Filtry powietrza w wentylacji i klimatyzacji Definicje i klasyfikacja

Zastosowanie pojedynczego filtru lub układu filtrów powietrza o określonej skuteczności filtracji zapewni nie tylko obniżenie stężenia zanieczyszczeń w powietrzu dopływającym do pomieszczeń ze względu na zdrowie i samopoczucie użytkowników pomieszczeń albo wymagania technologiczne, ale też ochroni urządzenia w centrali i w sieci przewodów oraz w samych przewodach wentylacyjnych przed nadmiernym obłożeniem pyłem, co przedłuży ich czas pracy i poprawi efektywność działania.

Filtr powietrza powinien się cechować jak najlepszymi parametrami pracy: wymaganą skutecznością zatrzymywania zanieczyszczeń przy możliwie najniższym oporze przepływu powietrza. Metody badania i klasyfikacji filtrów powietrza oparte na ich skuteczności zamieszczone są w polskich normach.

Definicje

W normie zawierającej terminy stosowane w technice wentylacyjnej i klimatyzacyjnej [9] filtracja definiowana jest jako usuwanie cząsteczek z cieczy lub gazu, a filtr powietrza to urządzenie do usuwania cząstek z cieczy lub gazu.

Rozszerzoną definicję można znaleźć w innych publikacjach. Przez filtrację rozumie się zjawisko lub zespół zjawisk fizycznych, pod wpływem których cząstki aerozolowe są wydzielane ze strumienia powietrza (gazów), w którym są zawieszone, gdy przepływając, znajduje się on w pobliżu powierzchni kolektorów (elementów filtracyjnych, np. włókien).

Przeczytaj: Przyczyny i źródła zanieczyszczeń instalacji wentylacyjnych i klimatyzacyjnych >>

Mechanizmy filtracyjne

Zjawiska fizyczne, których wystąpienie prowadzi do zatrzymania cząstek w filtrze lub na jego powierzchni, zwane są mechanizmami filtracyjnymi. Mechanizm oddzielenia cząstki z powietrza w warstwie filtracyjnej przez pojedyncze włókno zależy m.in. od: średnicy włókna, średnicy cząstek, prędkości przepływu i rozkładu cząstek przed włóknem.

Do podstawowych mechanizmów filtracyjnych należą:

• dyfuzja molekularna,
• bezpośrednie zaczepienie,
• osadzanie bezwładnościowe,
• blokada (intercepcja),
• zjawiska elektrostatyczne.

W miarę zmniejszania się średnic cząstek pyłu i ich masy w kierunku wielkości cząsteczek gazu w coraz większym stopniu podlegają one prawom rządzącym kinetyką gazów. W takich warunkach cząstki pyłu zatrzymywane są w wyniku dyfuzji molekularnej na skutek zderzenia cząsteczek gazu poruszających się ruchami Browna z ziarnami pyłu, co powoduje, że najmniejsze ziarna pyłu są wytrącane ze strumienia gazu w kierunku powierzchni osadczej (włókna materiału filtracyjnego) [7].

Poznaj metody czyszczenia instalacji klimatyzacyjnych >>

Bezpośrednie zaczepienie (przechwycenie) występuje wtedy, gdy cząsteczka poruszająca się wzdłuż linii przepływu gazu wokół włókna wchodzi w kontakt z włóknem w odległości mniejszej od promienia cząsteczki i weń uderza [20].

Osadzanie bezwładnościowe pojawia się, gdy duże cząsteczki niemogące się poruszać wzdłuż linii przepływu i znajdujące się wewnątrz pewnego krytycznego przedziału odległości od osi włókien osiadają na nich pod wpływem siły ciężkości.

Blokada to mechanizm zatrzymania dużych cząstek w wyniku zakleszczenia pomiędzy włóknami o wymiarach mniejszych niż średnica ziarna pyłu [7].

Udział każdego z wymienionych powyżej mechanizmów filtracyjnych w zatrzymaniu cząstek istotnie zależy od wymiarów tych ostatnich. Na przykład dyfuzja jest dominującym mechanizmem dla cząstek mniejszych niż 0,2 mm, a osadzanie bezwładnościowe i zaczepienie dla cząstek większych od 0,2 mm [20].

Działające w filtrach siły elektrostatyczne powstają samoczynnie albo wywoływane są przez ładowanie ziaren pyłu lub działanie pola elektrostatycznego na warstwę filtrującą. Zjawisko elektrostatyczne wspomagające zatrzymanie cząsteczek pojawia się w następujących przypadkach:

• cząsteczki mające ładunek elektryczny są przyciągane przez odwrotnie naładowane włókna według prawa Coulomba za pomocą sił van der Waalsa,
• cząsteczki o ładunku neutralnym są przyciągane do naładowanego włókna, gdyż pole elektryczne indukuje wokół niego dipol, a cząsteczki o ładunku elektrycznym przyciągane są do neutralnych pod wpływem indukowania na włóknach sił lustrzanych.

Działające w filtrach siły elektrostatyczne powstają samoczynnie albo wywoływane są przez ładowanie ziaren pyłu lub działanie pola elektrostatycznego na warstwę filtrującą. Zjawisko elektrostatyczne wspomagające zatrzymanie cząsteczek pojawia się w następujących przypadkach:

• cząsteczki mające ładunek elektryczny są przyciągane przez odwrotnie naładowane włókna według prawa Coulomba za pomocą sił van der Waalsa,
• cząsteczki o ładunku neutralnym są przyciągane do naładowanego włókna, gdyż pole elektryczne indukuje wokół niego dipol, a cząsteczki o ładunku elektrycznym przyciągane są do neutralnych pod wpływem indukowania na włóknach sił lustrzanych.

Na rys. 1 przedstawiono przebieg zmienności skuteczności zatrzymywania cząstek w zależności od mechanizmu filtracyjnego i wielkości cząstek zanieczyszczeń oraz całkowitą skuteczność wynikającą z jednoczesnego występowania dwóch lub więcej mechanizmów [3].

Charakterystyka filtru i wskaźniki filtracyjne

Najważniejsze informacje dotyczące zachowania się filtrów podczas ich użytkowania zamieszczane są najczęściej w formie graficznej na wykresie, czyli na tzw. charakterystyce filtru (filtracyjnej). Jest to zbiór danych zawierający podstawowe właściwości (parametry) filtracyjne i przepływowe filtru (rys. 2).

Podstawowe parametry służące do opisu i oceny procesu filtracji powietrza nazywane są wskaźnikami filtracyjnymi. Do najważniejszych parametrów filtracyjnych zalicza się:

• skuteczność filtracji (lub przeskok),
• opór przepływu powietrza,
• chłonność pyłową,
• prędkość przepływu powietrza,
• strumień objętości powietrza,
• powierzchnię filtracyjną.

Zamieszczone w normach prPN-prEN 779 [17] i PN-EN 1822-1 [12] klasyfikacje filtrów z podziałem na grupy i klasy bazują na skuteczności filtracji lub przeskoku.

Poniżej zdefiniowano wskaźniki filtracyjne oraz inne pojęcia dotyczące filtracji.

Przeczytaj także: Czyszczenie wyciągowych instalacji wentylacyjnych w kuchniach >>

Zatrzymanie pyłu – wagowe (masowe) usuwanie pyłu obładowującego (podawane w %) [17].

Skuteczność filtracji – zdolność urządzenia filtracyjnego lub materiału filtracyjnego do zatrzymywania zanieczyszczeń określona jako stosunek ilości (masy lub liczby cząstek) zanieczyszczeń zatrzymanych przez filtr do ilości doprowadzonej do filtru:

           h = S₁ – S₂/S₁ (1)

gdzie:
S₁ – stężenie pyłu w powietrzu przed filtrem, wyrażone np. jako [mg/m³] lub [liczba cząstek/m³],
S₂ – stężenie pyłu w powietrzu za filtrem, wyrażone np. jako [mg/m³] lub [liczba cząstek/m³].

Współczynnik przeskoku (penetracji, przenikania) – stosunek ilości pyłu opuszczającego filtr do ilości pyłu doprowadzonego do filtru.

Opór przepływu powietrza (strata ciśnienia podczas przepływu powietrza przez filtr, spadek ciśnienia powietrza) – to różnica ciśnienia statycznego przed i za filtrem [Pa].

Początkowy opór przepływu – spadek ciśnienia statycznego powietrza na niezapylonym filtrze przy nominalnym natężeniu przepływu powietrza.

Końcowy opór przepływu (górna wartość graniczna) – ustalona przez producenta filtru górna wartość oporu przepływu powietrza, po osiągnięciu której materiał filtracyjny powinien zostać wymieniony. Opory przepływu powietrza podawane są w paskalach.

Chłonność pyłowa (pojemność pyłowa) – masa pyłu zatrzymanego przez filtr przypadająca na jednostkę powierzchni filtracyjnej, przy której został osiągnięty stan końcowy filtru [g/m²].

Powierzchnia czołowa filtru – powierzchnia przekroju poprzecznego filtru łącznie z ramą [m²].

Powierzchnia czynna filtru – powierzchnia przekroju poprzecznego filtru, przez którą przepływa powietrze [m²].

Powierzchnia efektywna materiału filtracyjnego – powierzchnia efektywna materiału filtracyjnego w filtrze, przez którą przepływa powietrze (bez powierzchni klejonych, prętów itd.) [m²].

Strumień objętości powietrza – objętość powietrza przepływająca przez daną powierzchnię podzielona przez czas [m³/h], [l/s].

Prędkość wlotowa – strumień objętościowy powietrza [m³/s] podzielony przez powierzchnię czołową filtru [m/s].

Prędkość przepływu – strumień objętościowy powietrza [m³/s] podzielony przez powierzchnię czynną filtru [m/s].

Prędkość filtracji – strumień objętościowy powietrza [m³/s] podzielony przez powierzchnię efektywną materiału filtracyjnego w filtrze [m/s].

Klasyfikacja filtrów powietrza

Filtry powietrza dzielone są na dwie podstawowe grupy:

• filtry do wentylacji ogólnej,
• wysokoskuteczne filtry powietrza.

Zgodnie z tym podziałem filtry zostały omówione w odpowiedniej normie i sklasyfikowane ze względu na wartości skuteczności filtracji [17, 12–15, 4].

W najnowszej wersji normy prPN-prEN 779 z 2012 r. [17] dotyczącej filtrów przeciwpyłowych przeznaczonych do wentylacji ogólnej przedstawiono inną zasadę klasyfikacji filtrów. Pojawiła się bowiem nowa grupa filtrów M (filtry średnie), do której należą klasy filtrów M5 i M6, zastępujące klasy F5 i F6 przy niezmienionej średniej skuteczności filtracji.

Dowiedz się również, czym jest wentylacja fasadowa >>

W ten sposób wyróżnione zostały filtry o średniej skuteczności filtracji, które trudno było zaliczyć do filtrów wstępnych lub dokładnych. Dla klas M5 i M6 podano minimalną skuteczność filtracji (której nie było wcześniej dla F5 i F6).

Klasyfikacja filtrów do danej grupy według znowelizowanej normy oparta jest także na badaniach z zastosowaniem cząsteczek o średnicy 0,4 mm. Norma dotyczy filtrów, których początkowa skuteczność filtracji cząstek o wymiarach 0,4 mm jest mniejsza od 98%.

Kolejną zmianą jest podanie dla filtrów klasy F7, F8 i F9 minimalnej skuteczności filtracji określonej podczas testów. Wartości te były wcześniej określane i umieszczane w raporcie z badań zgodnych z wymaganiami PN-EN 779, ale nie były podstawą klasyfikacji filtrów [2].

Inna zmiana dotyczy filtrów z materiałów syntetycznych, których skuteczność znacznie spada w krótkim czasie: nie są one już klasyfikowane jako filtry klasy F7, F8 i F9.

Zmieniono także sposób testowania filtrów z materiałów syntetycznych naładowanych elektrostatycznie w celu zwiększenia ich efektywności. Ze względu na rozładowanie elektrostatyczne takich filtrów w bardzo krótkim czasie, a zatem zmniejszenie ich skuteczności, są one obecnie badane także po rozładowaniu elektrostatycznym.

Usunięcie ładunków elektrostatycznych następuje w wyniku zanurzenia materiału filtracyjnego w izopropylu. Uzyskaną w ten sposób wartość uznaje się za skuteczność minimalną.

W tabeli 1 podano parametry filtracyjne charakteryzujące filtry zgodnie z prPN-prEN 779:2012 [17].

Klasyfikacja i ogólne metody badania filtrów skutecznych typu EPA (klasy E10–E12) wysokoskutecznych typu HEPA (klasy H13–H14) i ULPA (klasy U15–U17) przedstawiono w normie PN-EN 1822-1:2009 [12] (tabela 2). Zastosowane oznaczenia dla grup filtrów pochodzą od ich nazw w języku angielskim:

• EPA – Efficiency Particulate Air Filters,
• HEPA – High Efficiency Particulate Air Filters,
• ULPA – Ultra Low Penetration Air Filters.

W 2011 r. ukazała się, chyba jeszcze mało znana w Polsce, nowa norma ISO 29463­‑1:2011 High-efficiency filters and filter media for removing particles in air. Part 1: Classification, performance testing and marking [4]. Chociaż metodyka badania filtrów powietrza pochodzi z normy EN 1822:2009, wprowadzone w niej zmiany pozwalają uwzględnić wymogi pozaeuropejskich członków ISO.

Podobnie jak w EN 1822-1:2009 filtry wysokoskuteczne podzielone są na trzy grupy: EPA, HEPA, ULPA, ale wprowadzony został inny sposób ich nazewnictwa, np. stosowane najczęściej filtry HEPA klasy H13 i H14 w normie ISO 29463-1:2011 [4] określane są odpowiednio jako: ISO 35H i ISO 45H.

Filtry te stosowane są w salach operacyjnych w szpitalach oraz w przemysłowych pomieszczeniach czystych dla klasy czystości ISO 5 według PN-EN ISO 14644-1 [11] włącznie [1]. W tabeli 3 przedstawiono przykładowe zastosowania filtrów powietrza o określonej klasie.

Tematem kolejnego artykułu będą obowiązujące akty prawne oraz podział filtrów powietrza pod kątem sposobów wykonania, lokalizacji i działania.

Literatura

1. Badania filtrów HEPA – nowe normy EN 1822 i ISO 29463:2011, www.eufilter.com.pl.
2. EN 779:2011 – nowa europejska norma przeciwpyłowych filtrów powietrza, informacja techniczna TROX Technik, czerwiec 2012 r.
3. http://www.helpfulhomeimprovement.com/house-improvement-avenue/air-purifier-technologies-hepa-filter.
4. ISO 29463-1:2011 High-efficiency filters and filter media for removing particles in air – Part 1: Classification, performance testing and marking.
5. Katalog Luwa KS.
6. Media filtracyjne. Filtry wstępne, dokładne i absolutne, karta katalogowa F7/1/1/PL, TROX Technik.
7. Nietzold I., Filtracja powietrza, Arkady, Warszawa, 1984.
8. PN-EN 12599:2002 Wentylacja budynków. Procedury badań i metody pomiarowe dotyczące odbioru wykonanych instalacji wentylacji i klimatyzacji.
9. PN-EN 12792: 2006 Wentylacja budynków. Symbole, terminologia i oznaczenia na rysunkach.
10. PN-EN 13779:2008 Wentylacja budynków niemieszkalnych. Wymagania dotyczące właściwości instalacji wentylacji i klimatyzacji.
11. PN-EN 14664-1:2005 Pomieszczenia czyste i związane z nimi środowiska kontrolowane. Część 1: Klasyfikacja czystości powietrza.
12. PN-EN 1822-1:2009 Wysokoskuteczne filtry powietrza (EPA, HEPA i ULPA). Część 1: Klasyfikacja, badanie parametrów, znakowanie (oryg.).
13. PN-EN 1822-2:2009 Wysokoskuteczne filtry powietrza (EPA, HEPA i ULPA). Część 2: Wytwarzanie aerozolu, przyrządy pomiarowe, statystyka zliczania cząstek (oryg.).
14. PN-EN 1822-3:2009 Wysokoskuteczne filtry powietrza (EPA, HEPA i ULPA). Część 3: Badanie płaskiego materiału filtracyjnego (oryg.).
15. PN-EN 1822-4:2009 Wysokoskuteczne filtry powietrza (EPA, HEPA i ULPA). Część 4: Określanie przecieku filtru (metoda przeszukiwania) (oryg.).
16. PN-EN 1822-5:2009 Wysokoskuteczne filtry powietrza (EPA, HEPA i ULPA). Część 5: Określanie skuteczności filtru (oryg.).
17. PN-EN 1886:2008 Wentylacja. Centrale wentylacyjne i klimatyzacyjne. Właściwości mechaniczne (oryg.).
18. prPN-prEN 779:2012 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Określanie parametrów filtracyjnych (oryg.).
19. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 6 listopada 2008 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 201/2008, poz. 1238, ze zm.).
20. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, ze zm.).
21. www.camfil.pl.
22. Recknagel H., Sprenger E., Schramek E.R., Kompendium wiedzy: Ogrzewnictwo, klimatyzacja, ciepła woda, chłodnictwo, Wyd. Omni Scala, Wrocław 2008.