高效过滤器（HEPA）在洁净室环境中的颗粒物去除性能研究
1. 引言
随着现代工业、生物医药、半导体制造以及精密仪器加工等领域的快速发展，对生产环境的洁净度要求日益提高。洁净室作为控制空气中悬浮微粒浓度的核心空间，其空气质量直接关系到产品的良率、实验结果的准确性以及人员健康安全。高效空气过滤器（High-Efficiency Particulate Air Filter，简称HEPA）作为洁净室空气净化系统的关键组成部分，在去除空气中0.3微米及以上的颗粒物方面发挥着不可替代的作用。
根据国际标准ISO 14644-1《洁净室及相关受控环境》和中国国家标准GB 50073-2013《洁净厂房设计规范》，洁净室需维持特定级别的空气洁净度，而实现这一目标的主要手段之一便是采用HEPA过滤技术。本文将系统探讨HEPA过滤器在洁净室环境中的颗粒物去除性能，结合国内外权威研究成果，分析其工作原理、关键参数、测试方法、实际应用效果，并通过数据表格对比不同型号与标准下的性能差异。
2. HEPA过滤器的基本原理与分类
2.1 工作机理
HEPA过滤器并非依靠单一机制拦截颗粒物，而是综合运用多种物理效应实现高效捕集。主要作用机制包括：
- 扩散效应（Diffusion Effect）：适用于粒径小于0.1 μm的超细颗粒，因布朗运动增强而偏离气流轨迹，易于撞击纤维被捕获。
- 拦截效应（Interception Effect）：当颗粒随气流接近滤材表面时，若其半径大于粒子到纤维的距离，则被直接拦截。
- 惯性碰撞（Inertial Impaction）：较大颗粒由于惯性无法跟随气流转弯，撞击纤维并附着。
- 静电吸附（Electrostatic Attraction）：部分HEPA滤材带有静电荷，可增强对中等粒径颗粒的吸引力。
- 筛分效应（Sieving）：仅在颗粒尺寸大于滤材孔隙时起作用，但在HEPA中贡献较小。
研究表明，直径约为0.3微米的颗粒最难被过滤，被称为“最易穿透粒径”（Most Penetrating Particle Size, MPPS），因此各国标准均以此粒径作为评价HEPA效率的核心指标[1]。
2.2 分类体系
依据不同的国际和国家标准，HEPA过滤器可分为多个等级。常见的分类体系如下表所示：
| 标准体系 | 标准编号 | 过滤等级 | 对0.3μm颗粒的最低效率 |
|---|---|---|---|
| 欧洲标准 EN 1822 | EN 1822:2009 | H13 | ≥99.95% |
| 欧洲标准 EN 1822 | EN 1822:2009 | H14 | ≥99.995% |
| 美国军标 MIL-STD-282 | MIL-STD-282 | HEPA | ≥99.97% @ 0.3μm DOP |
| 中国国家标准 | GB/T 13554-2020 | A类（高效） | ≥99.9% |
| 中国国家标准 | GB/T 13554-2020 | B类（超高效） | ≥99.99% |
| 国际标准 ISO 29463 | ISO 29463-3:2011 | E10 | ≥85% |
| 国际标准 ISO 29463 | ISO 29463-3:2011 | E12 | ≥99.99% |
注：DOP为邻苯二甲酸二辛酯，常用于气溶胶发生测试。
从上表可见，H13及以上等级通常被视为真正意义上的“高效过滤器”，广泛应用于ISO Class 5（百级）及更高级别的洁净室中。
3. HEPA过滤器的关键技术参数
为了科学评估HEPA过滤器在洁净室中的适用性，必须关注其核心性能参数。以下列出主要技术指标及其典型范围：
| 参数名称 | 定义说明 | 典型值/范围 | 测试标准 |
|---|---|---|---|
| 过滤效率（Efficiency） | 对MPPS（0.3μm）颗粒的截留率 | H13: ≥99.95% H14: ≥99.995% |
EN 1822, IEST-RP-CC001 |
| 初始阻力（Initial Resistance） | 额定风量下新滤器的压力损失 | 180–250 Pa | GB/T 13554-2020 |
| 额定风量（Nominal Airflow） | 设计通过的最大气流量 | 800–1200 m³/h（单个模块） | ASHRAE 52.2 |
| 容尘量（Dust Holding Capacity） | 滤材可容纳的最大灰尘质量 | 500–1000 g | JIS Z 8122 |
| 漏点检测（Leakage Test） | 局部泄漏率不得超过总流量的0.01% | ≤0.01% | ISO 14644-3 |
| 滤料材质 | 常用玻璃纤维或聚丙烯复合材料 | 直径0.5–2.0 μm纤维 | — |
| 使用寿命 | 取决于环境含尘量与运行时间 | 3–7年（常规洁净室） | — |
资料来源：中国建筑科学研究院，《空气过滤器性能测试方法》（2021）；美国ASHRAE Handbook—HVAC Applications, 2020.
值得注意的是，尽管HEPA标称效率极高，但实际使用中若安装不当、密封不严或长期未更换，会导致整体系统效率显著下降。例如，Zhang et al. (2019) 在北京某生物制药厂的现场检测发现，由于框架密封老化，局部泄漏率达到0.03%，导致洁净区粒子浓度超标近两倍[2]。
4. 国内外HEPA性能测试方法比较
4.1 主要测试标准
全球范围内针对HEPA过滤器的测试方法存在差异，但目标一致：准确测定其对MPPS颗粒的过滤效率和稳定性。
| 测试标准 | 发布机构 | 核心方法 | 气溶胶类型 | 粒径控制方式 |
|---|---|---|---|---|
| EN 1822:2009 | CEN（欧洲标准化委员会） | 扫描法（Scan Method） | DEHS或PSL微球 | 单分散气溶胶发生器 |
| IEST-RP-CC001.5 | IEST（国际环境科学与技术学会） | DOP/PAO扫描检漏 | PAO（聚α烯烃） | 冷发法生成多分散雾 |
| GB/T 6165-2021 | 国家市场监督管理总局 | 钠焰法或计数法 | NaCl或DOP | 动态光散射粒径分析 |
| MIL-STD-282 | 美国国防部 | DOP法（固定浓度上游下游采样） | DOP | 连续监测透过率 |
其中，EN 1822标准因其采用“最易穿透粒径”（MPPS）进行逐点扫描测试，被认为是目前最为精确的方法。该标准要求使用高精度粒子计数器（如TSI AeroTrak 9000系列）在滤器下游以≤5 cm/s的速度移动探头，检测是否存在局部泄漏。
相比之下，我国早期普遍采用钠焰法测定总效率，虽操作简便，但难以识别局部缺陷。近年来，随着GB/T 13554-2020新版标准实施，已逐步引入计数法和扫描检漏程序，向国际先进水平靠拢[3]。
4.2 实验案例对比分析
一项由中国疾病预防控制中心联合清华大学开展的研究（Li et al., 2022）选取了来自德国、美国和中国的六款主流HEPA滤芯，在相同实验室条件下进行对比测试，结果如下：
| 品牌产地 | 过滤等级 | MPPS效率（%） | 初始压降（Pa） | 泄漏点数量（扫描法） |
|---|---|---|---|---|
| 德国曼胡默尔（Mann+Hummel） | H14 | 99.998 | 210 | 0 |
| 美国Camfil CamCube 400 | H14 | 99.996 | 225 | 0 |
| 日本东丽（Toray） ULPA-100 | U15 | 99.9995 | 260 | 0 |
| 中国苏净集团 SJ-HEPA-H13 | H13 | 99.96 | 240 | 1（边缘轻微泄漏） |
| 中国飞利浦 AC3256内置滤网 | H13 | 99.93* | 280 | 2（非均匀老化） |
| 韩国Kowon Tech HT-14 | H14 | 99.992 | 235 | 0 |
*注：飞利浦产品为家用净化器配套滤网，未经严格工业密封处理。
研究指出，进口高端产品在一致性、密封性和长期稳定性方面表现更优，尤其在动态负载变化环境下仍能保持高效性能。国产滤器虽基本满足标准要求，但在边缘密封工艺和自动化检测环节仍有提升空间[4]。
5. HEPA在不同类型洁净室中的应用表现
5.1 医药无菌车间（GMP Grade A）
根据《药品生产质量管理规范》（GMP）附录一要求，无菌灌装区域须达到ISO Class 5标准，且每立方米空气中≥0.5μm的粒子不超过3520个。在此类环境中，HEPA通常以“满布式”顶棚安装，形成垂直单向流（层流）洁净台。
上海复旦张江药业有限公司对其冻干粉针剂车间的监测数据显示，在启用H14级HEPA后，0.5μm粒子平均浓度由初始的8000 particles/m³降至1200 particles/m³，降幅达85%以上。同时，沉降菌检测结果从1.8 CFU/4h降低至<1 CFU/4h，显著提升了无菌保障水平[5]。
5.2 半导体洁净厂房（Class 1~3）
在集成电路制造过程中，纳米级污染物可能导致电路短路或良率下降。为此，Fab厂普遍采用ULPA（Ultra-Low Penetration Air）过滤器（对应H15~H17），其对0.12μm颗粒的过滤效率可达99.999%以上。
据中芯国际（SMIC）北京厂区报告，其28nm产线洁净室配备TISCH UltrA ULPA滤网系统，配合FFU（风机过滤单元）阵列运行，使0.1μm粒子浓度稳定控制在≤1000 particles/m³，满足SEMI F21标准要求。此外，定期执行PAO扫描检漏（每年不少于两次），确保无结构性泄漏[6]。
5.3 医院负压隔离病房
在应对呼吸道传染病（如COVID-19）期间，HEPA被用于排风系统的末端过滤，防止病原体外泄。美国CDC指南建议此类场所排风HEPA效率应不低于H13级。
广州医科大学附属第一医院在2020年改建的负压病房中，加装Camfil Hi-Flo CR系列H13过滤器，经第三方检测，排风口病毒气溶胶去除率超过99.9%，实现了医护人员零感染记录[7]。
6. 影响HEPA性能的关键因素
6.1 气流速度与面风速分布
HEPA过滤效率与通过滤材的面风速密切相关。一般推荐面风速控制在0.35~0.55 m/s之间。过高风速会削弱扩散和拦截效应，增加穿透率；过低则影响换气次数，不利于洁净度维持。
| 面风速（m/s） | 相对效率变化（vs 0.45 m/s） | 推荐应用场景 |
|---|---|---|
| 0.30 | +2.1% | 低噪声需求区域 |
| 0.45 | 基准值 | 标准洁净室 |
| 0.60 | -3.7% | 不推荐长期运行 |
| 0.80 | -8.5% | 易造成滤材破损 |
数据来源：韩国KCL（Korea Conformity Laboratories）研究报告 No.KCL-ENV-2021-043
6.2 温湿度影响
极端温湿度可能改变滤材结构或引发微生物滋生。通常HEPA可在温度-20℃～70℃、相对湿度≤80%环境下正常工作。但长期处于高湿状态（>85% RH）可能导致玻璃纤维滤纸吸水膨胀，降低孔隙率并增加阻力。
6.3 前级过滤保护
HEPA本身不具备大颗粒预处理能力，必须依赖G4/F8等初效、中效过滤器作为前置屏障。清华大学建筑节能研究中心实验证明，未设置前级过滤时，HEPA使用寿命缩短约60%，且压差上升速率加快[8]。
7. 新型HEPA技术发展趋势
7.1 纳米纤维复合滤材
利用静电纺丝技术制备的聚乳酸（PLA）、PVDF纳米纤维膜，具有更小的纤维直径（50–200 nm），可大幅提升对亚微米颗粒的捕集效率。美国3M公司开发的NanoWeb®技术已在部分ULPA产品中应用，其0.1μm颗粒过滤效率达99.999%以上，同时压降低于传统玻璃纤维滤材15%[9]。
7.2 智能化监控集成
现代HEPA系统正逐步集成压差传感器、颗粒计数模块与物联网平台。例如，霍尼韦尔SmartFilter™系统可通过无线传输实时反馈滤器状态，预测更换周期，减少人工巡检成本。
7.3 可再生与环保设计
传统HEPA为一次性使用，产生大量废弃滤材。日本松下推出可水洗再生型HEPA（专利号JP2020-156789），采用疏水性合成纤维编织结构，经清水冲洗干燥后可恢复90%以上初始效率，适用于民用及轻工业场景。
参考文献
[1] American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment. Atlanta: ASHRAE, 2020.
[2] Zhang, Y., Wang, L., & Chen, J. "Field Evaluation of HEPA Filter Leakage in Pharmaceutical Cleanrooms." Indoor Air, vol. 29, no. 4, 2019, pp. 612–621. https://doi.org/10.1111/ina.12567
[3] 国家标准化管理委员会. GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》. 北京: 中国标准出版社, 2020.
[4] Li, X., Zhao, H., Liu, M., et al. "Comparative Study on Performance of HEPA Filters from Different Countries under Identical Test Conditions." Journal of Building Engineering, vol. 54, 2022, 104532. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104532
[5] 上海市食品药品检验所. 《GMP洁净室HEPA系统验证技术指南》. 上海: 自编资料, 2021.
[6] 中芯国际技术年报. 《28nm工艺节点洁净环境控制白皮书》. 北京: SMIC, 2023.
[7] Guangzhou Medical University First Affiliated Hospital. "HEPA Filtration in Negative Pressure Isolation Wards during the COVID-19 Pandemic." Chinese Journal of Infection Control, vol. 19, no. 6, 2020, pp. 513–517.
[8] Tsinghua University Building Energy Research Center. Impact of Pre-filtration on HEPA Lifespan: Experimental Findings. Technical Report TR-BE-2021-08, 2021.
[9] 3M Company. "NanoWeb® Media Technology for High-Efficiency Filtration." Product White Paper, Rev. B, 2022. https://www.3m.com/NanoWebTech
[10] European Committee for Standardization. EN 1822-1:2009 High efficiency air filters (HEPA and ULPA). Brussels: CEN, 2009.
[11] International Organization for Standardization. ISO 29463-3:2011 Efficiency classification of high efficiency filters. Geneva: ISO, 2011.
[12] 百度百科. “高效过滤器”. https://baike.baidu.com/item/高效过滤器 （访问日期：2025年4月）
（全文约3,800字）
