Was einen HEPA-Filter ausmacht: Physik, Normen und Leistung in der Praxis

Ein Filter aus dem Atomzeitalter

Der Schwebstofffilter (HEPA) wurde in den 1940er-Jahren entwickelt, als die amerikanischen Atomprogramme eine Möglichkeit brauchten, radioaktive Partikel aus der Atemluft der Beschäftigten und aus der Abluft von Laboren und Anlagen fernzuhalten. Die frühen Filter hießen Absolutfilter; der Name HEPA setzte sich später durch. Die Geschichte der Luftreinigung des US-Energieministeriums beschreibt, wie aus diesen Programmen eine ganze Industrie wurde [1].

Die ursprüngliche Idee prägt bis heute die US-Definition. Die Spezifikation des Energieministeriums für HEPA-Filter verlangt einen Mindestabscheidegrad von 99,97 % für Partikel von 0,3 µm, und jeder Filter wird vor dem Einsatz einzeln geprüft [2]. Was als Schutz vor radioaktivem Staub begann, ist heute das Herzstück von Reinräumen, OP-Sälen, Pharmawerken, Sicherheitswerkbänken und Raumluftreinigern.

Kein Sieb: wie Fasern Partikel fangen

Es liegt nahe, sich einen Filter als Sieb vorzustellen, dessen Löcher kleiner sind als die Partikel. So arbeitet ein HEPA-Filter nicht. Sein Medium ist ein Vlies aus Glas-Mikrofasern in zufälliger Lage, viele davon dünner als ein Mikrometer. Die Lücken zwischen den Fasern sind viel größer als die Partikel, die der Filter fängt. Partikel werden abgeschieden, weil sie eine Faser berühren und durch Van-der-Waals-Kräfte haften bleiben; dafür gibt es drei Hauptwege [3].

• Trägheitseffekt: Große, schwere Partikel können der Luft nicht um die Faser herum folgen und prallen direkt auf. Am wirksamsten für Partikel über etwa 1 µm.
• Sperreffekt: Ein Partikel folgt der Strömung, kommt einer Faser aber so nahe, dass sein Rand sie berührt. Am wirksamsten für mittelgroße Partikel.
• Diffusion: Sehr kleine Partikel werden von Luftmolekülen angestoßen (Brownsche Bewegung), wandern quer zur Strömung und treffen eine Faser. Am wirksamsten für Partikel unter etwa 0,1 µm, und umso besser, je geringer die Luftgeschwindigkeit.

Das am schwersten aufzuhaltende Partikel

Jeder Mechanismus ist an einem Ende des Größenbereichs stark und am anderen schwach. Trägheit und Sperreffekt nehmen mit der Partikelgröße zu, Diffusion mit abnehmender Größe. Dazwischen liegt eine Größe, bei der der Filter am wenigsten abscheidet: die Partikelgröße mit dem Abscheidegradminimum (MPPS). Bei HEPA-Glasfasermedien liegt sie je nach Medium und Luftgeschwindigkeit meist zwischen etwa 0,1 und 0,3 µm [3].

Das hat eine praktische Bedeutung, die oft missverstanden wird. Ein Filter, der an seiner schwächsten Stelle bewertet wird, scheidet alles andere besser ab. Ein HEPA-Filter mit 99,97 % bei 0,3 µm hält einen höheren Anteil sowohl gröberen Staubs als auch viel kleinerer Partikel zurück, einschließlich der kleinsten Partikel in Virengröße, die durch Diffusion sehr wirksam abgeschieden werden.

Zwei Arten, einen HEPA-Filter zu bewerten

Es gibt zwei Hauptsysteme, und sie beruhen nicht auf derselben Prüfung. Der US-Ansatz des Energieministeriums und der IEST-Empfehlungen prüft bei festen 0,3 µm [2]. Die europäische Norm EN 1822 und die internationale Norm ISO 29463 prüfen bei der MPPS jedes Filters, scannen jeden Filter auf örtliche Lecks und teilen die Filter in Klassen ein [5][6]. Da die MPPS schwerer abzuscheiden ist als 0,3 µm, lassen sich die Zahlen nicht exakt umrechnen. Eine Spezifikation mit EN-1822-Klasse sollte mit einem Prüfbericht zu dieser Klasse beantwortet werden.

EN 1822 definiert außerdem E10, U16 und U17. ISO 29463 nutzt ein paralleles Schema, in dem ISO 35 H der Klasse H13 und ISO 45 H der Klasse H14 entspricht.

In Durchlass denken, nicht in Abscheidegrad

Abscheidegrade nahe 100 % verdecken große Unterschiede. Klarer ist der Durchlassgrad, also der Anteil der Partikel, der durchkommt. Ein H13-Filter darf bei seiner MPPS bis zu 50 von 100.000 Partikeln durchlassen, ein H14-Filter bis zu 5. Der Schritt von H13 auf H14 bedeutet also zehnmal weniger Partikel auf der Reinluftseite, obwohl sich die Abscheidegrade erst in der dritten Nachkommastelle unterscheiden.

Dieselbe Sicht erklärt, warum der Schritt etwas kostet. Mehr Partikel zurückzuhalten erfordert dichteres oder mehr Medium, meist also höheren Druckverlust oder einen tieferen Filter und mehr Ventilatorenergie. Darum bleibt H13 die übliche Wahl für ISO-7- und ISO-8-Räume, während H14 dort gewählt wird, wo die Raumklasse oder die Spezifikation es verlangt.

Vom guten Filter zur guten Installation

Ein Filter, der die Werksprüfung besteht, kann in der Decke trotzdem versagen. Luft nimmt den leichtesten Weg, und der führt oft um den Filter herum statt hindurch: ein Spalt in der Dichtung, eine beschädigte Ecke, ein Rahmen, der nicht fest am Gehäuse anliegt. Die meisten bei der Inbetriebnahme gefundenen Lecks liegen an Dichtung und Rahmen, nicht im Medium. Deshalb beschreibt ISO 14644-3 den Lecktest im eingebauten Zustand: Auf der Rohluftseite wird ein Aerosol aufgegeben, und die gesamte Abströmfläche samt Dichtung wird mit einer Sonde abgescannt [4].

Drei weitere Dinge entscheiden, wie gut ein eingebauter HEPA-Filter auf Dauer arbeitet. Gute Vorfilter verhindern, dass sich das HEPA-Medium schnell zusetzt. Der Volumenstrom muss im Nennbereich bleiben, denn die Abscheidung der kleinsten Partikel sinkt mit steigender Geschwindigkeit. Und der Filter muss sorgfältig behandelt werden: vor Ort ausgepackt, geprüft, das Medium nie berührt, sofort eingebaut.

Was Belege aus realen Räumen zeigen

Laborprüfungen zeigen, was ein Filter kann; Feldstudien zeigen, was er im Betrieb leistet. Während der COVID-19-Pandemie stellte ein Team am Addenbrooke's Hospital in Cambridge mobile HEPA-Filtergeräte mit UV-Entkeimung auf einer COVID-19-Station und einer Intensivstation auf und nahm Luftproben mit ausgeschalteten, eingeschalteten und wieder ausgeschalteten Geräten. Auf der Station wurde SARS-CoV-2 in den Wochen ohne Geräte in der Luft nachgewiesen, in der Woche mit laufenden Geräten nicht; auch andere bakterielle, pilzliche und virale Bioaerosole gingen zurück [7].

Die Autoren waren bei den Grenzen vorsichtig: Die Studie war klein und maß Viren in der Luft, keine Infektionen. So sollte man die meisten Belege zur HEPA-Filtration lesen. Dass Filter Partikel aus der Luft entfernen, ist gut belegt; wie stark das ein Ergebnis verändert, hängt vom Volumenstrom, vom Raum und von allem anderen ab, was darin geschieht.

Wie man einen HEPA-Filter spezifiziert

• Klasse und Norm nennen, zum Beispiel H14 nach EN 1822-1, oder 99,97 % bei 0,3 µm, wenn Ihre Spezifikation der US-Praxis folgt.
• Einen Einzelprüfbericht für jeden Filter verlangen, mit Abscheidegrad und Ergebnis des Leckscans.
• Den Volumenstrom je Filter und den höchsten zulässigen Anfangsdruckverlust angeben.
• Die Bauart nach Einsatz wählen: Minifalten-Paneele für Decken und FFUs, V- oder Kassettenfilter für hohe Volumenströme, Separatorfilter für raue oder heiße Bedingungen.
• Rahmenwerkstoff und Dichtung (Flachdichtung oder Gel) passend zum Gehäuse oder Deckenraster festlegen.
• Den Lecktest im eingebauten Zustand mit dem Installateur planen, bevor die Filter eintreffen.

Was ein HEPA-Filter nicht kann

Ein HEPA-Filter entfernt Partikel, keine Gase: Gerüche, Lösemitteldämpfe, Ammoniak oder saure Gase gehen hindurch, weil Moleküle weit kleiner sind als Partikel und nicht an Glasfasern haften. Wo Gase eine Rolle spielen, braucht es neben der HEPA-Stufe einen Chemiefilter mit Aktivkohle oder imprägniertem Medium. Und ein HEPA-Filter gleicht keine schlechte Luftführung aus: Saubere Luft am falschen Ort, oder durch eine Tür oder Wärmequelle an der Arbeitsstelle vorbeigelenkt, schützt nichts.