Wie Schwebstofffilter Partikel aus der Luft trennen

Schwebstofffilter stehen am Ende vieler Luftwege im Betrieb, und zwar immer dort, wo die abgegebene Luft nicht nur sauber aussehen, sondern eine nachgewiesene Trennleistung erreichen muss. Der Begriff HEPA-Filter bezeichnet dabei keine Bauform und kein Material, sondern eine Klasse mit festgelegter Prüfvorschrift. Das unterscheidet ihn von jedem Filtereinsatz, dessen Wirkung sich nur an der Verschmutzung des Mediums ablesen lässt.

Was bezeichnet ein HEPA-Filter in der Lufttechnik?

Ein HEPA-Filter ist ein Schwebstofffilter, dessen Abscheidegrad nach DIN EN 1822-1 geprüft und einer Klasse zugeordnet ist. Die Abkürzung steht für High Efficiency Particulate Air. Entscheidend ist nicht die Bezeichnung, sondern die Klasse, die auf dem Typenschild des Einsatzes steht.

Die Normenreihe kennt drei Gruppen. EPA-Filter der Klassen E10 bis E12 bilden die untere Stufe, HEPA-Filter die Klassen H13 und H14, ULPA-Filter die Klassen U15 bis U17. Ein Einsatz ohne eine dieser Klassenangaben ist kein Schwebstofffilter, auch wenn er ähnlich aussieht und ähnlich gefaltet ist.

Daraus folgt eine Abgrenzung, die in der Beschaffung regelmäßig untergeht. Ein Filtermedium kann feine Partikel zurückhalten, ohne die Prüfung bestanden zu haben, weil die Prüfung nicht nur das Medium bewertet, sondern den fertigen Filter samt Rahmen und Verklebung.

Woher diese Trennleistung kommt, zeigt der Blick auf die Vorgänge im Medium.

Wie trennt ein Schwebstofffilter Partikel aus der Luft?

Ein Schwebstofffilter trennt Partikel über mehrere Vorgänge gleichzeitig: über das Aufprallen größerer Teilchen auf die Faser, über das Abfangen an der Faseroberfläche und über die Eigenbewegung sehr feiner Teilchen, die sie an die Faser heranführt. Gesiebt wird dabei nicht.

Das erklärt eine Eigenschaft, die der Anschauung widerspricht. Sehr große und sehr kleine Partikel werden besser zurückgehalten als die Teilchen in einem mittleren Bereich, weil dort keiner der Vorgänge gut greift. Diese Größe heißt Most Penetrating Particle Size und liegt je nach Medium und Anströmung etwa zwischen 0,1 und 0,3 Mikrometern.

Genau an dieser schwächsten Stelle setzt die Prüfung nach DIN EN 1822-1 an. Der Abscheidegrad wird nicht bei einer bequemen Partikelgröße gemessen, sondern bei der Größe, bei der der Filter am meisten durchlässt.

Welche Werte daraus folgen, legt die Klasseneinteilung fest.

Welche Filterklassen unterscheidet die DIN EN 1822?

Die DIN EN 1822-1 ordnet jedem Filter zwei Werte zu: einen integralen Wert für den gesamten Filter und einen lokalen Mindestwert, der an jeder einzelnen Stelle der Filterfläche erreicht werden muss. Der lokale Wert verhindert, dass eine undichte Falte im Mittelwert verschwindet.

Die Werte stammen aus der Klassentabelle der DIN EN 1822-1 und beziehen sich auf die Prüfung bei der Most Penetrating Particle Size. Sie sind Mindestwerte, keine Typangaben eines Herstellers, und gelten für den geprüften Einzelfilter.

In der betrieblichen Praxis liegt die Grenze meist zwischen H13 und H14. Der Sprung kostet Druckverlust und damit Ventilatorleistung über die gesamte Laufzeit, weshalb er nur dort sinnvoll ist, wo die Anwendung ihn verlangt.

Vor dem Schwebstofffilter arbeiten weitere Stufen, die einer anderen Norm folgen.

Was regelt die DIN EN ISO 16890 für die Stufen davor?

Die DIN EN ISO 16890 klassifiziert die Luftfilter der Stufen vor dem Schwebstofffilter. Sie ist 2017 an die Stelle der früheren Einteilung nach DIN EN 779 getreten und bewertet Filter nicht mehr über einen Laborstaub, sondern über die Wirksamkeit gegenüber Feinstaubfraktionen.

Die Klassen heißen ISO Coarse, ISO ePM10, ISO ePM2,5 und ISO ePM1. Ein Filter der Gruppe ISO ePM1 hält also einen bestimmten Anteil der Partikel bis ein Mikrometer zurück, und dieser Anteil steht als Prozentwert hinter der Klasse. Die Angabe bezieht sich auf eine Fraktion, nicht auf eine einzelne Partikelgröße.

Für die Auslegung bedeutet der Wechsel der Norm eine neue Kaskade. Eine Vorstufe nach ISO 16890 schützt den Schwebstofffilter vor der groben Staubfracht und verlängert dessen Standzeit, während der Schwebstofffilter selbst nach DIN EN 1822-1 geprüft bleibt. Wie weit eine solche Kaskade reicht, hängt an der Erfassung der Stäube in der Fertigung, weil ein Filter nur bewerten kann, was ihn überhaupt erreicht.

Welche Anwendungen diese Stufen verlangen, unterscheidet sich stark.

Wo kommen HEPA-Filter in Industrie und Gebäudetechnik zum Einsatz?

Zum Einsatz kommen HEPA-Filter dort, wo eine Luftmenge in einen Bereich geführt wird, der eine definierte Partikelarmut braucht, oder aus einem Bereich heraus, dessen Abluft nicht ungefiltert ins Freie darf. Beide Fälle verlangen dieselbe Klasse aus unterschiedlichen Gründen.

In der Reinraumtechnik der Elektronik, der Pharmazie und der Medizintechnik sitzt der Schwebstofffilter als Endstufe in der Zuluftdecke. In der Gebäudetechnik findet er sich in Operationsabteilungen und in Laborbereichen. In der Industrie arbeitet er als Nachfilterstufe hinter einer Absaugung, wenn die Reinluft in die Halle zurückgeführt wird oder wenn ein Werkstoff abgetragen wird, dessen Staub nach der Gefahrstoffverordnung als krebserzeugend eingestuft ist.

Hinzu kommt die Rückbau- und Sanierungstechnik. Mobile Geräte zur Unterdruckhaltung tragen Schwebstofffilter, damit ein abgeschotteter Bereich seine Belastung nicht in die übrigen Räume abgibt, und ihre Eignung weisen sie über die Klasse des eingebauten Filters nach.

An die Eignung schließt sich die Frage nach dem Nachweis im Einzelfall an.

Wie wird der Abscheidegrad eines Schwebstofffilters nachgewiesen?

Nachgewiesen wird der Abscheidegrad zweifach: im Werk am Einzelfilter nach DIN EN 1822-1 und nach dem Einbau an der eingebauten Stufe. Der erste Nachweis gilt dem Filter, der zweite der Dichtheit zwischen Filter und Gehäuse, weil ein korrekt geprüfter Filter in einem undichten Rahmen seine Klasse verliert.

Die Werksprüfung begleitet den Filter als Prüfprotokoll mit Seriennummer, gemessenem Abscheidegrad und Druckverlust im Neuzustand. Dieses Protokoll gehört zur Abnahme der Anlage und ist später die Bezugsgröße, an der sich die Zunahme des Druckverlusts ablesen lässt.

Die Prüfung am Einbauort erfolgt durch Abscannen der Filterfläche und der Dichtlinie mit einem Prüfaerosol. Betriebe mit eigener Messtechnik führen sie selbst, andere beauftragen dafür eine Prüfstelle oder binden sie in die Instandhaltung ein. In beiden Fällen entsteht ein Protokoll, auf das sich eine Aufsicht oder ein TÜV-Sachverständiger später beziehen kann.

Dieses Protokoll ist zugleich der Ausgangspunkt für das Wechselintervall.

Woran bemisst sich das Wechselintervall eines HEPA-Filters?

Das Wechselintervall bemisst sich am Differenzdruck über dem Filter, nicht am Kalender. Steigt er gegenüber dem im Protokoll festgehaltenen Anfangswert auf den von der Anlagenplanung festgelegten Enddruck, ist der Filter zu tauschen, unabhängig davon, wie lange er in Betrieb war.

Der Grund liegt in der Arbeitsweise des Mediums. Ein Schwebstofffilter wird im Betrieb dichter, nicht durchlässiger, weil sich die abgeschiedenen Partikel in der Faserstruktur ablagern. Seine Trennleistung bleibt dabei erhalten oder steigt, während der Druckverlust wächst und der Volumenstrom sinkt, sofern der Ventilator nicht nachregelt.

Ein festes Wartungsintervall ersetzt die Messung deshalb nicht, es schützt nur davor, sie zu vergessen. Belastbar wird die Überwachung erst mit einer dauerhaften Differenzdruckmessung je Filterstufe und einer Grenzwertmeldung. Weil dabei der Ventilator gegen einen steigenden Widerstand arbeitet, gehört die Instandhaltung des Antriebs in dieselbe Betrachtung wie der Filterwechsel selbst.

Damit ist geklärt, wie ein Schwebstofffilter betrieben wird. Offen bleibt, für welche Betriebe er sich überhaupt rechnet.

Wann lohnt sich der Einsatz eines HEPA-Filters im Betrieb?

Der Einsatz lohnt sich, sobald eine Anforderung an die Partikelarmut der Luft nachgewiesen werden muss und nicht nur erfüllt werden soll. Wo ein Protokoll verlangt wird, führt an einer geprüften Klasse nach DIN EN 1822-1 kein Weg vorbei, weil nur sie einen Wert trägt, auf den sich ein Nachweis stützen lässt.

Dafür sprechen mehrere typische Anlässe. Eine Rückführung der Reinluft in die Halle, die den Volumenstrom der Heizung entlastet und deshalb eine hohe Trennstufe verlangt. Ein Wechsel des Werkstoffs, dessen Staub nach der Gefahrstoffverordnung anders einzustufen ist als der bisherige. Und eine Auflage aus der Gefährdungsbeurteilung, die sich auf Handlungshilfen der DGUV stützt und eine Nachfilterstufe als Maßnahme benennt.

Gegen den Einsatz spricht, wenn die Erfassung an der Maschine nicht sitzt. Eine hohe Filterklasse hinter einer schlecht erfassenden Haube verbessert die Belastung am Arbeitsplatz kaum, kostet aber dauerhaft Ventilatorleistung. In diesem Fall bringt eine Nacharbeit an Haube und Rohrführung mehr als eine Stufe mehr im Filtergehäuse.