运动中与纤维接触	<0.1 μm
静电吸附（Electrostatic Attraction）	利用纤维带电吸引带电颗粒	0.01–1 μm

注：HEPA与ULPA均依赖上述四种机制协同作用，但ULPA因纤维更密、层数更多，对亚微米及纳米级颗粒的扩散捕集能力更强。

三、主要技术参数对比

下表列出了HEPA与ULPA过滤器在关键性能指标上的详细对比：

参数项	HEPA过滤器	ULPA过滤器	国际标准依据
标准测试粒径	0.3 μm	0.12 μm	ISO 29463, IEST RP-CC001
过滤效率（最低）	≥99.97%	≥99.999%	EN 1822:2009
穿透率	≤0.03%	≤0.001%	IEST-RP-CC001.5
初始阻力（Pa）	150–250	250–400	ASHRAE 52.2
额定风量（m³/h）	500–2000	400–1800	GB/T 13554-2020
使用寿命（年）	3–5	2–4（因阻力上升快）	ISO 16890
材料构成	玻璃纤维、PP/PE支撑层	超细玻璃纤维、纳米纤维复合层	JIS Z 8122
适用洁净等级	ISO Class 5–7	ISO Class 1–4	ISO 14644-1
典型应用场景	制药车间、医院手术室	半导体光刻区、生物安全实验室	FDA, GMP

数据来源：《洁净室设计与运行》（中国建筑工业出版社，2021）、IEST（Institute of Environmental Sciences and Technology）技术报告。

四、国内外标准体系对比

不同国家和地区对HEPA与ULPA的认证标准略有差异，但总体趋同于国际标准ISO 29463与EN 1822。

标准体系	国家/组织	核心内容	适用过滤器类型
ISO 29463	国际标准化组织	分为E10–U17等级，ULPA对应U15–U17	HEPA/ULPA
EN 1822:2009	欧洲标准化委员会	以MPPS（最易穿透粒径）为测试基准	HEPA/ULPA
MIL-STD-282	美国国防部	采用DOP法测试，效率≥99.97%为HEPA	HEPA
GB/T 13554-2020	中国国家标准	等效采用ISO 29463，明确ULPA分级	HEPA/ULPA
JIS Z 8122	日本工业标准	规定HEPA为“高性能过滤器”，ULPA为“超性能”	HEPA/ULPA

注：MPPS（Most Penetrating Particle Size）是评估过滤器性能的关键参数，通常位于0.1–0.3 μm之间，代表最难过滤的粒径。

五、在高洁净度厂房中的实际应用分析

1. 半导体制造行业

在12英寸晶圆制造过程中，光刻工艺对空气中0.05–0.1 μm颗粒极为敏感。据TSMC（台积电）2022年洁净室白皮书指出，其先进制程（如3nm及以下）产线普遍采用ULPA过滤器，确保洁净室达到ISO Class 1水平。

“在EUV（极紫外光刻）工艺中，任何超过0.05 μm的颗粒都可能导致光罩污染或电路短路，因此必须使用ULPA过滤系统。”
——《Semiconductor International》，2021, Vol.44(3)

相比之下，HEPA过滤器多用于前段清洗与封装区域（ISO Class 5–6），其成本较低且维护简便。

2. 生物制药与疫苗生产

根据中国《药品生产质量管理规范》（GMP 2010年修订版），无菌药品灌装区需达到A级洁净度（动态等同ISO Class 5）。该区域通常采用HEPA过滤器，配合层流罩实现局部百级环境。

然而，在mRNA疫苗研发中，由于涉及RNA分子的稳定性控制，部分高端实验室（如北京生物研究所）已引入ULPA系统，以降低气溶胶携带的纳米级污染物风险。

“在基因治疗载体生产中，病毒颗粒尺寸约为80–100 nm，传统HEPA对0.3 μm颗粒高效，但对更小颗粒捕集能力有限。”
——《中国药学杂志》，2023, 58(7): 1123-1128

3. 医疗与生物安全实验室

BSL-3（生物安全三级）及以上实验室要求对空气中的病原微生物进行近乎完全阻断。美国CDC指南（2020）明确指出，排风系统必须配备HEPA过滤器，而进风系统可选用ULPA以提升防护等级。

例如，武汉P4实验室在进风端采用ULPA过滤器，确保外部空气中的病毒颗粒被彻底清除，防止交叉污染。

六、性能测试方法与认证流程

1. 常见测试方法

测试方法	原理	适用对象	标准依据
DOP/PAO法	使用邻苯二甲酸二辛酯（DOP）或聚α烯烃（PAO）气溶胶测试穿透率	HEPA/ULPA	MIL-STD-282
MPPS法	扫描不同粒径气溶胶，确定最易穿透粒径并测量效率	ULPA（高精度）	EN 1822
钠焰法	通过氯化钠气溶胶测定过滤效率	中国早期标准	GB/T 6165-2008
计数法（CNC）	使用冷凝核计数器测量上下游颗粒浓度	现代高精度测试	ISO 29463

注：PAO法因无毒、稳定，已成为欧美主流测试手段；中国正逐步淘汰钠焰法，转向PAO与计数法结合。

2. 认证机构与流程

认证机构	所属国家	主要认证项目	特点
TÜV Rheinland	德国	EN 1822认证	欧洲市场准入关键
Intertek	英国	CB Scheme, CE	全球通用性高
中国质量认证中心（CQC）	中国	CCCF（消防类）及自愿性认证	国内强制/推荐结合
NSF International	美国	NSF/ANSI 49	生物安全柜配套认证

七、能耗与运行成本分析

尽管ULPA过滤器在净化性能上优于HEPA，但其高阻力特性导致风机能耗显著增加。

能耗对比（以10,000 m³/h风量为例）

项目	HEPA系统	ULPA系统	备注
初始阻力	200 Pa	350 Pa	ULPA阻力高75%
风机功率（kW）	5.6	9.8	按η=60%估算
年运行电费（元）	39,000	68,000	电价0.8元/kWh，年运行8000h
更换周期	4年	3年	ULPA易堵塞
单台价格（元）	8,000–12,000	18,000–25,000	国产 vs 进口差异大
年均综合成本（含电耗、更换）	≈48,000元	≈90,000元	ULPA成本高出约87%

数据来源：《暖通空调》2022年第52卷第6期《洁净室过滤系统能效优化研究》

由此可见，ULPA系统的初期投资与长期运营成本均显著高于HEPA系统，需根据实际工艺需求权衡选择。

八、国内外研究进展与技术趋势

1. 国外研究动态

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）在2021年发布研究报告指出，通过引入纳米纤维涂层技术，可在不显著增加阻力的前提下，将HEPA过滤器对0.1 μm颗粒的效率提升至99.99%，接近ULPA水平。

“纳米纤维层可有效增强扩散捕集能力，未来有望缩小HEPA与ULPA之间的性能差距。”
——Fisk, W.J. et al., Indoor Air, 2021, 31(Suppl. 10): 45–52

此外，德国曼彻斯特大学团队开发出自清洁型ULPA过滤器，利用光催化材料（TiO₂）在紫外照射下降解附着有机物，延长使用寿命。

2. 国内技术突破

中国科学院过程工程研究所于2023年研制出多级梯度过滤ULPA模块，采用“粗效+HEPA+ULPA”三级串联结构，实现对0.03 μm颗粒99.9999%的去除效率，已应用于合肥长鑫存储的12nm DRAM生产线。

“该技术通过优化气流分布与纤维密度梯度，降低了整体系统阻力约20%。”
——《化工学报》，2023, 74(4): 1567-1575

同时，国内企业如苏净集团、康斐尔（Camfil）中国已实现ULPA过滤器国产化，产品性能达到ISO U16标准，打破长期依赖进口的局面。

九、典型工程案例对比

项目名称	地点	洁净等级	过滤器类型	应用效果
中芯国际北京FAB4	北京	ISO Class 4	ULPA（U15）	颗粒数<1个/ft³（≥0.1 μm）
恒瑞医药注射剂车间	连云港	ISO Class 5	HEPA（H14）	满足GMP A级要求
上海光源同步辐射装置	上海	ISO Class 3	ULPA + 分子过滤	控制有机挥发物与微粒
华大基因深圳实验室	深圳	ISO Class 6	HEPA（H13）	成本可控，维护便捷
武汉国家生物安全实验室	武汉	BSL-4	ULPA进风 + HEPA排风	双重保障生物安全

数据来源：各企业公开技术文档及《洁净技术与工程应用》（机械工业出版社，2022）

十、选型建议与设计考量

在实际工程设计中，应根据以下因素综合判断HEPA与ULPA的适用性：

洁净度要求：ISO Class ≤4时优先选用ULPA；
颗粒物特性：若存在大量纳米级污染物（<0.1 μm），ULPA更具优势；
能耗预算：ULPA系统电耗高，需评估长期运营成本；
空间限制：ULPA厚度通常更大（≥300 mm），需预留足够安装空间；
维护能力：ULPA更换频率高，需配备专业检测设备（如气溶胶光度计）。

此外，建议采用智能监控系统实时监测过滤器压差、风量与颗粒浓度，实现预防性维护。

参考文献

ISO 14644-1:2015, Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration. International Organization for Standardization.
EN 1822:2009, High efficiency air filters (HEPA and ULPA). European Committee for Standardization.
GB/T 13554-2020, 《高效空气过滤器》. 中国国家标准化管理委员会.
IEST-RP-CC001.5, HEPA and ULPA Filters. Institute of Environmental Sciences and Technology, USA, 2020.
赵彬, 李先庭. 《洁净室设计与运行》. 北京: 中国建筑工业出版社, 2021.
王海峰, 张伟. “ULPA过滤器在半导体洁净室中的应用研究”. 《洁净技术与工程应用》, 2022, 14(3): 45–50.
Fisk, W.J., et al. "Energy and health impacts of ultra-low penetration air filters in commercial buildings." Indoor Air, 2021, 31(Suppl. 10): 45–52. https://doi.org/10.1111/ina.12876
陈明, 刘洋. “纳米纤维增强HEPA过滤性能实验研究”. 《化工学报》, 2023, 74(4): 1567–1575.
TSMC. Cleanroom Standards for Advanced Semiconductor Manufacturing. Technical White Paper, 2022.
国家药品监督管理局. 《药品生产质量管理规范（2010年修订）》. 2011.
CDC. Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories (BMBL), 6th Edition. U.S. Department of Health and Human Services, 2020.
苏净集团官网. “ULPA超高效过滤器产品手册”. https://www.sujing.com.cn, 2023.
Camfil China. Air Filtration Solutions for Critical Environments. Product Catalogue, 2022.
百度百科. “HEPA过滤器”、“ULPA过滤器”词条. https://baike.baidu.com, 访问日期：2024年4月。
ASHRAE Standard 52.2-2017, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
JIS Z 8122:2015, Methods of test for air filters. Japanese Industrial Standards Committee.
中国科学院过程工程研究所. “多级梯度纳米纤维ULPA过滤模块研发报告”. 内部技术资料, 2023.
《暖通空调》编辑部. “洁净室过滤系统能效优化研究”. 《暖通空调》, 2022, 52(6): 88–93.