ISO16890《一般通风用空气过滤器》国际新标准解读

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2019-12-26  环球过滤分离技术网  filtration9
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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


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