Die Effizienz von Filtern für raumlufttechnische Anlagen bei zunehmender Beladung

1 Ausgangssituation und Problemstellung

Partikelfilter für die allgemeine Raumlufttechnik werden in Europa nach DIN EN 779 [1] geprüft. Wichtigste Änderung der novellierten Fassung dieser Norm ist die Einführung eines Mindestabscheidegrads als zusätzliches Kriterium zur Klassifizierung von Filtern der Filterklassen F7 bis F9 (Tabelle).

Die Einführung der überarbeiteten Europä­ischen Norm wie auch der mittlerweile vorliegende Entwurf der Internationalen Norm EN ISO 16890 [2] haben erneut die Diskussion über die Praxisrelevanz der im Labor ermittelten Wirkungsgrade von Filtern entfacht [3; 4]. Wie aber auch bei anderen Prüfungen nach Norm gilt, dass es sich lediglich um vergleichende Messungen handelt¹⁾. Die Übertragbarkeit der im Labor ermittelten Daten von Filtern auf den Realeinsatz ist nur eingeschränkt möglich, da sich beispielsweise die eingesetzten Prüfaerosole hinsichtlich Partikelform, Partikelmaterial und Ladungszustand erheblich von den tatsächlichen Luftverunreinigungen unterscheiden. Die Filterprüfungen nach Norm dienen der Qualifizierung und Charakterisierung der Filter unter vergleichbaren, d. h. reproduzierbaren Bedingungen [5]. Anhand dieser Prüfergebnisse lassen sich aber das Abscheidevermögen und der Druckverlust von Filtern im Realbetrieb insbesondere über die Einsatzdauer der Filter nicht adäquat abbilden.

2 Durchführung der Versuche

Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden RLT-Filter (RLT = Raumlufttechnik) aus Synthetik- und Glasfaser­medien in Lüftungsanlagen der Universität Duisburg-Essen bzw. des Instituts für Energie- und Umwelttechnik (IUTA, Aninstitut) eingebaut und in regelmäßigen Abständen wieder ausgebaut, um diese im Realbetrieb gealterten Filter dann in einem Prüfstand gemäß DIN EN 779 einer DEHS-Effizienzmessung (DEHS = Di-ethyl-hexyl-sebacat) zu unterziehen. Druckverluste und Wirkungsgrade der Filter aus dem Realbetrieb wurden ermittelt und denen der normkonformen RLT-Filterprüfung mit nachfolgendem Prüfablauf gegenübergestellt:

• Bestimmung der Anfangsdruckdifferenz als Funktion des Volumenstroms,
• Bestimmung des DEHS-Anfangsfraktionsabscheidegrads,
• Bestimmung des DEHS-Fraktionsabscheidegrads bei unterschiedlichen Beladungsstufen mit ASHRAE²⁾-Staub (30 g, … ) bis zur Prüfenddruckdifferenz von 450 Pa,
• Ermittlung des mittleren Wirkungsgrads bei ASHRAE-Beladung für 0,4-µm-DEHS-Partikel als Klassifizierungskriterium,
• Ermittlung des Mindestwirkungsgrads für 0,4-µm-DEHS-Partikel als zusätzliches Klassifizierungskriterium für die Filterklassen F7 bis F9 (Test an Medienproben nach Isopropanolbehandlung) nach DIN EN 779.

Die typische Entwicklung des Fraktionsabscheidegrads (Retention) bei zunehmender Beladung mit ASHRAE-Prüfstaub wird in Bild 1 gezeigt.

Der Taschenfilter der Filterklasse F7 und der Kassettenfilter der Filterklasse F9 erfüllen jeweils das Kriterium für den mittleren Wirkungsgrad. Der Anfangswirkungsgrad an den konfektionierten Filtern ist zugleich auch der niedrigste Wirkungsgrad. In Bild 1 sind zusätzlich die Mindestwirkungsgrade für 0,4-µm-Partikel (35 % für F7- und 70 % für F9-Filter) eingezeichnet.

In Bild 2 werden die Prüfergebnisse eines Filtermediums aus Synthetikfasern (diese Messungen werden an einem Prüfstand für flache Medienproben durchgeführt) mit denen der konfektionierten Filterelemente am RLT-Prüfstand verglichen.

Im Neuzustand weisen Filter und Medienprobe bei gleicher Medien-Anströmgeschwindigkeit eine gute Übereinstimmung auf. Um den Beitrag der elektrostatischen Abscheidung am Gesamtwirkungsgrad erkennen zu können, wird eine Medienprobe in Isopropanol (IPA) getaucht und getrocknet. Der Fraktionsabscheidegrad des entladenen Filtermediums ist signifikant niedriger, aber für die Partikelgröße von 0,4 µm oberhalb der Minimal­effizienz. Die Annahme, dass die Ergebnisse an den neutralisierten Medienproben auf die konfektionierten Filter übertragen werden können, erscheint gerechtfertigt.

Die DEHS-Fraktionsabscheidegrade vor und nach einer IPA-Behandlung wurden auch für einige Medienproben aus Glasfasermaterial ermittelt. Der Einfluss der IPA-Behandlung ist im Bereich der Messgenauigkeit.

3 Experimentelle Ergebnisse

3.1 Effizienz von RLT-Filtern nach Einsatz in einer Lüftungsanlage

Die Leistungsdaten der gealterten Filter wurden, wie schon erwähnt, an einem normkonformen Prüfstand ermittelt. Die Bilder 3 bis 6 zeigen jeweils im linken Diagramm die ermittelten Retentionen (nach den in den Legenden angegebenen Zeitintervallen) und im rechten Diagramm den dazugehörigen Druckverlust als Funktion der abgeschiedenen Staubmassen bezogen auf die Filterfläche A.

In Bild 3 sind die Ergebnisse für einen F7-Taschenfilter aus Synthetikfasern mit Elektretwirkung dargestellt.

Untersucht wurden drei der sechzehn Filter, die in der ersten von zwei Filterstufen eines Frischluftzugs eingesetzt waren. Diese Filter wurden also ohne Vorfiltration mit Außenluft beaufschlagt. Im linken Diagramm wird der Fraktionsabscheidegrad als Mittelwert über die drei Filter dargestellt. Aus Gründen der Anschaulichkeit wird auf die Darstellung der Fehlerbalken verzichtet. Die Abscheide­effizienz hat bereits nach 3,5 Monaten deutlich abgenommen. Nach einer Betriebsdauer von insgesamt acht Monaten ist eine weitere Verschlechterung zu verzeichnen, und selbst nach 18 Monaten ist noch keine Verbesserung aufgrund der deponierten Partikel zu erkennen. Die Effizienz ist noch immer auf dem gleichen niedrigen Niveau. Die in der Legende angegebenen abgeschiedenen Massen wie auch der Druckverlust sind die Mittelwerte der drei betrachteten Filter. Im rechten Diagramm sind ausgehend von einem Wert von 95 Pa bei 3 400 m³/h im Anfangsstadium (Streuung über drei Filter ca. ± 1 Pa) die Druckverlustdaten für die drei Filter separat aufgetragen. Man erkennt, dass die abgeschiedenen Massen auf den drei Filtern sehr unterschiedlich waren. Dies ist vermutlich auf eine ungleichförmige Anströmsituation dieser drei Filter in der Filterstufe zurückzuführen. Der Druckverlust ist während der 18 Monate Einsatzdauer im Maximum bei einem der Filter von 95 auf ca. 120 Pa angestiegen. Bei Beaufschlagung mit dem Teststaub ASHRAE nach DIN EN 779 beträgt der maximale Druckverlust 450 Pa. Dieser Druckverlust­endwert wurde in keinem einzigen Fall erreicht.

Die Ergebnisse für einen F7-Taschenfilter aus Glasfasern sind in Bild 4 dargestellt.

In diesem Fallbeispiel wurden alle vier Filter der zweiten Filterstufe einer kleinen Lüftungsanlage untersucht. In der ersten Filterstufe befanden sich G4-Filter. Diese F7-Filter wurden also mit vorgefilterter Außenluft beaufschlagt. Der Einsatz in der Lüftungsanlage erfolgte hier über einen Zeitraum von 21 Monaten. Während die Fraktionsabscheidegrade bis zu einer Einsatzdauer von 16 Monaten kaum voneinander zu differenzieren sind, scheint sich nach 21 Monaten eine geringfügig bessere Abscheideeffizienz ergeben zu haben. Der Druckverlust bei 3 400 m³/h, der im Mittel über die vier Filter im Anfangsstadium bei 102 Pa (Streuung ± 2 Pa) lag, liegt nach 21 Monaten im Mittel bei 132 Pa. Die individuell auf den Filtern abgeschiedenen Massen streuen deutlich weniger als im Falle der in Bild 3 betrachteten Filter. Dies deutet auf eine gleichförmigere Anströmung hin. Die abgeschiedenen Massen sind aufgrund der Vorfiltration insgesamt deutlich geringer als bei dem vorherigen Fallbeispiel.

Relativ neu auf dem Markt sind Filter aus Synthetikfasern mit einer Feinstfaserschicht. In Bild 5 sind im linken Diagramm erneut Fraktionsabscheidegrade von F7-Taschenfiltern dargestellt.

Die vier untersuchten Filter, die keine Elektretwirkung aufweisen, stammen aus der zweiten Filterstufe einer kleinen Lüftungsanlage mit G4-Vorfiltration. Sie waren 21 Monate im Realeinsatz. Mit zunehmender Einsatzdauer ergibt sich eine signifikante kontinuierliche Verbesserung des Fraktionsabscheidegrads. Die Effizienz bei einem Partikeldurchmesser von 0,4 µm steigt von einem Anfangswert von 0,35 auf 0,8 nach 21 Monaten Einsatzdauer an. Der Druckverlust bei den Filtern mit der Feinstfaserschicht steigt im Vergleich zu dem bei den Filtern aus Glasfasern oder denen aus Elektretmedien stärker an. Bei einem Nennvolumenstrom von 3 400 m³/h beträgt der Druckverlust im Neuzustand 81 Pa (Streuung ± 2 Pa) im Mittel und nach 21 Monaten 212 Pa.

Der Fraktionsabscheidegrad und der Druckverlust von F9-Kassettenfilter aus Glasfasern in verschiedenen Realbeladungsstadien werden in Bild 6 gezeigt.

In einer weiteren Versuchsreihe sind F9-Kassettenfilter aus Glasfasern in den Umluftzügen einer größeren Lüftungsanlage eingebaut worden. Bei konstanten Klimabedingungen wurden diese Kassettenfilter lediglich mit der in der umgewälzten Luft enthaltenen Partikelfracht beaufschlagt. Bei einer Einsatzdauer von 30 Monaten wurde ein Anstieg des Druckverlusts von bis zu lediglich 15 Pa gemessen. Die Fraktionsabscheidegrade hatten sich nach dieser Zeit gegenüber dem Anfangszustand nicht relevant verändert. Im Rahmen des Projekts sind eine Reihe weiterer Synthetik-Taschenfilter der Filterklassen F7, F8 und F9 mit Elektretwirkung in verschiedene Lüftungsanlagen eingebaut worden. Die nachlassenden Elektreteigenschaften der Filter haben sich bereits in jeder der betrachteten Lüftungsanlage schon bei kurzer Nutzungsdauer gezeigt.

3.2 Bestimmung der Effizienz der RLT-Filtern in der Lüftungsanlage

Zunächst sollte der Fraktionsabscheidegrad eines F9- Kassettenfilters in situ in einer der Lüftungsanlagen in Anlehnung an DIN EN ISO 29462 [6] gemessen werden. Um auch die Partikelanzahlkonzentration bzw. Größenverteilung der ultrafeinen (< 100 nm) Partikel messen zu können, wurden – abweichend von der Norm – keine optischen Partikelzähler verwendet. Zum Einsatz kamen ein Scanning Mobility Sizer (SMPS) mit einer Zeitauflösung von ca. 2 min sowie ein Fast Mobility Particle Sizer (FMPS) speziell für die Partikelmessung bei instationären Prozessen. Im Vergleich zu den am Normprüfstand mit DEHS ermittelten Fraktionsabscheidegraden ergaben sich dabei deutliche Unterschiede. Dies kann damit erklärt werden, dass es bei der In-situ-Messung aus baulichen Gründen nicht möglich war, ausreichende Vor- und Nachlaufstrecken zu realisieren. Die Probenahme erfolgte mittig vor bzw. hinter einem der Filterelemente. Der Volumenstrom konnte ebenfalls nicht normkonform ermittelt werden und betrug zum Zeitpunkt der Messung ca. 2 550 m³/h. Dieser Wert wurde dann auch am Normprüfkanal nach DIN EN 779 im Labor gewählt.

Das Hauptproblem war die gewählte Zeitdauer für die roh- und reingasseitigen Aerosolprobenahme. Um eine aus­reichende Zählstatistik zu erzielen, war es notwendig, je eine fünfminütige rohgasseitige Messung vor und nach einer zehnminütigen reingasseitigen Messung vorzunehmen. Um hier keine Probleme aufgrund eines instationären Betriebs der Lüftungsanlage zu bekommen und die weiteren Messunsicherheiten aufgrund der nicht repräsenta­tiven Probenahme zu eliminieren, wurden Messungen in einer zweiten Versuchsreihe mit ungefilterter Außenluft am Normprüfkanal vorgenommen. In Bild 7 werden die rohgas- und reingasseitige Gesamtanzahlkonzentrationen bei einer Außenluftexposition des Filters über einen Zeitraum von ca. zweieinhalb Stunden dargestellt.

Man erkennt, dass sowohl die Rohgas- als auch die Reingaskonzentrationen signifikanten Schwankungen unterliegen. Die Messergebnisse wurden mit einem SMPS-System ermittelt. Die Nachteile des SMPS-Systems bei einem instationären Einsatzfall werden durch eine Reihenmessung über einen längeren Zeitraum und anschließende Mittelwertbildung zur Ermittlung des Fraktionsabscheidegrads kompensiert.

Berechnet man die Fraktionsabscheidegrade für den ersten und den zweiten Reingasmesszyklus und die umklammernden Rohgasmesszyklen separat, ergeben sich die in Bild 8 gezeigten Kurvenverläufe, gekennzeichnet durch eine hohe Messunsicherheit.

Dennoch ist zu erkennen, dass die beiden separat gebildeten Fraktionsabscheidegrade auf unterschiedlichem Niveau liegen. Der Filter hat über die Expositionsdauer zwischen diesen beiden Fällen jedoch sicherlich keine Änderung seiner Abscheideeffizienz erfahren. Demzufolge erstreckt sich die Mittelwertbildung, wenn man beide Fälle separat betrachtet, offensichtlich noch nicht über eine ausreichend große Datenmenge bzw. eine ausreichend große Zeitdauer.

In Bild 9 wird der Mittelwert über die beiden bisher separat betrachteten Zeiträume im Vergleich zu den DEHS-Frak­tionsabscheidegraden gezeigt.

Die Messunsicherheit bei der Messung mit Außenluft ist zwar groß, die Übereinstimmung des abgebildeten Fraktionsabscheidegrads mit den­jenigen bei Verwendung von DEHS als Prüfaerosol ist jedoch sehr gut.

4 Fazit

Zweck dieser Studie war es, RLT-Filter durch den Betrieb in einer Lüftungsanlage mit Partikeln aus der Außenluft zu beladen und dann normkonform zu prüfen. Im direkten Vergleich zur Messung nach DIN EN 779 ist dieser Ansatz deutlich besser geeignet, um Aussagen über das tatsächliche Leistungsvermögen der Filter im realen Einsatz über die gesamte Einsatzdauer zu erzielen. Je nach Standort, der Gestaltung der Lufteinlässe und der gewählten Vorfiltration ergaben sich deutliche Unterschiede bei der Beladung der Filter und damit auch der möglichen Einsatzdauer. Die Abscheideeffizienz der Filter im eingebauten Zustand für ultrafeine Partikel wurde mithilfe eines SMPS und eines FMPS ermittelt. Es ergab sich eine recht gute Übereinstimmung im Vergleich zu den DEHS- Effizienzmessungen. Die Messunsicherheit ist allerdings sehr groß, wie die Messergebnisse des SMPS-Systems verdeutlichen.

Literatur

1. DIN EN 779: Partikel-Filter für die allgemeine Raumlufttechnik; Bestimmung der Filterleistung. Berlin: Beuth 2012.
2. Lyco, H.; Stoffel, T.: Die neue ISO 16890 zur Prüfung von Luftfiltern. F & S Filtrieren und Separieren 29 (2015) Nr. 6, S. 382-384.
3. Mayers, D. L.; Arnold, B. D.: Electret and filtration: Lab testing and field performance head to head. Filtration and Separation 42 (2005) Nr. 7, S. 44-49.
4. Raynor, P. C.; Chae, S. J.: The long term performance of elec­trically charged filters in a ventilation system. J. Occup. Environ. Hyg. 1 (2004) Nr. 7, S. 463-471
5. Ripperger, S.: Sinn und Zweck der Normung und Standardisierung auf dem Gebiet der Separationstechnik. F & S Filtrieren und Separieren 25 (2011) Nr. 2, S. 90-92.
6. DIN EN ISO 29462: Betriebserprobung von Filtereinrichtungen und -systemen für die allgemeine Lüftung hinsichtlich ihrer Abscheideeffizienz im eingebauten Zustand bezogen auf die Partikelgröße und den Druckverlust. Berlin: Beuth 2013.

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben 17659 N der Forschungsvereinigung Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

¹⁾ Detailliertere Ausführungen über den Nutzen von Normen siehe [5]

²⁾ American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers