Luftfiltration: Normen, Nomenklatur und Novitäten

Zur Entfernung von unerwünschten Gasen aus der Luft dienen Sorptionsverfahren. Bei der Adsorption lagern sich Gase an der Oberfläche eines Festkörpers an, während bei der Absorption die Stoffe in das Innere eines Festkörpers oder einer Flüssigkeit eindringen und dort gelöst werden. Das technisch am häufigsten verwendete Adsorbens ist Aktivkohle. Alternativ dazu setzt man auch hochporöses Aluminiumoxid ein, das beispielweise mit Kaliumpermanganat zur Abscheidung oxidierbarer Gase wie Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Formaldehyd, Mercaptane und organischer Säuren dient. Partikel-Filtration wird zur Abtrennung von festen bzw. flüssigen Partikeln aus einem Aerosol eingesetzt, um daraus ein gereinigtes Gas zu erhalten. Am weitesten verbreitet sind Faser-/Membranfilter, während andere Partikelabscheider wie Zyklone, Wäscher oder Elektrofilter in der Regel verfahrenstechnisch aufwendiger sind und daher seltener zum Einsatz kommen. In der Folge wird sich dieser Artikel primär mit der Partikel-Luftfiltration mittels Faser-/Membranfiltern beschäftigen.

Partikel-Luftfiltration

Die Filtrationstheorie unterscheidet bei den Faser-/Membranfiltern zwei Betriebsweisen. Bei der Oberflächenfiltration ist die mittlere Porengröße des Filtermediums kleiner, als die abzuscheidenden Partikel sind. Es überwiegt daher die Siebwirkung und die Abscheidung an der Oberfläche bzw. am aufgebauten „Staubkuchen“. Durch Vibrieren, Schütteln oder Druckstöße kann dieser Filterkuchen abgeworfen und der Filter gereinigt sowie regeneriert werden.

Im Gegensatz dazu verfügen Tiefenfilter über sehr offene Faserstrukturen, und die mittlere Porengröße ist deutlich größer als die abzuscheidenden Partikel. Diese können daher in das Medium eindringen und im Inneren des Filters festgehalten werden.

Mehrere Effekte sorgen für das Festhalten der Partikel. Der Sperreffekt hat eine Grundabscheidung von Partikeln allein aufgrund ihrer räumlichen Ausdehnung zur Folge. Trägheitskräfte bewirken vor allem bei Partikeln >1 µm vermehrtes Auftreffen auf Filterfasern. Diffusionsphänomene beruhen auf der Brown’schen Molekularbewegung und treten vor allem bei sehr kleinen Partikeln auf. Elektrostatische Wechselwirkungen und die Gravitationseffekte komplettieren die Möglichkeiten, Partikel im Filter abzuscheiden. In der Praxis treten alle diese verschiedenen Mechanismen zusammen auf und überlagern sich je nach den vorliegenden Bedingungen. Summarisch ergibt sich für den Abscheidegrad als Funktion von der Partikelgröße eine Kurve, die einen typischen Verlauf mit einer sogenannten MPPS (Most Penetrating Particle Size) aufweist. Dieses Minimum des Abscheidegrads liegt bei tiefenfiltrierenden Faserfiltern typischerweise zwischen 0,1 und 0,5 µm Partikeldurchmesser (siehe Abb. 1).

Die Wichtigkeit der Luftfiltration zeigt sich in dem riesigen Anwendungsspektrum von Luftfiltern und der Unzahl von Normen und technischen Standards, die sich mit diesem Thema beschäftigen. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die wichtigsten Anwendungsgebiete von Luftfiltern sowie Hinweise auf entsprechende Normen und Richtlinien.

Das tatsächliche Betriebsverhalten von Luftfiltern hängt von zahlreichen Parametern ab. Um verschiedene Filter trotzdem miteinander vergleichen zu können, legen internationale Standards Prüfverfahren mit definierten und kontrollierten Testbedingungen fest.

In den USA hat die ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) im Standard 52.2 eine Einteilung in 16 Klassen mittels MERV (Minimum Efficiency Reporting Value) vorgenommen. MERV 1-Filter sind die gröbsten, MERV 16-Filter die feinsten Luftfilter gemäß dieser Norm. Tabelle 2 zeigt die Einstufungen nach dem ASHRAE-Standard.

In Europa beschreibt die europäische Norm EN 779, „Partikel-Luftfilter für die allgemeine Raumlufttechnik“, die zu verwendenden Prüfverfahren und eine Klassifizierung bezüglich ihrer Abscheideleistung (siehe auch Tabelle 3). Das Betriebsverhalten eines Filters hängt maßgeblich vom Betriebsvolumenstrom ab. Daher beziehen sich Filterklasse und alle anderen Prüfergebnisse immer nur auf den jeweils angegebenen Prüfvolumenstrom. Wesentliche Angaben der Ergebnisse sind:

• Mittlerer Abscheidegrad (gravimetrisch) für synthetischen Staub
• Mittlerer Wirkungsgrad (bezogen auf die Zahl der 0,4 µm-Partikel)
• Minimaler Wirkungsgrad aller Prüfergebnisse inkl. Isopropanol-Behandlung
• Anfangsdruckverlust
• Staubspeicherfähigkeit (für synthetischen Staub)

Grobstaubfilter G1-G4 werden mit dem synthetischen ASHRAE-Staub und einem definierten Nennvolumenstrom von 3400 m3/h getestet und nach dem gravimetrisch ermittelten mittleren Abscheidegrad klassifiziert. Die Druckdifferenz von 250 Pa bildet den Endpunkt des Tests, an dem das Verhältnis von abgeschiedener zu aufgegebener Staubmasse berechnet wird.

Bei den Mediumstaubfiltern M5 und M6 und den Feinstaubfiltern F7-F9 liegt die Enddruckdifferenz bei 450 Pa. Als Klassifizierungskriterium dient primär der mittlere Wirkungsgrad für 0,4 µm große Partikel. Er wird durch Partikelzählung eines Standard-Aerosols vor und nach dem Filter sowie nach Beladung mit ASHRAE-Staub bestimmt. Für die Feinstaubfilter F7-F9 ist als zusätzliches Kriterium ein Mindestwirkungsgrad bei Partikeln von 0,4 µm gefordert. Um diesen zu ermitteln, wird der zu prüfende Filter zusätzlich in Isopropanol getaucht, getrocknet und wiederum der Abscheidegrad der 0,4 µm-Partikel bestimmt. Die Isopropanol-Behandlung hat den Zweck, alle elektrischen Ladungen auf den Fasern zu neutralisieren und damit die elektrostatischen Effekte des Filters zu eliminieren. Der Mindestwirkungsgrad entspricht sodann dem Kleinstwert aller während der Prüfung getesteten Wirkungsgrade.

Die europäische Norm EN 1822 und sehr ähnlich die ISO 29463 liefern Prüfregeln und Klassifizierungen für Schwebstofffilter (siehe Tabelle 4). Diese werden meist als letzte feinmaschige Filterstufe in sensiblen Bereichen eingesetzt, um vor Verunreinigungen wie Mikroorganismen oder Schwebstaub zu schützen. Anwendungsbereiche sind Operationssäle von Krankenhäusern, Reinräume in der pharmazeutischen Industrie oder in der Mikroelektronik, Luftreinigung in mikrobiologischen Labors und kontaminierten Arbeitsbereichen, Abluftreinigung bei der Asbestsanierung und überall sonst, wo sehr reine Luft benötigt wird oder besonders kritische Partikel oder Organismen entfernt werden sollen. EN 1822 teilt diese Filter in drei Gruppen ein:

1. Gruppe E: EPA-Filter, Hochleistungs-Partikelfilter, Klasse E10, E11 und E12
2. Gruppe H: HEPA-Filter, Schwebstofffilter, Klasse H13 und H14
3. Gruppe U: ULPA-Filter, Hochleistungs-Schwebstofffilter, Klasse U15, U16 und U17

Bei EPA-Filtern erfolgt die Überprüfung des Abscheidegrades nicht einzeln wie für HEPA- und ULPA-Filter, sondern im Rahmen einer Baumusterprüfung, wobei sich der Abscheidegrad als Mittelwert aus einzelnen stichprobenartigen Messungen ergibt.

HEPA- und ULPA-Filter (Klassen H 13 bis U 17 bzw. ISO 35 H bis ISO 75 U) werden einzeln einer Leckprüfung unterzogen.

Zur Überprüfung wird das Filterelement bei Nennvolumenstrom mit einem Prüfaerosol beaufschlagt, dessen mittlere Partikelgröße der am schwersten abzuscheidenden entspricht (MPPS). Mittels verfahrbarer Sonden werden die reinluftseitigen, lokalen Partikelanzahlkonzentrationen gemessen und daraus zusammen mit der gemessenen Partikelanzahlkonzentration auf der Rohluftseite die lokalen Abscheidegrade bzw. Penetrationen ermittelt. Überschreitet die lokal gemessene Penetration den in der Norm für jede Filterklasse definierten Grenzwert an keiner Stelle, gilt das Filterelement als leckfrei. Zusätzlich wird der Druckverlust des Filterelements gemessen.

Für HEPA-Filter (Klasse H 13 / H 14 bzw. ISO 35 H bis ISO 50 H) kann die Leckfreiheit alternativ auch mittels Ölfadentests nachgewiesen werden. Bei erfolgreichem Test werden im Prüfbericht die Leckfreiheit und der integrale Abscheidegrad bescheinigt, wobei der Prüfbericht sich dem Filterelement über eine individuelle Nummer zuordnen lässt. Die ISO 29463 trifft eine analoge Einteilung in drei Gruppen (E, H,U) und unterteilt die Gruppe E in die vier Klassen 15, 20, 25 und 30E, die Gruppe H in die drei Klassen 35, 40 und 45H und schließlich die Gruppe U in die sechs Klassen 50 bis 75U 8 (siehe Tabelle 5).

In Zukunft wird die neue Prüfnorm ISO 16890 die bisher dominierende EN 779 ersetzen. Derzeit gibt es eine Übergangsphase, die plangemäß im Jahr 2018 zur Aufhebung der alten Norm EN 779 führen sollte. Danach bestimmen die Feinstaubklassen PM1, PM2,5 und PM10 die Filterabscheidegrade und damit künftig die Filterklassen. Argument für eine neue Norm war die vorgebliche Realitätsferne der EN 779, die für die Klassifizierung ausschließlich die Partikelgröße 0,4 µm eines synthetischen Staubs verwendet, während in der Realität natürlich andere Verhältnisse vorherrschen. Um mehr Praxisnähe zu erzielen, zieht die neue Norm ein Spektrum von 0,3 bis 10 µm Partikelgröße heran, um Abscheidegrade für die Feinstaubfraktionen PM1, PM2,5 und PM10 zu ermitteln. Basierend auf diesen Abscheidegraden werden die Filter in vier Gruppen eingeteilt, wobei eine mindestens 50-prozentige Abscheidung des entsprechenden Partikelbereiches erforderlich ist (siehe Tabelle 6).

Die Kennzeichnung eines Filters erfolgt also dann als ISO ePM1, wenn er mehr als 50 Prozent der Partikel <1 µm abscheidet. Dazu wird dann der jeweilige Abscheidegrad beigefügt, abgerundet in 5-Prozent-Schritten, also beispielsweise „ISO ePM1 65 % Filter“. Neben den Feinstaubfiltern regelt die neue ISO-Norm auch Grobstaubfilter („ISO coarse“), die weniger als 50 Prozent PM10 abscheiden. Hersteller sprechen davon, dass die meisten heute auf dem Markt verfügbaren F7-Filter nach der neuen Norm zwischen „ISO ePM1 50 %“ und „ISO ePM1 65 %“ liegen werden. In vielen Anwendungsbereichen der allgemeinen Raumluft ist PM10 die relevante Feinstaubfraktion; dabei sollte ein Abscheidegrad von mindestens 80-90 Prozent angestrebt werden. Die Firme Freudenberg gibt eine Abschätzung, wie sich F7-Filter auf ISO-genormte Filter übertragen lassen, und auch eine Gegenüberstellung, was sich für den Anwender durch den Norm-Wechsel ändern wird.

Mit einer speziellen Form der Luftfiltration, nämlich den Elektrofiltern, befasst sich die VDI 3678. Sie nennt als typische Einsatzgebiete die Abscheidung von Weichmachern in der Textilindustrie, von Ölnebeln und Stäuben bei der Metallbearbeitung und nicht zuletzt auch raumlufttechnische Anlagen zur Abscheidung von Mikroorganismen, biogenen Substanzen und Zigarettenrauch. Der Einsatz gegen Mikroorganismen wird zusätzlich durch eine gewisse Ozonbildung in den Elektrofiltern und dessen desinfizierende Wirkung unterstützt. Die derzeitigen Leistungen der elektrostatischen Filter sind vergleichbar mit den Filterklassen H12 nach EN 1822. Für Anwendungen in der Biotechnologie beschreibt die Norm EN 13091 Leistungskriterien für Filterelemente und Filtrationseinrichtungen. Das Hauptaugenmerk liegt auf den Gefahren durch Mikroorganismen und dementsprechend auf den entsprechenden Filtereigenschaften wie Leckagesicherheit, Reinigbarkeit, Sterilisierbarkeit und Rückhaltevermögen. Tabelle 7 gibt dazu eine Zusammenfassung.

Absaugungen

Absaugungen sind hinsichtlich ihres Zwecks und ihrer Konzeption von Raumklima-/Lüftungsanlagen zu unterscheiden. Während für Erstere die GKV 2011 (Grenzwerteverordnung) eine wichtige Grundlage bildet, ist für die Raumlüftung primär die AStV (Arbeitsstättenverordnung) relevant. Staubbeseitigende Maschinen wie z. B. Staubsauger, Entstauber und Kehrsaugmaschinen werden seit 2005 nach der EN 60335-2-69 geprüft. Dabei werden nicht Filter, sondern Maschinen klassifiziert. Dementsprechend gibt es dann anstatt Filterklassen verschiedene nach Staubklassen differenzierte Maschinen (siehe Tabelle 8). Wesentlich für die Zuordnung ist dabei das Gefährdungspotenzial des Staubs, gemessen durch die Höhe des Expositions-Grenzwertes (MAK-TRK-Wert)

Prüfzeichen H2, H3 der DGUV auf Entstaubern

In sehr vielen Bereichen haben sich die freiwilligen Prüfzeichen des DGUV Test (früher auch BG-Zeichen) als Anforderungsstandard etabliert. Diese Prüfzeichen bescheinigen, dass Anforderungen an die Sicherheit und den Gesundheitsschutz erfüllt sind. Eine umfassende Baumusterprüfung durch eine Prüf- und Zertifizierungsstelle im DGUV Test ist Voraussetzung dafür, dass ein Produkt das DGUV Test-Zeichen erhalten kann. Dabei wird festgestellt, ob das Produkt die Anforderungen an Sicherheit und Gesundheitsschutz einhält. Ein Zertifikat mit Zuerkennung des DGUV Test-Zeichens ist maximal fünf Jahre gültig. Wenn das Produkt auch weiterhin die sicherheitstechnischen Anforderungen erfüllt, ist eine Verlängerung möglich. Die Anforderungen bzw. die Frage, aus welchem Umfang/Inhalt die jeweilige Prüfung besteht, sind in den Prüfgrundsätzen (abhängig vom Produkt) definiert (siehe Tabelle 9).

Der Autor dankt Martina Lenz für ihre Unterstützung bei der graphischen Umsetzung der Tabellen und Raimund Kleinhagauer für wertvolle inhaltliche Hinweise.

Quellen:

• Thomas Caesar: Industrielle Luftfiltration. Die Bibliothek der Technik, Band 362. verlag moderne industrie 2013, ISBN 978-3-86236-062-8
• EN 143: Atemschutzgeräte – Partikelfilter
• EN 149: Atemschutzgeräte – Filtrierende Halbmasken zum Schutz gegen Partikel
• EN 779 „Partikel-Luftfilter für die allgemeine Raumlufttechnik“ – Bestimmung der Filterleistung; Deutsche Fassung EN 779:2012
• EN 12469 Biotechnik: Leistungskriterien für mikrobiologische Sicherheitswerkbänke, Ausgabe 2000-09-01
• EN 13779: Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme
• EN 14387: Atemschutzgeräte – Gasfilter und Kombinationsfilter
• EN 15695-2: Landwirtschaftliche Traktoren und selbstfahrende Pflanzenschutzgeräte – Schutz der Bedienungsperson (Fahrer) vor gefährlichen Substanzen – Teil 2: Filter, Anforderungen und Prüfverfahren
• DIN EN 1822-1: Schwebstofffilter (EPA, HEPA und ULPA) – Teil1: Klassifikation, Leistungsprüfung, Kennzeichnung; Deutsche Fassung EN 1822-1:2009
• DIN 71460-1: Straßenfahrzeuge – Luftfilter für Kraftfahrzeuginnenräume – Teil1: Prüfvefahren für Partikelfiltration
• DIN EN ISO 16890-1: Luftfilter für die allgemeine Raumlufttechnik – Teil 1: Technische Bestimmungen, Anforderungen und Effizienzklassifizierungssystem basierend auf Feinstaub (PM)(ISO/DIS 16890-1:2014); Deutsche Fassung prEN ISO 16890-1:2014
• ISO 5011: Inlet air cleaning equipment for internal combustion engines and compressors – performance testing
• ISO/DIS 29463-1: High Efficiency Filters and Filter Media for Removing Particles from Air – Part 1: Classification, performance, testing and marking. Draft, ISO 2016
• ÖN Z 1263: Kühlschmierstoff-Nebelabscheider, Anforderungen und Klassifizierung
• ÖNORM EN 12215: 2010 05 01: Beschichtungsanlagen – Spritzkabinen für flüssige organische Beschichtungsstoffe – Sicherheitsanforderungen
• ÖVE/ÖNORM EN 60335-2-69: Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke, Teil 2-69: Besondere Anforderungen für Staub- und Wassersauger für den gewerblichen Gebrauch
• ÖN S 6024: Schutzräume-Filtersand für Luftfilter
• TRBA 214: Abfallbehandlungsanlagen
• ANSI/ASHRAE Addenda a,b, and d to ANSI/ASHRAE Standard 52.2-2012: Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size; 2015 ASHRAE, ISSN 1041-2336
• ÖNORM EN 13091 Biotechnik: Leistungskriterien für Filterelemente und Filtrationseinrichtungen
• VDI 3678: Elektrofilter, Prozessluft und Raumluftreinigung. VDI Dezember 2010
• ÖVE/ÖNORM EN 60335-2-69 Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke; Teil 2-69: Besondere Anforderungen für Staub- und Wassersauger für den gewerblichen Gebrauch; Ausgabe 2015-08-01
• VDI 3803, Blatt 4: Raumlufttechnik, Geräteanforderungen-Luftfiltersysteme (VDI-Lüftungsregeln)
• AUVA-Broschüre: Christof Tallian, unveröffentlicht
• Freudenberg Filtration Technologie: www.freudenberg-filter.com/de/home/

Zusammenfassung

Zahlreiche Normen befassen sich mit Aspekten der Luftfiltration und haben zu einer verwirrenden Vielfalt an Bezeichnungen für verschiedene Produkte geführt. Der vorliegende Text soll Anwendern einen Überblick über einschlägige Regelungen und Standards geben. Er bietet Hilfestellung bei der Auswahl und beim Umgang mit Luftfiltern sowie einen Wegweiser für die Bewertung von Kennzeichnungen. Als Quellen wurden die genannten Normen und Richtlinien, die Angaben namhafter Filterfirmen (Camfil, CTA, Fischer, Freudenberg, Kappa, Unifil) und eine noch unveröffentlichte Broschüre der AUVA verwendet.