Grundlagen: Luftfilter in raumlufttechnischen Geräten (2018)

Luftfilter, RLT
Luftfilter sollen verhindern, dass sich Wärmeübertrager und Wärmerückgewinnungen mit Staub und Partikeln zusetzen und dann wirkungslos werden. (Abb. © Trox)

Der nachfolgende Grundlagenbeitrag beschreibt Aspekte zum Einsatz und zum Betrieb von Luftfiltern in zentralen raumlufttechnischen Geräten (RLT-Geräten). Dabei geht es besonders um die gemäß technischen Regeln einzusetzenden Klassen und Qualitäten von Luftfiltern, um dadurch aus der Außenluft Schadstoffe wie Gase und Partikel abzuscheiden und eine gute Zuluftqualität sicherzustellen. Viele weitere Fachaufsätze und Berichte in cci Wissensportal, die diese Themen vertiefen, finden Sie am Ende dieses Beitrags in einer Artikel- und Linkliste.

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Luftfilter in raumlufttechnischen Geräten (RLT-Geräten) haben zwei zentrale Aufgaben zu erfüllen:

  1. Aufgabe eins besteht darin, aus der angesaugten Außenluft Schadstoffe, Geruchsstoffe und Partikel auszufiltern. Dadurch wird eine hygienische Qualität der Zuluft sichergestellt, die für die Gesundheit der Personen im Gebäude zuträglich ist.
  2. Aufgabe zwei betrifft das Ausfiltern besonders von Partikeln und Stäuben aus der Außenluft und auch aus der Abluft, um dadurch die Komponenten im RLT-Gerät – zum Beispiel die Wärmeübertrager und die Wärmerückgewinnung – vor Verschmutzungen zu schützen.
Lüftungsanlagen, Luftfilter
Abbildung 1: Luftfilter sollen verhindern, dass sich Wärmeübertrager und Wärmerückgewinnungen mit Staub und Partikeln zusetzen und dann wirkungslos werden. (linke Abb. © Trox und rechte Abb. © Briem)

Wenn sich Partikel und Stäube über eine längere Zeit zum Beispiel zwischen den Lamellen eines Wärmeübertragers ansammeln und festsetzen, gibt es zwei Effekte:

  1. Erstens wird die hygienische Qualität der angesaugten Außenluft bei der Durchströmung des Filters erheblich verschlechtert.
  2. Zweitens wird das Volumen und die Fläche geringer, die für die Luft zum Durchströmen des Wärmeübertragers zur Verfügung stehen. Dadurch sinkt die Leistung der Wärmeübertragung. Gleichzeitig steigt der Druckverlust an. Dies führt zu einem höheren Leistungsbedarf des Ventilators und zu unnötigen Steigerungen der Betriebskosten. Hierzu kann man sich Folgendes merken:
  • Wenn der Druckverlust, zum Beispiel bei einem Luftfilter oder einem Wärmeübertrager, um 10 Pa ansteigt, benötigt der Ventilator (Wirkungsgrad 60 %) dafür pro m³/s Luftförderstrom knapp 17 W mehr Leistung.
  • Wenn zum Beispiel bei einem Luftvolumenstrom von 1 m³/s (= 3.600 m³/h) der Druckverlust um 20 Pa ansteigt und dieser Luftvolumenstrom an 2.500 h pro Jahr gefördert wird, entspricht das einer zusätzlichen Ventilatorleistung von 83 kWh beziehungsweise Stromkosten von etwa 17 € pro Jahr (bei 20 Cent pro kWh).

Bauarten von Luftfiltern

Bei den verschiedenen Bauarten von Luftfiltern, die wesentlich zur Abscheidung von Stäuben und Partikeln eingesetzt werden, gibt es Kompaktfilter, Taschenfilter und Paneelfilter, die aus Glasfasern oder synthetischen Materialien bestehen (Abbildung 2).

Luftfilter, Luftfilter Bauformen, RLT-Geräte
Abbildung 2: Verschiedene Bauformen von Luftfiltern zum Einsatz in RLT-Geräten (Abb. © Trox)

Wenn es darum geht, gasförmige Schadstoffe aus Luftströmen abzuscheiden, können dazu Gasfilter eingesetzt werden. Die darin enthaltene Aktivkohle bindet zum Beispiel Gerüche, Ozon, SO2 und NO2. Bei Gasfiltern gibt es zwei wesentliche Bauarten, die in Abbildung 3 dargestellt sind.

Luftfilter, Gasfilterpatronen, Taschenfilter
Abbildung 3: Gasfilterpatronen (links) und ein mit Aktivkohle angereicherter Taschenfilter zum Abscheiden von Gasen aus der Außenluft (linke Abb. © cci Dialog GmbH und rechte Abb. © Camfil)

Die Klassifikation von Luftfiltern

Luftfilter, die in RLT-Geräten eingesetzt werden, wurden bis Mai 2018 auf Basis der Norm DIN EN 779 „Luftfilter für die allgemeine Raumlufttechnik“ in Abhängigkeit von der Abscheideleistung gegenüber Partikeln in folgende Klassen eingeteilt:

G1 bis G4: Grobstaubfilter
M5 bis M6: Mediumfilter
F7 bis F9: Feinstaubfilter

Diese Einteilung hat sich mit der Einführung der Normenreihe DIN EN ISO 16890 „Luftfilter für die allgemeine Raumlufttechnik“ (Weißdruck August 2017) komplett geändert. Durch diese Norm wurden nicht nur sämtliche Prüfmodalitäten von Luftfiltern vollständig neu definiert, sondern auch die Bezeichnungen von Luftfiltern umgestellt. Nun werden Luftfilter danach beurteilt, welche Abscheideleistung sie gegenüber Partikeln der Größenklassen PM10, PM2,5 und PM1 aufweisen. Die PM-Angabe kennzeichnet die Partikelgröße in μm.

Um Herstellern, Fachplanern und Betreibern von RLT-Anlagen den Übergang von den bisherigen G-, M- und F-Klassen zu den neuen ISO ePM-Klassen zu erleichtern, haben mehrere Verbände eine „Übersetzungstabelle“ erstellt, in der die alten und die neuen Klassen gegenübergestellt sind, siehe Abbildung 4.

Abbildung 4: Gegenüberstellung der bisherigen Luftfilterklassen M und F mit den neuen ISO ePM-Klassen

Darüber angesiedelt sind Hochleistungs-Partikelfilter (EPA) der Klassen E10 bis E12, Schwebstofffilter (HEPA) der Klassen H13 und H14 sowie Hochleistungs-Schwebstofffilter (ULPA) der Klassen U15 bis U17 mit deutlich höheren Abscheidegraden. Diese werden besonders in reinen Räumen in der Pharmazie, in der Lebensmittelwirtschaft und bei der Herstellung von Elektronikkomponenten (Mikrochips) eingesetzt, wo eine extreme Partikelfreiheit der Luft gefordert wird. Solche Luftfilter spielen in der „normalen“ Raumlufttechnik eine geringe Rolle.
Seit dem Beginn der Corona-Pandemie kommen HEPA-Luftfilter verstärkt aber auch in Luftreinigern zum Einsatz. HEPA-Filter sind so dicht, dass sie auch Corona-Viren mit einer hohen Effizienz von mehr als 99% aus der angesaugten Raumluft abscheiden können und so die möglicherweise belastete Luft reinigen.

Anforderungen an Luftfilter aus technischen Regeln

Luftfilter werden in mehreren technischen Regeln behandelt. Nachfolgend zum Überblick in Kurzform einige wichtige Aussagen und Forderungen aus solchen Normen und Richtlinien.

Die DIN EN 16798 Teil 3

Im November 2017 erschien der Weißdruck der neuen DIN EN 16798 „Energieeffizienz von Gebäuden“ mit dem Teil 3 „Lüftung von Nichtwohngebäuden“ und dem zugehörigen Technischen Report als Teil 4. Diese Norm hat die bisherige DIN EN 13779 abgelöst und enthält mehrere Änderungen bei der Luftfilterung.

In der DIN EN 16798 Teil 3 steht eine Empfehlung, nach der die Qualität der in RLT-Geräten einzusetzenden Luftfilter in Abhängigkeit von der am Standort vorhandenen Belastung der Außenluft (ODA = Outdoor Air) und von der gewünschten Qualität der Zuluft (SUP = Supply Air) festgelegt wird. Dabei wird die Außenluft in drei Klassen ODA 1 (sauber), ODA 2 (belastet) bis ODA 3 (stark belastet) eingeteilt. Leitschadstoffe, die bei dieser Klasseneinteilung berücksichtigt werden, sind Belastungen durch Feinstäube (PM10), Ozon, SO2 und NO2. Die jeweiligen Grenzwerte für diese Schadstoffe sind von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) vorgegeben. Hier gilt das Motto: Je schlechter die Außenluftqualität ODA ist und je besser die Zuluftqualität SUP sein soll, umso aufwändiger muss die Außenluft gefiltert werden. Ja nachdem, welcher ODA-Wert festgestellt wurde und welche Zuluftqualität SUP erreicht werden soll, werden gemäß DIN EN 16798 Teil 3 folgende Luftfilter im RLT-Gerät empfohlen (Abbildung 5).

Luftfilter, Luftfilterqualität, DIN EN 16798 Teil 3
Abbildung 5: Empfohlene einzusetzende Luftfilterqualitäten in Abhängigkeit von der vorhandenen Außenluftqualität (ODA) am Gebäudestandort und der gewünschten Zuluftqualität (SUP) gemäß DIN EN 16798 Teil 3 (11/2017)

Wie in Abbildung 5 zu sehen ist, sind in die aktuelle Fassung der DIN EN 16798 Teil 3 die neuen ISO ePM-Luftfilterklassen noch nicht aufgenommen worden. Dies soll bei der nächsten Überarbeitung der Norm erfolgen.

Eurovent-Empfehlung

Der europäische Verband Eurovent hat die Anforderungen an Luftfilter aus der DIN EN 16798 Teil 3 und der DIN EN ISO 16890 in einer Broschüre zusammengefasst und diese für die Praxis interpretiert. Dabei werden auch die Außenluftqualitäten ODA und die Zuluftqualitäten SUP beschrieben und mit einbezogen (Abbildungen 6 und 7).

Luftfilter, Luftfilterqualität, Außenluftqualität
Abbildung 6: Außenluftqualitäten AUL/ODA 1 bis 3 in Abhängigkeit von den maximal erlaubten Partikelkonzentrationen PM2,5 und PM10 (Quelle: Eurovent)
Luftfilter, Luftfilterqualität, Zuluftqualität
Abbildung 7: Die Zuluftqualitäten ZUL/SUP 1 bis 5 in Abhängigkeit von den maximal erlaubten Partikelkonzentrationen PM2,5 und PM10 (Quelle: Eurovent)

Verknüpft man nun die Anforderungen aus Abbildung 5 (einzusetzende Luftfilterqualitäten nach DIN EN 16798 Teil 3) mit den Angaben in den Abbildungen 6 (Außenluftqualitäten) und 7 (Zuluftqualitäten), ergeben sich daraus die in Abbildung 8 dargestellten Anforderungen an Luftfilter in RLT-Geräten.

Luftfilter, Luftfilterqualität, Außenluftqualität, Zuluftqualität
Abbildung 8: Einzusetzende Luftfilterqualitäten (Mindestabscheidegrade bezüglich PM1, PM2,5 und PM10) in Abhängigkeit von den vorhandenen Außenluftqualitäten und der gewünschten Zuluftqualität (Empfehlung von Eurovent)

Was bedeuten diese Angaben für die Projektierung eines RLT-Geräts? Dazu wird aus Tabelle 8 ein typischer Fall mit einer Außenluftqualität ODA 2 und einer gewünschten Zuluftqualität SUP 2 gewählt. Hier empfiehlt die Eurovent-Tabelle den Einsatz eines Filters oder einer Filterkombination, die mindestens 70 % der PM1-Partikel aus der Außenluft abscheidet. Das wird meist ein ISO ePM1 ≥ 70 %-Luftfilter sein, der etwa der bisherigen Klasse F8 entspricht. Und ein solcher Luftfilter erfüllt aufgrund seiner guten Qualität gleichzeitig meist auch die sekundären Anforderungen zur Abscheidung der in Tabelle 8 aufgeführten PM10- und PM2,5-Partikel. Bei dem Beispiel muss also der einzusetzende Luftfilter in der Lage sein, aus der Außenluft ODA 2 (Tabelle 6: PM10 ≤ 30 μg/m³, PM2,5 ≤ 15 μg/m³) zur Zuluftqualität SUP 2 (Tabelle 7: PM10 ≤ 10 μg/m³, PM2,5 ≤ 5 μg/m³) sowohl 20 μg/m³ PM10-Partikel und 10 μg/m³ PM2,5-Partikel als auch 70 % der PM1-Partikel abzuscheiden.

Die VDI 3803

In der Richtlinienreihe der VDI 3803 (10/2010) geht es um Anforderungen an raumlufttechnische Anlagen und speziell im Blatt 4 „Luftfilter“ (09/2012) um Eigenschaften, Klassifizierungen, Prüfungen, Einsatzmöglichkeiten und Grenzen der verschiedenen Arten von Luftfiltersystemen in der Raumlufttechnik. Dazu ein Zitat aus der Richtlinie:

„Aus energetischen Gründen wird die einstufige Filterung empfohlen, falls keine mehrstufige Filterung erforderlich ist. Bei einstufiger Filterung muss mindestens die Filterklasse F7 eingesetzt werden. Bei einer zweistufigen Filterung muss die erste Filterklasse mindestens der Klasse M5 entsprechen und die zweite Filterstufe mindestens der Klasse F7. Bei höheren Anforderungen an die Filterung wird die Kombination F7/F7 empfohlen. Mit dieser Kombination wird ein ähnlicher Abscheidegrad erreicht, der auch mit der traditionellen Kombination F5/F9 erreicht wird. Zusätzlich werden die Komponenten besser geschützt und die Wirtschaftlichkeit erhöht, da der Differenzdruck der Kombination F7/F7 geringer ausfällt.“

In der VDI 3803 Blatt 4 findet man folgende Tabelle, die ähnlich wie die DIN EN 16798 Teil 3 den Zusammenhang zwischen der Außenluftqualität (AUL 1 bis AUL 3) und der Zuluftqualität (ZUL 1 bis ZUL 3) sowie die einzusetzenden Filterqualitäten beschreibt (Abbildung 9):

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Abbildung 9: Luftfilterqualitäten in Abhängigkeit von der Außenluft- und der Zuluftqualität gemäß VDI 3803

Dabei stehen in den Fußnoten zu dieser Tabelle folgende Aussagen:

  • Die Definitionen für die AUL-Qualitäten (ODA-Werte) sind identisch mit DIN EN 13779 (diese wurde durch die DIN EN 16798 Teil 3 abgelöst).
  • Hochgestellte 1: Mindestforderung in Abweichung zur DIN EN 13779. Bei höherer Zuluftqualität sind zweistufige Filterkombinationen einzusetzen.
  • Liegen hohe gasförmige Verunreinigungen vor (Grenzwerte nach Richtlinie 2008/50/EG), ist zwischen erster und zweiter Filterstufe ein Molekularfilter (Gasfilter) einzusetzen.

Die VDI 3803 besagt auch, dass bei der Planung eines Luftfiltersystems folgende Faktoren beachtet werden sollten:

  • Die Außenluftansaugung ist so zu wählen, dass die Außenluft mit der geringstmöglichen Konzentration an Partikeln/Gasen angesaugt wird
  • Gute Zugänglichkeit für die Filterüberwachung und den Filterwechsel sicherstellen
  • Feuchte > 90 % im Filter vermeiden (mikrobielles Wachstum)

Anmerkung: Die VDI 3803 Blatt 4 befindet sich in Überarbeitung. In der Neufassung werden sowohl die bisherigen Verweise auf die bisherige DIN EN 13779 ersetzt (künftig: Verweise auf DIN EN 16798) als auch die neuen ISO ePM-Filterklassen eingeführt (Stand: April 2018).

Die VDI 6022

In der VDI 6022 Blatt 1 „Hygieneanforderungen an RLT-Anlagen und Geräte“ (Januar 2018) gibt es nachfolgende Abbildung 10 mit Mindestforderungen und Empfehlungen zu Luftfilterklassen und -stufen in RLT-Anlagen. Hier wurden bereits die neuen Filterklassen aus der DIN EN ISO 16890 berücksichtigt.

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Abbildung 10: Einzusetzende Luftfilterqualitäten (Mindestabscheidegrade bezüglich PM1, PM2,5 und PM10) in Abhängigkeit von der vorhandenen Außenluftqualität (AUL) und der gewünschten Zuluftqualität (ZUL) gemäß VDI 6022 Blatt 1 (01/2018). Bei Gaskonzentrationen in der Außenluft über den WHO-Werten sind geeignete Molekularfilter einzusetzen.

Ergänzung: Die VDI 6022 Blatt 1 enthält darüber hinaus viele Forderungen, in welchen zeitlichen Abständen Luftfilter geprüft, inspiziert und gewechselt werden sollten. Sie schreibt auch vor, dass Luftfilter im RLT-Gerät niemals direkt hinter Luftbefeuchtern und Luftentfeuchtern angeordnet werden dürfen.

Arbeitsstättenregel Lüftung

In den Arbeitsstättenregeln ASR 3.6 „Lüftung“ (2012) findet man im Kapitel „Luftreinigung“ folgende Aussage zur Luftfliltration:
RLT-Anlagen sind im Außenluft- und Umluftbetrieb so zu betreiben, dass die Zuluft gemäß dem Stand der Technik gefiltert wird. Zudem darf die RLT-Anlage, zum Beispiel aufgrund einer ungenügenden Wartung, nicht selbst zur Gefahrenquelle werden.

Anmerkung: Der Stand der Technik im Hinblick auf die Qualität der Luftfiltration in einem RLT-Gerät wird zum Beispiel in den zuvor beschriebenen DIN EN 13779, VDI 3803 und VDI 6022 definiert.

Zertifizierung von Luftfiltern

Seit 2012 gibt es bei der europäischen Zertifizierungsorganisation Eurovent (www.eurovent-certification.com) ein von führenden Filterherstellern entwickeltes Programm zur energetischen Zertifizierung und zum Labelling von Luftfiltern. Dieses basiert auf folgendem Verfahren, bei dem allerdings noch die bisherigen M- und F-Klassen berücksichtigt werden:
Dieses basiert auf einem speziellen Verfahren (aktualisierte Version 2019) zu dem Sie in cci Wissensportal unter der Artikelnummer cci73728 einen ausführlichen Beitrag lesen.

Der Beitrag wurde für cci Wissensportal von Dr.-Ing. Manfred Stahl erstellt. (Stand: April 2018)

In cci Wissensportal finden Sie unter anderen folgende ergänzende Beiträge zum Thema Luftfilter und DIN EN ISO 16890:

DIN EN ISO 16890 (2017): Luftfilter für die allgemeine Raumlufttechnik (Artikelnummer cci 49093)

Luftfilter nach der neuen DIN EN ISO 16890: Wer es sich zu einfach macht verschenkt Potenzial (Artikelnummer cci 58499)

Die DIN EN 16798 Blatt 3 (2017): Lüftung von Nichtwohngebäuden (Artikelnummer cci 63305)

Die VDI 6022 Blatt 1 (2018): Hygieneanforderungen an raumlufttechnische Anlagen und Geräte (Artikelnummer cci 64197)

Luftfilter gemäß DIN EN ISO 16890 – Was folgt aus Eurovent, VDI 6022 und DIN EN 16798 für die Projektierung von RLT-Anlagen? (Artikelnummer cci 63943)

Neue WHO-Grenzwerte zur Außenluftqualität ODA und deren Auswirkungen auf Luftfilter in zentralen RLT-Geräten (Artikelnummer cci64443)

VDI 3803 Blatt 4 „Luftfilter“ Artikelnummer cci123960

Grundlagen: Technische Regeln für Luftfilter in RLT-Geräten Artikelnummer cci127042

Neue Eurovent-Energieeffizienzklassifikation für Luftfilter ab 2019 Artikelnummer cci73728

cci128695

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