Filtry powietrza w szpitalnych instalacjach klimatyzacji i wentylacji (cz. 1)

Zastosowanie w szpitalach instalacji klimatyzacji i wentylacji ma na celu utrzymanie właściwej jakości powietrza wewnętrznego. O jakości tego powietrza decydują nie tylko parametry fizyczne, ale również jego czystość. Z uwagi na przebywanie w szpitalach ludzi chorych, z obniżoną odpornością, istotną rolę w pojęciu „jakości powietrza” odgrywa jego czystość mikrobiologiczna.

O czystości mikrobiologicznej powietrza w wentylowanych pomieszczeniach decydują cztery podstawowe procesy zachodzące podczas pracy instalacji klimatyzacji i wentylacji, a mianowicie [8]:

• pobieranie z otoczenia powietrza zewnętrznego wraz z jego zanieczyszczeniami pyłowymi i mikrobiologicznymi,
• emisja własna na skutek kolonizacji instalacji przez mikroorganizmy, na ogół środowiskowe,
• oczyszczanie przepływającego przez instalację powietrza z zanieczyszczeń pyłowych i środowiskowych zanieczyszczeń mikrobiologicznych i doprowadzanie go do wentylowanych pomieszczeń,
• usuwanie zanieczyszczeń powietrza powstałych na skutek emisji wewnętrznej w pomieszczeniach poprzez rozcieńczanie lub wypieranie zanieczyszczeń przez czyste powietrze dostarczane z instalacji.

Redukcja poziomu zanieczyszczeń mikrobiologicznych w wymienionych procesach i ograniczanie emisji zanieczyszczeń powstających wewnątrz wentylowanych pomieszczeń wpływają na efekt, jakim jest obniżenie ryzyka występowania zakażeń przenoszonych drogą powietrzną. Elementami instalacji klimatyzacji i wentylacji koniecznymi do osiągania czystego powietrza są filtry. Ich zadaniem jest usuwanie z powietrza zanieczyszczeń: zarówno cząstek stałych, pyłów, jak i mikroorganizmów. 

Powietrze to aerozol, który składa się z gazowej fazy ciągłej, jaką jest czyste powietrze, oraz fazy rozproszonej, którą najczęściej są ciała stałe lub ciecz w postaci kropel. Filtracja polega na oddzielaniu przez powierzchnię filtracyjną cząstek zawieszonych w strumieniu przepływającego powietrza. Odfiltrowywane zanieczyszczenia są zazwyczaj bardzo zróżnicowane pod względem kształtu i rozmiaru i z tego względu proces oczyszczania powietrza jest w wielu przypadkach procesem złożonym, np. materia ożywiona zachowuje się często jak cząstka stała, ale niekiedy również jak kropla.

Do zjawisk fizycznych najczęściej wykorzystywanych w procesach filtracji zalicza się: zjawisko dyfuzji, zjawisko bariery, zjawisko sita, bezwładności i zjawisko oddziaływań elektrostatycznych, a w procesie filtracji mogą brać udział m.in. siły: grawitacji, bezwładności, odśrodkowe i oddziaływania elektrostatycznego (rys. 1).

W wysokoskutecznej filtracji powietrza (z filtrami HEPA i ULPA) działają przede wszystkim dwa mechanizmy oddzielania zanieczyszczeń: dyfuzja i zaczepienie. Dla cząstek większych od 1 µm najistotniejszym mechanizmem wytrącania zanieczyszczeń jest mechanizm bezwładności. Mechanizm osadzania grawitacyjnego ma znaczenie głównie dla cząstek dużych.

Czynny mechanizm oddzielania przez pojedyncze włókno zależy od: średnicy włókna, średnicy cząstek, prędkości przepływu, rozkładu cząstek przed włóknem, a także od rodzaju cząstki i materiału włókien oraz stanu ich powierzchni. Skuteczność frakcyjna zatrzymywania zanieczyszczeń na powierzchni filtracyjnej zmienia się w zależności od mechanizmu oddzielania i od średnicy zanieczyszczeń (rys. 2).

Zastosowanie filtrów, które są zdolne do zatrzymania cząstek będących zanieczyszczeniem powietrza, wymaga przynajmniej ogólnej znajomości wymiarów tych cząstek. Najczęściej stosuje się metodę, w której o wielkości oddzielanych z powietrza zanieczyszczeń decyduje rodzaj stosowanej przegrody filtracyjnej. Zanieczyszczenia gazowe oddziela się chemicznymi lub fizycznymi metodami sorpcji, w których substancje szkodliwe wiążą się z sorbentami.

Zazwyczaj do adsorbowania szkodliwych oraz niepożądanych gazowych i parowych zanieczyszczeń powietrza używa się filtrów z węglem aktywowanym. Znajdują one zastosowanie w wentylacji pomieszczeń, w których np. przygotowuje się leki cytostatyczne.W praktyce dla uzyskania końcowej wymaganej czystości powietrza zazwyczaj konieczne jest zastosowanie filtracji stopniowanej (kaskadowej), w  skład której wchodzą:

• I stopień filtracji – filtracja wstępna (inaczej: zgrubna),
• II stopień filtracji – filtracja dokładna,
• III stopień filtracji – filtracja absolutna, nazywana niekiedy filtracją aerozoli koloidalnych lub filtracją wysokoskuteczną.

Instalacje klimatyzacji i wentylacji posiadają najczęściej od jednego do kilku stopni filtracji. Na potrzeby pomieszczeń czystych szpitali stosuje się filtrację trójstopniową, składającą się z filtrów o rosnącej skuteczności filtracji. Do filtrów absolutnych zalicza się: filtry HEPA – High Efficiency Particulate Air Filter (H10–H14) i filtry ULPA – Ultra Low Penetration Air Filter (U15–U17).

Klasyfikacja filtrów powietrza w zależności od ich skuteczności Filtry stosowane w instalacjach klimatyzacji i wentylacji spełniają to samo zadanie, a mianowicie oczyszczają powietrze z zanieczyszczeń, jednak zakres ich stosowania zależy od zdolności do zatrzymywania określonych cząstek.

Klasyfikacja filtrów według skuteczności filtracji (tabela 1) jest najbardziej znanym i praktycznym podziałem mechanicznych filtrów powietrza, przydatnym nie tylko na etapie projektowania instalacji klimatyzacji i wentylacji, ale również podczas eksploatacji. Zgodnie z tą klasyfikacją produkowane filtry są przyporządkowywane do odpowiednich grup i klas w oparciu o wartości parametrów filtracyjnych, tj. skuteczności filtracji lub penetracji. Skuteczność filtrów zależy od ich cech konstrukcyjno-materiałowych.

DEHS – aerozol polidyspersyjny sebacyjanu dwuetyloheksylu

Na rys. 3 przedstawiono charakterystykę filtra HEPA, którego zdolność filtrująca wynosi 99,97% dla cząstek o wielkości 0,3 µm. Cząstki najbardziej penetrujące filtr mieszczą się najczęściej w przedziale od 0,1 do 0,3 µm. Cząstki mniejsze i większe od cząstek MPPS są zatrzymywane w materiałach włóknistych z większą skutecznością [2].

Parametry użytkowe filtrów

Zarówno podczas projektowania instalacji, jak i podczas jej eksploatacji konieczna jest znajomość podstawowych parametrów użytkowych filtrów. Zalicza się do nich: skuteczność filtracji, nominalne natężenie przepływu powietrza, początkową i końcową stratę ciśnienia oraz wymiary filtra.

Skuteczność filtracji to stosunek ilości pyłów zatrzymywanych przez filtr do ilości pyłów w powietrzu doprowadzanym do filtra, wyrażona w [%]. Jest ona zatem miarą zdolności urządzenia filtracyjnego lub materiału filtracyjnego do zatrzymywania zanieczyszczeń. Skuteczność bywa określana dla wybranych wielkości cząstek lub szerszego spektrum ich wielkości [7].

W filtracji powietrza używa się również takich pojęć, jak stopień odpylania i sprawność. Pojęcie sprawności filtracji, w odróżnieniu od stopnia odpylania (wyznaczanego grawimetrycznie), używane jest w przypadku, gdy filtr został zbadany przy użyciu naturalnych zanieczyszczeń powietrza. Dla filtrów o skuteczności poniżej 40% podaje się jako kryterium porównawcze tylko stopień odpylania, a dla filtrów o skuteczności odpylania wyższej niż 90% podaje się jedynie sprawność.

Nie udało się dotychczas stwierdzić związku pomiędzy stopniem odpylania a sprawnością [13]. Skuteczność filtracji (η) można wyrazić wzorem:

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

Znacznie rzadziej używa się pojęcia stopnia przepuszczania filtru, który wynosi:

Z uwagi na potrzebę porównania filtrów różnych producentów konieczne stało się wprowadzenie norm dotyczących procedur testowych określających efektywność filtrów. Normy takie są stosowane również w Polsce. W Europie stosuje się normę EN 779 dotyczącą filtrów wstępnego i dokładnego oczyszczania oraz normę EN 1822 dla filtrów HEPA i ULPA.

Określona na podstawie badań skuteczność filtracji pozwala przewidzieć zdolność do zatrzymywania zanieczyszczeń przez filtr w warunkach normalnej pracy, jednak w przypadku filtracji naturalnych pyłów występujących w środowisku naturalnym skuteczność filtracji może odbiegać od wartości otrzymanych dla znormalizowanych pyłów testowych.

W szczególnych przypadkach skuteczność filtracji filtrów klas G i F może być nieco mniejsza od uzyskanej podczas badań testowych. W przypadku filtrów HEPA i ULPA określanie skuteczności filtracji dla wymiaru najbardziej przenikających cząstek MPPS powinno wykluczać taką możliwość.

Badania skuteczności filtracji filtrów absolutnych przeprowadza producent dla wybranych sztuk produkcyjnych lub na życzenie odbiorcy dla każdego dostarczanego filtra. Podczas doboru i zakupu filtrów należy wymagać, aby miały one certyfikaty potwierdzające zgodność z normą i klasą filtracji lub protokoły z badań potwierdzające wystarczającą skuteczność filtracji każdego dostarczonego filtra [8].

Inne spotykane pojęcia związane ze skutecznością filtracji to [6]:

• skuteczność całkowita, czyli skuteczność zatrzymania pyłu bez uwzględniania podziału na frakcje, wyrażona ułamkiem dziesiętnym lub udziałem procentowym,
• skuteczność przedziałowa, zwana też frakcyjną, czyli skuteczność określona dla cząstek o danym wymiarze lub z określonego przedziału wymiarów. Zależnie od sposobu oznaczenia rozróżnia się przedziałową skuteczność liczbową lub wagową (masową) [–], [%]. Na rys. 4 przedstawiono skuteczność filtracji danych klas filtrów w zależności od wielkości cząstek,
• współczynnik przeskoku [–], [%], przenikania, penetracji oznacza stosunek ilości pyłu wydostającego się z filtra do ilości pyłu dostarczanego do filtra.

Skuteczność filtracji zmienia się w miarę upływu czasu użytkowania filtra. Podczas eksploatacji teoretycznie skuteczność filtracji wzrasta, co jest spowodowane osiadaniem zanieczyszczeń na powierzchni filtracyjnej.

Niestety, istnieje również możliwość przerastania zanieczyszczeń przez tę powierzchnię, co z kolei powoduje, że filtr sam staje się źródłem emisji. Tak dzieje się np. w przypadku zasiedlania przez grzyby pleśniowe, których zarodniki mogą przedostawać się na drugą stronę filtra. Szczególnie niepożądany jest rozwój drobnoustrojów chorobotwórczych.

Zbyt długie użytkowanie filtrów, z uwagi na występujące procesy starzenia się materiału, także jest niekorzystne. Podczas eksploatacji filtrów osiadające zanieczyszczenia powodują wzrost oporów przepływu, a tym samym zmniejsza się ilość dostarczanego powietrza do pomieszczeń. Automatyczna regulacja przepływu poprzez zwiększanie ciśnienia powietrza przed filtrem powoduje wzrost naprężeń mechanicznych przyspieszających procesy starzenia się filtra, co również ujemnie wpływa na jakość dostarczanego powietrza.

Zjawiskom tym zapobiega się poprzez wymianę filtrów w odpowiednim czasie – po upływie przewidywanego okresu pracy. Prędkość przepływu powietrza przez powierzchnię czołową filtrów absolutnych nie powinna przekraczać 2,5 cm/s [9]. W celu oceny stanu filtrów, a tym samym skuteczności ich działania w pomieszczeniach czystych obiektów służby zdrowia konieczne jest prowadzenie badań jakości powietrza dostarczanego przez instalację klimatyzacji i wentylacji zarówno po zainstalowaniu filtrów, jak i w trakcie eksploatacji.

Nominalne natężenie przepływu powietrza  [m³/h] to określona przez producenta maksymalna ilość powietrza (zaprojektowana najczęściej dla gęstości powietrza równej 1,20 kg/m³) przepływającego przez filtr w ciągu godziny. Jest to istotny parametr, gdyż przekraczanie nominalnego natężenia przepływu prowadzi m.in. do [8]:

• obniżenia skuteczności filtracji,
• wzrostu oporów na filtrze ponad dopuszczalną dla danej instalacji wartość,
• uszkodzeń mechanicznych filtrów,
• skrócenia czasu eksploatacji filtrów z powodu szybciej postępującego zanieczyszczenia,
• zwiększenia penetracji przez mikroorganizmy,
• pogorszenia jakości powietrza.

Początkowa i końcowa strata ciśnienia na filtrze określa spadek ciśnienia statycznego na filtrze w początkowej i końcowej fazie jego eksploatacji. Strata ciśnienia oznacza różnicę ciśnień mierzonych przed i za filtrem. Początkowa strata ciśnienia oznacza spadek ciśnienia na filtrze czystym, a strata końcowa to sygnał do jego wymiany. Ze względu na utrzymanie wymaganej wydajności instalacji końcowa strata ciśnienia nie może przekraczać wartości dopuszczalnej dla danej instalacji. Typowe straty ciśnienia na filtrach przedstawiono w tabeli 2.

Znajomość tych wartości umożliwia regulację nastaw presostatów sygnalizujących stan zanieczyszczenia filtrów. O stanie końcowym mówimy, gdy filtr osiągnie wartość graniczną gromadzenia zanieczyszczeń lub obniżona zostanie jego skuteczność filtracji do stopnia uważanego za niewystarczający. Każdy filtr ma ściśle określoną pojemność pyłową, co oznacza, że po jej osiągnięciu proces filtracji nie będzie skuteczny, gdyż filtr nie będzie mógł zgromadzić na swojej powierzchni więcej zanieczyszczeń.

Pojemność pyłowa [g/m²] jest więc taką wielkością masy pyłu zatrzymanego przez filtr przypadającej na jednostkę powierzchni filtracyjnej, przy której filtr osiąga stan końcowy. Podczas pracy urządzenia filtracyjnego osadzające się zanieczyszczenia zapełniają porowatości materiału filtracyjnego. W związku z tym wraz z upływem czasu maleje liczba wolnych porów (kanalików) w przegrodzie filtracyjnej, a wzrasta opór przepływu, aż do momentu zupełnego zamknięcia drogi dla filtrowanego czynnika [6].

Nagły spadek oporów na filtrze podczas jego eksploatacji może być spowodowany np. uszkodzeniem powierzchni filtracyjnej lub powstaniem nieszczelności, w konsekwencji czego obniża się skuteczność filtracji.

Wymiary filtrów to informacja bardzo istotna z punktu widzenia szczelnego ich mocowania w oprawach i prowadnicach, a także odległości od innych urządzeń zamocowanych w instalacji i specyfiki jej wykonania. Filtry przeważnie produkuje się w wymiarach standardowych, istnieje też oczywiście możliwość indywidualnego dostosowania ich wymiarów do instalacji, z reguły jednak wiąże się to ze wzrostem kosztów.

Oczywiście istnieją jeszcze bardziej szczegółowe parametry poza zaprezentowanymi powyżej, np.:

• powierzchnia czołowa [m²] – powierzchnia przekroju poprzecznego łącznie z ramą,
• powierzchnia czynna [m²] – powierzchnia przekroju poprzecznego, przez którą przepływa powietrze,
• powierzchnia efektywna materiału filtracyjnego [m²] – powierzchnia filtra bez powierzchni klejonych, prętów, wzmocnień itp., przez którą przepływa powietrze,
• prędkość wlotowa powietrza [m/s] – strumień objętościowy powietrza podzielony przez powierzchnię czołową filtru,
• prędkość przepływu przez filtr [m/s] – strumień objętościowy powietrza podzielony przez powierzchnię czynną filtru,
• prędkość filtracji [m/s] – strumień objętościowy powietrza podzielony przez powierzchnię efektywną materiału filtracyjnego.

Część 2 w RI nr 4/2012

Literatura

1. Ensor D.S., Hanley J.T., Sparks L.E., Particle-size-dependent efficiency of air cleaners, Washington D.C.: IAQ 1991, Healthy Buildings/IAQ.
2. Kaiser K., Filtry i filtracja. Badania filtrów powietrza Cz. 2, „TCHiK” nr 10/2008.
3. Kaiser K., Filtry i filtracja. Eksploatacja filtrów stosowanych do oczyszczania powietrza w instalacjach klimatyzacji i wentylacji, „TCHiK” nr 9/2010.
4. Kaiser K., Filtry i filtracja. Eksploatacja filtrów stosowanych do oczyszczania powietrza w instalacjach klimatyzacji i wentylacji. Klasyfikacja pomieszczeń czystych, „TCHiK” nr 10/2010.
5. Kaiser K., Filtry i filtracja. Filtracja i mechanizmy filtracji, „TCHiK” nr 5/2007.
6. Kaiser K., Filtry i filtracja. Podstawowe własności i parametry filtrów powietrza, „TCHiK” nr 11/2007.
7. Kaiser K., Wolski A., Hałas i zanieczyszczenia w wentylacji, Wyd. Masta, Gdańsk 2011.
8. Kaiser K., Wolski A., Klimatyzacja i wentylacja w szpitalach. Teoria i praktyka eksploatacji, Wyd. Masta, Gdańsk 2007.
9. Kryszka B., Klimatyzacja pomieszczeń czystych w szpitalach, „Instal” nr 2/99.
10. Lee KW, Liu BYH, On the minimum efficiency and the most penetrating particle size for fibrous filters, „J Air Pollut Control Assoc” No. 30/1980.
11. Madziąg G., F jak filtracja. Alfabet PIUSWIKa, „TCHiK” nr 11/2001.
12. NIOSH: Guidance for Protecting Building Environments from Airborne Chemical, Biological, or Radiological Attacs, U.S. 2003
13. Recknagel H., Sprenger E., Hönmann W., Schramek E.R., Ogrzewanie + klimatyzacja. Poradnik, Wyd. 1, EWFE, Gdańsk 1994.
14. SFM, Zastosowanie filtrów powietrza, materiały szkoleniowe.