Filtracja powietrza w instalacjach wentylacyjnych w celu ograniczenia ryzyka negatywnego wpływu substancji chemicznych i ich mieszanin na zdrowie ludzi

Ryzyko związane z substancjami chemicznymi i ich mieszaninami, które w procesach produkcji, przetwarzania i stosowania powodują wzrost zagrożenia dla zdrowia ludzi, a zwłaszcza narażenie odziaływania na organizm przez drogi oddechowe i skórę, powinno być kontrolowane poprzez wprowadzenie odpowiednich działań zapobiegawczych i ochronnych. W Polsce na działanie substancji chemicznych narażonych jest ok. 3 mln pracowników, jak wynika z badań warunków pracy Europejskiej Agencji ds. Bezpieczeństwa i Zdrowia w Pracy przeprowadzonych w 2015 r. [1].

Podejmowanie działań zmierzających do eliminowania lub zmniejszania zagrożenia dla zdrowia ludzi związanego z substancjami chemicznymi i ich mieszaninami u źródła ich emisji zawarte jest w wymaganiach dyrektyw Unii Europejskiej oraz krajowych przepisach dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy. W związku z tym istnieje zapotrzebowanie na rozwijanie metod i środków ochrony zdrowia pracowników przed tym zagrożeniem w zależności od poziomu ich ryzyka zawodowego.

Europejskie prawodawstwo ustanawia hierarchię działań realizowanych przez pracodawców w celu ochrony pracowników przed niebezpiecznymi substancjami. Hierarchię tę określa się jako STOP – patrz rys. 1.

Podstawowe zasady stosowania działań zapobiegawczych [2]:

• Eliminacja i zastępowanie znajdują się na szczycie hierarchii środków kontrolnych. W miarę możliwości należy wyeliminować użycie niebezpiecznej substancji poprzez modyfikację procesu lub produktu, w którym jest ona używana.

• Jeśli eliminacja nie jest możliwa, należy zastąpić niebezpieczną substancję bezpiecznym lub mniej niebezpiecznym substytutem.

• Jeżeli substancji lub procesu nie można wyeliminować ani zastąpić, można zapobiec narażeniu lub ograniczyć je, stosując odpowiednie środki techniczne lub organizacyjne. Należą do nich m.in. kontrola emisji u źródła (system zamknięty lub miejscowa wentylacja wywiewna) oraz zmniejszanie liczby pracowników narażonych na działanie substancji niebezpiecznych, czasu trwania i intensywności narażenia.

Zgodnie z przepisami prawa korzystanie ze środków ochrony indywidualnej (ŚOI) jest ostatecznością; stosuje się je tylko w sytuacji, gdy narażenia nie można skutecznie kontrolować za pomocą innych środków. Ochrona przed działaniem substancji chemicznych i ich mieszanin na stanowiskach pracy powinna się odbywać przede wszystkim z wykorzystaniem różnych typów środków ochrony zbiorowej, czyli za pomocą wentylacji oraz filtracji powietrza.

Wentylacja

Powietrze dopływające z zewnątrz zapewnia wymianę powietrza zużytego i zanieczyszczonego na świeże, które jest niezbędne do oddychania oraz do prawidłowej i bezpiecznej pracy urządzeń. Celem wentylacji polegającej na ciągłej lub okresowej wymianie powietrza w pomieszczeniach jest zatem poprawa stanu i składu powietrza na stanowiskach pracy zgodnie z wymaganiami higienicznymi (ochrona zdrowia człowieka) i technologicznymi (konieczność uzyskiwania produktów o określonych właściwościach) oraz regulacja takich parametrów środowiska powietrznego w pomieszczeniach, jak: stężenie zanieczyszczeń, temperatura, wilgotność, prędkość i kierunek ruchu powietrza.

Od rozpoczęcia projektowania do eksploatacji wentylacji proces powinien obejmować następujące etapy:

• rozpoczęcie inwestycji,

• ustalenia z władzami urzędowymi z uwzględnieniem obowiązujących przepisów,

• projekt,

• montaż,

• sprawdzenie wykonania,

• rozruch, sprawdzenie działania, regulacja wstępna, protokołowane badania,

• deklaracja zakończenia montażu przekazana klientowi,

• sprawdzenie kompletności wykonanego montażu, kontrola działania, pomiary kontrolne i pomiary specjalne wg PN-EN 12599:2013 [3],

• odbiór instalacji przez klienta, w tym przekazanie klientowi wszystkich stosownych dokumentów z instrukcjami obsługi i konserwacji,

• obsługa i konserwacja.

Niewłaściwie zaprojektowanie systemów wentylacyjnych lub nieodpowiednia kontrola podczas ich eksploatacji może skutkować nieracjonalną wymianą powietrza. Zbyt mała nie zapewni odpowiedniego strumienia objętości powietrza nawiewanego do pomieszczenia w odniesieniu do liczby osób, a zbyt duża wiąże się z nieracjonalnym zużyciem energii [4].

Podstawowymi parametrami służącymi do określania rodzaju występującej w pomieszczeniu wentylacji ogólnej oraz obliczania krotności wymian powietrza są strumienie objętości powietrza nawiewanego i wywiewanego z pomieszczenia. Rodzaj wentylacji w tym samym pomieszczeniu może być różny w zależności od tego, czy zainstalowane w pomieszczeniu poszczególne elementy instalacji wentylacji zostały włączone czy wyłączone oraz jak wygląda współdziałanie wentylacji mechanicznej ogólnej i miejscowej.

Z uwagi na stan powietrza w pomieszczeniu w wyniku działania instalacji ogólnej wentylacji mechanicznej można dokonać podziału na sytuacje, kiedy w pomieszczeniu występuje:

• wentylacja podciśnieniowa – gdy strumień objętości powietrza nawiewanego jest mniejszy od strumienia objętości powietrza wywiewanego,

• wentylacja zrównoważona – gdy strumienie objętości powietrza nawiewanego i wywiewanego są do siebie zbliżone,

• wentylacja nadciśnieniowa – gdy strumień objętości powietrza nawiewanego jest większy od strumienia objętości powietrza wywiewanego.

Rozwiązaniem najkorzystniejszym i zalecanym z punktu widzenia zabezpieczenia przed emisją substancji chemicznych i ich mieszanin w pomieszczeniach jest całkowite obudowanie maszyny, tzw. hermetyzacja. W celu opracowania skutecznych obudów źródeł emisji substancji chemicznych i ich mieszanin należy zapewnić przestrzeganie, już w fazie projektowania, założeń technicznych odnośnie do wymagań dotyczących skuteczności ograniczania ryzyka zagrożenia zanieczyszczeniami powietrza.

Obudowy mogą być różnej wielkości i obejmować całą przestrzeń stanowiska pracy (obudowy całkowite) lub rejon emisji zanieczyszczeń powietrza (obudowy częściowe). Obudowy całkowite powinny być projektowane podczas konstruowania stanowiska pracy. Przy projektowaniu obudowy dla istniejącego stanowiska konieczne jest uwzględnienie ergonomii i parametrów wpływających na poziom emisji substancji chemicznych i ich mieszanin. Całkowite obudowanie maszyny nie zawsze jest możliwe. Stosuje się wówczas obudowy częściowe z otworami roboczymi oraz instalacje wentylacji miejscowej wyposażone w ssawki i okapy (stacjonarne lub przestawne) połączone z instalacją odpylającą albo urządzeniem filtracyjno-wentylacyjnym.

Zadaniem instalacji wentylacji miejscowej jest wychwytywanie substancji chemicznych i ich mieszanin bezpośrednio przy źródle emisji i zapobieganie ich rozprzestrzenianiu się w pomieszczeniu pracy. Rodzaj zastosowanej instalacji wentylacji miejscowej zależy zarówno od umiejscowienia źródła emisji, jak i kierunku i prędkości rozprzestrzeniania się substancji chemicznych i ich mieszanin. Niedogodnością związaną z tym rozwiązaniem jest konieczność umieszczania tych instalacji bezpośrednio w rejonie źródeł emisji substancji/mieszanin chemicznych ze względu na mały obszar skutecznego działania elementów wychwytujących zanieczyszczenia powietrza. Pomimo wysokiej skuteczności odciągi miejscowe nie eliminują tego problemu w całości, dlatego pewna część zanieczyszczeń powietrza przedostaje się ze źródła emisji do pomieszczenia.

Taka niekontrolowana emisja zanieczyszczeń powietrza może być ograniczana poprzez:

• zwiększanie strumienia objętości powietrza odciąganego,

• stosowanie rozcieńczającej wentylacji ogólnej w pomieszczeniu,

• modyfikację elementów końcowych wentylacji wywiewnej.

W środowisku, w którym emitowane są substancje chemiczne i ich mieszaniny, obudowy i instalacje wentylacji miejscowej powinny być wspomagane działaniem wentylacji mechanicznej ogólnej.

Filtracja powietrza

Materiały filtracyjne i filtry powietrza są ważnymi elementami środków ochrony zbiorowej przed rozprzestrzenianiem się substancji chemicznych i ich mieszanin. Zarówno w instalacjach wentylacji ogólnej, jak i w urządzeniach filtracyjno-wentylacyjnych elementami decydującymi o jakości powietrza odprowadzanego z pomieszczeń lub do nich doprowadzanego są układy filtracyjne jedno- lub wielostopniowe, dobierane pod kątem wymagań higienicznych lub technologicznych. Układy te mają rozbudowaną strukturę w przekroju poprzecznym i cząstki zanieczyszczeń powietrza mogą być zatrzymywane na włóknach wewnątrz tej struktury. Jednym z najważniejszych zjawisk decydujących o optymalnych właściwościach filtracyjnych takich układów jest to, jak włókna stanowiące warstwę filtracyjną wpływają na cząstki zanieczyszczeń powietrza. Podstawowymi parametrami opisującymi pracę układu włóknin są opór przepływu i skuteczność frakcyjna, określane podczas przebiegu nieustalonej filtracji, zależnej od złożonych mechanizmów transportu i zatrzymywania cząstek zanieczyszczeń powietrza [5]. Parametry te zależą od:

• właściwości zanieczyszczeń powietrza (rozkładu wymiarowego cząstek, stężenia aerozolu, kształtu cząstek, właściwości elektrostatycznych, właściwości chemicznych, zwilżalności),

• właściwości przepływającego powietrza (temperatury, wilgotności, prędkości),

• parametrów strukturalnych filtra (konstrukcji filtra, właściwości zastosowanego materiału filtracyjnego).

Skuteczność filtra jest parametrem określającym jego zdolność do oczyszczania powietrza z cząstek zanieczyszczeń o danym rozkładzie wymiarowym. Opór przepływu powietrza przez filtr ma natomiast istotny wpływ na dobór urządzeń wprowadzających powietrze w ruch przy przepływie przez przegrodę filtrującą. W zależności od wymaganego stopnia czystości powietrza doprowadzanego lub odprowadzanego z pomieszczeń przez instalacje wentylacyjne stosowane są różne układy filtracyjne, projektowane na podstawie danych o parametrach użytkowych filtrów powietrza określonych podczas badań znormalizowanymi metodami stosowanymi do ich klasyfikacji [6–8].

Wymagania dotyczące metod badania i zasad klasyfikacji filtrów powietrza stosowanych do instalacji wentylacji i klimatyzacji określone są w normach międzynarodowych. Zgodnie z normami PN-EN 1822:2009 [9–13] i PN-EN 779:2012 [14] filtry powietrza dzieliło się na:

• wstępne typu G, pośrednie typu M, dokładne typu F,

• wysokoskuteczne typu Efficient Particulate Air filter (EPA), High Efficient Particulate Air filter (HEPA) i typu Ultra Low Penetration Air filter (ULPA).

Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO) opracowała serię nowych norm dotyczących badania i klasyfikowania filtrów powietrza stosowanych w wentylacji ogólnej, które zostały przyjęte przez PKN w 2017 roku: PN-EN ISO 16890-1:2017, PN-EN ISO 16890-2:2017, PN-EN ISO 16890-3:2017, PN-EN ISO 16890-4:2017 [15–18]. Przyjęcie serii norm EN ISO 16890 w UE spowodowało wycofanie normy EN 779. W normach tych przedstawiono nowy sposób testowania filtrów powietrza i odniesiono do trzech różnych zakresów wymiarowych: PM₁₀, PM_2,5 i PM₁. Z kolei pod koniec 2019 roku zaczęły obowiązywać w Polsce nowe normy do badania filtrów wysokoskutecznych – z grupy PN-EN ISO 29463 [19–23]. Części normy od 2 do 5 zostały przyjęte jako normy europejskie oraz polskie i obowiązują od kwietnia 2019 r. Europejscy członkowie ISO w miejsce normy ISO 29463-1 przyjęli, jako obowiązującą do stosowania na terenie Europy, normę EN 1822-1:2019 [24]. Dlatego od 31 października 2019 r. obowiązują normy: PN-EN 1822-1:2019 [24], PN-EN ISO 29463-2-3-4:2018 [20–22] oraz PN-EN ISO 29463-5:2022 [23].

Dodatkowym badaniem, któremu powinno się poddawać materiały filtracyjne stosowane w instalacjach wentylacyjnych podczas obróbki nanomateriałów, są pomiary stężenia nanoaerozolu w zakresie wymiarów cząstek od 20 do 500 nm, zgodnie z wytycznymi normy PN-EN ISO 21083-1:2019 [25].

Kompetencje do klasyfikowania i badania filtrów powietrza

Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy (CIOP-PIB) posiada kompetencje do klasyfikowania i badania parametrów użytkowych filtrów powietrza oraz materiałów filtracyjnych, które są stosowane w instalacjach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) budynków oraz instalacjach wentylacyjnych w procesach technologicznych. W laboratoriach Pracowni Aerozoli, Filtracji i Wentylacji przeprowadzane są badania parametrów użytkowych wstępnych (tabela 1) i dokładnych (tabela 2) filtrów powietrza zgodnie z normą PN-EN ISO 16890 w odniesieniu do elektrycznie neutralizowanych stałych cząstek chlorku potasu (KCl) oraz pyłu testowego A2 zgodnie z ISO 12103-1:2016 [26] (rys. 2).

W trakcie badania wyznaczana jest skuteczność frakcyjna filtra powietrza w warunkach najmniej korzystnych (24-godzinne kondycjonowanie izopropanolem) oraz najbardziej korzystnych (stan początkowy filtracji), a następnie określana średnia wartość skuteczności frakcyjnej, stanowiąca wskaźnik klasyfikujący filtr powietrza. Taka procedura badania umożliwia przetestowanie filtra powietrza w zmiennych warunkach użytkowania. Do badania parametrów użytkowych wysokoskutecznych filtrów powietrza stosowane jest stanowisko badawcze zgodne z PN-EN 1822-1 i PN-EN ISO 29463-2-3-4-5 (rys. 3).

W tabeli 3 i na rys. 4–5 przedstawiono przykładowe wyniki badań zgodnych z metodą określania oporu przepływu i skuteczności filtracji cząstek MPPS oraz metodą oznaczania miejscowych nieszczelności elementów filtrujących (metoda skanowania).

W CIOP-PIB prowadzone są również badania dotyczące zatrzymywania nanoaerozoli na materiałach stosowanych w filtrach wysokoskutecznych (rys. 6). Podczas projektowania i budowy stanowiska kierowano się wytycznymi normy PN-EN ISO 21083-1. W przypadku filtru klasy E11 krzywa skuteczności filtracji ma charakterystyczne minimum związane z różnymi mechanizmami zatrzymywania dla cząstek ultradrobnych i submikrometrycznych (rys. 7). W odniesieniu do filtrów wysokoskutecznych H13 i H14 uzyskano średnią wartość skuteczności na poziomie odpowiednio powyżej 99,99% oraz powyżej 99,999%.

Zobacz także: Wentylacja pomieszczeń biurowych podczas pandemii – studium przypadku

Podsumowanie

Prace zmierzające do ograniczenia zagrożenia substancjami chemicznymi i ich mieszaninami powinny obejmować zarówno działania umożliwiające eliminację zagrożenia (stosowanie środków ochrony zbiorowej i indywidualnej), jak i działania organizacyjne z zakresu popularyzacji wiedzy nt. szkodliwości działania substancji chemicznych oraz stosowanych metod ich eliminacji ze środowiska (szkolenia pracodawców i pracowników).

Niezależnie od rodzaju zanieczyszczeń powietrza ich eliminacja ze środowiska powinna być przeprowadzana przede wszystkim przez zastosowanie odpowiednich środków ochrony zbiorowej. Wszędzie tam, gdzie jest to możliwe, należy dążyć do hermetyzacji procesów produkcyjnych. W pozostałych przypadkach, na podstawie analizy parametrów pobranych u źródła emisji próbek powietrza, należy dobrać system wentylacyjny lub urządzenie filtracyjno-wentylacyjne, odpowiednie do rodzaju i stężenia substancji chemicznych i ich mieszanin.

Wdrożone normy PN-EN ISO 16890, PN-EN ISO 29463 i PN-EN 1822 są dokumentami bazowymi dla oceny zgodności filtrów powietrza stosowanych w systemach mechanicznej wentylacji procesów technologicznych oraz w budynkach użyteczności publicznej, przemyśle, laboratoriach, obiektach mieszkalnych, handlowych itp. Zgodność z normami zapewnia prawidłową pracę filtrów, odpowiednią jakość wytwarzania i poprawną kontrolę ich parametrów. W efekcie normy są dokumentami niezbędnymi dla każdego polskiego producenta, projektanta oraz sprzedawcy materiałów filtracyjnych i filtrów powietrza w celu zapewnienia jakości i konkurencyjności produktów oraz bezpieczeństwa użytkowników.

Finansowanie

Publikacja opracowana w ramach V etapu programu wieloletniego „Poprawa bezpieczeństwa i warunków pracy”, finansowanego w latach 2020–2022 w zakresie zadań służb państwowych ze środków Ministerstwa Rodziny i Polityki Społecznej. Zadanie nr 2.SP.14 pt. Opracowanie metodyki oceny jakości wysokoskutecznych filtrów powietrza z uwzględnieniem nowych wymagań norm międzynarodowych. Koordynator Programu: Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy

Literatura

1. EU-OSHA, Europejskie badanie przedsiębiorstw na temat nowych i pojawiających się zagrożeń (ESENER-2), https://osha.europa.eu/pl/publications/second-european-survey-enterprises-new-and-emerging-risks-esener-2-overview-report (dostęp: 6.12.2022)

2. Substancje niebezpieczne – środki zapobiegawcze i zarządzanie substancjami niebezpiecznymi, materiały informacyjne EU-OSHA, https://osha.europa.eu/pl/themes/dangerous-substances (dostęp: 6.12.2022)

3. PN-EN 12599:2013 Wentylacja budynków. Procedury badań i metody pomiarowe stosowane podczas odbioru instalacji wentylacji i klimatyzacji

4. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2018/844 z dnia 30 maja 2018 r. zmieniająca dyrektywę 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (Dz.Urz. UE 2018 nr L 156/75)

5. Willeke K., Baron P.A., Aerosol measurement. Principles, Techniques and Applications, John Wiley & Sons, Inc, 2001

6. Wojtas Kazimierz, Wymagania i zasady nowej klasyfikacji filtrów w systemach wentylacji budynków, „Rynek Instalacyjny” 12/2016, s. 58–64, rynekinstalacyjny.pl

7. Charkowska Anna, Nowa klasyfikacja wysokoskutecznych filtrów powietrza, „Rynek Instalacyjny” 11/2018, s. 54–56, rynekinstalacyjny.pl 

8. Ryńska Joanna, Antysmogowe filtry powietrza do wentylacji mechanicznej – rekuperatorów i central wentylacyjnych, „Rynek Instalacyjny” 5/2019, s. 69–74, rynekinstalacyjny.pl

9. PN-EN 1822-1:2009 Wysokoskuteczne filtry powietrza (EPA, HEPA, ULPA). Część 1: Klasyfikacja, badanie parametrów, znakowanie – norma wycofana, zastąpiona przez PN-EN 1822-1:2019-05

10. PN-EN 1822-2:2009 Wysokoskuteczne filtry powietrza (EPA, HEPA i ULPA). Część 2: Wytwarzanie aerozolu, przyrządy pomiarowe, statystyka zliczania cząstek

11. PN-EN 1822-3:2009 Wysokoskuteczne filtry powietrza (EPA, HEPA i ULPA). Część 3: Badanie płaskiego materiału filtracyjnego

12. PN-EN 1822-4:2009 Wysokoskuteczne filtry powietrza (EPA, HEPA i ULPA). Część 4: Określanie przecieku filtru (metoda przeszukiwania)

13. PN-EN 1822-5:2009 Wysokoskuteczne filtry powietrza (EPA, HEPA i ULPA). Część 5: Określanie skuteczności filtru

14. PN-EN 779:2012 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Określanie parametrów filtracyjnych

15. PN-EN ISO 16890-1:2017 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Część 1: Specyfikacje techniczne, wymagania i system klasyfikacji skuteczności określony na podstawie wielkości cząstek pyłu (ePM)

16. PN-EN ISO 16890-2:2017 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Część 2: Pomiar skuteczności filtracji w funkcji wymiaru cząstek oraz oporu przepływu powietrza

17. PN-EN ISO 16890-3:2017 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Część 3: Określanie skuteczności filtracji metodą grawimetryczną i oporu przepływu powietrza w zależności od masy zatrzymywanego pyłu

18. PN-EN ISO 16890-4:2017 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Część 4: Metoda kondycjonowania mająca na celu wyznaczenie minimalnej badawczej skuteczności filtracji w funkcji wymiaru cząstek

19. ISO 29463-1:2017 High efficiency filters and filter media for removing particles from air – Part 1: Classification, performance, testing and marking

20. PN-EN ISO 29463-2:2018 Wysokoskuteczne filtry i materiały filtracyjne do usuwania cząstek z powietrza. Część 2: Wytwarzanie aerozolu, urządzenia pomiarowe i statystyka dotycząca zliczania cząstek

21. PN-EN ISO 29463-3:2018 Wysokoskuteczne filtry i materiały filtracyjne do usuwania cząstek z powietrza. Część 3: Badania materiałów filtracyjnych z płaskich arkuszy

22. PN-EN ISO 29463-4:2018 Wysokoskuteczne filtry i materiały filtracyjne do usuwania cząstek z powietrza. Część 4: Metoda badania szczelności elementów filtru. Metoda skanowania

23. PN-EN ISO 29463-5:2022 Wysoko efektywne filtry i materiały filtrujące służące do usuwania cząstek stałych z powietrza. Część 5: Metoda badania elementów filtrujących

24. PN-EN 1822-1:2019 Wysokoskuteczne filtry powietrza (EPA, HEPA i ULPA). Część 1: Klasyfikacja, badania właściwości użytkowych, znakowanie

25. PN-EN ISO 21083-1:2019 Metoda badania skuteczności materiałów filtrujących powietrze ze sferycznych nanomateriałów. Część 1: Zakres wielkości od 20 nm do 500 nm

26. ISO 12103-1:2016 Road vehicles − Test contaminants for filter evaluation − Part 1: Arizona test dust [Pojazdy drogowe – Badanie zanieczyszczeń do oceny filtra – Część 1: Pył testowy Arizona]