Filtracja powietrza w nowoczesnych systemach – jak działają filtry HEPA, węglowe i elektrostatyczne?
Autor: ALNOR
Filtr elektrostatyczny dobrze zatrzymują między innymi pyły zawieszone i alergeny, nie wymagają wymiany, lecz regularnego czyszczenia
Zdrowe powietrze to podstawa komfortu w budynkach. Wydajne systemy wentylacji, z filtrami HEPA, węglowymi lub elektrostatycznymi, usuwają alergeny, pyły PM2.5 i wiele innych zanieczyszczeń. Skuteczna filtracja powietrza to gwarancja lepszego samopoczucia i zdrowia wszystkich, którzy przebywają w budynku.
Spis treści
- Filtracja powietrza w nowoczesnych systemach wentylacyjnych
- Filtry HEPA
- Filtry węglowe
- Filtry elektrostatyczne
- Porównanie skuteczności i zastosowań poszczególnych filtrów
- Podsumowanie i rekomendacje
Filtracja powietrza w nowoczesnych systemach wentylacyjnych
W systemach wentylacji mechanicznej konieczne jest stosowanie zaawansowanych technologii powietrza z kilku powodów. Przede wszystkim skuteczna filtracja powietrza ogranicza obecność zanieczyszczeń w powietrzu nawiewanym do pomieszczeń. Jest to istotne z punktu widzenia użytkowników, którzy powinni mieć zapewnioną możliwość oddychania czystym i zdrowym powietrzem, spędzając w pomieszczeniach większą część swojego życia. Niewłaściwa jakość powietrza może powodować szereg problemów zdrowotnych, takich jak alergia, astma, bóle głowy, zmęczenie, a nawet poważniejsze choroby układu oddechowego i krążenia.
Wymagania dotyczące filtracji powietrza są coraz wyższe, bo skutecznie muszą być eliminowane nie tylko kurz i pyłki, ale także smog, alergeny, bakterie, wirusy oraz lotne związki organiczne (LZO). Nowoczesne systemy filtracyjne muszą sprostać rygorystycznym normom jakości powietrza wewnętrznego, zapewniając ochronę zdrowia użytkowników budynków oraz optymalną pracę systemów wentylacji. Dodatkowo rosnące standardy energooszczędności wymagają zastosowania filtrów o wysokiej skuteczności przy minimalnym oporze przepływu, co pozwala ograniczyć zużycie energii przez wentylatory i zwiększa efektywność całego systemu wentylacyjnego.
Skuteczna filtracja powietrza w budynkach przyczynia się do ochrony wymiennika ciepła w centralach wentylacyjnych przed osadzaniem kurzu i innych zanieczyszczeń, które ograniczałyby przewodzenie ciepła. Dzięki zastosowaniu filtrów kanały wentylacyjne i inne elementy systemu nie są narażone na osadzanie się w nich zanieczyszczeń.
Technologie filtracji są stale udoskonalane i rozwijane, dzięki czemu do wyboru jest szereg rozwiązań o różnym poziomie skuteczności, które można dobrać do wymaganej jakości powietrza wewnętrznego – od najprostszych filtrów mechanicznych po zaawansowane rozwiązania wielostopniowej filtracji o wysokiej skuteczności oczyszczania powietrza.
Powietrze, szczególnie w miastach i obszarach przemysłowych, zawiera wiele różnych rodzajów zanieczyszczeń, które różnią się wielkością, składem chemicznym i właściwościami.
- Pyły zawieszone (PM1, PM2.5, PM10) są to drobne cząstki stałe, które unoszą się w powietrzu. Są głównym składnikiem smogu. Mogą powodować problemy z układem oddechowym i krążenia.
- Lotne związki organiczne są to gazy emitowane przez różne materiały, takie jak farby, lakiery, meble, detergenty. Mogą być odpowiedzialne za podrażnienia oczu, nosa i gardła, a także bóle głowy i inne problemy zdrowotne.
- Bioaerozole to cząstki biologiczne, takie jak bakterie, wirusy, zarodniki pleśni, które unoszą się w powietrzu. Mogą powodować alergie, infekcje i inne choroby.
- Gazy kwaśne są to gazy, które mają odczyn kwaśny, takie jak dwutlenek siarki (SO2) i tlenki azotu (Nox). Mogą być przyczyną problemów z układem oddechowym i uszkadzać budynki.
Filtry HEPA
Filtry HEPA (High Efficiency Particulate Air Filter) należą do grupy filtrów wysokoskutecznych (zgodnie z normą PN-EN 1822:2019). Skuteczność filtrów HEPA określa się w odniesieniu do przechwytywaniu cząsteczek o wielkości do 0,3 mikrona (które są uważane za najtrudniejszy do wychwycenia rozmiar cząstek), która wynosi co najmniej 99,97%.
O wysokiej skuteczności filtracji świadczy usuwanie z powietrza większości alergenów, cząsteczek pyłu, a także drobnoustrojów, takich jak wirusy i bakterie. Filtry HEPA są najczęściej wykonane z mikrowłókien szklanych ułożonych w gęstą, nieregularną matrycę. Struktura ta pozwala na skuteczne wychwytywanie cząstek zanieczyszczeń o bardzo małych rozmiarach. Niektóre nowoczesne filtry HEPA wykorzystują także polimerowe mikrowłókna, które zapewniają wysoką skuteczność filtracji przy mniejszym oporze powietrza. Aby zwiększyć powierzchnię filtracji, mogą być ułożone w plisy lub pakiety w kształcie litery V. Niekiedy umieszcza się je w obudowach lub ramkach z aluminium, stali lub tworzyw sztucznych, co ułatwia ich montaż i wymianę.
Wykorzystanie filtrów HEPA to przede wszystkim miejsca o najwyższych wymaganiach czystości powietrza. Zastosowania to przede wszystkim:
- systemy wentylacji i klimatyzacji (HVAC),
- oczyszczacze powietrza,
- cleanroomy (przemysł farmaceutyczny i elektroniczny).
Filtr HEPA powoduje zwiększenie oporów przepływu powietrza, co wynika z gęstości tkaniny filtracyjnej (dzięki czemu jest bardzo skuteczny). Zastosowanie go w systemie wentylacji trzeba uwzględnić przy jej projektowaniu, aby zapewnić odpowiedni wyższy wydatek wentylatora.
Konieczna jest regularna wymiana tego typu filtrów.
Filtry węglowe
Filtry węglowe wykorzystują właściwości węgla aktywnego, który charakteryzuje się wysoką zdolnością adsorpcji zanieczyszczeń gazowych. Skutecznie usuwają dym papierosowy, lotne związki organiczne i inne zanieczyszczenia gazowe, które mogą znaleźć się w powietrzu, takich jak: tlenki azotu, siarki, formaldehydy.
Węgiel aktywny powstaje w wyniku specjalnego procesu obróbki termicznej, dzięki której uzyskuje porowatą strukturę. Ma zdolność adsorpcji, czyli przyciągania i zatrzymywania cząsteczek zanieczyszczeń na swojej powierzchni. Węgiel aktywny może mieć postać granulatu umieszczanego w warstwie filtrującej, sprasowanego bloku o porowatej strukturze albo być nanoszony na włókninę lub inny materiał. Wkład węglowy może też mieć postać plastra miodu, co sprawia, że powietrze ma z nim większy kontakt. W niektórych przypadkach węgiel aktywny jest impregnowany dodatkowymi substancjami, aby zwiększyć jego skuteczność w usuwaniu określonych zanieczyszczeń. Na przykład impregnowany jonami srebra ma właściwości antybakteryjne, a jonami miedzi - jest skuteczny w usuwaniu siarkowodoru i innych związków siarki. Z kolei węgiel aktywny impregnowany związkami zasadowymi jest skuteczny w usuwaniu gazów kwaśnych, takich jak dwutlenek siarki i tlenki azotu. Podstawowe zastosowania filtrów węglowych:
- usuwanie zapachów i zanieczyszczeń gazowych w systemach wentylacji i klimatyzacji oraz oczyszczaczach powietrza;
- zaawansowane filtry chemiczne, na przykład impregnacja węglem aktywnym w celu usuwania konkretnych gazów, na przykład w laboratoriach.
Filtry węglowe mają ograniczoną żywotność i wymagają regularnej wymiany.
Filtry elektrostatyczne
Filtry elektrostatyczne wykorzystują proces polegający na separacji wszelkich zjonizowanych zanieczyszczeń pod wpływem silnego pola elektrostatycznego. Powietrze przepływa przez specjalną komorę, gdzie generowane jest silne pole elektryczne. To pole elektryczne sprawia, że cząsteczki zanieczyszczeń, które znajdują się w powietrzu, otrzymują ładunek elektryczny. Następnie naładowane cząsteczki są przyciągane do elektrod lub kolektorów, które mają przeciwny ładunek elektryczny. Kolektory, na których osadzają się zanieczyszczenia, są zazwyczaj wykonane z metalu i mają dużą powierzchnię, aby mogły zebrać jak najwięcej zanieczyszczeń. Oczyszczone powietrze, pozbawione naładowanych cząsteczek, przepływa dalej przez system wentylacyjny, dostarczając czyste powietrze do pomieszczeń. Do zalet filtrów elektrostatycznych należy zdolność do wyłapywania nawet bardzo małych cząstek, praktycznie już od 5 nm, czyli 0,05 µm, w tym pyłów zawieszonych, a także małe opory przepływu.
Filtry elektrostatyczne stosuje się między innymi:
- w nowoczesnych systemach wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła (rekuperacja) jako dodatkowy stopień filtracji, aby zapewnić jeszcze lepszą jakość powietrza, co jest szczególnie polecane dla alergików i osób z chorobami układu oddechowego;
- w oczyszczaczach powietrza do skutecznego usuwania zanieczyszczeń z powietrza wewnętrznego, takich jak kurz, pyłki, dym i alergeny;
- w biurowcach, centrach handlowych, hotelach i innych budynkach użyteczności publicznej w centralach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych, aby zapewnić wysoką jakość powietrza;
- w placówkach medycznych i laboratoriach, gdzie wymagana jest najwyższa czystość powietrza, w połączeniu z innymi technologiami filtracji, takimi jak filtry HEPA.
Aby filtr elektrostatyczny był skuteczny, niezbędna jest względnie silna jonizacja cząstek, czemu towarzyszy emisja ozonu, tlenków azotu oraz zakłócenia elektromagnetyczne. Stosowane są specjalne rozwiązania, których celem jest ograniczenie tego zjawiska.
Filtry elektrostatyczne są wielorazowego użytku, co jest praktyczne i nie wymaga ponoszenia dodatkowych kosztów. Ważne jest, aby regularnie je czyścić, usuwając nagromadzone zanieczyszczenia. W niektórych filtrach elektrostatycznych stosuje się automatyczne systemy czyszczenia, które ułatwiają ten proces.
Porównanie skuteczności i zastosowań poszczególnych filtrów
Poszczególne grupy filtrów różnią się skutecznością filtracji i zastosowaniem, oferując unikalne zalety i wady.
Filtry HEPA, znane z wysokiej efektywności, zatrzymują do 99,97% cząstek o wielkości 0,3 μm. Idealne dla alergików, usuwają pyłki, roztocza i bakterie. Ich wadą jest wysoki opór przepływu, wymagający mocniejszych wentylatorów.
Filtry węglowe, dzięki adsorpcji, eliminują gazy i zapachy, takie jak lotne związki organiczne i dym papierosowy. Skuteczne w miejscach o wysokim zanieczyszczeniu gazowym, mają ograniczoną żywotność i nie usuwają cząstek stałych.
Filtry elektrostatyczne, wykorzystując siły elektrostatyczne, przyciągają i zatrzymują cząstki, w tym pyły zawieszone. Ich zaletą jest niski opór przepływu i możliwość regeneracji, ale generują ozon i wymagają regularnego czyszczenia.
Polecany artykuł:
Podsumowanie i rekomendacje
Projektowanie systemów filtracji powietrza wymaga kompleksowego podejścia, uwzględniającego zarówno specyfikę zanieczyszczeń, jak i parametry techniczne instalacji, w tym opory przepływu, straty ciśnienia oraz kompatybilność z systemami monitorowania i kontroli.
Warto jest sprawdzić jakość filtrów: czy filtr HEPA ma certyfikat zgodności z normą EN 1822 lub ISO 29463, który potwierdza spełnienie deklarowanych parametrów, a w przypadku filtrów elektrostatycznych, czy mają certyfikaty bezpieczeństwa i produkują ozon w dopuszczalnych normach.
Niezwykle ważne jest monitorowanie stanu filtrów i regularna ich wymiana lub czyszczenie, zgodnie z zaleceniami producenta, aby zapewnić optymalną jakość powietrza i wydajność systemu wentylacyjnego. Zaleca się stosowanie filtrów wstępnych, aby chronić filtry główne przed większymi zanieczyszczeniami i przedłużyć ich żywotność.
Filtry HEPA i węglowe nie nadają się do czyszczenia, należy je regularnie wymieniać zgodnie z zaleceniami producenta. Częstotliwość wymiany zależy od stopnia zanieczyszczenia powietrza i intensywności użytkowania systemu wentylacyjnego. Filtry elektrostatyczne należy regularnie czyścić, usuwając nagromadzone zanieczyszczenia.
Przewidywane kierunki rozwoju technologii filtracji powietrza to przede wszystkim wykorzystanie nanotechnologii i sztucznej inteligencji. Już teraz nanowłókna są stosowane do tworzenia filtrów o bardzo wysokiej skuteczności w usuwaniu drobnych cząstek, w tym pyłów PM2.5 i PM10, a w przyszłości możemy spodziewać się coraz szerszego ich zastosowania. Monitorowanie jakości powietrza w czasie rzeczywistym, personalizacja ustawień i automatyczne dostosowanie parametrów pracy do potrzeb oraz automatyczna konserwacja to tylko niektóre z możliwości, jakie dają systemy sztucznej inteligencji. Wykorzystują czujniki jakości powietrza i algorytmy uczenia maszynowego do monitorowania i kontroli procesu filtracji. Dzięki temu jest optymalny i energooszczędny. Można się spodziewać, że wzrośnie też popularność filtrów biodegradowalnych i rozwiązań proekologicznych, a także systemów hybrydowych, w których stosuje się wielostopniową filtrację, łącząc różne metody i rodzaje filtrów.
