Вестник УКЦ АПИК: Использованные фильтры и качество воздуха в помещении

Рисунок 1 . Слева – новый стекловолоконный фильтр класса F7 (~MERV 13), справа – он же после пяти месяцев непрерывного использования.

Присутствие в системе вентиляции фильтров, на которых уже успела накопиться пыль, ухудшает качество воздуха, приводит к появлению «синдрома больного здания», отрицательно влияет на самочувствие и производительность труда людей, работающих в помещении. В данной статье рассмотрен механизм этого явления, дана его оценка с экономической точки зрения, предложены возможные пути решения проблемы.

Опросы показывают, что люди, которым приходится подолгу находиться в старых зданиях, оборудованных системами механической вентиляции, недовольны качеством поступающего в помещение воздуха. А это, в свою очередь, отрицательно сказывается на производительности их труда. Через систему вентиляции в здание могут проникать дым, частицы пыли, газы, биоаэрозоли (вирусы, бактерии и другие микроорганизмы), которые вызывают симптомы респираторных заболеваний, аллергические реакции, приступы астмы. Более того, эпидемиологические исследования доказали прямую связь между загрязненностью воздуха и уровнем заболеваемости и смертности.

Рисунок 2. Зависимость эффективности поглощения озона от времени. После 60 минут работы фильтр на 48 часов находился в неподвижной воздушной атмосфере. Надпись на графике: Эффективность поглощения озона (%), время (минуты), начальные измерения, измерения после 48 часов в неподвижном воздухе

Фильтры, применяемые при механической вентиляции, препятствуют загрязнению устройств обработки воздуха, защищают вентиляторы от перерасхода энергии, снижают вероятность возникновения пожара. Положительно влияют они и на качество атмосферы в помещении. Однако эти устройства сами могут быть источниками загрязнений. Это происходит при запущенности систем кондиционирования и вентиляции и несвоевременной замене фильтров (рис. 1).

Субъективная оценка влияния фильтров на чистоту воздуха

В результате исследования 20 зданий выяснилось, что основным компонентом вентиляционных систем, загрязняющим воздух в помещении, является фильтр, точнее, частицы, собирающиеся на нем в процессе работы.

Средний срок службы фильтра — 6–12 месяцев. Но уже через шесть недель его эксплуатации количество людей, недовольных качеством воздуха в помещении, возрастает на 20%.

Логично предположить, что к улучшению качества воздуха приведет повышение кратности воздухообмена. Однако на практике увеличение воздушного потока через проработавший какое-то время фильтр ведет к росту интенсивности поступления загрязнений с его поверхности.

Недавние исследования показали, что ухудшение качества воздуха значительно снижает производительность труда работников и ведет к серьезным экономическим потерям. Когда в ходе эксперимента использованные фильтры были заменены новыми, производительность, по собственной оценке работников, выросла на 5,7%. В другом исследовании сравнивалось время разговора операторов колл-центра в помещениях с различной кратностью воздухообмена при использовании новых и отработавших полгода фильтров. Простая замена старых фильтров на новые сократила время работы на 10%. Повышение кратности воздухообмена при использовании новых фильтров давало выигрыш еще на 6%, однако стоило на их место поставить старые — и производительность операторов падала на 8%. Кроме того, начинали проявляться эффекты «синдрома больного здания», ухудшался микроклимат.

Рисунок 3. Процент людей, недовольных качеством воздуха, поступающего через три образца фильтров

Все эти эксперименты подтверждают: фильтры могут быть причиной ухудшения качества воздуха. Однако, природа этого явления до конца не ясна. С уверенностью можно сказать лишь, что микроорганизмы, попадающие на фильтр с уличным воздухом, здесь ни при чем.

Химические реакции на поверхности фильтра

На фильтре собираются частицы органического и неорганического происхождения — цветочная пыльца, микробы, частички грунта, неорганические соли, продукты горения. Также он адсорбирует летучие и малолетучие органические соединения. Часть из них может выделиться с поверхности фильтра и ухудшить качество подаваемого в помещение воздуха. Интенсивность этого процесса зависит от количества и состава пыли. Кроме того, по некоторым данным, фильтры предварительной очистки выделяют больше летучих веществ, чем фильтры тонкой очистки.

Некоторые органические вещества на поверхности фильтра могут вступать в химические реакции. Например, окисляться озоном, содержащимся в наружном воздухе. Однако со временем эффективность поглощения озона загрязненным фильтром снижается, так как уменьшается число частиц, способных вступать в реакцию.

В одном из недавних исследований Технического университета Дании озон пропускался через три загрязненных фильтра. Изначально фильтры убирали от 35% до 50% озона при его концентрации во входящем потоке 75 ppb (миллиардных долей). В течение часа этот показатель снижался до 5% –10%. После этого фильтры на 48 часов были помещены в азот, в атмосферу с содержанием озона менее 5 ppb или в воздух, нагретый до 100 ^o С. В результате этих действий способность фильтров поглощать озон частично восстановилась (рис. 2). Это связано с тем, что за 48 часов «покоя» на поверхность фильтра перемещаются способные окисляться частицы из его толщи.

Хотя поглощение озона — это плюс, ведь этот газ токсичен, но продукты химических реакций часто опаснее исходных реагентов. И выделяющиеся при окислении вещества, попадая в подаваемый в помещение воздух, способны вызвать дискомфорт и другие негативные последствия.

Рисунок 4. Минимальные, средние и максимальные оценки выгод и потерь от применения воздушной фильтрации. Нижняя оценка получена при нулевом снижении производительности труда, средняя – соответствует снижению на 0,5% за половину срока службы фильтров, максимальное значение рассчитано для снижения производительности на 1% по истечении трех четвертей срока службы

Это показывает следующий эксперимент. В вентиляционные системы трех изолированных комнат были установлены три в равной степени загрязненных фильтра. Находящихся в помещениях людей просили оценить качество воздуха. Во всех трех случаях оценки совпали.

Затем один фильтр был помещен на 48 часов в азот, второй — на обычный воздух, третий — в атмосфере с содержанием озона 100 ppb. Затем было сделано еще одно измерение качества воздуха. В полном соответствии с ожиданиями, фильтр, пробывший в азоте, показал наилучший результат, а тот, что был в озоне — наихудший. Следующая оценка была сделана через два часа работы вентиляции. Показатели во всех случаях оказались лучше, чем при предыдущем замере. Однако худшим, по-прежнему, был фильтр, подвергавшийся действию озона (рис. 3). Эксперимент показал, что окисление влияет на качество воздуха отрицательно, а последующая вентиляция — положительно. По-видимому, в статичном состоянии (когда воздух не проходит сквозь фильтр) интенсивность выделения органических веществ с поверхности сокращается. В этом случае продукты окисления накапливаются в толще мембраны. Как только воздушный поток возобновляется, выделение окисленной органики увеличивается. На практике это означает, что системы вентиляции нужно периодически продувать. Делать это необходимо в пустом здании, — например, ночью в выходные.

Экономический эффект

С одной стороны, фильтрация воздуха, подаваемого в помещение, уменьшает число обращений работающего в нем персонала за врачебной помощью. Соответственно, сокращаются затраты на медицинское обслуживание. Кроме того, фильтрация позволяет снизить расходы на уборку здания и чистку систем кондиционирования и вентиляции.

С другой стороны, ухудшение качества воздуха, вызванное состоянием фильтра, может привести к значительным экономическим потерям из-за снижения производительности труда работников.

На рис. 4 приведены максимальные, минимальные и средние оценки начальных затрат, ежегодных расходов и ожидаемой прибыли при использовании в стандартном офисе одноступенчатых фильтров карманного типа класса F7.

Инженерные решения

Рисунок 5.Оценка качества воздуха, поступающего в помещение через различные комбинации фильтров

Для испытаний были взяты: стекловолоконный мешочный фильтр класса F7 (~MERV 13); он же в комплекте с ежемесячно заменяемым предварительным фильтром класса G4 (~MERV 8); различные сочетания стекловолоконных (F7) и угольных фильтров (последние устанавливаются на входе, на выходе и в обоих местах сразу); отдельный стекловолоконный мешочный фильтр, содержащий активированный уголь; отдельный кассетный фильтр с искусственным волокном и активированным углем и, наконец, стекловолоконный фильтр класса F5 (~MERV 10–11).

Все они в течение пяти месяцев подвергались идентичным нагрузкам (поток — 1300 м ³/ч, скорость движения воздуха — 2 м/c), после чего были помещены в лабораторную систему вентиляции для оценки качества пропущенного через них воздуха (рис. 5). Результаты оказались лучше там, где на выходе применялся активированный уголь, а также при использовании моноблочного мешочного стекловолоконно-угольного фильтра. В этих случаях после пятимесячной эксплуатации устройства приобрели способность поглощать озон, не становясь при этом источником загрязнений.

Заключение

Грязь на фильтрах — неизбежный результат работы вентиляционных систем. Она способна стать причиной ощутимого ухудшения качества воздуха, в который попадают летучие продукты реакций, происходящих на поверхности фильтра. Эффективно бороться с этим явлением позволяет установка на выходе воздушного потока фильтра из активированного угля, а также использование комбинированных угольно-волоконных фильтров.

Gabriel Bekö, доктор наук (Ph. D.), исследователь Международного центра энергии и микроклимата помещений при Техническом университете Дании (г. Лингби)