高校洁净室建设中ULPA超高效过滤器的技术要求与安装规范 一、引言 随着高校科研水平的不断提升，尤其是在微电子、生物医药、纳米材料、精密制造等前沿科技领域的快速发展，对实验环境的洁净度提出了极...
高校洁净室建设中ULPA超高效过滤器的技术要求与安装规范
一、引言
随着高校科研水平的不断提升，尤其是在微电子、生物医药、纳米材料、精密制造等前沿科技领域的快速发展，对实验环境的洁净度提出了极高要求。洁净室作为保障科研实验精确性与可重复性的核心基础设施，其空气质量控制至关重要。在洁净室空气处理系统中，超低穿透率空气过滤器（Ultra-Low Penetration Air Filter, ULPA） 扮演着决定性角色，是实现ISO Class 1至Class 5级洁净环境的关键设备。
ULPA过滤器相较于传统HEPA（高效颗粒空气过滤器），具有更高的过滤效率和更低的颗粒穿透率，尤其适用于对亚微米级粒子极为敏感的高精尖实验环境。本文将围绕高校洁净室建设中ULPA过滤器的技术参数、性能标准、选型依据、安装流程及维护规范进行系统阐述，并结合国内外权威文献与行业标准，为高校洁净室的设计与运行提供科学指导。
二、ULPA过滤器的基本原理与分类
2.1 工作原理
ULPA过滤器主要通过以下四种机制捕获空气中悬浮的微粒：
- 拦截效应（Interception）：当粒子随气流运动接近纤维表面时，被直接接触并粘附。
- 惯性撞击（Inertial Impaction）：较大粒子因惯性无法跟随气流绕过纤维而撞击被捕获。
- 扩散效应（Diffusion）：极小粒子（<0.1μm）受布朗运动影响，随机碰撞纤维被捕集。
- 静电吸附（Electrostatic Attraction）：部分滤材带有静电，增强对微粒的吸引力。
其中，对于0.1~0.3μm粒径范围内的粒子，扩散与拦截共同作用达到低过滤效率点（MPPS, Most Penetrating Particle Size），这也是评估ULPA性能的核心指标。
2.2 分类与等级划分
根据国际标准IEC 60335-2-69及美国DOE标准，ULPA过滤器通常指对0.12μm或0.2μm粒子过滤效率≥99.999%的空气过滤装置。其分级如下表所示：
| 过滤器类型 | 标准粒径 (μm) | 小效率 (%) | 对应标准 |
|---|---|---|---|
| HEPA H13 | 0.3 | 99.95 | EN 1822:2009 |
| HEPA H14 | 0.3 | 99.995 | EN 1822:2009 |
| ULPA U15 | 0.12 | 99.999 | EN 1822:2009 |
| ULPA U16 | 0.12 | 99.9995 | EN 1822:2009 |
| ULPA U17 | 0.12 | 99.9999 | EN 1822:2009 |
注：EN 1822为欧洲标准化组织发布的《高效和超高效空气过滤器》标准，广泛应用于全球洁净技术领域。
在中国，《GB/T 13554-2020 高效空气过滤器》标准中也明确了ULPA级别的定义，要求U15及以上级别过滤器对0.1~0.2μm粒子的穿透率低于0.001%，即效率≥99.999%。
三、ULPA过滤器的关键技术参数
为确保高校洁净室长期稳定运行，选择合适的ULPA过滤器需综合考虑多项技术参数。下表列出了主要性能指标及其典型值范围：
| 技术参数 | 典型值/范围 | 说明 |
|---|---|---|
| 过滤效率（0.12μm） | ≥99.999%（U15起） | 按EN 1822测试方法测定 |
| 初始阻力 | 180~280 Pa | 影响风机能耗与风量匹配 |
| 额定风量 | 0.45 m/s ±10% | 标准测试风速 |
| 容尘量 | ≥500 g/m² | 决定使用寿命 |
| 滤料材质 | 超细玻璃纤维（直径≤0.5μm） | 高比表面积，低阻力 |
| 框架材料 | 铝合金、镀锌钢板、不锈钢 | 防腐蚀、高强度 |
| 密封方式 | 聚氨酯发泡胶、液槽密封 | 防止旁通泄漏 |
| 泄漏率 | ≤0.01%（扫描检漏法） | 使用PAO或DOP气溶胶检测 |
| 使用寿命 | 3~7年（视环境而定） | 受前级过滤器保护程度影响 |
资料来源：ASHRAE Handbook—HVAC Applications (2020), IEST-RP-CC001.5 (2018)
此外，ULPA过滤器还应具备良好的耐湿性与抗微生物滋生能力，特别是在生物安全实验室或细胞培养洁净室内，滤材常需经过抗菌涂层处理或采用疏水性复合材料。
四、ULPA过滤器的选型原则
在高校洁净室建设项目中，ULPA过滤器的选型必须基于具体应用场景、洁净等级要求及系统设计参数。以下是关键选型要素：
4.1 洁净等级匹配
根据ISO 14644-1标准，不同实验区域对应不同的空气洁净度等级。ULPA主要用于高等级洁净区：
| ISO等级 | 粒径≥0.1μm大允许浓度（个/m³） | 推荐使用过滤器类型 |
|---|---|---|
| ISO 3 | 1,000 | ULPA U16~U17 |
| ISO 4 | 10,000 | ULPA U15~U16 |
| ISO 5 | 100,000 | ULPA U15 或 HEPA H14 |
| ISO 6 | 1,000,000 | HEPA H14 |
引用自：ISO 14644-1:2015 Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration
例如，清华大学某集成电路微纳加工平台要求达到ISO 3级，因此全部采用U17级ULPA过滤器，配合单向流送风系统，确保晶圆表面无污染。
4.2 气流组织形式
ULPA过滤器的布置方式取决于洁净室的气流模式：
- 垂直单向流（Vertical Laminar Flow）：ULPA安装于顶棚满布式布局，适用于百级（ISO 5）以上洁净区。
- 水平单向流（Horizontal Laminar Flow）：ULPA设置于一侧墙面，常用于局部工作台。
- 非单向流（Turbulent Flow）：多用于万级以下区域，ULPA作为末端精过滤使用。
北京大学生命科学学院某P2级实验室采用“顶送侧回”非单向流设计，在回风夹道前设G4+F8+H13三级预过滤，末端配置U15 ULPA，有效控制生物气溶胶风险。
4.3 系统压降与能效平衡
ULPA过滤器初始阻力较高，若不妥善匹配风机与管道系统，将显著增加运行能耗。建议遵循ASHRAE节能指南，选用低阻高效产品。例如：
| 品牌型号 | 效率等级 | 初始阻力（Pa） | 面风速（m/s） | 能效等级 |
|---|---|---|---|---|
| Camfil FSU | U16 | 220 | 0.45 | A++ |
| Donaldson DuraSpan | U15 | 260 | 0.45 | A+ |
| AAF FlexFilter XE | U17 | 240 | 0.45 | A++ |
数据来源：Camfil Technical Catalogue 2023; Donaldson Company, Inc. Product Guide
五、ULPA过滤器的安装规范
正确安装是保证ULPA过滤器性能发挥的前提。任何密封不良或机械损伤都将导致洁净度失控。
5.1 安装前准备
- 现场清洁：安装区域须完成建筑装修、除尘并封闭门窗。
- 结构检查：确认吊顶强度足以承载过滤器重量（通常每块重15~30kg）。
- 工具准备：配备PAO发生器、光度计、粒子计数器、扭矩扳手等检测设备。
5.2 安装方式对比
| 安装方式 | 结构特点 | 适用场景 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 背板式（Panel Mount） | 通过螺钉固定于龙骨背板 | 改造项目、空间受限 | 成本低，便于更换 | 密封性较差，易泄漏 |
| 液槽密封式（Liquid Seal） | 滤芯插入硅油槽实现动态密封 | 高可靠性洁净室 | 零泄漏，抗震性强 | 初期投资高，维护复杂 |
| 压紧式（Gasket Compression） | 橡胶密封条压紧框架边缘 | 新建洁净室主流方案 | 安装快捷，密封可靠 | 需定期检查垫片老化 |
参考：IEST-G-CC034.1 Recommended Practice for Testing ULPA Filters (2021)
清华大学某国家重点实验室采用液槽密封式ULPA系统，所有过滤器均预装于模块化吊装单元，现场仅需对接即可，极大提升了安装精度与效率。
5.3 安装步骤
- 定位划线：依据图纸确定每个过滤器位置，误差≤±2mm。
- 安装框架：调平主龙骨，焊接或螺栓固定支撑结构。
- 放置过滤器：轻拿轻放，避免滤纸褶皱或破损。
- 施加压力：使用专用压件均匀施力，推荐扭矩值见下表：
| 框架尺寸（mm） | 推荐锁紧扭矩（N·m） |
|---|---|
| 610×610 | 1.8 ± 0.2 |
| 1219×610 | 2.0 ± 0.3 |
| 1219×1219 | 2.5 ± 0.3 |
来源：AAF International Installation Manual v4.2 (2022)
- 密封检测：采用PAO（聚α烯烃）气溶胶发生器喷射上游，下游用光度计扫描，接受标准为：
- 单点泄漏 ≤ 0.01%
- 平均泄漏 ≤ 0.005%
该过程应覆盖整个过滤面及边框接缝，扫描速度≤5 cm/s。
六、运行监测与维护管理
ULPA过滤器虽寿命较长，但需定期监测以确保持续有效性。
6.1 日常监控项目
| 监测项目 | 频率 | 方法/仪器 | 判定标准 |
|---|---|---|---|
| 静压差 | 每日 | 压差表 | 初始值+50%报警 |
| 悬浮粒子浓度 | 每周 | 激光粒子计数器 | 符合ISO 14644-1限值 |
| 微生物采样 | 每月 | 沉降菌法/空气采样器 | ≤1 CFU/m³（无菌操作区） |
| 过滤器完整性测试 | 每半年 | PAO/DOP扫描检漏 | 无泄漏点 |
引用：《药品生产质量管理规范（2010年修订）》附录1：无菌药品
6.2 更换条件
符合以下任一情况即应更换ULPA过滤器：
- 阻力超过初阻力2倍且清洗无效；
- 扫描检漏发现不可修复泄漏；
- 物理损伤（如滤纸撕裂、框架变形）；
- 连续三个月粒子浓度超标且排除其他污染源。
复旦大学张江校区某干细胞实验室建立“过滤器生命周期档案”，记录每次检测数据、更换时间及前后性能对比，实现全周期追溯管理。
七、国内外应用案例分析
7.1 国内案例：浙江大学超净实验室
浙江大学硅材料国家重点实验室建设1000㎡ Class 10（ISO 4）洁净厂房，采用Camfil U17级ULPA过滤器共320台，布置于FFU（风机过滤单元）阵列中。系统配置三级前置过滤（G4+F7+H13），经第三方检测，0.1μm粒子浓度稳定在350个/m³以下，满足12英寸晶圆制造需求。
7.2 国外案例：MIT.nano Facility（美国麻省理工学院）
MIT于2018年建成MIT.nano研究中心，总面积达215,000平方英尺，其中洁净区占70,000平方英尺。其ULPA系统采用Pall Corporation的TPU系列超低穿透过滤器，额定效率达99.9999%（0.12μm），并通过智能传感器网络实时监测每块过滤器的压降与泄漏状态，实现预测性维护。
参考文献：Belcher, K. et al. (2019). Design and Operation of the MIT.nano Cleanroom Facility. Journal of Vacuum Science & Technology B, 37(6), 060801.
八、发展趋势与技术创新
近年来，ULPA过滤器正朝着智能化、绿色化方向发展：
- 智能集成：嵌入RFID芯片或IoT传感器，实时上传压差、温湿度、使用时长等数据。
- 纳米纤维复合滤材：采用静电纺丝技术制备PVDF或聚酰胺纳米纤维层，提升捕集效率同时降低阻力。
- 可再生型ULPA：日本大金公司研发出热可逆型滤材，可在高温下释放积尘，延长使用寿命。
- 低碳制造：欧盟推动“Green HVAC”计划，要求ULPA产品全生命周期碳足迹降低30%以上。
中国《“十四五”节能减排综合工作方案》明确提出推广高效空气净化设备，支持高校科研设施绿色升级。
参考文献
- 国家市场监督管理总局. GB/T 13554-2020《高效空气过滤器》[S]. 北京: 中国标准出版社, 2020.
- ISO 14644-1:2015, Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration [S]. International Organization for Standardization, 2015.
- EN 1822:2009, High efficiency air filters (HEPA and ULPA) [S]. CEN, European Committee for Standardization.
- ASHRAE. ASHRAE Handbook—HVAC Applications. Chapter 8: Clean Spaces. Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2020.
- IEST-RP-CC001.5, Testing HEPA and ULPA Filter Media [R]. Institute of Environmental Sciences and Technology, 2018.
- IEST-G-CC034.1, Recommended Practice for Testing ULPA Filters in Installations [R]. IEST, 2021.
- 百度百科. ULPA过滤器 [EB/OL]. http://baike.baidu.com/item/ULPA%E8%BF%87%E6%BB%A4%E5%99%A8, 2023年更新.
- Camfil. FSU ULPA Filter Technical Data Sheet, 2023 Edition.
- Donaldson Company, Inc. DuraSpan ULPA Product Guide, 2022.
- AAF International. FlexFilter XE Series Installation Manual, Rev. 4.2, 2022.
- Belcher, K., et al. "Design and Operation of the MIT.nano Cleanroom Facility." Journal of Vacuum Science & Technology B, vol. 37, no. 6, 2019, pp. 060801. DOI: 10.1116/1.5126487.
- 浙江大学基建处. 《硅材料国家重点实验室洁净室工程总结报告》, 2021.
- 国务院. 《“十四五”节能减排综合工作方案》. 国发〔2021〕31号, 2021.
（全文约3,680字）
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