filtracja w wentylacji

Zabezpieczenie przed bakteriami, grzybami, nieprzyjemnymi zapachami obejmują systemy wentylacji mechanicznej ogólnej, systemy klimatyzacyjne oraz instalacje i urządzenia wentylacji mechanicznej miejscowej wyposażone we właściwe układy filtracyjne.
Do oczyszczania powietrza stosowane są różne układy filtracyjne w zależności od wymaganego stopnia czystości powietrza doprowadzanego lub odprowadzanego z pomieszczeń przez systemy, lub instalacje klimatyzacyjne. Ze względu na wysokie wymagania stawiane czystości powietrza stosowane są wielostopniowe układy filtracyjne.
Filtry wstępne są wykorzystywane do oczyszczania powietrza z cząstek o stosunkowo dużych wymiarach i dzięki temu umożliwiają użytkowanie droższych filtrów dokładnych lub filtrów o wysokiej skuteczności przez długi czas. Filtry o wysokiej skuteczności są stosowane do oczyszczania powietrza z cząstek zanieczyszczeń, jak również bakterii Coli, Salmonelli, szczególnie szkodliwych dla ludzi i niebezpiecznych w procesach technologicznych, produkcyjnych.


Rys. 1. Wielostopniowy układ filtracyjny

Podstawowe pojęcia
Zgodnie z normą PN-B-01411:1999, filtracja powietrza jest to uzdatnianie powietrza polegające na usuwaniu z niego zanieczyszczeń stałych lub ciekłych. Zatem filtr powietrza jest urządzeniem służącym do oddzielania cząstek stałych lub ciekłych ze strumienia powietrza, w którym są zawieszone. Najważniejszy element filtra to najczęściej włóknista bądź porowata warstwa lub zespół warstw zwane materiałem filtracyjnym. Materiał, przez który przepływa oczyszczane powietrze, umieszczony jest pomiędzy ramami filtra powietrza w sposób wynikający z jego konstrukcji. Oczyszcza powietrze przez zatrzymanie cząstek na jego powierzchni i wewnątrz warstwy materiału. Materiały filtracyjne mogą być wykonane jako włókniny, tkaniny, papiery, bibuły, maty.
Opisując działanie filtrów powietrza, stosuje się pojęcie charakterystyka filtra lub charakterystyka filtracyjna. Jest to zbiór danych zawierający podstawowe właściwości (parametry) filtracyjne i przepływowe filtru. Podstawowymi parametrami do opisu i oceny procesu filtracji powietrza, zwanymi wskaźnikami filtracyjnymi, są:
• skuteczność filtracji (lub współczynnik przeskoku): całkowita lub przedziałowa (frakcyjna),
• strata ciśnienia podczas przepływu powietrza przez filtr (opór przepływu),
• pojemność pyłowa filtru.
Skuteczność filtracji - jest to zdolność urządzenia filtracyjnego lub materiału filtracyjnego do zatrzymywania zanieczyszczeń, określona jako stosunek ilości (masy, liczby cząstek) zanieczyszczeń zatrzymanych przez filtr do ilości doprowadzonej do filtra :

S1 - stężenie zanieczyszczeń (pyłu) w powietrzu przed filtrem w np. [mg/m3] lub [liczba cząstek /m3],
S2 - stężenie zanieczyszczeń (pyłu) w powietrzu za filtrem.

Pojęcie skuteczność całkowita stosuje się do opisu:
1. zatrzymania całej masy pyłu bez uwzględniania podziału na frakcje, [-] lub [%];
2. uśrednionej dla całej powierzchni filtru w danych warunkach eksploatacyjnych, [-] lub [%].

Cel stosowania filtrów
Odpowiedź jest bardzo prosta - świeże i przefiltrowane powietrze jest potrzebne, aby człowiek mógł prawidłowo funkcjonować podczas pracy, jak i w fazie odpoczynku.
Funkcje biologiczne organizmu ludzkiego potrzebują takiego powietrza, aby podczas jego inhalacji, czyste, a nie zanieczyszczone powietrze dostawało się do płuc.
Stały rozwój naszej cywilizacji oraz dążenie do podnoszenia poziomu komfortu w pomieszczeniach, w których przebywamy, ustala coraz wyższe wymagania na świeże przefiltrowane powietrze. Poza tym, zwiększa się z roku na rok grupa ludzi, która będąc ofiarą rozwoju cywilizacyjnego, jest poważnie wrażliwa na działanie alergenów. Właśnie zła wentylacja pomieszczeń i nieodpowiednio filtrowana jakość powietrza jest przyczyną powstawania alergii.
Syndrom chorych pomieszczeń i budynków (z ang. SSB - Sick Syndrom Buiding) wiąże się z podstawowym zagadnieniem braku prawidłowo działającej wentylacji doprowadzającej i filtrującej świeże powietrze. Prawie 90% swojego czasu na dobę człowiek spędza w pomieszczeniach mieszkalnych, miejscu pracy lub innych pomieszczeniach użyteczności publicznej. Z wymienionych powyżej, jedne z najważniejszych są pomieszczenia mieszkalne, gdzie przebywają najwięcej czasu wszyscy członkowie rodziny (dorośli, dzieci, osoby stare, osoby chore oraz zwierzęta domowe). Dlatego jest bardzo ważne, aby zrozumieć istotę i potrzebę prawidłowego doprowadzenia świeżego powietrza do pomieszczeń oraz zrozumieć zagrożenia wynikające z braku powyższego.
Najbardziej szkodliwe czynniki zanieczyszczające powietrze to:
a) zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego (skażenia przemysłowe z okolicznych zakładów, pyły, zarodniki roślin),
b) zanieczyszczenia emitowane w procesie produkcji, materiałów budowlanych budynków oraz materiałów wykończeniowych zainstalowanych w danym środowisku przebywania człowieka,
c) zanieczyszczenia wytwarzane podczas procesów wynikających z obecności człowieka (spalanie gazu, palenie tytoniu, sprzątania, gotowania, prac remontowych, etc.),
d) zanieczyszczenia mikrobiologiczne (kurz, grzyby, drożdżaki, pleśnie, bakterie, odpady zwierzęce, itp.).
Klasyfikacja filtrów powietrza
Podział filtrów powietrza na klasy jakości dokonywany jest na podstawie wielkości skuteczności filtracji (lub współczynnika przeskoku - dla filtrów wysokiej skuteczności) określanej, za pomocą odpowiedniej dla danej klasy filtrów metody pomiarowej oraz właściwego aerozolu testowego. Pomiary te przeprowadzane są w wyspecjalizowanych ośrodkach badawczych. Na ich podstawie producent filtrów otrzymuje charakterystykę filtra, zawierającą wartości wszystkich niezbędnych parametrów filtracyjnych.
Wybór metody pomiarowej służącej do określenia wielkości parametrów filtracyjnych zależy od rodzaju i przeznaczenia badanego materiału filtracyjnego (filtr wstępny, dokładny, wysokiej skuteczności: hepa, ulpa). Rodzaj i wielkość cząstek aerozolu testowego stosowanego podczas pomiarów są ściśle związane z przeznaczeniem badanego materiału filtracyjnego. Im dokładniejszy jest filtr, tym drobniejszy stosuje się aerozol.
Do niedawna stosowano w Polsce klasyfikację filtrów powietrza na podstawie starszych wersji norm DIN, a więc były to klasy A, B, C, Q, R, S. Natomiast w nowych normach polskich, będących tłumaczeniem standardów europejskich, znajduje się następująca klasyfikacja filtrów:
• filtry wstępne i dokładne (tak nazywane według “starego” podziału polskiego) - oznaczenia literą G (G1÷G4),
• filtry dokładne - oznaczenia literą F (F5÷ F9) (PN-EN 779),
• filtry HEPA i ULPA - oznaczenia, odpowiednio, literą H (H10÷H14) i literą U (U15÷U17) (PN-EN 1822-1).

Filtry wstępne (klasy G1÷G4) zwykle są stosowane w systemach wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń o przeciętnych wymaganiach czystości powietrza (np. hotele, restauracje, domy towarowe, sale koncertowe) i w systemach pomieszczeń o wysokich wymaganiach czystości powietrza jako filtr wstępny przed filtrami o wyższej skuteczności filtracji.
Filtry dokładne (klasy F5÷F9) są stosowane jako ostatni stopień filtracji w systemach wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń o wysokich wymaganiach czystości powietrza (np. szpitale, kabiny lakiernicze, pomieszczenia czyste) i w systemach wentylacji pomieszczeń o bardzo wysokich wymaganiach czystości powietrza przed filtrami wysokiej skuteczności.
Metody określania skuteczności i filtrów wstępnych (klasy G1÷G4) i filtrów dokładnych (klasy F5÷F9) są zawarte w polskiej normie PN-EN 779:1998 [10].
Metody opisane w tej normie dotyczą badań filtrów, dla których skuteczność filtracji określona testem pyłu atmosferycznego (przy nominalnych strumieniach objętości powietrza w przedziale od 850 m3/h do 5000 m3/h) jest mniejsza niż 98%.
Skuteczność oczyszczania filtrów klasy G1÷G4 jest wyznaczana metodą pyłu syntetycznego z zależności między masą pyłu dostarczonego do badanego filtru a masą pyłu zatrzymanego przez filtr pomiarowy (metoda grawimetryczna). Jako pył testowy jest stosowana mieszanina pyłu kwarcowego, sadzy oraz krótkich włókien bawełnianych o długości mniejszej niż 4 mm, tzw. lintersów.
Filtry klasy F5÷F9 są badane metodą pyłu atmosferycznego. Skuteczność filtracji jest wyznaczana na podstawie określenia stężenia aerozolu przed i za badanym filtrem. Pył atmosferyczny jest pobierany w sposób eliminujący wszelkie szkodliwe wpływy takich czynników, jak: wiatr, zanieczyszczenia przemysłowe, spaliny, itp.

Fotokataliza to termin oznaczający przyspieszenie reakcji chemicznej pod wpływem światła. Dwutlenek tytanu (TiO2), odpowiednio rozdrobniony do wielkości nanocząstek, ma świetne właściwości fotokatalityczne (w jego obecności pod wpływem światła szybciej zachodzą reakcje chemiczne) i właśnie dla tego spośród wielu fotokatalizatorów jest tym najczęściej stosowanym.
Zjawisko to zostało odkryte w latach siedemdziesiątych, a w ostatnich latach dzięki nanotechnologii (głównie dzięki zdolnościom uzyskiwania wyjątkowo małych cząstek TiO2 rzędu paru nanometrów) rozpropagowane i szeroko zastosowane w przemyśle.
Światło o długości fali w zakresie poniżej 400 nm (ultrafioletowe UV, pasmo światła widzialnego to zakres fali o długości 380~780 nm) powoduje w nanocząstkach półprzewodnika, jakim jest dwutlenek tytanu, wybijanie elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Szerokość przerwy energetycznej w przypadku TiO2 wynosi 3,2 eV.
Dzięki temu na powierzchni tytanu powstają elektrony (e-), które łączą się z tlenem z powietrza formując aktywny tlen (O2-) oraz dziury elektronowe (h+), które łączą się z parą otaczającego powietrza lub wodą i tworzą rodniki wodorotlenowe (OH) z wody. Ten proces jest podobny do fotosyntezy, w której chlorofil wyłapuje światło słoneczne żeby zmienić wodę i dwutlenek węgla w tlen i glukozę.
Uformowany rodnik wodorotlenowy (OH) jest silnym utleniaczem i jest dostatecznie mocny, aby utleniać i rozkładać różnego rodzaju zabrudzenia organiczne, np.: tłuszcze, oleje, spaliny, gazy zapachowe, bakterie. Po tych reakcjach zabrudzenia same odpadają lub łatwo dają się spłukać wodą tym bardziej, że powłoki z TiO2wykazują też silne właściwości hydrofilowe. Część zanieczyszczeń w kolejnych reakcjach przekształci się w wodę i dwutlenek węgla. Aktywny tlen (O2-) wyzwala zaś reakcje redukcji.
Powyższe procesy zachodzą w powłokach katalizatora w pełnym wymiarze po pewnym czasie aktywacji, potrzebnym na dostarczanie dawki energii ze światła. Okres ten to przeważnie mniej niż kilkadziesiąt godzin. Po pierwszym okresie aktywacji proces fotokatalizy zachodzi też w nocy, gdyż nagromadzona w ciągu dnia energia oddawana jest w nocy.
Zaawansowane technologicznie powłoki fotokatalityczne z użyciem TiO2 mają mocne właściwości samoczyszczące, syperhydrofilowe, bakteriobójcze, antystatyczne, dezodorujące, czyszczące powietrze i są mocnym filtrem UV.