Nowe wymagania dla filtrów powietrza stosowanych w centralach wentylacyjnych

Nastąpiły duże zmiany w sposobie oceny parametrów użytkowych filtrów powietrza. Wszystkie budynki wybudowane po 31 grudnia 2020 r. będą musiały spełniać wysokie standardy energooszczędności.

STRESZCZENIE

W artykule przedstawiono zagadnienia związane z zastąpieniem dotychczas stosowanej normy PN-EN 779:2012 dotyczącej filtracji powietrza dla wentylacji ogólnej serią norm PN-EN ISO 16890:2017-01. Zaprezentowano aktualne zasady badania, nową klasyfikację filtrów powietrza oraz przykładowe wyniki badania zmian parametrów użytkowych filtrów powietrza w odniesieniu do aerozolu w zakresie cząstek stałych o wielkości od 0,3 do 10 pm.

ABSTRACT

The article tackles the issues related to the replacement of the PN-EN 779:2012 standard for general ventilation air filters that has been used so far with the series of PN-EN ISO 16890:2017-01 standards. It presents current test methods, a new classification of filters, as well as exemplary results of testing changes in performance parameters of air filters in relation to the aerosol ranging in particie size from 0,3 to 10 pm.

Zgodnie z dyrektywą Unii Europejskiej 2010/31/WE [1] wszystkie budynki wybudowane po 31 grudnia 2020 r. będą musiały spełniać wysokie standardy energooszczędności.

Budynki będą charakteryzowały się niemal zerowym zużyciem energii, dlatego istnieje ryzyko, że dążenie do energooszczędności może wpłynąć negatywnie na jakość powietrza i klimat wewnętrzny w pomieszczeniach. Szczególne znaczenie mogą mieć badania dotyczące optymalizacji działania i racjonalnego wykorzystywania systemów filtracji, wentylacji i klimatyzacji powietrza wewnątrz budynków.

Człowiek przebywający na terenach zurbanizowanych narażony jest na wdychanie substancji chemicznych w postaci par i gazów oraz pyłów zawieszonych PM10, PM2.5 i PM1 w powietrzu atmosferycznym. Niekorzystne warunki wewnątrz budynków mogą skutkować dolegliwościami zdrowotnymi przejawiającymi się syndromem chorego budynku (SBS – ang. Sick Building Syndrome). Podejmowanie działań zmierzających do eliminowania zagrożenia zanieczyszczeniami powietrza w środowisku pracy człowieka jest zdeterminowane wymaganiami dyrektyw Unii Europejskiej [2, 3, 4], konwencji nr 148 Międzynarodowej Organizacji Pracy [6] oraz rozporządzeniami [14, 15].

W celu zapewnienia odpowiedniej jakości powietrza w pomieszczeniach, szczególnie na terenach zurbanizowanych, wymagane jest prawidłowe oczyszczanie powietrza w centralach wentylacyjno-klimatyzacyjnych budynków.

Do niedawna stosowana klasyfikacja przeciwpyłowych filtrów powietrza dla wentylacji ogólnej jest przedstawiona w normie [8]. W maju 2017 r. zastąpiła ją seria czterech norm PN-EN ISO 16890 [9, 10, 11, 12], które wprowadzają ponad 30 klas filtrów powietrza i zmieniają zasady doboru w centralach wentylacji i klimatyzacji budynków. Nowy system klasyfikacji filtrów jest oparty na skuteczności filtracji odniesionej do określonych wielkości cząstek pyłu, wytwarzania aerozolu testowego, aparatury i budowy stanowiska badawczego, metody badań skuteczności filtracji oraz oporu przepływu, metody kondycjonowania filtru do wyznaczania minimalnej testowej przedziałowej skuteczności filtracji.

Fot. Stanowisko do badania parametrów użytkowych filtrów powietrza zgodnie z PN-EN ISO 16890

Normy i wymagania dotyczące filtracji powietrza

Podstawowymi wskaźnikami użytkowymi filtrów powietrza są: skuteczność filtracji i opór przepływu. Parametry te zależą od:

właściwości pyłów (rozkładu wymiarowego cząstek, stężenia aerozolu, kształtu cząstek, właściwości elektrostatycznych, właściwości chemicznych, zwilżalności pyłu);
właściwości przepływającego powietrza (temperatury, wilgotności, prędkości);
parametrów strukturalnych filtru (konstrukcji filtru, właściwości zastosowanego materiału filtracyjnego).

Skuteczność filtru jest parametrem określającym jego zdolność do oczyszczania powietrza z cząstek zanieczyszczeń 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 są stosowane różne układy filtracyjne projektowane na podstawie danych o parametrach użytkowych filtrów powietrza określonych podczas badań znormalizowanymi metodami stosowanymi do ich klasyfikacji.

Wymagania dotyczące metod badania i zasad klasyfikacji filtrów powietrza stosowanych do instalacji wentylacji i klimatyzacji są określone w normach europejskich wdrożonych jako Normy Polskie.

Zgodnie z normami [7 i 8] ze względu na klasy filtry powietrza dzielimy na:

wstępne typu G, pośrednie typu M, dokładne typu F;
wysokoskuteczne typu EPA (E), HEPA (H) i typu ULPA (U).

Klasyfikacja filtrów powietrza typu G, M i F przedstawiona została w tab. 1. Filtry typu G, M i F są klasyfikowane na podstawie ich średniej sprawności filtracji określonej testem pyłu syntetycznego i testem aerozolu o wymiarach cząstek 0,4 pm.

Filtry wstępne typu G są przede wszystkim stosowane w instalacjach wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń o przeciętnych wymaganiach czystości powietrza oraz jako filtry wstępne przed filtrami o wyższej skuteczności w centralach wentylacyjno-klimatyzacyjnych pomieszczeń o wysokich wymaganiach czystości powietrza.

Tab. 1. Klasyfikacja wstępnych i dokładnych filtrów powietrza zgodnie z [8]

Klasa filtrów	Końcowy opór przepływu	Średnia skuteczność określona testem pyłu ASHRAE 52.1	Średnia skuteczność dla cząstek o wymiarach 0,4 pm	Minimalna skuteczność dla cząstek o wymiarach 0,4 μm
	Końcowy opór przepływu	Średnia skuteczność określona testem pyłu ASHRAE 52.1	test aerozolem cieczy DEHS – ester bis (2-ethyloheksylu) kwasu sebacynowego
	Pa	%	%	%
G1	250	50 ≤ A_m<65	–	–
G2	250	65 ≤ A_m<80	–	–
G3	250	80 ≤ A_m<90	–	–
G4	250	90 ≤ A_m	–	–
M5	450	–	40 ≤ E_m<60	–
M6	450	–	60 ≤ E_m<80	–
F7	450	–	80 ≤ E_m<90	35
F8	450	–	90 ≤ E_m<95	55
F9	450	–	95 ≤ E_m	70

Filtry typu M i F znajdują zastosowanie w systemach wentylacji pomieszczeń o wysokich wymaganiach czystości powietrza oraz jako filtry wstępne w instalacjach wentylacji i klimatyzacji pomieszczeń o bardzo wysokich wymaganiach czystości powietrza przed filtrami wysokoskutecznymi.

Wdrożenie serii norm PN-EN ISO 16890:2017 w Polsce spowodowało wycofanie normy PN-EN 779:2012 [8]. W związku z potrzebą dostosowania aerozolu testowego do rzeczywistego aerozolu atmosferycznego oraz ze względu na skutki zdrowotne, związane z wdychaniem przez człowieka zanieczyszczonego powietrza, w normach zamieszczono nowy sposób testowania filtrów powietrza. Nowe zasady badania filtrów powietrza odniesiono do trzech różnych zakresów wymiarów cząstek pyłu PM (ang. particulate matter):

PM10 dla cząstek o wymiarach od 0,3 do 10 µm,
PM2,5 dla cząstek o wymiarach od 0,3 do 2,5 µm,
PM1 dla cząstek o wymiarach od 0,3 do 1 µm.

Klasyfikacja filtrów powietrza stosownie do [9] jest pokazana w tab. 2. Filtry powietrza są klasyfikowane na podstawie ich początkowego, grawimetrycznego zatrzymania, skuteczności filtracji ePM₁₀, ePM_2,5, ePM₁ oraz minimalnej skuteczności ePM_1,min i ePM_2,5min. Filtrom o niskiej skuteczności filtracji uzyskanej w wyniku testu zatrzymania pyłu syntetycznego L2 o składzie zgodnym z ISO 15957 nie zostaje nadana klasa ePM_x.

Tab. 2. Klasyfikacja filtrów powietrza zgodnie z [9]

Oznaczenie grupy filtrów	Wymagania			Wartość odniesienia dla klasy filtra
	ePM_1,min	ePM_2,5,min	ePM₁₀
	%	%	%
ISO filtr wstępny	–	–	< 50	Początkowe, grawimetryczne zatrzymanie
ISO ePM₁₀	–	–	≥ 50	ePM₁₀
ISO ePM_2,5	–	≥ 50		ePM_2,5
ISO ePM₁	≥ 50	–		ePM₁

Klasyfikacja wysokoskutecznych filtrów powietrza typu E, H i U zgodna z [7] przedstawiona została w tab. 3. Klasa filtru jest określana na podstawie wartości całkowitych i miejscowych skuteczności i penetracji filtracji. Skuteczność całkowita określana dla filtrów typu E, H i U jest to skuteczność uśredniona dla całej powierzchni czołowej filtra w danych warunkach eksploatacyjnych. Natomiast skuteczność miejscowa jest skutecznością w określonym punkcie filtra w danych warunkach eksploatacyjnych. Badanie skuteczności i penetracji filtracji przez filtry wysokoskuteczne wykonuje się testem aerozolu estru bis (2-etyloheksylu) kwasu sebacynowego (DEHS) lub testem aerozolu estru bis (2-etyloheksylu) kwasu ftalowego (DOP).

Tab. 3. Klasyfikacja filtrów powietrza typu EPA, HEPA i ULPA zgodnie z [7]

Klasa filtru	Wartość całkowita		Wartość miejscowa
	skuteczność	penetracja	skuteczność	penetracja
	%	%	%	%
E10	≥ 85	≤ 15	–	–
E11	≥ 95	≤ 5	–	–
E12	≥ 99,5	≤ 0,5	–	–
H13	≥ 99,95	≤ 0,05	≥ 99,75	≤ 0,25
H14	≥ 99,995	≤ 0,005	≥ 99,975	≤ 0,025
U15	≥ 99,9995	≤ 0,0005	≥ 99,9975	≤ 0,0025
U16	≥ 99,99995	≤ 0,00005	≥ 99,99975	≤ 0,00025
U17	≥ 99,999995	≤ 0,000005	≥ 99,9999	≤ 0,0001

Wysokoskuteczne filtry powietrza EPA (klasy E10-E12), HEPA (klasy H13-H14) i ULPA (klasy U15-U17) są stosowane jako ostatni stopień filtracji w warstwowych kompozytach włóknin systemów wentylacji pomieszczeń czystych o klasach czystości wyższych niż ISO 7 (np. sterylne sale operacyjne, produkcja leków i surowic, produkcja taśm filmowych i magnetycznych, pomieszczenia produkcji mikroelektroniki). W przypadku bardzo wysokich wymagań stawianych czystości powietrza są wykorzystywane wielostopniowe układy filtracyjne.

Klasyfikację czystości powietrza pod względem stężenia cząstek stałych w powietrzu pomieszczeń czystych, stref czystych i urządzeń oddzielających przedstawiono w tab. 4.

Badania filtrów powietrza stosowanych w centralach wentylacyjnych na zgodność z wymaganiami PN-EN ISO 16890

W laboratoriach CIOP-PIB przeprowadza się badania skuteczności filtrów powietrza w odniesieniu do elektrycznie neutralizowanych stałych cząstek chlorku potasu (KCl) oraz pyłu testowego A2 zgodny z [5].

Podczas badań wykorzystuje się następującą aparaturę pomiarową:

a) generator PALAS AgK 2000 – generator stałych cząstek KCl;

b) neutralizator TOPAS EAN 581 – neutralizator ładunków cząstek KCl;

c) liczniki optyczne TSI OPS 3330 – pomiar stężenia cząstek aerozolu przed i za badanym filtrem;

d) dozownik pyłu testowego A2;

e) termohigrometr LAB-EL z panelem LB 701 i sondą LB 725 – miernik temperatury i wilgotności względnej powietrza w kanale pomiarowym;

f) ciśnieniomierze elektroniczne użytkowe wykonane przez Instytutu Mechaniki Górotworu PAN – pomiar spadku ciśnienia na filtrze oraz określenie strumienia objętości powietrza na dyszy pomiarowej w kanale.

Na fot. 1 przedstawiono widok ogólny stanowiska do badania parametrów użytkowych filtrów powietrza zgodnie z serią norm PN-EN ISO 16890.

Pełny zestaw testów zgodnych z PN-EN ISO 16890:2017-01 składa się z siedmiu badań, przeprowadzanych dla tych samych próbek filtrów powietrza w takich samych warunkach testowych i przy tej samej nominalnej prędkości przepływu powietrza.

Podsumowanie

Nowa seria norm PN-EN ISO 16890 jest rozwiązaniem o międzynarodowym zasięgu dotyczącym badania i klasyfikacji filtrów powietrza stosowanych w centralach wentylacyjno-klimatyzacyjnych budynków. Normy te wprowadziły duże zmiany w sposobie oceny parametrów użytkowych filtrów powietrza. Wprowadzono 31 klas filtrów podzielonych na cztery kategorie w zależności od frakcji PM_x (ISO wstępny, ISO ePM₁, ISO ePM_2,5, ISO ePM₁₀) w miejsce dotychczasowych czterech klas filtrów wstępnych (od G1 do G4) i pięciu klas filtrów dokładnych (od M5 do F9). W nowej normie PN-EN ISO 16890-1:2017 standardowa wydajność filtrów powietrza jest określona w oparciu o wielkość cząstek stałych PM₁, PM_2,5, PM₁₀ oraz pyłu testowego A2. Taka klasyfikacja jest również stosowana w określaniu wytycznych dla filtrów powietrza przez Światową Organizację Zdrowia oraz inne podobne instytucje.

Pełny zestaw testów zgodnych z PN-EN ISO 16890:2017-01:

a) pomiar oporu przepływu powietrza jako funkcji strumienia przepływającego powietrza – PN-EN ISO 16890-2:2017;

b) pomiar początkowej przedziałowej skuteczności filtracji, czystego (nieobłożonego pyłem) i nie- kondycjonowanego filtra jako funkcji wymiarów cząstek pyłu – PN-EN ISO 16890-2:2017;

c) przeprowadzenie procesu sztucznego kondycjonowania filtra (neutralizacji ładunku elektrostatycznego) – PN-EN ISO 16890-4:2017;

d) stworzenie charakterystyki filtracyjnej neutralizowanego elementu filtracyjnego jako funkcji wymiarów cząstek pyłu, określenie minimalnej przedziałowej skuteczności – PN-EN ISO 16890-2:2017;

e) obliczenie skuteczności filtracji ePM;

f) obłożenie filtra pyłem typu A2 w celu określenia początkowego zatrzymania wagowego, oporu przepływu w funkcji wielkości strumienia powietrza (badanie opcjonalne dla filtrów grupy ePM₁₀, ePM_2,5, ePM₁) – PN-EN ISO 16890-3:2017.

Charakterystyka początkowej przedziałowej skuteczności, niezneutralizowanego i czystego filtra i charakterystyka przedziałowej skuteczności po neutralizacji są stosowane do uzyskania charakterystyki średniej skuteczności filtra powietrza stosowanego w centrali wentylacyjno-klimatyzacyjnej.

Przykładowe wyniki badania filtrów powietrza poprzednich klas G4 i F7 w odniesieniu do rozkładu wymiarowego cząstek aerozolu przedstawiono w tab. 5 i 6.

dr inż. Tomasz Jankowski

Uwaga: Publikacja opracowana została na podstawie wyników zadania nr I-53/TSB realizowanego w ramach działalności statutowej Centralnego Instytutu Ochrony Pracy – Państwowego Instytutu Badawczego.

W Pracowni Aerozoli, Filtracji i Wentylacji CIOP – PIB istnieje możliwość zarówno dla producentów, jak i pracowników służb eksploatacyjnych central wentylacyjno-klimatyzacyjnych stosowanych w budynkach, wspomagania projektowania i sprawdzania parametrów użytkowych filtrów powietrza zgodnie z wymaganiami serii norm PN-EN ISO 16890:2017. Na podstawie wyników testu użytkownicy mogą wybrać odpowiedni do danego zastosowania filtr powietrza, w szczególności występowania zjawiska smogu.

Literatura

Dyrektywa 2010/31/UE z dnia 19 maja 2010 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków.
Dyrektywa 2001/45/WE z dnia 27 czerwca 2001 r. dotycząca minimalnych wymagań w dziedzinie bezpieczeństwa i ochrony zdrowia przy użytkowaniu przez pracowników urządzeń produkcyjnych podczas pracy.
Dyrektywa 89/391/EWG z dnia 12 czerwca 1989 r. w sprawie wprowadzenia środków w celu zwiększania bezpieczeństwa i poprawy zdrowia pracowników podczas pracy.
Dyrektywa Rady 98/24/WE z dnia 7 kwietnia 1998 r. w sprawie ochrony zdrowia i bezpieczeństwa pracowników przed ryzykiem związanym ze środkami chemicznymi w miejscu pracy (czternasta dyrektywa szczegółowa w rozumieniu art. 16 ust. 1 dyrektywy 89/391/EWG).
ISO 12103-1:2016 Road vehicles – Test contaminants for filter evaluation – Part 1: Arizona test dust.
Konwencja nr 148 Międzynarodowej Organizacji Pracy dotycząca ochrony pracowników przed zagrożeniami zawodowymi w miejscu pracy spowodowanymi zanieczyszczeniami powietrza, hałasem i wibracjami, przyjęta w Genewie w 1977 r. (Dz.U. z 2005 r. Nr 66, poz. 574).
PN-EN 1822-1:2009 Wysokoskuteczne filtry powietrza (EPA, HEPA, ULPA). Część 1: Klasyfikacja, badanie parametrów, znakowanie.
PN-EN 779:2012 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej. Określanie parametrów filtracyjnych.
PN-EN ISO 16890-1:2017-01 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej – Część 1: Specyfikacje techniczne, wymagania i system klasyfikacji skuteczności określony na podstawie wielkości cząstek pyłu (ePM).
PN-EN ISO 16890-2:2017-01 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej – Część 2: Pomiar skuteczności filtracji w funkcji wymiaru cząstek oraz oporu przepływu powietrza.
PN-EN ISO 16890-3:2017-01 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej – Część 3: Określanie skuteczności filtracji metodą grawimetryczną i oporu przepływu powietrza w zależności od masy zatrzymywanego pyłu.
PN-EN ISO 16890-4:2017-01 Przeciwpyłowe filtry powietrza do wentylacji ogólnej – Część 4: Metoda kondycjonowania mająca na celu wyznaczenie minimalnej badawczej skuteczności filtracji w funkcji wymiaru cząstek.
PN-EN ISO 14644-1:2016-03 Pomieszczenia czyste i związane z nimi środowiska kontrolowane – Część 1: Klasyfikacja czystości powietrza na podstawie stężenia cząstek.
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 30 października 2002 r. w sprawie minimalnych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i higieny pracy w zakresie użytkowania maszyn przez pracowników podczas pracy (Dz.U. z 2002 r. Nr 191, poz. 1596 z późn. zm.).
Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej z dnia 26 września 1997 r. w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy (Dz.U. z 1997 r. Nr 129, poz. 844 z późn. zm.).