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    China Heating,Ventilation and Air Conditioning
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    ISO 16890《一般通风用空气过滤器检测标准》的分析与思考

    • 作者:
    • 中国暖通空调网
    • 发布时间:
    • 2021-03-18

    中国建筑科学研究院有限公司  冯 昕  路 宾  张 惠  曹冠朋

           【摘  要】颁布于2016年的ISO 16890系列标准是国际首个针对一般用空气过滤器性能测试评价的国际标准。介绍了该标准的主要技术内容,对标准目前所存在的主要技术问题进行了重点剖析,并结合近年来的国内外研究现状,对标准未来发展改进方向给出了相应的建议。

           【关键词】过滤器 空气净化 净化效率 标准试验尘 过滤器消静电试验

           【基金项目】国家重点研发计划项目“建筑室内空气质量控制的基础理论和关键技术研究”(项目编号: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,国际标准化组织ISO第142技术委员会“气体及其他气体净化设备”正式投票通过并颁布针对一般通风过滤器性能测试的首个国际标准ISO 16890-1~4:2016。这标志着经过接近10年的反复协商与妥协,欧洲国家与美国、玻纤行业与化纤行业基本形成相对一致的观念,过滤产业朝全球共同市场方向迈出了关键性的一步。作为国际首个针对PM(颗粒物污染物)净化效率评价与分级的标准体系,ISO 16890在技术标准体系中第一次对市场及普通用户所关心的空气净化设备PM10(全球范围、欠发达地区)、PM2.5(中国等发展中国家)及PM1.0(欧美等发达国家)效率如何进行测试及评价提供了完整的技术手段,从其编制过程乃至2016年底的正式颁布都引起了各方广泛讨论。中国建筑科学研究院作为ISO/TC 142的国内接口单位,全程参与了ISO 16890系列标准及其前身未通过最终投票的TS 21220标准过程讨论,本文将从该标准的主要内容、标准目前所存在的问题与所面临的争议,以及未来标准进一步发展的方向进行介绍与探讨,希望能够抛砖引玉,引起业内各方对于该标准的重视、广泛讨论及技术投入,为我国空气净化行业在下一阶段标准体系完善过程中发挥更大作用提前进行技术储备。

    1 ISO 16890系列标准内容简介

            ISO 16890系列标准总标题为“一般通风过滤器”,共由四部分组成,分别为:

           第一部分:颗粒物过滤效率(ePM)技术要求和分级体系(technical specifications, requirements and classification system based upon particulate matter efficiency (ePM))[1]

           第二部分:计径效率和阻力的测量(measurement of fractional efficiency and air flow resistance)[2]

           第三部分:计重效率及阻力与试验容尘量关系的测定(determination of the gravimetric efficiency and the air flow resistance versus the mass of test dust captured)[3]

           第四部分:确定最低计径效率的消静电方法(conditioning method to determine the minimum fractional test efficiency)[4]

           在具体的技术内容方面,ISO 16890系列标准以现有的欧美一般通风用过滤器测试标准(ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2012[5]及EN 779:2012[6])为基础,沿用目前欧美测试标准体系中在用的测试装置、测试尘源、测试仪器及相应的测试方法,通过规定参考城镇及郊区大气尘粒径分布特征曲线,并对0.3~10μm区间至少12挡粒径挡的计径效率进行测试,并依据测试结果通过计算而非直接测量的方式获得被测过滤器的颗粒物过滤效率(ePM)。在参考大气尘粒径分布特征的数学表述上,由于ISO标准希望能沿用当前测试手段,因此放弃了对小于0.3μm粒子的描述,而是选择大气尘通常所认知的三模态分布中的细模态与粗模态2个对数正态分布按规定比例分别组合成参考大气尘特征粒径分布。图1显示了该标准所规定的城市和郊区参考大气尘粒径分布特征曲线,表1给出了当采用ISO 16890-2:2016所推荐的计数器粒径分挡时,计算得到的城市和郊区参考大气尘体积分布系数。


    a 城市                  b 郊区
    图1 该标准所规定的城市和郊区参考大气尘粒径分布特征曲线

           注:i为计数器测试粒径挡编号;di为测试粒径挡下限粒径,μm;di+1为测试粒径挡上限粒径,μm。

           具体测试过程上,过滤器计径效率测试与ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2012标准一致,而后按式(1)计算颗粒物过滤效率ePM:

              (1)

           式中 下标x表示粒径范围;n为用于效率计算的计数器粒径挡数量;Ei为第i挡粒径所对应的计径效率,当计算平均颗粒物过滤效率ePMx时,使用平均计径效率,当计算最低颗粒物过滤效率ePMx,min时,使用经消静电处理后的过滤器最低计径效率。

           计算ePM1,ePM2.5及ePM10时,对应计算的粒径范围x分别为0.3~1.0,3.0,10.0μm。

           对于大气尘离散粒子体积分布系数q3(-di) ,当计算ePM1及ePM2.5时,使用表1的城市大气粒径分布;当计算ePM10时,使用表1的郊区大气粒径分布。

           实验室应分别在被测过滤器初始状态及消静电处理后,分别进行上述计径效率测试与ePM计算,并以算术平均值作为被测过滤器的标称效率,过滤器的分级报告值为实测效率向下圆整为5%的整数倍,效率大于95%的过滤器报告值为“>95%”,同时,标称效率及消静电处理后的最低效率均应满足表2的分组最低效率要求。

    表2 ISO 16890标准规定的过滤器分组最低效率要求

           上述过滤器消静电测试方法由ISO 16890-4:2016规定,起点源自欧洲EN 779:2012标准,但在异丙醇处理试验方法上,由EN 779:2012规定的浸泡后晾干调整为异丙醇蒸汽熏蒸方式。这一方法是由日本提出初步想法,并由我国蔡杰进行了较为详细的比对试验,证明其比EN 779:2012所规定的方法更能彻底消除滤材所附静电,从而最终为ISO 16890系列标准所采纳。

    2 ISO 16890系列标准所存在的问题与争议

            ISO 16890系列标准是国际上首个基于实际市场需求导向的技术标准,直接迎合了普通消费者对过滤器及各类净化器的PM净化效率解读需求,因此在全球范围内尤其是我国引起了较为热烈的讨论。但应清楚意识到,标准尤其是国际标准更多体现的是对现有成熟技术的总结与妥协,而大多数情况下,这种妥协既包括技术性,也包括政治性。以下对ISO 16890系列标准目前所面临的一些问题以及争议进行介绍。

           1)问题一:该标准只基于现有的测试手段选择光散射等效粒径进行计径效率测量,通过计算而非直接测量获取过滤器的PM净化效率,测量结果难以反映空气净化装置的实际运行性能。

           首先,光散射粒径既不等同于粒子的实际几何粒径,也不等同于表征其空气运动特性的空气动力学粒径。从光散射式粒子检测仪器的原理上看,粒子光散射信号强度与粒径的立方成正比,但只有针对理想球形的单一物质,方可基于这种比例关系得到所测粒子的粒径,不同物质的形状差异、光散射系数(refraction index real part,RIRP)差异都将导致测量结果偏离,针对这一本质上无法解决的问题,粒子测量行业采用标定的统一方法进行妥协处理,约定采用同样的标准物质(聚苯乙烯乳胶球(PSL))作为参比物,当被测粒子与某粒径的PSL给出一致的光散射强度信号时,认为被测粒子粒径等同于所参比的PSL,当然被测粒子形状、光散射系数与PSL偏差越大,则测量误差也就越大。为验证上述观点,笔者团队以球形的油性DEHS气溶胶、正立方体的固体KCl气溶胶及实际大气尘作为测试对象,分别使用基于空气动力学直径测量的粒径迁移率分析仪(DMA)与设置不同光散射系数的光学粒子计数器进行比对测试,结果见图2。从图2可以看出:即使球形的单一物质气溶胶,也难以通过仪器光散射系数的调整实现光学粒子计数器测试结果与空气动力学粒径测试仪器建立一致性;而非球形气溶胶,以及复合成分、形状复杂的大气尘,光散射测量结果与空气动力学粒径测试仪器无法建立可比性。


    a 油性DEHS气溶胶

    b 固体KCl气溶胶

    c实际大气尘
    图2 不同光散射系数的光学粒子计数器粒径分布测试结果与DMA测试结果比较

           因此,基于光散射粒径测试最终得到的颗粒物质量浓度有别于实际值,基于该浓度所测得的净化效率,必然与其实际运行过程中的效率存在差异且不具可比性。

           其次,现有的欧美标准体系均采用最小测试粒径为0.3μm的光学粒子计数器作为计径效率测试手段,基于此,ISO 16890系列标准限定了用于测量并计算颗粒物净化效率的粒径范围,无论PM1,PM2.5及PM10,均以0.3μm作为所测粒径范围的下限。但实际大气尘粒径分布的监测结果表明,小于0.3μm的粒子数量占大气尘粒径整体绝对优势,笔者团队在2015—2017年间对北京地区不同大气污染状况下10nm~10μm区间大气尘计数浓度分布进行统计分析,图3显示了具有代表性的大气PM2.5浓度分别为0~50μg/m³,100~150 μg/m³及300~400 μg/m³时,大气粉尘粒径分布测试结果,其他浓度条件下的大气粉尘计数分布参见文献[7]。监测结果显示,大气计数浓度峰值一般发生在爱根核模态(Aiken mode)的20~50 nm区间及凝聚模态(accumulation mode)的100~140 nm区间【7】。上述监测结果与国外研究学者在美国[8]、德国[9]、希腊[10]、巴西[11]及西班牙[12]等国家进行的类似监测结果吻合。因此,在PM净化效率尤其是PM1净化效率的评价中排除0.3μm以下区间粒子,缺乏足够的科学性与合理性支撑。


    图3 北京地区不同PM2.5浓度条件下的大气粉尘平均粒径分布

           2)问题二:采用2种标准气溶胶而非单一标准气溶胶带来的问题。

           传统的欧洲EN 779:2012 标准规定使用Laskin喷嘴所产生的油性DEHS液滴作为测试气溶胶物质,而美国ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2012 标准则采用雾化干燥并经静电中和处理的固体KCl气溶胶作为测试气溶胶。由于ISO 16890系列标准是基于一个相对宽的粒径范围内对多挡粒径分别测试计径效率,因此从技术角度考虑,选择一种可保证各采样粒径挡均能获取具有统计意义测试结果的单一试验粉尘即可,美国标准的KCl气溶胶粒径分布更分散、更符合要求,但欧洲方面不愿意让步,双方最终作了一个妥协:即对于1μm以下粒子,沿用欧洲的DEHS气溶胶;对于1μm以上粒子则采用KCl气溶胶。妥协的结果:一方面带来了操作层面不必要的麻烦,原本只需进行1次的试验必须分为2次、采用2套发尘系统完成,对于容尘量较小的各类膜过滤装置,存在试验时间延长而导致性能迁移的风险;另一方面,针对不同物性试验气溶胶,光散射式计数器存在响应差异,进而导致测试结果偏差。表3给出了分别按照ISO 16890系列标准采用2种标准测试气溶胶(DEHS和KCl)及只采用1种测试气溶胶(KCl)分别进行PM2.5净化效率测试时,所得到的相应ePM效率对比。从试验结果来看,按照ISO 16890系列标准采用2种标准测试气溶胶所获得PM2.5净化效率的试验结果,相比采用单一气溶胶的试验结果,其效率绝对值偏差10%~15%,考虑到ISO标准级别标识以5%分挡划界,这一偏差相当大。

    表3 采用单一气溶胶和采用2种气溶胶的同一过滤器ePM效率试验结果比较  %

           3)问题三:过滤器容尘量试验问题。

           ISO 16890系列标准所规定的过滤器容尘量试验方法与传统标准方法没有明显区别,只是在试验负荷尘方面采用ISO 15957:2015[13]所规定的L2粉尘(即ISO 12103-1:2016《Road vehicle—test contaminants for filter evaluation—part1:Arizona test dust》所规定的A2细灰),这种试验粉尘源自20世纪80年代前后对于汽车用过滤器的试验负荷尘,以美国Arizona地区的荒漠土为主,表征对于道路扬尘的模拟,而后ASHRAE在此基础上按比例添加炭黑(代表大气中的燃烧产物)及纤维,形成目前世界范围内广泛使用的过滤器容尘试验负荷尘。但超过30年的全球使用经验表明,ASHRAE粉尘作为过滤器负荷尘存在的主要问题有:第一,负荷尘吸湿性较强,易结块,使用前需严格烘干,否则试验结果误差较大;第二,负荷尘的全球几个主要供应商产品存在差异,使用不同供应商产品所做的过滤器容尘量试验结果不可对比。

           ASHRAE负荷尘成分中的炭黑和纤维是造成其吸湿结块的主要因素,因此ISO 16890系列标准摒弃炭黑和纤维而直接采用ASHRAE负荷尘的基础荒漠细灰作为负荷尘。但荒漠土作为大气尘的模拟试验手段存在明显不足,这主要是因为从形成机理上看,基于风化、破碎等机理所逐渐形成的荒漠土粒径偏大,亚微米尺度粒子占比极低,与实际大气尘偏差大,因此难以反映出过滤器处理实际大气粉尘时的性能表现,图5为日本学者于2011年做的目前在用过滤器负荷尘与全球主要城市的大气尘粒径分布比较[14]。由图5可以看出,有的国际标准负荷尘包括ISO A2细灰绝大部分为1μm以上的大粒子,与实际大气尘粒径分布偏差较大,基于上述负荷尘的试验结果也难以获取反映过滤器真实性能变化的试验结果。


    图4 日本学者所整理的国际主要城市大气尘与现有标准负荷尘粒径分布比对
    (图中:横坐标:粒径,μm;纵坐标:质量累积分布,%

    图例(由上至下):
    金沢大学(乡村、日本)
    Hat Yai DT(城市、泰国)
    Hat Yai PSU(城市郊区、泰国)
    JIS11标准尘(L3负荷尘)
    JIS11标准尘(转换为空气动力学粒径分布)
    JIS11标准尘(RBG1000粉尘发生器所生成)
    金沢大学(乡村、日本、安德森采样器测试结果)
    曼谷(城市中心、泰国)
    曼谷(Dindaeng区)
    琦玉(城市、日本)
    1987夏季(Takizawa)
    1988冬季(Takizawa)
    Wilrijk 1978(城市郊区、比利时)
    Wilrijk 1979(城市郊区、比利时)
    Petten 1979(海边、比利时)
    Botrang 1979(乡村、比利时)
    2001(城市、韩国)
    2001(城市郊区、韩国)
    维也纳(城市、奥地利)
    Gent(城市)
    Bologna(城市)
    Marseilles(城市郊区)
    Mohal(高原、印度)
    Kothi(高原、印度)
    吉兰泰沙尘暴(沙漠、中国)
    ISO A1(超细尘)
    ISO A2(细尘)
    ISO A3(中等粗细尘)
    ISO A4(粗尘)
    ASHRAE标准尘
    暹粒(城市郊区、柬埔寨)
    Rondonia(牧场、巴西)
    芝加哥(城市、美国、1994)
    盐湖城密歇根(水面,乡村地区、美国)
    维也纳(城市)
    维也纳(城市)
    北京1996(城市、中国)
    沈阳1996(城市、中国)
    未知城市1997(城市、东德)
    维也纳1994(城市、奥地利)
    维也纳1994(城市郊区、奥地利)

           4)问题四:对于化纤过滤材料的消静电处理问题。

           对于化纤过滤材料的消静电处理问题上,当前ISO 16890系列标准及EN 779:2012均倾向于不管材料驻极技术好坏,一律尽可能消除全部静电后复测效率,并与未处理前的测试结果进行比对,其目的是提示用户采购过滤器材料时基于滤材纤维的过滤效率和基于静电驻极技术的过滤效率贡献占比各为多少,即认为所有静电驻极技术都是不可靠的,实际使用中均可能完全丧失。但从整个过滤行业的发展及市场实际需求来看,这种试验方法较为简单粗暴,存在以下主要问题:

           第一,化纤过滤材料的静电荷保持特性与使用环境、使用时间等存在较强的关联性,若处理空气中含有油烟或各种醇类等挥发性有机物,确实会加速材料所附静电荷的快速丧失,但在一般通风用过滤器使用场所,往往不涉及上述特殊污染处理,因此用其作为所有产品的统一评价方法过于苛刻。

           第二,一般通风过滤器使用时间有限,并不需要滤材永久驻极。而依据笔者所在团队对于当前国内产品的测试经验,不同供应商、不同加工工艺的化纤材料驻极特性差异显著,部分滤材驻极效果极差,静电保持时间不超过3天,但也有滤材确实能长时间保持其纤维所附静电。此外,目前各种新型的静电增强技术的发展也大幅提升了滤材静电保持的可靠性[15],是否在未来国际标准化体系中一定要强调无差别的消静电处理值得进一步商榷与讨论。

           第三,更低阻力及更高效率是净化过滤行业永恒的主题与前进方向,对于我国建筑物整体体量庞大、净化处理设备市场需求快速发展的市场意义尤其重大。尽管存在静电流失、效率下降问题,但采用静电驻极技术的化纤材料在相同过滤效率下的阻力确实会优于传统的玻纤过滤材料,是降低空气净化设备运行能耗的一个重要发展方向。而从行业发展角度考虑,该标准所体现的引导作用应该是促进化纤滤材厂商持续改进,提高静电驻极技术,发展更加耐久、更加低阻节能的产品,而非在其存在不足的当下简单地限制其应用、限制一个技术领域的未来发展可能性。因此,行业所需要的消静电方法应该强度适中,能够给出静电对于整体净化效率的贡献占比,更为重要的是,可以比较出不同过滤材料静电驻极技术的优劣,从而促进厂商提高驻极技术,持续提高产品可靠性。

    3 未来一般通风用过滤器标准的发展方向

           综上所述,现有的国际标准体系对于如何科学评价过滤器颗粒物净化效率仍存在诸多不足,笔者认为,至少在以下几个方面仍需进行扎实的基础工作以获得更具科学性的过滤器测试评价标准:

           1)第一,进一步完善大气尘特征粒径分布特征的基础数据收集,并在此基础上发展反映大气尘实际尺度特征的新型试验粉尘,建立基于直接测量而非间接计算的过滤器及类似用途净化装置的PM2.5净化效率的试验方法。首先,采用直接质量测量方法的优势在于,测试仪器不需要对试验尘粒径范围进行不必要、不合理的筛选,可采用标准的PM采样头配合多种检测手段进行测试。其次,当试验粉尘采用单一物质时,可采用标准比对方法对光散射式粉尘仪及光度计进行标定校准,使之符合测试要求,鉴于绝大多数光学粒子计数器厂商均不开放光散射系数的调整修订,而主流光散射式粉尘仪则开放质量浓度修正系数,因此以试验粉尘为标准物质,通过对粉尘仪与标准仪器比对修正,从而可在确保测试精度的前提下,大幅降低试验成本。最后,通过特定粉尘物质及相应测量手段的选择,可有效规避环境影响,使试验方法既满足实验室测试需要,也适于对建筑物已安装过滤装置的测试需要。例如,通过选择大气含量低同时对人体无毒无害的NaCl或KCl等作为试验尘,配合只针对相应Na或K进行质量浓度测量的火焰光度计等测试手段,就可在环境大气颗粒物不作净化处理的前提下,对已安装的空气净化装置进行性能评价,提高测试精度。

           2)第二,建立基于上述试验粉尘的过滤器测试负荷尘发生方法,建立更为科学的过滤器容尘加速试验方法,以使过滤器实验室容尘试验结果能更科学地反映过滤器实际运行过程中的性能变化,从而使过滤器生命周期综合能效的科学评价与分级成为可能。同时,由于效率试验和容尘试验均采用同一种试验尘,使试验成本大幅降低,试验进行也更为快捷方便。

           3)第三,建立新的、低强度化纤过滤材料消静电试验方法。新方法应在现有试验方法提供的信息基础上,更科学地比较与辨识不同静电驻极技术及相应产品的优劣,以及不同化纤材料保有静电能力的差异性,从而发挥促进行业发展的标准导向功能。

           4)第四,简化过滤器的分级体系,使之更贴近市场需求。目前各国中效过滤器的分级标准普遍过细,以中效级别为例,欧洲EN 779:2012对效率为40%~95%的过滤器分5挡(M5~M6,F7~F9),美国ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2012对效率为50%~95%的过滤器分为8挡(MERV9~MERV16)。而对于ISO 16890系列标准,其实质上是对50%~95%区间级别分挡达到19挡。但过细的过滤器分挡体系,既非必要,也不符合市场需求。在实际市场应用上,即使是按分级最粗的欧洲标准组织生产的厂商,目前实际上也只有极少数大型国际厂商会在日常产品生产中考虑涵盖所有级别过滤器,以适应各行业用户的多样化需求,而绝大多数规模厂商日常品种只包括2~3个最常用级别以保证生产成本的最优控制。回归到分级体系的基础出发点,过滤器级别划分需要体现2个基本原则:一方面,突出不同过滤器在使用效果上的差异性,以及确保产品正常性能波动不会导致级别判定偏差。而要保证级别判定不出现偏差,则产品的质量控制体系必须能够将产品性能的波动范围最多控制在级别允许范围的一半,也就是说,当以5%作为每一挡级别的允许范围时,产品的生产性能波动必须控制在±2.5%以内,否则企业很难保证对给定级别过滤器的稳定生产。对于目前中效过滤器行业的普遍工艺水平及质量控制水平而言,要保证这一点是较为困难的。另一方面,过细的级别分挡也不符合市场实际需求,对于大多数中效过滤器应用场合而言,60%和65%的过滤器不存在可辨识的使用效果差异,甚至效率绝对值偏差10%~15%的过滤器在实际应用场合中的使用效果差异也难以体察。因此,在未来的标准修订过程中,标准编制组及全行业都需要认真的思考一个真正符合用户市场需求的过滤器分级体系。

    4 结语

           本文对ISO 16890系列标准的核心技术内容进行了简单介绍,着重对当前的标准所存在的问题进行了阐述,并对标准未来发展完善方向提供了参考建议。从笔者近10年来参与ISO标准工作的经验来看,ISO标准更新完善是我国相关行业及企业发展的动力而非阻力,需要国内同仁在各个层面持续努力,这种努力既包括技术性的基础投入,也包括国家层面改进当前ISO部分不合理运行规则的政治努力。ISO由欧洲国家发起,从诞生时所建立的运行规则就体现了对于欧洲标准体系的过度保护,在标准的投票规则上,ISO采用每个正式成员国均只有1票的完全平均做法,但在欧洲目前的一体化前提下,几乎每个欧洲标准的背后都有至少10票的强势支撑,这导致大多数欧洲标准可以轻松进阶成为国际性的ISO标准。这一现状对于国际其他主流经济体如中国、美国及日本并不公平,也与目前大多数国际性经济合作组织采用按GDP划分投票权重的规则体制不符。而在欧盟内部,任何欧洲标准的投票表决也同样采用按GDP划分投票权重的规则。所以,我国各行业参与ISO标准体系的制定和修订过程,既需要科学技术人员的努力付出,也需要国家标准管理部门的政策投入与政治外交努力,使得ISO成为更为公平的国际标准化技术平台,更好地保证我国相关行业的利益,促进行业健康发展。

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           备注:本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊 总第37期(第22届全国暖通空调制冷学术年会文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。

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