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解读ISO16890《一般通风用空气过滤器》国际新标准

文章来源:http://www.iguolvqi.com/  2019年11月25日  点击数:304

介绍近年颁发的国际标准 ISO 16890:2016 《一般通风用空气过滤器》的主要内容,该系列标准详尽规定了一般通风用空气过滤器,对空气悬浮颗粒物的质量过滤效率(ePMx)的测试装置、试验方法、数据处理和性能分级。该标准是应对当前大气环境质量广泛欠佳,急需采取措施改善室内空气质量的现状应运而生的。该标准睿智地避开了一些技术难点、创建了一些新概念和新思路,既尽可能沿用国际现行一般通风用空气过滤器相关标准的试验系统和方法,同时又获得了实用和可信的 ePMx 结果,是一项值得推广的新标准。对国内如何应对该标准,提出了一些想法和建议。

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引言

2016 年末,国际标准化组织正式颁发的ISO16890:2016《一般通风用空气过滤器试验及分级系列标准》[1-5],被业内认为是近些年来空气净化领域影响面最广的标准之一,值得重视。本文介绍了其主要内容,同时阐述了笔者对该标准的认识和观点,供业内人士参考。近二、三十年来,国外陆续发表了大量医学循证研究的成果,结论是空气中悬浮的细颗粒物可能引发呼吸系统、心血管和癌症等多种疾病,严重影响人类健康。ISO 16890:2016 标准指出,按细颗粒物粒径范围分级,其中最受关注的是PM10、PM2.5 和PM1,该标准正是以这三档颗粒物为主要目标制定的。近些年来,欧美等科技发达国家及世界卫生组织(WHO),对空气环境中的细颗粒物浓度及其对人类的危害备加重视,先后陆续修订了相关环境空气质量标准,提高了对细颗粒物浓度的控制要求]。

例如,1997 年美国环保局(EPA)首次在其《清洁空气法规》(Clean air act)中给出了空气中PM2.5 的限值指标:年平均浓度为15 μg/m3、24h 平均浓度为65 μg/m3;2006 年EPA 更新了PM2.5 的限值,维持年平均浓度不变,但24h 平均浓度改为35 μg/m3。而2012 年颁布的《美国国家环境空气质量标准》(National ambientair quality standards,NAAQS)给出了更严格的限值。按最新的《清洁空气法规》划定的一级标准,其PM2.5的3年平均限值为12 μg/m3,二级标准限值为15 μg/m3。根据美国国家航天航空局2010 年公布的2001年—2006 年的一些卫星测试数据,我国的华东、华中、华北部分区域被标识为全球大气环境中PM2.5浓度最高的地区之一[13]。虽然近年来国家加大力度改善大气环境,并已取得显著成效。但欧美、日本等先进工业国家修复大气环境的历史经验表明,这不是一朝一夕的事,不可能一蹴而就。更何况中国还处于工业化、城镇化和经济中高速发展的过程中,即便吸取了他们早年的教训,已先期着手采取措施控制大气环境污染,但清理旧账、普及“蓝天白云”的过程仍然会相当漫长。我国在 2012 年修订的《环境空气质量标准》中已将PM2.5 作为指标纳入其中,所规定的一级标准年平均限值为15 μg/m3,与美国EPA 2006年所定标准相同,二级标准限值年平均为35 μg/m3。与国际标准相比还有较大的差距。但从目前总体的形势来看,笔者认为上述指标还是比较符合国情现状、比较实际的。

可以预见,在逐步改善国内大气环境的同时,会有越来越多的公共建筑中央空调系统将增设或改善空气过滤装置,许多民用建筑也将增设或提升新风过滤设备性能,用以有效降低室内PM2.5 浓度,提高室内空气质量、营造健康的居留环境。正因为如此,按空气过滤器对PM2.5 等颗粒物的过滤性能,科学地选用适宜的空气过滤器,也成为国内暖通空调设计人员十分关心的问题]。ISO 16890:2016 标准中指出:“为了便于设计及运行维护人员正确选择空气过滤器,为了空气过滤器制造商有效管控产品质量以及国际贸易的顺畅,都需要一种根据空气过滤器清除颗粒物效率的通用试验方法和相应的分级标准。但目前世界各国的标准采用了不同的试验方法和分级规定,相互之间不具可比性,这对通用产品的国际贸易构成阻碍。”除此之外,笔者认为目前这种现状也不利于空气净化领域的技术进步与国际学术交流。就我国大气环境现阶段的处境而言,ISO 16890:2016 标准对空调通风行业更有及时雨的意味。本文对ISO 16890:2016 《一般通风用空气过滤器试验及分级系列标准》的主要内容介绍和讨论如下。

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ISO 16890:2016 标准对颗粒物过滤效率ePMx的定义

该标准在前言中指出:“本标准所指的颗粒物是悬浮空气中特定粒径范围的,液态和固态粒子的大气气溶胶。符号 ePMx 表示空气净化装置对光学粒径为0.3 μm 至xμm(x=1.0 μm、2.5 μm、10.0 μm)区间颗粒物的质量净化效率。”值得注意的是,该标准关于颗粒物过滤效率ePMx 的定义显然与大气环境学的概念有别。其一,无论按照美国环保署(US EPA),世界卫生组织(WHO)或欧盟(EU)等相关组织的表述,空气中的悬浮颗粒物(PM)从来都是以空气动力学当量粒径来计量、标识的,而并非是颗粒的光学当量粒径。其二,大气环境学所指的空气悬浮颗粒物的质量浓度,是包括某粒径(PM10、PM2.5 等)以下的全部颗粒物的质量总和。而不是0.3 μm 以上至某粒径范围内,单位容积的总质量。

以PM2.5 为例,按照大气环境学的正式定义,PM2.5 颗粒物是指粉尘采样器入口处对空气动力学当量直径2.5 μm 粒子的切割效率为50%时,所采集的单位容积颗粒物总质量。PM1 和PM10 的定义相类似。光散射法测得的颗粒物的当量直径,它与PM2.5所依据的空气动力学当量直径是不同的。空气动力学当量直径不仅取决于颗粒物的体型,而且还与颗粒物的质量等有关。根据大气环境科学工作者的测定,同一环境下大气尘的光散射法粒径分布频谱与空气动力学法粒径分布频谱不同,一般是前者的值高于后者,但在1 μm 粒径以下,两者的值接近,对于较大粒径,两者之间的关联无规律。因为确定悬浮颗粒物空气动力学当量直径的仪器、方法相对于测定其光学当量直径要复杂、困难许多,所以从实际出发,包括美国环保署,德国联邦环境署(BMU)在内的一些权威机构在文献中对悬浮颗粒物(PM)又往往采用简化的表述方式。如将PM10 视为光学粒径≤10 μm 的空气悬浮颗粒单位容积的质量总和,PM2.5 视为光学粒径≤2.5μm 的颗粒单位容积的质量总和。

尽管相对于严格的官方定义这种表述是近似的,但ISO 16890 标准的编写组认为“对于确定空气过滤器的 PMx 过滤效率而言,采用复杂的PMx 官方定义远较采用简化的PMx 定义要困难许多,而实际意义不大。”至于为什么将 PM 的阈值上、下限定为10.0 μm和0.3 μm,该标准文本中未见有解说。依照笔者的理解,标准编写组可能是考虑到国际现行空气过滤器标准,除去超高效空气过滤器(ULPA)外,所关注粒径的阈值下限均为0.3 μm;而大气中悬浮的较大颗粒物的粒径通常在10.0 μm 以下,同时国际现行的各通风用空气过滤器试验标准,所规定的人工气溶胶粒径范围也在10.0 μm 以下。可能正是根据这些理由,ISO 16890:2016-1 规定,该标准所定义的空气过滤器对大气气溶胶的PM 过滤效率,指的是对光学粒径为0.3 μm~10 μm 粒径区间悬浮颗粒物的质量净化效率并以符号ePMx 表示。

如表1 所列。对于上述ISO 16890:2016-1标准关于颗粒物过滤效率ePMx 的定义,笔者的观点是:一则官方的或简化的PMx 定义,对通过测定空气过滤器前后的人工气溶胶浓度,以确定其过滤效率本身影响不大,再则采用标准规定的气溶胶及发生装置条件下,以空气动力学当量直径或是以光学当量直径的某个值来辨识、量度气溶胶浓度,对于所有被测量的空气过滤器,其差异是相同的。更何况任何空气过滤器,按照某个测试标准所测试得到的过滤效率结果,都并不意味着可定量预测实际使用条件下的净化效率和使用寿命。其功效主要是用以鉴别空气过滤器性能,以便于管控其生产质量,并为设计选用提供参考数据。笔者认为,ISO 16890 标准采用此删繁就简的措施,有利于该标准的推广。更重要的是从现实出发,既填补了空气过滤器PMx 过滤效率的测试和分级标准方法的空白,适应当前空调通风与净化行业的需求,同时又便于与国际现行通风用空气过滤器主要标准EU 779:2012 和ANSI/ASHRAE 52.2 等相协调。


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颗粒物过滤效率 ePMx的测量方法

按照ISO 16890-1:2016《基于颗粒物过滤效率的技术说明和分级系统》的规定,该标准所定义的颗粒物净化效率ePMx 并非是直接测量空气过滤器上、下游的PM 浓度而得的,而是通过测试空气过滤器的计数计径效率,采用规定的方法和程序换算得到的。ISO 16890-1:2016中指出,该标准利用大气气溶胶基于光学当量直径的离散和累计体积分布函数(若悬浮颗粒物的密度相同,那也就是质量分布函数),以其作为空气过滤器计数计径效率测量值换算为ePMx的依据,求得所定义的ePM1,ePM2.5 和ePM10。这也是将以光学粒径测量、统计的空气过滤器的计径效率E 转换为颗粒物质量效率ePMx 的基本依据。该标准采用了美国学者Seinfeld J.H.和Pandis S.N.[19]依据大量测量数据归纳得到的,以光学粒径为基础,表征城市和郊区环境典型状态下的两种大气气溶胶体积分布函数,作为以计径效率换算为颗粒物净化效率ePMx 的基础。并规定对于以过滤PM1 及PM2.5 为目标的细颗粒物过滤器,使用表征城市区域的大气悬浮颗粒物体积分布函数;对于主要以过滤PM10 为目标的粗颗粒物过滤器,使用表征郊区的大气悬浮颗粒物体积分布函数。笔者认为,ISO 16890 标准对ePMx 基本测量方法的选择是相当明智的。

采取这种迂回的路径,既避开了直接在上、下游精准测量PM 浓度的复杂与困难];同时又便于与普遍采用计数计径测试方法的现行国际标准相衔接。只要测量到空气过滤器各粒径档的计数效率,就可以按照ISO 16890-1:2016 标准的具体规定计算得到ePMx 效率。这种方法还便于采用计算机编程整理测试结果,既保证计算结果无误又快捷。考虑到一般通风用空气过滤器大多数采用化纤类型滤材,其静电效应不可忽视,而不同滤材的静电效应又存在较大差异。因此,该标准规定所有被测空气过滤器要按照ISO 16890-4:2016《确定最低计数效率的处理方法》的规定,对空气过滤器进行去静电处理后,再次测出其各粒径档的最低计径效率ED,i。用于计算空气过滤器ePMx 的计径效率测定值,采用的是未积尘和未消静电的初始状态计径效率Ei和消静电后的计径效率ED,i 的平均值EA,i,如式(1)所示:

笔者认为,具体执行此项规定并不困难,但对偏于依赖静电效应提升空气过滤器过滤效率的产品无疑是较大的挑战,性能档次标识必定骤降。有关生产厂商势必需要采取适当的技术措施以改善其产品的ePMx 指标。ISO 16890 标准还具体规定:计算ePM1 时,最大粒径档的粒径上限dn+1 应等于1 μm,所用粒径档数n应不少于 3 个,即要求所用光学粒子计数器0.3 μm ~1μm 间应有4 个读值;计算ePM2.5 时,最大粒径档的粒径上限dn+1 应不大于3 μm,所用粒径档数n 应不少于6 个,即0.3 μm~3 μm 间应有7 个读值;计算ePM10时,最大粒径档的粒径上限 dn+1 应等于10 μm,所用粒径档数n 应不少于9 个,即0.3 μm~10 μm 间应至少10 个读值。ISO 16890 标准还规定,在任何情况下相邻的粒径档不应空缺或重叠。所以该标准推荐的光学粒子计数器具有12~13 个粒径读值,如0.30、0.40、0.55、0.70、1.00、1.30、1.60、2.20、3.00、4.00、5.50、7.00、10.00 等μm 值。这就对国内激光粒子计数器制造商提出研制相应产品的需求[23]。至此,根据ISO 16890-2 《计径效率和阻力的测量》试验得到被测空气过滤器的初始计径效率(E)曲线,然后按照ISO 16890-4 规定的方法消除静电效应后,再度试验测得其最低计径效率(ED)曲线,并计算得到被测空气过滤器的平均计径效率(EA)曲线。 

根据ISO 16890-1 所推荐的标准化大气悬浮颗粒物体积分布曲线,就可以计算得出被测空气过滤器的颗粒物过滤效率ePM1,ePM2.5,ePM10,以及最低颗粒物过滤效率ePM1min和ePM2.5min。按照ISO 16890-3《计重效率和阻力与容尘量之间关系的测试》的规定,还要采用ISO 15957 标准所定的L2 试验尘(即ASHRAE 的亚里桑那州道路尘),与欧美现行标准的规定相类似,用了以测试空气过滤器的初始状态计重效率、阻力随积尘量的变化以及容尘量。但文明确指出对于ePM1,ePM2.5 和ePM10空气过滤器,此项试验均为可选项目。


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 | 按照颗粒物过滤效率 ePMx 的空气过滤器分级

根据ISO 16890-1:2016 的规定,一般通风用空气过滤器的过滤性能级别,根据计重效率、颗粒物过滤效率ePMx、颗粒物最低过滤效率ePM1,min 和ePM2.5,min 的组别和等级共同构成,其分组如表2所示。 

级别报告值用组别ePMx 及等级(50+5n)%表示,表中的n 为1-9 的整数值。例如:ISO ePM10 60%、ISO ePM2.5 75%、ISO ePM1 80%等等。等级的百分值由实测值向下圆整为5%的整数倍而得,实测值大于95% 的 级 别 报 告 值 为PMx>95% , 例 如ISOePM2.5>95%。ISO 16890:2016-1 以ePMx 的空气过滤器级别报告值有30 个等级的差别,再加上ePM10<50%,以初始计重效率来标识的粗效空气过滤器,一般通风用空气过滤器将有多达40 多个级别出现。根据试验实测结果和表2,一个空气过滤器可以被列为2 个甚至更多个组别。例如,某空气过滤器可能同时被标为ISO ePM1 80%和ISO ePM10 95%。但按照ISO 16890 标准的规定,空气过滤器只能按一个组别进行分级与标识。不同空气过滤器间进行效率比较时,只能比较同一组别的试验结果。例如,比较A空气过滤器的 ISO ePM2.5 和B 空气过滤器的ISOePM2.5。但ISO 16890:2016 要求,在其试验报告中,颗粒物过滤效率ePM1,ePM2.5,ePM10 和最低颗粒物过滤效率ePM1min 和ePM2.5min 的计算值都列入。


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 | 推广建议

4.1 笔者认为,从目前技术、仪器发展水平来审视,此标准的主要规定与要求,既切合当前实际,又相对容易操作,看似烦琐而执行起来并不困难。较之即将替代的ISO/TS 21220:2009《一般通风用空气粒子过滤器过滤效能确定》[24],更符合目前行业内所关注的空气过滤器PM 过滤效率的需要。笔者同时认为ISO 16890:2016 系列标准规定以光学粒径为基础,用表征城市和郊区环境典型状态下的两种大气气溶胶体积分布函数,作为以计径效率换算为颗粒物净化效率ePMx 的方法,其所得结果相对而言较贴近实际应用,是一个值得推广的标准。此标准的出台是适应当前行业急切需要的。笔者还认为16890:2016 是一个可与当下国际通行 的 、“ 一 般 通 风 用 空 气 过 滤 器 标 准 ” 如 EN779:2012[25]及ANSI/ASHRAE 52.2:2012[26]等,可兼容并存的新标准。国内宜尽快出台相应标准以适应市场需要,引导并促进一般通风用空气过滤器的产品质量提升。至于国内相应标准的制定,宜在实践中取得一定经验后从长计议。未必一定全文照搬该标准,期盼能有既符合国情,有利推广,而国际上也能认同的国内标准诞生,希望在顺应国际潮流同时,走出自己的路。4.2 依笔者的看法,ISO 16890:2016 系列标准是以美、欧等国为主的专业人士协调共创的产物,必然最适合其自身需求。笔者认为,国内出于有利于国际交流与贸易的考虑,既不宜“另起炉灶”;但考虑自身状况,也未必以“等同采用”的方式全部照搬,而束缚了自己的手脚,应考虑适当灵活的方式以适应国情。例如,是否必须按照ISO 16890-2 第6.1、6.2、6.3款所规定的,按0.3 μm~1 μm 与1 μm~10 μm 分段采用DEHS 和KCl 两种标准气溶胶测试计径效率。譬如按现行国内标准GB/T 14295-2008[27],采用KCl为人工气溶胶的系统是否依旧适用,或至多不给出目前关注较少的 ePM1 指标;又譬如国内按EN 779 标准所建系统,可以不给出相对关注度不高的ePM10,而只给出ePM2.5,ePM1 等等。4.3 对于ISO 16890:2016 标准所建议的,包括ePM10,ePM2.5,ePM1 以及计重效率共四个组别,连同各组内以5%效率值差额作为分档,来标识空气过滤器的级别。

以此方法将产生多达几十个空气过滤器级别,笔者对此并不完全认同。原有的一般通风用空气过滤器标准如EN 779:2009 将空气过滤器分为G1-G4 和F5-F9 共9 个 级 别 ;ANSI/ASHRAE52.2:2012 将空气过滤器从MERV-1 到MERV-16 分为16个等级;国内标准 GB/T 14295-2008 则与欧盟标准类似,将空气过滤器级别分为粗效1-4,中效1-3,高中效及亚高效等共9个级别 。 面 对 ISO16890:2016 标准多达四、五十个空气过滤器等级,设计与运行管理人员会很被动。看似分级很精确,实际给选用、管理增添了麻烦。既然按标准规定所报告的数值本身就是一个人工气溶胶计径效率测值按所谓的标准大气尘体积分布的计算结果,与实际工程中的使用效果并未必一致,那么何不删繁就简,以较粗的线条划分级别为宜。

譬如各组内不以5%效率差额分级,而采用四舍五入的方式,就可使级别数量减半。4.4 随着ISO 16890:2016 在国际上日渐推行,笔者认为国内近期宜在光散射粒子计数器及去静电系统方面开展一些工作。按照ISO 16890-2 所推荐的粒径档,由0.3 μm 至10 μm 应有11 至13 个粒径档,计算ePM2.5 时要求由0.3 μm 至3 μm不少于6 个粒径档。目前,国产粒子计数器满足此规定的型号少见,宜在粒子计数器产品设计与标定方面迅速跟上。去静电系统本身并无特殊难度,只是以往具体操作经验较少而已。推行ISO 16890,要获得ePMx 值,此项程序不能跳过,按ISO 16890-4 要求,尽快建立消静电系统并熟悉操作过程,是目前即刻可做之事。 

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