Elektrostatické filtry a jejich hodnocení v souladu s ČSN EN ISO 16890

Úvod

Nová metodika nabízí v současném znění poměrně mírná kritéria splnění zatřídění do nových skupin filtrace, a to do jednotlivých tříd označených popisem ePMx. Dává tak velký prostor uživateli, aby si sám navolil kvalitu v souvislosti s problematikou filtrace tedy odlučivosti použitého vzduchotechnického filtru.

Samotná metodika hodnocení účinnosti se změnila velmi významně. Mnohem větší důraz je věnován nižším frakcím měřeného pevného aerosolu a to částicím s průměrem menším než 1 μm.

Zde tedy dochází k významnému posunu vzhledem k dosavadnímu konstrukčnímu provedení vzduchových filtrů, protože efektivní odlučivost nižších frakcí aerosolu je spojená s vyšší hustotou vložky filtračního materiálu. Současná filozofie při výrobě hrubých a jemných tříd filtrace však klade významnější vliv na dosažení nízkých tlakových ztrát systému vzduchotechniky, což je ekvivalent příkonu potřebného na provoz ventilátorů, a tedy i ceny za provoz vzduchotechnického zařízení.

Prostor se otevírá pro použití filtračních vložek s nanovlákennou strukturou (tloušťkou vlákna menší než 1 μm). Tyto jsou dlouhodobě provázány s problémy velké tlakové ztráty způsobené vyšší hustotou filtrační vrstvy. Účinného stupně filtrace je tedy u tohoto výrobku dosaženo za cenu vysokých nákladů na dopravu vzduchu, které transportují čistý vzduch do větraných prostorů. Nanofiltry jsou však velmi účinné právě u filtrace vzduchu v problematických nižších frakcích aerosolu, vyskytujícího se v běžném převážně městském prostředí. Z tohoto důvodu problematika článku zaměřena na to, zda vyšší porozita nanovláken ve spojení s elektrostatickým nabitím má vliv na lepší účinnosti nanovlákenných filtrů. V článku je představen experimentální prototyp filtračního média, které je alternativou současným vzduchovým filtrům z mikrovláken pro úrovně filtrace F9 - ePM₁. Prezentované výsledky měření jsou realizovány pracovníky fakulty stavební VUT v Brně, Ústavu technického zařízení budov.

Význam filtrace jemných částic aerosolu

Dlouhodobé studie vpracované Světovou zdravotnickou organizací, se zabývají účinky jemného prachu na lidské zdraví. Výsledky těchto měření mají významné dopady do různých navazujících oborů, jako například aféra dieselgate. Znečištění vzduchu a obzvláště malé částice ve vzduchu jsou zdraví škodlivé a přispívají ke vzniku smrtelných onemocnění dýchacích cest a krevního oběhu. Tyto částice jsou zařazeny do různých PM tříd, tj. PM1 (aerodynamický průměr ≤ 1 μm), PM2,5 (≤ 2,5 μm) a PM10 (≤ 10 μm). Zkratka PM znamená „Particulate Matter“ – pevné částice.

A v současné době vzhledem k jejich velikost a vlivu na lidské zdraví, jsou rozdělovány do těchto třech základních skupin:

• PM10 (< 10 μm)
  Pyl, prach, velké částice o průměru větším než 10 μm zachytí horní cesty dýchací a nejsou vdechnuty. Částice o průměru menším než 10 μm (PM10) mohou proniknout do průdušek.
• PM2,5 (< 2,5 μm)
  Bakterie, houby, které se dostanou do spodních dýchacích cest. Částice o průměru menším než 2,5 μm (PM2,5) mohou proniknout do plicních sklípků.
• PM1 (< 1 μm)
  Viry, částice ze spalování, nanočástice o průměru menším než 1 μm (PM1) mohou proniknout přes alveolo-kapilární membránu. Výměna dýchacích plynů probíhá přes alveolo-kapilární membránu (hemo-respirační bariéru). Je to tenká vrstva (0,6–2 μm), která je součástí plicních alveol. Celková velikost alveolo-kapilární membrány je 60–160 m². [5]

Standardní filtrační materiály jsou schopny zachytit pevný aerosol od průměru pevné částice 0,1 μm. Ve třídě velmi jemné filtrace EPA, HEPA a ULPA až s účinností více než 99,9 %.

Pomocí běžných filtračních materiálů však nejsme schopni eliminovat biologickou složku v dopravovaném vzduchu.

Existují experimentální filtrační materiály na bázi stříbra, které tuto vlastnost mají. Z dlouhodobých měření však vyplývá, že tyto materiály nemají residuální charakter, a v praxi tedy spíše využíváme mechanismu záchytu anorganické částice a předpoklad, že živá částice vyžaduje ke svému šíření nějakou částici neživou. Zamezením přenosu částic pevných tedy zamezíme i kontaminaci vnitřního vzduchu bakteriemi a plísněmi.

Mechanismy záchytu pevného aerosolu

Spektrální velikost částic, která spadá do hrubé a jemné třídy filtrace, se pohybuje v rozmezí 0,1 až 10 μm. Přičemž z hlediska mechanismu záchytu převažují zejména dva jevy. U částic o menším průměru je to efekt difúze, zatímco u částic o průměru větším převažuje princip intercepční.

Mechanismus molekulární difúze je nejúčinnější při odloučení frakcí < 0,5 μm. Je to proces, při kterém pomocí difuze částečky menší než 1 μm v blízkosti překážky narazí do filtračního vlákna v důsledku Brownova pohybu. Brownův pohyb definuje, že molekuly v kapalině, či plynu jsou v neustálém pohybu vlivem teplotních změn. Při změně teplot dochází ke srážení molekul, velikost a síla těchto srážek jsou náhodné. Vlivem těchto pohybů dochází k rozkmitání vláken filtračního materiálu, a tím i větší pravděpodobnosti zachycení částice.

Mechanismus zachycení (intercepce) je naopak nejúčinnější u částic > 5 μm.

Je to jev, který lze vysvětlit jako zachytávání lehkých částic proudících ve vzdálenosti rovnou polovině jejich rozměru (průměru), adhezním silám a napětí. Účinnost mechanismu zachycení roste se zvětšením rozměrů zachycovaných částic.[6]

Z těchto popisů filtračních schopností záchytu pevného aerosolu vyplývá vcelku logický závěr, že pro dosažení vysoké účinnosti filtračního vložky je potřeba mít materiál dostatečně hustý s malým průměrem filtračních vláken.

Posouzení elektrostatických filtrů

Jako odpověď na závěry provedených studií je změna normy na zatřídění vzduchových filtrů hrubé a jemné filtrace. Od prosince roku 2016 totiž nabyla platnosti nová norma ISO 16890, aby celosvětově sjednotila různé standardy. Jedná se zejména o stávající předpisy EN 779 a ASHRAE 52.2. Česká republika tento normativní předpis převzala v celém znění pod označením ČSN EN ISO 16890. Tato podoba normy nabyla v České republice účinnosti 1. 12. 2017.

Týká se filtrů skupin, které byly dle původního zatřídění klasifikovány do tříd G, M a F. Pro přechod na novou ISO normu byla poskytnuta 18měsíční přechodná doba, takže do poloviny roku 2018 byla platná jak EN 779, tak i ISO 16890. V současné době už je však platná pouze norma ČSN EN ISO 16890. Do praxe a povědomí lidí se však toto nové označování dostává velmi pomalu.

Zodpovědní výrobci uvádějí u svých výrobků staré i nové označení filtračních vložek. Vzhledem k nově použité metodice zatříďování je to vlídný nicméně kontroverzní krok. Neexistuje totiž přesný vztah nebo převodní postup mezi původním a novým zatříděním.

Norma EN 779 totiž nebrala ohled na obsah jemných částic ve vzduchu, ale posuzovala účinnost filtru při částicích velikosti 0,4 μm. To ale neodpovídá současným požadavkům. [3]

Stanovení filtrační účinnosti je založeno na faktu, že právě filtrace částic této velikosti je poměrně problematická a reprezentuje průměr jemných frakcí, který jsme byli schopni změřit pomocí standardních optických počítačů částic.

Naopak nová norma ISO 16890 rozlišuje tři oblasti podle velikosti částic a je proto detailnější a blíže skutečnosti. Výsledky zkoušek tudíž lépe odráží výkonnost filtrů ve skutečném provozu.

Zatřídění dle nové normy ČSN EN ISO 16890 probíhá dle tab. 1.

Účinnost filtrace jemného prachu – ePMx:
ePM₁ (0,3 μm až 1 μm)
ePM_2,5 (0,3 μm až 2,5 μm)
ePM₁₀ (0,3 μm až 10 μm)
popisují interval velikosti částic, na který se účinnost filtrace vztahuje.

Minimální účinnost filtrace jemného prachu ePMx,min
popisuje pouze filtraci jemného prachu pro skupiny ePM₁ a ePM_2,5 – pro stanovení této hodnoty je účinnost odloučení filtru zjišťována v elektrostaticky vybitém stavu.

Za popisem třídy filtrace následuje informace o účinnosti filtrační vložky. Údaj je uveden v procentech, a to v kroku 5 % zaokrouhlených směrem dolů.

Zatím neexistuje předpis doporučených tříd filtrace vzduchu na typické vnitřní provozy, existuje pouze doporučení dle VDI, kdy v posledním stupni má být osazen nejméně jeden filtr třídy ISO ePM₁.

V důsledku toho se třída filtrace ISO ePM₁ považuje jako nejnižší požadavek na jemný filtr. Norma VDI je však v ČR nezávazná, informace má tedy pouze charakter doporučení.

Elektrostatické filtry – posouzení

Nutnost zohlednění celého spektra jemných částic v normě ISO 16890 sebou nesla zavedení matematických distribučních funkcí, které jsou dvojího typu.

Jeden popisuje naměřený výsledek účinnosti v porovnání s typickým rozdělením počtu částic ve městě a druhý na venkově. Jedná se o údaj, který musí být součásti certifikace zatřídění konkrétního filtru jako výrobku.

Matematický popis zatřídění je uveden níže:

kde je

E_A,i

střední frakční účinnost velikostního intervalu částic i

q_3u (d̅_i)

diskrétní rozdělení částic dle objemu

Δln d_i

logaritmická šířka velikostního intervalu průměru částic i

d_i

dolní mez průměru částice ve velikosti intervalu i

d_i+1

horní mez průměru částice ve velikosti intervalu i

Samotné distribuční funkce, které do vztahů vstupují, jsou uvedeny na obrázcích níže.

Měření se zahrnutím vlivu elektrostatického nabití filtrační vložky

S partnerskou firmou ASIO spol. s r.o. bylo na fakultě stavební, ústavu Technických zařízení budov, sestaveno modelové filtrační zařízení (měřicí trať) umožňující sledovat jeho filtrační účinnost. Účinnost byla měřena pro počáteční odlučivost nezatíženého elektrostaticky vybitého filtru a odlučivost elektrostaticky nabitého filtru vysokým napětím. Filtrační vložka byla zatížena běžným domovním prachem a zkušebním aerosolem DEHS. Vzorek je tvořen filtrační vložkou z testované textilie, nad kterou je ve vzdálenosti 0,7 m umístěna kovová mřížka propojená do vysokonapěťového obvodu s testovanou textilií. Testovaný vzduch byl přes filtrační tkaninu dopravován ventilátorem s průtokem vzduchu od 0 do 1 400 m³/h. Průtok byl měřen pomocí přístroje balometr Prohood PH721. Tlaková ztráta byla měřena pomocí interního tlakového senzoru fy. Testo, model 435-4. Počet částic před a za přepážkou byl měřen pomocí optického počítače částic Fluke 985.

Měření bylo prováděno s modelovými vzorky prachových částic o definované distribuci jejich průměru a zkušebním aerosolem DEHS (diethyl-hexyl-sebakát). Aerosol je vytvářený pomocí Laskinovy trysky, takto jsou vytvářeny částice o průměru 0,2 až 3,0 mm.

Odlučivost částic byla měřena pro experimentální vzorek v počtu 10 měření o intervalu 20 s. Pro elektrostaticky nabitý a vybitý filtr.

Elektrostatické vybití filtru bylo realizováno uzemněním a při tomto stavu bylo naměřeno napětí mezi kovovou mřížkou a filtrem 203 mV. Při elektrostatickém nabití bylo dosaženo hodnoty až 1119 V (viz obr. 10).

Na obrázku č. 11 jsou zachyceny výsledky jednoho měření ve formě protokolu s uspořádáním dle požadavků normy ISO 16890. Červeně jsou zvýrazněny účinnosti vybitého filtru a zeleně nabitého filtru.

Souhrnné výsledky všech měření jsou prezentovány průměrnými hodnotami ve sloupcovém grafu na obrázku č. 12. Zde je patrný vliv elektrostatického nabití, kdy dochází ke zvýšení filtrační účinnosti dle měřené frakce v rozptylu od 12 % do 19 %. Ve všech frakcích dohromady je u měřeného vzorku dosaženo průměrné zlepšení 14 %.

Závěr

Je potřeba mít na vědomí, že od 1. 7. 2018 se mění definice požadavků na jemný a hrubý stupeň filtrace. Vzhledem ke zvyšujícím se nárokům, se zejména v budoucnu bude zpřísňovat požadavek na samotnou účinnost filtrace. Pokud bude napříště pro definici jemného filtru rozhodující stupeň filtrace částic menších než 1 μm, případně se posune požadavek na odlučivost nad požadovanou hranici 50 %, stoupnou i požadavky na stávající jemné filtry.

Pokud jde o kvalitu vzduchu, je tento vývoj krokem správným směrem, protože se stoupajícími požadavky na filtry stoupne i kvalita vnitřního vzduchu.

Nicméně nárůst kvality filtrace vzduchu sebou v současnosti nese i nárůst elektrické energie na příkon ventilátorů. Jednou z cest pro omezení tohoto efektu je využití elektrostatického předčištění vzduchu a omezení zanášení filtrační vložky hrubou složkou spektra venkovního prachu. Toto předčištění vzduchu vede k zvýšení životnosti filtru a menší četnosti jeho výměn a zmenšení provozních nákladů na jeho provoz.

Článek vznikl za podpory projektu specifického výzkumu č. FAST-S-19-5863.

Materiály pro testování poskytly firmy ASIO spol. s r.o. a SPUR a.s.

Literatura

1. 49 tříd filtrace místo 9: norma ISO 16890 pro vzduchové filtry přehledně [online]. Praha: Robatherm, 2018 [cit. 2019-06-04]. Dostupné z: https://www.robatherm.com/de/system/files/robatherm_ISO16890_cze.pdf
2. Kučerová, L. Detekce deformace a napětí pomocí polymerního nanokompozitu s integrovanou vrstvou uhlíkových nanotrubiček. Bakalářská práce, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta technologická, 2017. [online]. [cit. 30. 5. 2018].
3. ČSN EN ISO 16890-1: Vzduchové filtry pro všeobecné větrání – Část 1. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2018.
4. ČSN EN 1822-1 (125002) Vysoce účinné filtry vzduchu (HEPA a ULPA) – Část 1: Klasifikace, ověřování vlastností, označování. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2010.
5. Děje na alveolokapilární membráně a perfúze plic. Funkce buněk a lidského těla [online]. Praha, 2019 [cit. 2019-06-07]. Dostupné z: http://fblt.cz/skripta/vi-dychaci-soustava/3-deje-na-alveolokapilarni-membrane-a-perfuze-plic/
6. HEMERKA, Jiří. Odlučování tuhých částic. Praha: České vysoké učení technické, 1994. ISBN 80-01-01088-0. Skripta. České vysoké učení technické v Praze.