В связи с постоянным ухудшением экологической обстановки и ростом уровня загрязнения воздуха, особенно в больших городах, очистка воздуха в доме или в офисе (в которых городской житель проводит около 2/3 своего времени) перестает быть красивой роскошью, становясь жизненно важной необходимостью. По исследованиям многочисленных ученых, от того, каким воздухом мы дышим, напрямую зависит наше здоровье и продолжительность жизни. А дышим мы, как известно, постоянно 24 часа в день 7 дней в неделю всю свою жизнь.
Очистить комнатный воздух от загрязнений можно и при помощи напольного фильтра и при помощи системы вентиляции с частичной рециркуляцией воздуха. Очищающим элементом может быть либо электронный электростатический фильтр, либо механический фильтр (со сменным картриджем).
Механические фильтры по своим характеристикам могут существенно различаться – в силу того, что картриджи фильтров могут быть различных классов очистки, каждый из которых предназначен для решения определенных задач.
Как работает механический фильтр
По своему строению фильтрующий элемент любого механического фильтра – это огромное количество отдельных волокон, обычно хаотично пересекающихся друг с другом во всех направлениях. Эти волокна образуют своего рода сетку, через которую при очистке пропускается воздух, содержащий частицы различных загрязнений (размер этих частиц тоже разный). Проходя через сетку волокон фильтрующего материала, частицы загрязнений в зависимости от своего размера (и в зависимости от скорости прохождения потока воздуха через фильтр) задерживаются волокнами фильтра следующими способами:
- Инерционное сжатие. Способ работает для крупных частиц загрязнений, увлекаемых потоком воздуха. Эти частицы, сталкиваясь на скорости с волокнами фильтрующего материала, из-за своей инерции не могут резко изменить направление движения, поэтому, ударяясь о волокно, они как бы прилипают к нему
- Перехват. Способ работает для более мелких частиц пыли. Увлекаемые потоком воздуха, такие частицы могут соприкасаться с волокнами фильтрующего материала, задерживаясь в них
- Диффузия. Частицы загрязнений сталкиваются с волокнами фильтрующего материала, проникая (диффундируя) в них. Это способ работает даже для хаотически движущихся частиц, в отсутствии направленного потока воздуха.
- Электростатическое напряжение. Частицы загрязнений, например из выхлопных газов, задерживаются наэлектризованными статическим электричеством волокнами фильтрующего материала за счет сил электростатического напряжения.
Инерционное сжатие и перехват являются основными способами очистки воздуха механическими фильтрами. Влияние остальных способов незначительно.
Крупные частицы загрязнений обычно ударяются о наружную поверхность фильтра, а более мелкие частицы вместе с воздушным потоком проникают глубоко внутрь фильтрующего материала и задерживаются уже там. Для них волокна фильтра действуют как ветви дерева, за которые и цепляются мелкие частицы пыли.
Фильтры класса МERV
Классификация MERV (Minimum Efficiency Reporting Value) была разработана в 1987 году Американской ассоциацией инженеров оборудования для отопления, охлаждения и кондиционирования (ASHRAE). Всего существует 16 классов MERV (от MERV 1 до MERV 16), в порядке увеличения эффективности очистки, где MERV 1 предоставляет самый слабый уровень удаления пыли, в то время как MERV 16 обеспечивает наиболее качественную очистку воздуха (но и менять фильтр MERV 16 нужно гораздо чаще, чем MERV 1).
С появлением HEPA-фильтров в классификацию MERV было добавлено еще 4 класса, от MERV 17 до MERV 20. Но эти классы считаются полуофициальными, введенными только для обеспечения возможности сравнения фильтров MERV и HEPA. Дело в том, что эффективность фильтров HEPA определяется исходя из их возможности задерживать пыль и частицы размером менее 0,3 мкм. А в стандарте ASHRAE 52.2 для фильтров MERV не прописан порядок тестирования фильтров для такой мелкой пыли, в нем минимальный размер пыли 0,3 мкм и выше, а значит, формально нет возможности сравнения фильтров MERV и HEPA в одной и той же ”весовой категории”.
Как видно из приведенных таблиц, для очистки воздуха от наиболее опасных видов пыли PM2.5 можно применять фильтры MERV 11 – MERV 13. Фильтры более высокого класса обычно в системах вентиляции и воздушного отопления не применяются (об этом ниже).
ВОЗ считает безопасной концентрацию PM2.5 не более 10 мкг/м3. Минимальный уровень удаления таких частиц для фильтра MERV 11 составляет 65%. Значит, если у вас в городе концентрация PM2.5 не более 30 мкг/м3 (что уже достаточно опасно для здоровья), то, уменьшив фильтром MERV 11 эти 30 мкг/м3 на 65% можно получить 10,5 мкг/м3, почти норму.
Для городов с более высоким уровнем загрязнения необходимо использовать фильтр класса MERV 13.
Для примера – по данным сайта https://www.iqair.com/ru/russia/krasnoyarsk-krai/krasnoyarsk, на 14.05.2020
концентрация PM2.5 в Красноярске была 19,2 мкг/м3, что почти в 2 раза превышает безопасный уровень.
Фильтры класса HEPA, EPA, ULPA
Как уже было сказано выше, воздушные фильтры HEPA – это единственные механические фильтры, которые проходят испытания на эффективность и сертифицируются на способность очищать воздух от частиц размером менее 0,3 мкм. Именно по этому они не подпадают под классификацию MERV, поскольку в стандарте ASHRAE 52.2 отсутствуют протоколы испытаний для такой мелкой пыли, фильтры MERV испытываются на пыль размером от 0,3 мкм до 50 мкм, при среднем размере пылинок около 20 мкм. Пыль такого размера включает угольную пыль, хлопковый пух и т.д. Испытания фильтров HEPA проводятся с применением паров минеральных масел и аналогичных материалов и веществ, являющихся источником мельчайших частиц с размерами менее 0,3 мкм. В целом, если сравнивать фильтры HEPA с фильтрами MERV, то фильтры HEPA как минимум на 50% эффективнее самого лучшего фильтра MERV 16. К сожалению, это преимущество фильтров HEPA одновременно является и причиной их главного недостатка. Но об этом ниже.
Строго говоря, в соответствии с американской классификацией, существует только 2 класса фильтров HEPA – это H13 и H14. H10, H11, H12 – в действительности это менее эффективные фильтры EPA (а HEPA – это высокоэффективные EPA) классов соответственно E10, E11 и E12. Существуют также ультраэффективные фильтры (ULPA-фильтры) классов U15, U16 и U17. По американской терминологии эффективность очистки воздуха фильтром HEPA не может быть ниже 99,95%, именно по этой причине классы фильтров E10, E11 и E12 не являются HEPA-фильтрами в точном значении этого термина.
Исторически HEPA фильтры были разработаны для улавливания мельчайших радиоактивных частиц (не путать с элементарными частицами) для ядерной энергетики. Позже их стали применять и в других областях промышленности, а затем и в быту.
Применение воздушных фильтров в системах вентиляции и воздушного отопления
На первый взгляд кажется, что наилучшим решением является установка в систему вентиляции HEPA - фильтра, который очистит воздух с максимальной эффективностью практически от всего, кроме самого воздуха. На самом деле это не так.
Главное достоинство HEPA фильтров – наилучшая эффективность очистки является одновременно и их основным недостатком. Дело в том, что чем больше фильтр удалит из воздуха пыли, тем быстрее он этой пылью забьется. В среднем срок службы HEPA фильтра составляет от 50 до 250 часов. Это нормально для пылесоса, который работает максимум полчаса несколько раз в неделю. В пылесосе такого фильтра хватает как минимум на 1 год. Но в постоянно работающей системе вентиляции HEPA-фильтр пришлось бы менять не реже, чем через 2 недели. На это идут в промышленности и медицине, лучше потратиться на фильтр, чем получить зону радиоактивного заражения, или послеоперационные осложнения у пациента, но в домашних условиях настолько частая замена фильтра будет неоправданно дорогой.
Теоретически, можно было бы в систему вентиляции установить несколько фильтров, один за другим, с разным уровнем очистки – таким образом, чтобы первичный фильтр удалял только крупные загрязнения типа тополиного пуха, средний фильтр удалял все что имеет размер более 0,3 мкм, а последний HEPA – фильтр удалял из воздуха то, что осталось. К сожалению, такое решение с технической точки зрения имеет определенный недостаток. Дело в том, что любой фильтр имеет сопротивление по воздуху, что означает, что при пропускании через него воздуха давление на входе и выходе будет падать. Если давление упадет слишком сильно, то воздух просто не дойдет до места назначения. Падение давления на 3 последовательных фильтрах будет значительно больше, чем на одном. В недорогих вентиляционных установках простые вентиляторы просто не могут создать необходимого давления, достаточного для установки сразу 3 воздушных фильтров. Существуют более мощные высоконапорные вентиляторы, но они гораздо дороже, поэтому их обычно можно встретить только в установках премиум-класса.
Эти причины и обусловили использование в системах вентиляции или воздушного отопления частных домов воздушных фильтров классов MERV 8 – MERV 13. Эти фильтры уже достаточно эффективно очищают внутренний воздух, при этом в среднем требуют замены сменного фильтрующего элемента раз полгода (для MERV 13) или раз в год для MERV 8 и MERV 11.
Если же вам недостаточно той чистоты воздуха, которую может обеспечить система вентиляции с фильтром MERV 11 или MERV 13, можно например в детскую дополнительно установить напольный фильтр HEPA, включая его только периодически. При наличии в доме системы вентиляции с фильтром MERV воздух уже будет очищен от основных видов загрязнений, а напольный HEPA фильтр в этом случае обеспечит наивысший уровень чистоты, удалив из уже достаточно чистого воздуха то, с чем не смог справиться фильтр MERV.