Antysmogowe filtry powietrza do wentylacji mechanicznej – rekuperatorów i central wentylacyjnych

Smog (od angielskich słów smoke + fog, czyli dym i mgła) tworzy się podczas bezwietrznej pogody, kiedy następuje duża koncentracja zanieczyszczeń i ich mieszanie się z mgłą – zjawisku temu szczególnie sprzyja położenie miejscowości w kotlinach.

Można wyróżnić dwa główne mechanizmy powstawania smogu. Źródłem smogu londyńskiego („krakowskiego”) są głównie produkty spalania – tlenki siarki, azotu czy węgla, sadza i pyły trudno opadające, ale też benzo(a)piren czy dioksyny powstające głównie przez nielegalne spalanie śmieci w domowych paleniskach. Smog typu Los Angeles („warszawski”) powstaje głównie latem. Jego źródłem są spaliny samochodowe zawierające tlenki węgla i azotu oraz węglowodory, które w wyniku reakcji fotochemicznej tworzą szkodliwe związki, np. aldehydy czy ozon.

Smog obserwujemy jako widoczną (i odczuwalną) szarą mgłę zawieszoną nad miejscowościami, choć brak efektu wizualnego nie oznacza niestety braku niskiej emisji. Często powietrze wydaje się czyste, mimo że stężenia szkodliwych produktów pozostają wysokie.

Za szczególnie szkodliwe zanieczyszczenia smogowe uważa się benzo(a)piren oraz pył drobny o średnicy do 2,5 μm (PM_2,5), który przedostaje się do obszaru wymiany gazowej w płucach, a stamtąd łatwo przenika do układu krwionośnego. Według danych Państwowej Inspekcji Ochrony Środowiska (PIOŚ) z 2016 roku na ponadnormatywne stężenie benzo(a)pirenu narażone jest ok. 71% ludności Polski, a na nadmiarowe stężenie pyłu zawieszonego PM_2,5 – ok. 14% [9]. W przypadku tej pierwszej substancji wskazuje się przede wszystkim na jej działanie rakotwórcze. Z kolei drobne pyły są groźne nie tylko ze względu na bezpośrednie oddziaływanie na układ oddechowy i serce, ale też z powodu zwiększenia podatności na różne choroby i tym samym skrócenia długości życia w wyniku długotrwałego narażenia na ten czynnik. Dużym problemem w Polsce jest konstatacja, że nawet krótkotrwałe oddychanie powietrzem zanieczyszczonym pyłami jest szkodliwe i wpływa na skrócenie długości życia ludzi [3].

Zarówno Światowa Organizacja Zdrowia (WHO), jak i Ministerstwo Środowiska podają dopuszczalne stężenia pyłów PM₁₀ i PM_2,5 (tabela 2 i 3), przy czym wymagania WHO są ostrzejsze. W polskim rozporządzeniu w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu [10] wskazany jest także tzw. poziom informowania dla pyłów – 200 μg/m³ pyłu PM₁₀, co zwykle oznacza 120–160 μg/m3 PM_2,5. Kiedy stężenie pyłów na danym obszarze osiągnie tę wielkość, informacja taka powinna dotrzeć do możliwie dużej liczby mieszkańców danego terenu, w tym do przedszkoli, szkół i szpitali. Wszyscy, a szczególnie osoby starsze, dzieci i kobiety w ciąży, powinni ograniczyć przebywanie na zewnątrz, by nie narażać się na oddziaływanie zanieczyszczeń. Czy to jednak wystarczy? Czy wnętrza budynków są wolne od zanieczyszczeń pochodzących z powietrza zewnętrznego?

Co się dzieje ze smogiem w budynkach?

Jak wynika z raportu AGH i Krakowskiego Alarmu Smogowego [8], budynki cechują się pewną zdolnością redukcji zanieczyszczeń pochodzących z powietrza zewnętrznego, niemniej skład powietrza w budynkach odzwierciedla jakość powietrza zewnętrznego. Jak pokazują badania udokumentowane w [8], w budynkach z wentylacją grawitacyjną stężenia pyłu zawieszonego pochodzącego z zewnątrz są średnio o 50% niższe aniżeli stężenia na zewnątrz. Natomiast odmienne wnioski na temat związku jakości powietrza wewnętrznego ze stanem powietrza na zewnątrz wynikają z raportu SFM Filtry Łuczak [13], dokumentującego wyniki badań jakości powietrza w pomieszczeniach w całej Polsce w ponad 200 lokalizacjach – mieszkaniach, budynkach produkcyjnych, placówkach edukacyjnych, galeriach handlowych, szpitalach czy przychodniach. Badano parametry powietrza wewnętrznego i zewnętrznego, uwzględniając stężenia PM2,5 oraz PM₁₀. Średnie stężenie PM_2,5 wewnątrz obiektów wyniosło w okresie grzewczym 17,7 μg/m³, a latem – 7,3 μg/m³.

W blisko co czwartym badanym obiekcie powietrze było gorszej jakości niż powietrze zewnętrzne. Prawie 30% galerii handlowych, biur, mieszkań, szkół ma gorsze powietrze wewnątrz niż warunki panujące na zewnątrz. Jeszcze gorzej wypadają fabryki oraz szpitale i kamienice czy bloki mieszkalne – co drugi taki obiekt ma gorszą jakość powietrza wewnętrznego. W 50% zbadanych miejsc okazało się, że w sezonie grzewczym stężenie zanieczyszczeń było kilku lub kilkunastokrotnie wyższe wewnątrz pomieszczenia niż na zewnątrz. 

Rekordową wartość stężenia PM_2,5 odnotowano w sklepie w Wielkopolsce. Stężenie wewnątrz było dla PM_2,5 25-krotnie wyższe niż na zewnątrz i 2,5 razy wyższe niż przyjęta przez WHO norma (10 mg/m³). W tym samym obiekcie stężenie PM₁₀ było 11-krotnie wyższe niż na zewnątrz i 9-krotnie wyższe niż przyjęta przez WHO norma (20 mg/m³). Dla przykładowego mieszkania w Katowicach limit dzienny dla PM_2,5 przekroczony był 2,5-krotnie, a dla PM₁₀ – niemal 1,5 raza. Co ciekawe, jakość powietrza wewnętrznego nie zależy od lokalizacji geograficznej – tak samo zanieczyszczone jest powietrze wewnętrzne w Małopolsce, jak i na Pomorzu. Po względem typu pomieszczeń najlepiej zabezpieczone okazały się hotele, sklepy, szkoły i przedszkola, a najgorzej zakłady pracy z produkcją własną, szpitale, ośrodki sportowe i wspólne części bloków mieszkalnych i kamienic. Badania [8] zdają się jednocześnie wskazywać na to, że wartość stężeń wewnątrz pomieszczeń zależy od kondycji budynku oraz rodzaju wentylacji.

W przypadku powietrza doprowadzanego przez centralę wentylacyjną zostaje ono przefiltrowane. Jeszcze do niedawna w wielu przypadkach filtracja dokonywana była tylko przez filtry zgrubne (G4) i wstępne (M5) będące wyposażeniem standardowym central wentylacyjnych. Filtry dokładne (F7, rzadziej F9) w centralach traktowane były natomiast jako wyposażenie opcjonalne. Nośność tematu smogu i rosnąca świadomość jednoznacznego związku jakości powietrza zewnętrznego ze stanem powietrza w budynkach sprawiły, że w ofercie producentów zaczęły pojawiać się tzw. filtry antysmogowe, traktowane jako uzupełniające, ale ważne wyposażenie zarówno nowych, jak i już pracujących instalacji wentylacji mechanicznej nawiewno-wywiewnej, także z rekuperacją.

Filtr antysmogowy?

Nie istnieje uniwersalna definicja ani norma dla produktu zwanego „filtrem antysmogowym”. Jeśli odwołamy się do najgroźniejszych składników smogu, można przyjąć, że filtr antysmogowy powinien skutecznie usuwać pył o frakcji PM_2,5 oraz benzo(a)piren – zarówno ten stanowiący część frakcji pyłowej PM₁₀, jak i będący we frakcji gazowej.

Kiedy filtr do wentylacji ogólnej jest skuteczny? Zgodnie z obowiązującą od lipca 2018 roku normą PN-EN ISO 16890 [6] skuteczność filtra określa się dla danej frakcji, tj. PM₁₀, PM_2,5, PM₁. Minimalna skuteczność filtra odpowiedniego do usuwania cząstek danej frakcji to 50% – zatem „filtr antysmogowy” powinien mieć klasę co najmniej ePM₂,₅50%. Warto zwrócić uwagę, że każdy filtr może być opisany za pomocą trzech klas: ePM₁₀XX%, ePM_2,5YY%, ePM₁ZZ%, przy czym zwykle XX>YY>ZZ. Według tej normy występuje zatem ponad 30 klas filtrów (tabela 4).

Nowe klasy filtrów są bardziej jednoznaczne w porównaniu do obowiązujących poprzednio klas zgodnych z normą PN-EN 779:2012 [7]. Mówią jasno, o ile zmniejsza się stężenie danego rodzaju cząstek po przejściu przez filtr. Przykładowo jeśli przyjąć, że w budynku celem jest zredukowanie stężenia pyłu PM_2,5 do wartości 10 mg/m³ (dopuszczalne stężenie średnioroczne wskazywane przez WHO w [1], por. tabela 2), wówczas w pewnym uproszczeniu:

• filtr klasy ePM_2,550% zrealizuje cel, jeśli zanieczyszczenie PM_2,5 powietrza zewnętrznego nie przekracza 20 mg/m³;
• filtr klasy ePM_2,595% zrealizuje cel, jeśli zanieczyszczenie PM_2,5 powietrza zewnętrznego nie przekracza 200 mg/m³.

Należałoby zatem znać stężenie PM_2,5, które dociera do filtra, co pozwoliłoby wskazać jego wymaganą skuteczność. Tymczasem środowisko zewnętrzne cechuje się dużą zmiennością stężenia PM_2,5 – zarówno w skali doby, jak i sezonu. Bezpieczniejszy będzie więc filtr o bardzo wysokiej skuteczności, którego zakup i eksploatacja mogą się z kolei okazać kosztowne.

Dostępne rozwiązania filtrów antysmogowych

W charakterystyce oferty rynkowej filtrów antysmogowych pojawiają się oznaczenia filtrów przeciwpyłowych (G4, M5, F7, F9) pochodzące z obowiązującej przez wiele lat normy PN-EN 779:2012 [7], którą w lipcu 2018 roku zastąpiła norma PN-EN ISO 16890 [6]. Ze względu na przyzwyczajenia własne i odbiorców wielu producentów rozwiązań filtracyjnych wciąż operuje starą klasyfikacją filtrów.

Pod względem technicznym filtr tzw. antysmogowy ma najczęściej postać szczelnej skrzynki ze stali ocynkowanej, zwanej przez różnych producentów boksem, kasetą, modułem, sekcją lub centralą filtracyjną. W szczelnej obudowie wyposażonej w króćce umieszczone są przynajmniej dwa filtry: najczęściej dokładny i węglowy.

Zadaniem filtra dokładnego (F7 lub F9) jest usunięcie pyłów trudno opadających zgodnie z klasą skuteczności oraz zabezpieczenie filtra węglowego przed zatkaniem cząstkami pyłów. Pod względem budowy jest to filtr kasetowy (lub kieszeniowy) z odpowiednio ukształtowanym medium filtracyjnym, a jego konstruktorzy dążą do uzyskania jak największej powierzchni filtracyjnej (ponad 4,5 m²) – kilkukrotnie większej niż w przypadku filtrów stosowanych w centrali wentylacyjnej. Powierzchnię filtracyjną można zwiększać przede wszystkim poprzez stosowanie odpowiedniej liczby warstw materiału oraz rozwiązania konstrukcyjne zwiększające powierzchnię czynną, np. falowanie. Dzięki takiemu podejściu powierzchnia filtra jako elementu wyposażenia (geometryczna) pozostaje niezmienna, ale wyraźnie rośnie jego efektywność. Odpowiednie pofalowanie filtra poprawia także jego charakterystykę hydrauliczną, która jest bardziej stabilna – mniejsze wahania oporów przepływu sprzyjają mniejszemu zużyciu prądu. Większa powierzchnia filtracyjna umożliwia też dłuższą pracę pojedynczego filtra (wolniejsze zużycie).

Filtr węglowy (z aktywowanego grafitu) ma za zadanie usuwać zanieczyszczenia gazowe (NO₂, H₂S, HCN, SO₂, formaldehyd, węglowodory – w przypadku smogu szczególnie istotna jest eliminacja benzopirenu) poprzez ich adsorpcję na porach materiału. Dzięki swojej strukturze węgiel aktywny zastosowany w filtrze antysmogowym ma powierzchnię czynną rzędu kilku mln km2.

W ofercie niektórych producentów, zamiast filtra dokładnego można spotkać komplet składający się z filtra wstępnego kieszeniowego klasy G4 i filtra HEPA klasy H13 (rozwiązanie znane z mobilnych oczyszczaczy powietrza). Filtr ten ma nie tylko wysoką skuteczność (99,95%) usuwania pyłów większych niż 0,3 µm, ale jest też stosowany do dezynfekcji – usuwania komórek grzybów i bakterii oraz wybranych wirusów.

Niektóre oferowane na rynku rozwiązania filtrów antysmogowych wyposażone są w filtry elektrostatyczne (tzw. filtry elektrojonizacyjne). Urządzenia te pobierają niewielką moc elektryczną i wytwarzają pole elektryczne, w którym dochodzi do naładowania cząsteczek pyłów i wychwytywania ich na odwrotnie naładowanej siatce metalowej. Są też jonizatory, które ułatwiają łączenie się cząsteczek w większe frakcje, tym samym łatwiejsze jest wychwytywanie ich na klasycznym filtrze.

Można spotkać także bardziej kompaktowe filtry, określane czasem jako kanałowe. Zajmują one mniej miejsca i cechują się mniejszą masą, co wynika z zastosowania mniejszej obudowy i mniej rozbudowanego filtra węglowego.

Dawna a obecna klasyfikacja filtrów

Pionierzy, którzy już wprowadzili do swojej oferty filtry antysmogowe z oznaczeniami według nowej normy PN-EN ISO 16890 [6], wciąż są w mniejszości. Zwykle klasami według nowej normy legitymują się rozwiązania wprowadzone do oferty niedawno, od razu przebadane i sklasyfikowane zgodnie z tym dokumentem. Producenci, którzy już mają w swojej ofercie rozwiązania filtracyjne, są w trakcie przechodzenia na nową klasyfikację. Zazwyczaj jest to proces czasochłonny, bo zaklasyfikowanie danego filtra do odpowiedniej klasy wymaga zupełnie innej procedury badawczej niż dotychczas.

Trochę utrudnia to wybór filtra, kiedy potrzebna jest jego wymiana. Użytkownik będzie oczekiwać przelicznika pozwalającego jednoznacznie określić, jaki filtr z nowej klasyfikacji odpowiada staremu. Taki jednoznaczny przelicznik jest jednak niemożliwy. Klasy stare i nowe zostały zdefiniowane inaczej, inne są też metody badań. Jedynym sposobem na określenie nowej klasy filtra jest przebadanie go według obowiązującej normy i podanie, że ten konkretny filtr ma daną klasę.

Takiego zadania podjęło się stowarzyszenie Eurovent. Porównano klasy EN 779 i EN ISO 16890 tych samych filtrów na podstawie rzeczywistych danych pozyskanych z testów przeprowadzonych w akredytowanych laboratoriach zewnętrznych. W programie tym wzięli udział producenci filtrów mający łącznie 70% udziału w rynku europejskim. Wynikiem prac jest zalecenie Eurovent 4/23 [4], na podstawie którego można przeprowadzić szybkie przejście z PN-EN 779 na potencjalne oferty wg PN-EN ISO 16890.

Takiego zadania podjęło się stowarzyszenie Eurovent. Porównano klasy EN 779 i EN ISO 16890 tych samych filtrów na podstawie rzeczywistych danych pozyskanych z testów przeprowadzonych w akredytowanych laboratoriach zewnętrznych. W programie tym wzięli udział producenci filtrów mający łącznie 70% udziału w rynku europejskim. Wynikiem prac jest zalecenie Eurovent 4/23 [4], na podstawie którego można przeprowadzić szybkie przejście z PN-EN 779 na potencjalne oferty wg PN-EN ISO 16890.

Filtry antysmogowe w instalacji – uwagi praktyczne

Filtry antysmogowe polecane są jako uzupełnienie już istniejących instalacji wentylacji mechanicznej, np. z rekuperacją. Montuje się je na kanale wentylacyjnym po stronie nawiewu. Rekomendowanym przez producentów miejscem montażu jest kanał nawiewny za centralą wentylacyjną, w której – dzięki obecności filtrów wstępnych – powietrze jest wstępnie podczyszczane. Dzięki temu filtr antysmogowy pracuje dłużej (medium filtracyjne wolniej ulega zabrudzeniu). Często jednak montaż za rekuperatorem nie jest możliwy. Wówczas moduł filtracyjny można zamontować przed rekuperatorem. A to może powodować konieczność dodania przed nim filtra wstępnego (G3 lub G4).

Większość producentów wskazuje, że filtr antysmogowy, ze względu na małe opory przepływu, można zamontować w istniejącej instalacji bez konieczności wymiany centrali wentylacyjnej na większą. Istotne jest tu prawidłowe dobranie wielkości filtra antysmogowego do wielkości (przepływu) centrali wentylacyjnej. Ze względu na obecność filtra antysmogowego w instalacji centrala może (przynajmniej okresowo) pracować na wyższym biegu wentylatora, co może się przełożyć na nieco wyższe zużycie prądu. Bardzo ważna jest regularna wymiana filtrów dokładnych lub (jeśli są obecne) HEPA. Producenci zwykle podają szacowaną częstotliwość wymiany (np. raz do roku), jednak przy dużym zapyleniu filtry zużywają się znacznie szybciej. Efektem jest nie tylko zmniejszenie skuteczności filtracji, ale też zwiększenie oporów przepływu, a tym samym zużycia prądu przez centralę. Dlatego częstotliwość wymiany filtrów trzeba dostosować do rzeczywistych warunków panujących w otaczającym powietrzu zewnętrznym. Filtry antysmogowe mogą zostać opomiarowane i włączone do systemu automatyki instalacji. Można mierzyć np. stężenie pyłów obecnych w powietrzu zewnętrznym, a następnie w strumieniu powietrza nawiewanego, ale też spadek ciśnienia na filtrze. Jeśli osiągnie on tzw. punkt przebicia, konieczna jest wymiana.

Literatura

1. Air Quality Guidelines – Global update 2005, World Health Organization, 2006.
2. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/50/WE z dnia 21 maja 2008 r. w sprawie jakości powietrza i czystszego powietrza dla Europy (CAFE) (Dz.Urz. UE L 152/1 z 11.06.2008).
3. Air quality in Europe – 2018 report, Report No. 12/2018, European Environment Agency.
4. Selection of EN ISO 16890 rated air filter classes – Second edition, Eurovent 4/23, 2018.
5. Materiały firm Afpro Filters, Alnor, Entalpia, Filtryaero.pl, Pro-Vent, SFM Filtry.
6. PN-EN ISO 16890-1:2017-01E Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej – Część 1: Specyfikacje techniczne, wymagania i system klasyfikacji skuteczności określony na podstawie wielkości cząstek pyłu (ePM).
7. PN-EN 779:2012 E Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Określanie parametrów filtracyjnych.
8. Ocena wpływu zanieczyszczeń pyłowych na zewnątrz budynków na jakość powietrza wewnątrz pomieszczeń, raport na zlecenie Stowarzyszenia Krakowski Alarm Smogowy, oprac. dr inż. Jakub Bartyzel, mgr inż. Katarzyna Smoleń, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH, Kraków, październik 2017.
9. Roczna Ocena Jakości Powietrza w województwie mazowieckim. Raport za rok 2016, WIOŚ, Warszawa 2017.
10. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 sierpnia 2012 roku w sprawie poziomów niektórych substancji w powietrzu (DzU 2012, poz. 1031).
11. Wojtas K., Wymagania i zasady nowej klasyfikacji filtrów w systemach wentylacji budynków, „Rynek Instalacyjny” nr 12/2016, s. 58–64.
12. Charkowska A., Nowa klasyfikacja wysokoskutecznych filtrów powietrza, „Rynek Instalacyjny” 11/2018, s. 54–56. 
13. Raport jakości powietrza wewnętrznego w różnych obiektach – 2019, SFM Filtry Łuczak, archiwum autora.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!