Filtrace ve VZT jednotkách pro nucené větrání rodinných domů I.
Zaměřeno na malé jednotky určené pro nucené větrání rodinných domů
Filtrace atmosférického vzduchu je základní operací při ochraně vnitřního ovzduší před tuhými a kapalnými znečišťujícími látkami. Tuhé i kapalné částice se do ovzduší dostávají lidskou i přírodní činností, v ovzduší jsou rovněž přítomny bakterie, viry a plísně.
Člověk žijící v našich podmínkách tráví ve vnitřním prostředí až 90 % svého času. Jedná se o obydlí, pracovní prostory a prostory k využití volného času. Kvalita vnitřního prostředí ovlivňuje zdraví i výkon a celkovou spokojenost.
Z hlediska technické stránky i z hlediska legislativy prošly stavební objekty v posledních desetiletích podstatným vývojem. Součástí energeticky úsporných novostaveb či domů po rekonstrukci a zateplení se při řešení větrání stávají malé jednotky pro nucené větrání. Tyto jednotky nacházejí také uplatnění u bytů v bytových domech s decentralizovaným větráním.
Řízené větrání by mělo zajistit optimální výměnu vzduchu a udržení vhodného vnitřního klimatu. Z důvodu energetických úspor jsou jednotky vybaveny rekuperací pro zpětné získávání tepla z odpadního vzduchu. Nedílnou součástí jednotek jsou také vzduchové filtry, umožňující odstraňovat zejména tuhé znečišťující látky z čerstvého přiváděného vzduchu z vnějšího prostředí a významně tak přispívat k čistotě vnitřního prostředí. Další filtr pak chrání rekuperační výměník před prachem v odpadním vzduchu odváděném z místnosti.
Cílem příspěvku je seznámit čtenáře s filtrací v těchto malých vzduchotechnických jednotkách pro nucené větrání rodinných domů i podat určitý stručný náhled na znečišťující látky, třídění a použití filtrů.
Znečišťující látky
Filtrace atmosférického vzduchu je základní operací při ochraně vnitřního ovzduší před tuhými a kapalnými znečišťujícími látkami. Tuhé i kapalné částice se do ovzduší dostávají lidskou i přírodní činností, v ovzduší jsou rovněž přítomny bakterie, viry a plísně. Všechny tyto škodliviny působí negativně na zdraví lidí, zvířat, ovlivňují rostliny, vodu, půdu i majetek.
Pod pojmem tuhé částice se rozumí všechny formy jejich výskytu, pro které se používají různé názvy jako: prach, popílek, aerosol, dým, či kouř. Jestliže není důležitý způsob jejich vzniku, lze použít pojem prach pro všechny soubory tuhých částic. Částice jsou charakterizovány velikostí a tvarem, fyzikálními a chemickými vlastnostmi.
Prach může obsahovat toxické složky (např. těžké kovy, karcinogeny), infekční složky, může mít fibrogenní účinky (např. křemenný prach) nebo dráždivé účinky (např. bavlněná vlákna). Průnik částic do lidského organismu dýchacími cestami závisí na velikosti částic. Částice větší než 10 μm se zachytí v horních cestách dýchacích, částice menší než 10 μm (někdy označované jako torakální) pronikají za hrtan. Částice menší než 2,5 μm (označované jako respirabilní) pronikají až do plicních sklípků, částice menší než 1 μm mohou proniknout až do krevního řečiště.
Obvykle se za atmosférický prach považují částice v rozsahu velikostí 0,01–20 μm. Přibližně 99 % celkového počtu jsou částice menší než 1 μm, ale z hlediska hmotnostního rozdělení představují tyto částice pouze okolo 10 až 20 % celkové hmotnosti částic. Částice větší než 20 μm většinou rychle sedimentují, částice menší než 0,1 μm snadno koagulují a vytvářejí shluky o velikostech 0,1 až 0,5 μm.
Z hlediska použití filtrů jsou důležité velikosti některých typických příměsí:
| viry | 0,005–0,1 μm |
| bakterie | 0,2–20 μm (většinou 0,5–1,5 μm) |
| výtrusy hub, mechu, lišejníků a kapradin | 2–120 μm |
| pyl | 10–200 μm |
| plísně | 2–100 μm |
| cigaretový kouř | 0,01–1 μm (střední hodnota 0,5 μm) |
| olejová mlha | 0,04–1 μm |
| saze | 0,01–0,5 μm |
| kouř (spalování org. hmoty) | < 1 μm. |
Nejvyšší koncentrace tuhých znečišťujících látek je ve velkých městech a v průmyslových oblastech, kde může dosahovat až hodnot okolo 1 mg/m3, nejmenší je v čistých venkovských oblastech s hodnotami na úrovni desítek μg/m3
Filtrace
Filtrace spočívá v odlučování částic ve vláknité, či méně často v zrnité nebo porézní vrstvě. Při filtraci atmosférického vzduchu se maximální koncentrace částic pohybuje v jednotkách mg/m3 a teplota vzduchu se blíží standardním podmínkám. Částice se odlučují ve vrstvě při tzv. hloubkové filtraci a filtrační materiály se až na výjimky neregenerují.
Účinnost filtrace závisí na odlučovacích schopnostech čisté vláknité vrstvy, vyjádřených závislostí frakční odlučivosti na velikosti částice Of(a) a zároveň na znečištění plynu částicemi, které je nejčastěji vyjádřeno křivkou zrnitosti souboru částic. V praxi se účinnost filtrace vyjadřuje jako celková odlučivost Oc, která se určí jako:
[%],
kde Cp (mg/m3) je koncentrace částic před filtrem, Cv (mg/m3) koncentrace částic za filtrem.
Další důležitou charakteristikou filtrační vrstvy je její počáteční tlaková ztráta v čistém stavu Δpf,0 (Pa) a její změna se zanášením, což je důležitá provozní vlastnost související s jímavostí a životností filtru. Při zanášení filtru prachem se částice usazují na vláknech ve vrstvě i na již odloučených částicích a tvoří shluky nebo řetězce. Dochází k poklesu poréznosti vrstvy a nárůstu celkové odlučivosti. Při dalším zanášení se však začíná negativně projevovat strhávání již odloučených částic a po počátečním nárůstu dochází k výraznému poklesu odlučivosti. Proto se definuje tzv. jímavost filtru, což je hmotnost zachyceného prachu vztažená na jednotku plochy filtračního materiálu Mz / A (kg/m2), při které je dosaženo smluvní hodnoty tlakové ztráty filtru Δpf (Pa), což je např. dvojnásobek počáteční hodnoty tlakové ztráty Δpf,0 (Pa) nebo výrobcem stanovená konkrétní hodnota tlakové ztráty.
Třídění filtrů atmosférického vzduchu
Dle současné mezinárodní normalizace v Evropě a ČSN se vzduchové filtry dělí na filtry atmosférického vzduchu pro odlučování částic u všeobecného větrání, které se zkouší a třídí dle převzaté evropské normy ČSN EN 779:2012, a na filtry s vysokou účinností (vysoce účinné filtry), které se zkouší a třídí dle převzaté normy ČSN EN 1822. V malých jednotkách určených pro nucené větrání rodinných domů pak nacházejí uplatnění filtry atmosférického vzduchu. Vysoce účinné filtry se používají zejména pro filtraci v tzv. čistých prostorách.
Třídění filtrů pro všeobecné větrání se provádí na definované zkušební trati a je založeno na měření odlučivosti částic střední velikosti 0,4 μm s použitím optických počítačů částic a na měření odlučivosti na zátěžový syntetický prach. Vlastní zkouška se skládá z postupného měření tlakové ztráty, zkoušky na počtovou odlučivost filtru pro kapalný aerosol oleje DEHS (DiEthylHexaSebacate – C26H50O4) v rozmezí velikostí částic 0,2–3,0 μm (pro zatřídění se používá kanál počítače částic s intervalem velikostí, kde střední velikost částice je 0,4 μm) a zkoušky na syntetický prach. Zkouší se ty filtry, kde počáteční odlučivost pro částice 0,4 μm je menší než 98 %. Zatřídění je znázorněno v tab. 1.
Filtry, u nichž byla pro kapalné částice DEHS průměru 0,4 μm zjištěna hodnota střední účinnosti Em < 40 %, jsou zařazeny mezi hrubé filtry do třídy G. Třídění G filtrů (G1–G4) je založeno na jejich střední odlučivosti Am na zátěžový syntetický prach ASHRAE 52.1, který je směsí 72 % hmotnosti jemného pouštního písku (Arizona dust road – ISO 12103-1), 23 % sazí a 5 % bavlněných vláken vznikajících při zpracování bavlny.
Filtry, u nichž byla zjištěna hodnota střední účinnosti filtrace od 40 % do hodnoty < 80 %, jsou zařazeny mezi střední filtry do třídy M (M5, M6) a jejich zatřídění je založeno na hodnotě střední účinnosti filtrace Em.
Filtry, u nichž byla zjištěna hodnota střední účinnosti filtrace Em 80 % a více, jsou zařazeny mezi jemné filtry do třídy F (F7–F9) a jejich zatřídění je založeno na hodnotě střední účinnosti filtrace Em a hodnotě minimální účinnosti filtrace během zkoušky.
| Skupina | Třída | Konečná tlaková ztráta Pa | Střední odlučivost (Am) na syntetický prach % | Střední účinnost filtrace (Em) pro částice 0,4 μm % | Minimální účinnost filtrace1) pro částice 0,4 μm % |
|---|---|---|---|---|---|
| hrubý | G1 | 250 | 50 ≤ Am < 65 | – | – |
| G2 | 250 | 65 ≤ Am < 80 | – | – | |
| G3 | 250 | 80 ≤ Am < 90 | – | – | |
| G4 | 250 | 90 ≤ Am | – | – | |
| střední | M5 | 450 | – | 40 < Em < 60 | – |
| M6 | 450 | – | 60 ≤ Em < 80 | – | |
| jemný | F7 | 450 | – | 80 ≤ Em < 90 | 35 |
| F8 | 450 | – | 90 ≤ Em < 95 | 55 | |
| F9 | 450 | – | 95 ≤ Em | 70 | |
| Poznámka 1) Minimální účinnost filtrace je nejnižší hodnota účinnosti filtrace mezi počáteční účinností filtrace, účinností filtrace po vybití filtračního materiálu a nejnižší hodnotou účinnosti filtrace během zátěžového postupu zkoušení filtru. | |||||
Filtry jsou zatříděny podle jejich střední účinnosti odlučování Em nebo střední odlučivosti Am na zátěžový prach při jmenovitém průtoku atmosférického vzduchu při zkoušce 0,944 m3/s = 3 400 m3/h (pokud výrobce neurčí žádný jmenovitý objemový průtok vzduchu). Maximální konečná tlaková ztráta pro hrubé (G) filtry je 250 Pa, pro střední (M) a jemné (F) filtry 450 Pa.
Třídění vysoce účinných filtrů je založené na zjišťování odlučivosti pro částice, které filtračním materiálem i vlastním filtrem nejvíce pronikají, tzv. MPPS (Most Penetrating Particle Size), většinou v rozsahu velikostí 0,2–0,5 μm. Filtry se dělí do tří tříd: E – EPA (Efficiency Particulate Air Filter) s označením E10–E12, H – HEPA (High Efficiency Particulate Air Filters) s označením H13–H14 a U – ULPA (Ultra Low Penetrating Air Filters) s označením U15–U17.
Použití filtrů pro všeobecné větrání
Třída filtru se navrhuje podle znečištění vzduchu a požadavků na čistotu vnitřního prostoru nebo na ochranu vlastního zařízení před prachem. V následující tab. 2 jsou stručné charakteristiky a typické příklady použití filtrů pro všeobecné větrání.
Tab. 2: Použití filtrů pro všeobecné větrání
Použití hrubých filtrů
Filtry G1–G2 by se měly používat hlavně pro vláknitý prach, při vysokých koncentracích prachu, příp. u zařízení, které mají malé tlakové rezervy.
| G1–G2 | Všeobecně | Typické příklady použití |
|---|---|---|
|
| |
| G3–G4 | Všeobecně | Typické příklady použití |
|---|---|---|
|
| |
Použití středních filtrů
Doporučuje se použít předfiltrů G1–G4
| M5–M6 | Všeobecně | Typické příklady použití |
|---|---|---|
|
| |
Použití jemných filtrů
Doporučuje se použít předfiltrů G1–G4
| F7 | Všeobecně | Typické příklady použití |
|---|---|---|
|
| |
| F8–F9 | Všeobecně | Typické příklady použití |
|---|---|---|
|
| |
Nicméně zatřídění filtru do některé ze tříd G, M nebo F je pro praktické použití nepříliš využitelné, protože neposkytuje základní informace o odlučovacích schopnostech filtrů. Obecně se dá říci, že čím vyšší třída filtru, tím vyšších odlučivostí se dosahuje pro jemné částice. Odlučovací schopnosti filtrů se vyjadřují pomocí zavislosti frakční odlučivosti na velikosti částice Of(a), jež umožňuje určit účinnost odloučení typických částic na základě jejich velikosti. Díky rozvoji měřicí techniky dnes kvalitní výrobci filtrů již uvádějí i závislosti frakční odlučivosti filtrů.
Pro byty a rodinné domy neplatí žádné předpisy jako je tomu např. u pracovního prostředí, avšak jako určité vodítko pro použití filtrů je možno využít normu ČSN EN 13779:2010, která uvádí doporučení pro použití filtrů u větrání nebytových budov, které závisí na kvalitě venkovního ovzduší a požadavcích na kvalitu vnitřního ovzduší.
Kvalita venkovního ovzduší je zde rozdělena do 3 tříd:
- ODA 1 – čistý vzduch, který může být pouze dočasně znečištěn prachem, např. pylem,
- ODA 2 – znečištěný vzduch (vzduch obsahující vysoké koncentrace prachu nebo plynných znečišťujících látek),
- ODA 3 – velmi znečištěný vzduch (vysoké koncentrace prachu nebo plynných ZL).
Zatřídění oblasti do jednotlivé třídy se provádí podle hodnot faktorů znečišťujících látek fZL, udávajících poměr koncentrace znečišťující látky v dané oblasti k limitní hodnotě (obdoba imisního limitu). Jako příklad jsou v normě uvedeny znečišťující látky SO2, O3, NO2 a frakce tuhých částic PM10 a příslušné limitní hodnoty koncentrací.
Například na území České republiky je z hlediska tuhých znečišťujících látek při sledování znečištění částicemi frakce PM10 (menšími než 10 μm) imisní limit dlouhodobě překračován na přibližně 1/3 území, na kterém žijí zhruba 2/3 populace.
Požadavky na kvalitu vnitřního ovzduší v pobytové zóně jsou dány zařazením daného prostoru do kategorií IDA 1 až IDA 4. Jednotlivé kategorie značí, že kvalita vnitřního prostředí je u:
- IDA 1 velmi vysoká,
- IDA 2 střední,
- IDA 3 průměrná (mírná, nevelká),
- IDA 4 nízká.
Doporučené minimální třídy filtrů u jednotlivých kombinací IDA a ODA jsou uvedeny v tab. 3. Třebaže jsou požadavky kladené na větrání nebytových budov náročnější než pro rodinné domy a byty, vyplývá zde pro použití několik důležitých dále zmíněných závěrů.
| Kvalita venkovního ovzduší ODA | Kvalita vnitřního prostředí IDA | |||
|---|---|---|---|---|
| IDA 1 velmi vysoká | IDA 2 střední | IDA 3 průměrná | IDA 4 nízká | |
| ODA 1 (čistý vzduch) | F9 | F8 | F7 | M5 |
| ODA 2 (zaprášený vzduch) | F7 + F9 | M6 + F8 | M5 + F7 | M5 + M6 |
| ODA 3 (velmi znečištěný vzduch) | F7 + GF + F9 | F7 + GF + F9 | M5 + F7 | M5 + M6 |
| Poznámka: GF – uhlíkový nebo chemický filtr | ||||
Literatura
- Hemerka, J., Vybíral, P.: Filtrace atmosférického vzduchu. Česká technika – nakladatelství ČVUT, Praha, 2011.
- ČSN EN 779:2012. Filtry atmosférického vzduchu pro odlučování částic pro všeobecné větrání – Stanovení filtračních parametrů. ÚTNMZ, 2012.
- ČSN EN 13779. Větrání nebytových budov – Základní požadavky na větrací a klimatizační systémy. ÚTNMZ, 2010.
- Firemní literatura – katalogy firem zabývajících se výrobou a dodávkou filtrů atmosférického vzduchu (ATREA s.r.o., KS Klima-Service a.s. aj.)
Air filtration is basic operation for indoor air environment protection against solid and liquid pollutants. Beside human and natural activity pollutants there are bacterias, viruses and mildews.
