Kluczowe znaczenie oczyszczania powietrza wewnątrz budynków | FRAPOL

Zanieczyszczenia powietrza

Poprawa efektywności energetycznej budynków, stymulowana ciągłymi zmianami w prawodawstwie krajowym i europejskim, wpływa na wiele parametrów, w tym między innymi na szczelność obiektów, co z kolei podnosi znaczenie efektywnego systemu wentylacji. Bez niego, u osób przebywających wewnątrz pomieszczeń, mogą pojawić się objawy syndromu chorego budynku, między innymi reakcje alergiczne lub pogorszenie samopoczucia.

Niezależnie od zanieczyszczeń zawartych w powietrzu zewnętrznym, w pomieszczeniach o małej kubaturze nawet niewielkie źródła emisji szkodliwych substancji mogą w krótkim czasie prowadzić do wzrostu ich stężeń, które znacząco przekroczą te infiltrujące z zewnątrz. Źródłami polutantów wewnątrz budynku mogą być materiały budowlane na przykład tynki, farby, ale także wyposażenie wnętrz, urządzenia, stosowane do konserwacji środki czystości oraz substancje związane z pobytem ludzi i realizowanymi procesami życiowymi.

Szczególnym zagrożeniem są przenoszone drogą kropelkową bakterie i wirusy. W przypadku braku właściwej wymiany powietrza, zachowanie dystansu społecznego nie zapewni bezpieczeństwa z uwagi na narastające stężenie chorobotwórczych mikrobów, których transmisja odbywa się nie tylko przez kichanie czy kaszel, ale również oddychanie czy mówienie. Badania dotyczące SARS-CoV2 wskazują, że cząsteczki mniejsze od 10 μm, w odpowiednich warunkach, unoszą się w powietrzu do trzech godzin, zwiększając ryzyko zarażenia przebywających w pobliżu osób. Aerozol większych cząstek (powyżej 60 μm) opada na podłoże w odległości 1÷2 m, stanowiąc nadal zagrożenie dla ludzi poprzez kontakt z tymi powierzchniami, na których może pozostać aktywny nawet 2÷3 dni [5].

Z uwagi na fizjologię człowieka, zanieczyszczenia pyłowe dzielone są na trzy podstawowe frakcje: PM10, PM2,5 oraz PM1,0, które oznaczają wielkość zawartych w powietrzu cząstek. Cząstki PM10 towarzyszą człowiekowi od tysięcy lat, dlatego też na drodze ewolucji wykształcony został mechanizm separacji tego typu zanieczyszczeń w górnym odcinku dróg oddechowych. Cząstki o mniejszych rozmiarach pojawiły się w środowisku wraz z powstaniem nowoczesnego przemysłu, a więc stosunkowo niedawno i nasz organizm nie zdążył przygotować na to zagrożenie remedium. Pył frakcji respirabilnej dociera nawet do pęcherzyków płucnych i może zalegać tam przez długi czas (rys. 2., 3.). Ciągła ekspozycja na wysokie stężenia pyłów może powodować schorzenia, takie jak alergie, astma, nowotwory płuc, choroby układu krążenia, przewlekłą obturacyjną chorobę płuc.

- Rys. 1. Syndrom chorego budynku

Odpowiedni system filtracyjny

Efektywna wentylacja mechaniczna, która oczyszcza powietrze z zewnątrz oraz usuwa powietrze powstałe wewnątrz stanowi rozwiązanie powyższego problemu.

Sprawne działanie systemu wentylacji zależy od czynników z zakresu zagadnień projektowych, wykonawczych i użytkowych. Prawidłowy dobór systemu filtracji powietrza z uwzględnieniem specyfiki wentylowanych pomieszczeń. Kwestie projektowe reguluje norma PN-EN 16798-3:2017-09E, która zawiera schemat postępowania w zależności od kategorii jakości powietrza zewnętrznego oraz przeznaczenia pomieszczeń.

Dobór systemu filtracyjnego

Rozwiązaniem powyższego problemu jest wentylacja mechaniczna, która nie tylko oczyszcza powietrze dostarczane z zewnątrz, ale przy odpowiedniej ilości wymian na godzinę również usuwa te powstałe wewnątrz budynku. Na odpowiednie działanie układu wentylacji składa się wiele czynników obejmujących zagadnienia projektowe, wykonawcze oraz użytkowe. Jednym z podstawowych aspektów jest dobór właściwego systemu filtracji powietrza, uwzględniającego specyfikę wentylowanych pomieszczeń. Kwestie projektowe regulowane są przez normę PN-EN 16798-3:2017-09E, która zawiera schemat postępowania w zależności od kategorii jakości powietrza zewnętrznego oraz przeznaczenia pomieszczeń.

W odniesieniu do środowiska zewnętrznego przyjęto trzy kategorie:

ODA1 dla regionów, w których średnie roczne stężenie pyłów PM2,5 nie przekracza 10 μg/m3, a PM10 ≤20 μg/m3;

ODA2 obejmuje nisko zurbanizowane tereny, dla których średnie roczne stężenie pyłów PM2,5 nie przekracza 30 μg/m3;

ODA3 to tereny mocno uprzemysłowione oraz wielkomiejskie do których możemy zaliczyć większość dużych miast w Polsce.

Do klasyfikacji pomieszczeń zastosowano pięć kategorii, zaczynając od budynków o najwyższych wymaganiach higienicznych:

SUP1, takich jak obiekty służby zdrowia, przemysłu farmaceutycznego, elektronicznego czy chemicznego.
SUP2 to kategoria obejmująca pomieszczenia przeznaczone na stały pobyt ludzi np.: placówki oświatowe, obiekty biurowe, kina itp. oraz obiekty przemysłowe o średnich wymogach higienicznych takie jak zakłady spożywcze.
SUP3 to pomieszczenia do tymczasowego pobytu ludzi np.: magazyny, centra handlowe oraz obiekty przemysłowe o podstawowych wymaganiach higienicznych. Dwie ostatnie kategorie obejmują pomieszczenia przeznaczone na krótkotrwały pobyt ludzi np.: toalety, klatki schodowe, parkingi podziemne oraz wentylację ogólną hal produkcyjnych (SUP4) i obiekty przemysłu ciężkiego (SUP5).

- Rys. 2. Infiltracja układu oddechowego człowieka w zależności od frakcji zanieczyszczeń [1]

- Rys. 3. Rozmiary cząstek zanieczyszczeń

W tabeli 1. zawarto wytyczne przytoczonej normy, czyli wybór rodzaju filtra powietrza w zależności od kategorii jakości powietrza zewnętrznego oraz przeznaczenia pomieszczeń.

W niektórych przypadkach, dla zapewnienia właściwego stopnia oczyszczenia powietrza konieczne jest stosowanie dwóch stopni filtracji. W celu ujednolicenia wymogów z obowiązującą klasyfikacją filtrów powietrza według PN-EN ISO 16890 Stowarzyszenie Eurovent przygotowało poradnik 4/23-2017, a odpowiadające stopnie filtracji zostały podane w tabeli 2.

* minimalna skuteczność filtracji filtra wtórnego ePM150%
** minimalna skuteczność filtracji filtra wtórnego ePM2,550%

Filtry tkaninowe

Zadaniem filtrów wstępnych jest separacja największych cząstek, znajdujących się w strumieniu powietrza, w celu ochrony komponentów centrali wentylacyjnej przed zabrudzeniem oraz zmniejszenie ilości zanieczyszczeń docierających do filtrów wtórnych, z reguły dokładnych, wydłużając tym samym ich żywotność. Przy doborze filtrów tkaninowych duże znaczenie ma ich budowa oraz zastosowany materiał filtracyjny. Filtry kieszeniowe cechują się przeważnie większą powierzchnią filtracji oraz pyłochłonnością niż filtry kasetowe, co przekłada się na niższe opory przepływu powietrza oraz dłuższą żywotność.

Ze względów higienicznych wkłady filtracyjne powinny być użytkowane przez okres nie dłuższy niż 6 miesięcy, a z uwagi na kwestię energochłonności systemu do monitoringu stanu zabrudzenia stosowany jest pomiar spadku ciśnienia na filtrze. Zalecane wartości końcowego spadku ciśnienia zależą od klasy filtracji i mieszczą się w przedziale 150÷300 Pa.

W przypadku instalacji obsługujących pomieszczenia czyste,dla zapewnienia odpowiedniej jakości środowiska wewnętrznego, konieczne jest stosowanie dodatkowych stopni filtracji.

W tym celu stosuje się tak zwane filtry absolutne z grup HEPA i ULPA. Z reguły trzeci stopień filtracji realizowany jest w miejscu nawiewu, poprzez zastosowanie nawiewnika lub stropu laminarnego z wkładami filtracyjnymi – niektóre aplikacje wymagają jednak umieszczenia filtrów tej klasy już w centrali wentylacyjnej.

Wraz z rozwojem świadomości oddziaływania smogu na ludzki organizm, filtry absolutne zaczęto również stosować w instalacjach wentylacji obiektów mieszkalnych.

Filtry klasy HEPA (ang. High Efficiency Particulate Air Filter), separują co najmniej 99,97% zanieczyszczeń mechanicznych większych od 0,3 μm, podczas gdy filtry ULPA (ang. Ultra Low Penetration Air), zatrzymują 99,999% zanieczyszczeń o średnicy do 0,12 μm, co pozwala na wychwycenie komórek grzybów, pierwotniaków, bakterii oraz wirusów. Okres użytkowania filtrów HEPA/ULPA nie powinien przekraczać 1 roku i podobnie jak w przypadku filtrów wstępnych/dokładnych konieczne jest stosowanie mechanizmu mierzącego spadek ciśnienia. Bardzo wysoka skuteczność pociąga za sobą duże spadki ciśnienia, sięgające nawet 500Pa, co czyni układy wyposażone w tego typu filtry bardzo energochłonnymi. Warto też pamiętać, że w przypadku przestoju instalacji wyposażonej w tego typu filtry, przed ponownym uruchomieniem filtr należy wysterylizować światłem UV.

Filtry tkaninowe zatrzymują cząstki mechaniczne, nie są jednak zdolne do wyłapywania zanieczyszczeń gazowych. W tym celu stosuje się filtry adsorpcyjne lub filtry tkaninowe o zmodyfikowanym materiale zawierającym węgiel aktywny. Filtry adsorpcyjne używane są głównie w instalacjach przemysłowych, a rodzaj medium (np. węgiel aktywny lub tlenek glinu) dobierany jest z uwzględnieniem rodzaju i stężenia spodziewanych w powietrzu substancji szkodliwych.

W układach wentylacji bytowej bardziej popularnym rozwiązaniem są filtry tkaninowe o modyfikowanym medium. Dzięki zawartości węgla aktywnego pochłaniają niebezpieczne lotne związki organiczne oraz nieprzyjemne zapachy, dodatkowo zachowując wysoki poziom filtracji mechanicznej (klasa F7 wg PN-EN 779).

Filtracja elektrostatyczna

Jednym z alternatywnych dla standardowych metod filtracji rozwiązań są filtry elektrostatyczne, które wykorzystują zjawisko wychwytywania na elektrodach osadczych uprzednio naładowanych elektrostatycznie cząstek pyłów, bakterii i grzybów znajdujących się w przepływającym powietrzu. Zasada działania i przykładowy filtr zostały przedstawione na rysunkach 3 i 4.

Badanie efektywności, prowadzone zgodnie z normą badawczą filtrów absolutnych PN-EN 1822, dla przepływu powietrza z prędkością nieprzekraczającą 2 m/s pozwala uzyskać wartości na poziomie 98,5÷99,9%, co przekłada się na klasę filtra E10.

Mocną stroną tego rozwiązania są niewielkie, w stosunku do filtrów mechanicznych, spadki ciśnienia nieprzekraczające wartości 40 Pa – co znacząco wpływa na obniżenie kosztów użytkowania instalacji. Kolejnym atutem jest możliwość regeneracji filtra za pomocą wody lub detergentów. Dzięki temu żywotność urządzenia sięga nawet 15÷20 lat. Niestety skuteczność spada wraz z zabrudzeniem filtra, a w skrajnym przypadku zgromadzone na elektrodach zanieczyszczenia mogą przedostać się do powietrza nawiewanego.

- Rys. 4. Schemat działania filtra elektrostatycznego

- Rys. 5. Filtr elektrostatyczny [2]

Filtracja UV

Kolejną grupę stanowią rozwiązania wykorzystujące do działania promieniowanie UV. W jej obrębie można wyróżnić lampy emitujące promieniowanie UV-C oraz urządzenia realizujące proces fotokatalizy. Lampy UV stosowane są jako uzupełnienie tradycyjnego systemu uzdatniania powietrza, w celu dezynfekcji komponentów centrali wentylacyjnej lub do sterylizacji przepływającego powietrza.

Elementy świetlne emitują promieniowanie o długości fali 253,7 nm, które niszczy znajdujące się w powietrzu bakterie, grzyby, a także 70÷80% wirusów, w tym również koronawirusy. Energia promieniowania UV-C uszkadza kwasy nukleinowe (DNA i RNA), powodując mutacje, które uniemożliwiają replikację, prowadząc w ten sposób do śmierci praktycznie wszystkich bakterii i inaktywacji wszystkich wirusów – zarówno DNA, jak i RNA [4].

Do wad lamp UV należy zaliczyć możliwość uszkodzenia wzroku lub skóry w przypadku niezamierzonej ekspozycji, przyspieszone starzenie się niektórych materiałów składowych centrali wentylacyjnej oraz żywotność elementów świetlnych wynoszącą 9 000 godzin. Kolejnym ważnym aspektem związanym z aplikacją rozwiązania jest konieczność skorelowania prędkości przepływającego powietrza z odpowiednią wartością gęstości promieniowania, ponieważ zbyt duża prędkość obniża efektywność tego rozwiązania, z uwagi na zbyt krótki czas ekspozycji mikroorganizmów na pro mieniowanie. Zaleca się wtedy stosowanie większej ilości lamp, aby zachować odpowiednią wartość gęstości promieniowania.

Inną formą wykorzystania promieniowania UV do oczyszczania powietrza jest realizacja procesu fotokatalizy. Przebiega on w efekcie naświetlania lampami UV matrycy o kształcie plastra miodu pokrytej dwutlenkiem tytanu. W efekcie powstają jony silnie utleniające lotne związki organiczne, neutralizujące bakterie, grzyby, wirusy, alergeny i roztocza, rozkładając je do wody i dwutlenku węgla. Proces zachodzi nie tylko na styku z matrycą, ale jest również kontynuowany w powietrzu płynącym przez kolejne sekcje centrali wentylacyjnej oraz w przewodach wentylacyjnych. Z uwagi na występowanie promieniowania UV należy się w tym przypadku liczyć z podobnymi wadami jak w przypadku standardowych lamp UV-C.

- Rys. 6. Schemat procesu fotokatalizy [4]

- Rys. 7. Lampy UV stosowane w centralach wentylacyjnych [3]

Podsumowanie

Powyższy przegląd pokazuje mnogość stosowanych w centralach wentylacyjnych metod uzdatniania powietrza wentylacyjnego. Przy wyborze konkretnego rozwiązania należy zatem rozpatrzeć szereg czynników nie tylko związanych z lokalizacją i przeznaczeniem obiektu, ale również z efektywnością oraz eksploatacją systemu.

Literatura:
[1] Eurovent REC 4-23 - Selection of EN ISO 16890 rated air filter classes - 2017_0
[2] https://www.expansion-electronic. eu/images/schede/TechnicalFocus_ENG.pdf
[3] Klingenburg International Sp. z o.o.
[4] 45stages
[5] REHVA COVID-19 guidance document,August 3, 2020.

 Autorzy:
Kornelia SZELIGA – Konstruktor, Dział Badań i Rozwoju, Frapol Sp. z o.o.
Andrzej CEBULA – Z-ca Kierownika Działu Badań i Rozwoju ds. Central Wentylacyjnych, Frapol Sp. z o.o.