Фильтры для систем вентиляции

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ СТАТЬЯ

Фильтры для систем вентиляции

Классификация, принципы работы, характеристики и современные тенденции

  

Аннотация

Настоящая статья посвящена комплексному исследованию фильтров для систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Рассматриваются физические принципы очистки воздуха, современные классификационные системы (ISO 16890, EN 779, EN 1822), конструктивные особенности и материалы фильтрующих элементов. Анализируются методы оценки эффективности фильтрации, гидравлическое сопротивление и энергетические характеристики. Особое внимание уделяется специальным типам фильтров: HEPA, ULPA, угольным и электростатическим. Обсуждаются вопросы подбора, монтажа, технического обслуживания и утилизации фильтрующих элементов. Приводятся актуальные нормативные требования и современные тенденции развития фильтрационных технологий.

 

Ключевые слова: вентиляция, фильтрация воздуха, HEPA-фильтр, ISO 16890, аэрозольные частицы, эффективность фильтрации, гидравлическое сопротивление, воздухоочистка.

1. Введение

Качество воздуха в жилых, общественных и производственных помещениях оказывает непосредственное влияние на здоровье, производительность труда и самочувствие людей. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), загрязнение воздуха внутри помещений является одним из ведущих экологических факторов риска для здоровья населения, ответственным за миллионы случаев преждевременной смерти ежегодно.

Системы вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC — Heating, Ventilation and Air Conditioning) призваны обеспечивать нормируемые параметры воздушной среды в помещениях. Ключевым элементом таких систем, отвечающим за очистку воздуха от загрязняющих веществ, являются воздушные фильтры. Их правильный выбор, монтаж и своевременное обслуживание — залог эффективной работы всей вентиляционной установки.

Современный рынок воздушных фильтров предлагает огромный ассортимент изделий, различающихся по принципу действия, конструкции, материалам и области применения. Разобраться в этом многообразии помогает система классификации и стандартизации, которая в последние годы претерпела существенные изменения в связи с введением нового международного стандарта ISO 16890, пришедшего на смену устаревшему европейскому стандарту EN 779.

Целью данной статьи является систематическое изложение актуальных знаний о фильтрах для вентиляционных систем: от фундаментальных физических механизмов фильтрации до практических аспектов эксплуатации и утилизации.

2. Физические механизмы фильтрации воздуха

2.1. Общая характеристика механизмов

Задержание частиц в фильтрующем материале происходит вследствие нескольких физических механизмов, действующих одновременно. Понимание этих механизмов необходимо для грамотного проектирования и выбора фильтров. Основными из них являются: инерционное осаждение, диффузионное осаждение, эффект касания (зацепления), электростатическое осаждение и гравитационное осаждение.

2.2. Инерционное осаждение

Инерционное осаждение (импакция) обусловлено инертностью частиц и преобладает для частиц крупнее 1 мкм. Когда поток воздуха огибает волокно фильтрующего материала, частицы вследствие инерции не успевают повторить траекторию воздушного потока и сталкиваются с волокном. Эффективность инерционного осаждения возрастает с увеличением скорости потока и диаметра частиц, а также уменьшается с уменьшением диаметра волокон фильтрующего материала. Критерием, определяющим степень инерционного осаждения, является число Стокса (St), равное отношению длины инерционного пробега частицы к характерному размеру препятствия.

2.3. Диффузионное осаждение

Диффузионное осаждение определяет эффективность задержания ультрамелких частиц размером менее 0,1–0,3 мкм. Такие частицы подвержены броуновскому движению — хаотическому тепловому движению, обусловленному столкновениями с молекулами воздуха. В результате хаотических отклонений от линий тока мелкие частицы могут соприкоснуться с поверхностью волокна и прилипнуть к ней. Интенсивность диффузионного осаждения снижается с ростом скорости потока и диаметра частиц, но увеличивается с уменьшением диаметра волокон.

2.4. Эффект зацепления (касания)

Эффект зацепления (интерцепция) проявляется, когда частица, следующая вдоль линии тока, достаточно велика, чтобы физически соприкоснуться с волокном даже при отсутствии инерционного отклонения. Этот механизм наиболее эффективен для частиц в диапазоне 0,1–1 мкм и существенно зависит от соотношения диаметра частицы к диаметру волокна.

2.5. Электростатическое осаждение

Многие современные фильтрующие материалы создаются методом электрозарядки полимерных волокон — это так называемые электретные материалы. Благодаря наличию постоянного электрического заряда на волокнах обеспечивается притяжение как заряженных, так и поляризованных нейтральных частиц. Электростатическое осаждение значительно повышает эффективность задержания частиц без существенного увеличения гидравлического сопротивления. Следует, однако, учитывать, что электрический заряд волокон постепенно снижается в процессе эксплуатации, особенно при воздействии высокой влажности и масляных аэрозолей, что приводит к снижению эффективности фильтрации.

2.6. Гравитационное осаждение

Гравитационное осаждение играет заметную роль лишь для крупных частиц (диаметром более 10 мкм) при малых скоростях воздуха. Под действием силы тяжести тяжёлые частицы отклоняются от горизонтальных линий тока и осаждаются на поверхности волокон. В современных вентиляционных фильтрах этот механизм вносит незначительный вклад по сравнению с инерционным и диффузионным осаждением.

2.7. Наиболее проникающий размер частиц (MPPS)

Совместное действие описанных механизмов обусловливает характерную зависимость эффективности фильтрации от размера частиц: крупные частицы эффективно задерживаются инерционным механизмом и механизмом зацепления, мелкие — диффузионным. В промежутке, как правило, при размере 0,1–0,3 мкм, оба механизма работают наименее эффективно. Это приводит к появлению так называемого наиболее проникающего размера частиц (MPPS, Most Penetrating Particle Size). Именно в зоне MPPS суммарная эффективность фильтрации достигает минимума, поэтому именно для этого размера оценивается эффективность высококлассных фильтров HEPA и ULPA.

3. Классификация фильтров для вентиляционных систем

3.1. Исторический обзор стандартизации

На протяжении нескольких десятилетий в Европе действовал стандарт EN 779, разделявший фильтры на классы G1–G4 (грубой очистки) и F5–F9 (тонкой очистки) по среднеарифметическому КПД задержания пыли и синтетического теста на задержание частиц размером 0,4 мкм. Параллельно для высокоэффективных фильтров применялся стандарт EN 1822, вводивший классы H10–H14 (HEPA) и U15–U17 (ULPA). В 2018 году вступил в силу международный стандарт ISO 16890, существенно изменивший подход к классификации вентиляционных фильтров и обеспечивший более тесную связь между нормируемыми параметрами фильтрации и реальными частицами, встречающимися в окружающей среде.

3.2. Стандарт ISO 16890

Стандарт ISO 16890 устанавливает метод испытаний и классификации фильтров общей вентиляции на основе эффективности задержания частиц трёх фракций: PM1 (частицы диаметром менее 1 мкм), PM2.5 (менее 2,5 мкм) и PM10 (менее 10 мкм). Испытания проводятся как в исходном состоянии фильтра, так и после его кондиционирования (снятие электростатического заряда изопропанолом), что позволяет оценить стабильную долгосрочную эффективность фильтрации.

По результатам испытаний фильтры относятся к одному из следующих классов: ePM1 (если среднеарифметический КПД для PM1 составляет не менее 50%), ePM2.5 (не менее 50% для PM2.5, но менее 50% для PM1), ePM10 (не менее 50% для PM10, но менее 50% для PM2.5) и ISO Coarse (менее 50% для PM10). Внутри классов ePM1, ePM2.5 и ePM10 значение КПД дополнительно округляется до ближайших 5%, формируя обозначение фильтра (например, ePM1 70%, ePM2.5 80%, ePM10 60%).

 

Таблица 1. Классы фильтров по ISO 16890 и их соответствие старым классам EN 779

Класс ISO 16890	Критерий классификации	Примерное соответствие EN 779	Типичное применение
ISO Coarse ≥ 60%	Средний КПД по PM10 < 50%	G3–G4	Предварительная очистка, защита оборудования
ePM10 ≥ 50–85%	Средний КПД по PM10 ≥ 50%	M5–M6	Офисы, торговые центры
ePM2.5 ≥ 50–80%	Средний КПД по PM2.5 ≥ 50%	F7	Больницы, лаборатории
ePM1 ≥ 50–95%	Средний КПД по PM1 ≥ 50%	F8–F9	Чистые помещения, фармацевтика

 

3.3. Стандарт EN 1822 для HEPA и ULPA фильтров

Высокоэффективные фильтры тонкой и сверхтонкой очистки классифицируются по стандарту EN 1822 (ISO 29463), предусматривающему измерение локальной и интегральной эффективности фильтрации непосредственно на наиболее проникающем размере частиц (MPPS). Стандарт устанавливает следующие классы:

 

Таблица 2. Классификация HEPA и ULPA фильтров по EN 1822

Класс	Интегральный КПД, %	Интегральное проникание, %	Локальный КПД, %
E10	≥ 85	≤ 15	—
E11	≥ 95	≤ 5	—
E12	≥ 99,5	≤ 0,5	—
H13	≥ 99,95	≤ 0,05	≥ 99,75
H14	≥ 99,995	≤ 0,005	≥ 99,975
U15	≥ 99,9995	≤ 0,0005	≥ 99,9975
U16	≥ 99,99995	≤ 0,00005	≥ 99,99975
U17	≥ 99,999995	≤ 0,000005	≥ 99,9999

 

3.4. Классификация по принципу действия

По физическому принципу задержания частиц и газообразных загрязнений вентиляционные фильтры подразделяются на следующие основные группы:

•      Механические фильтры — задержание частиц за счёт инерции, диффузии, зацепления. Включают панельные, карманные (рукавные), кассетные, складчатые и цилиндрические конструкции.

•      Электростатические фильтры — используют электрическое поле для зарядки и осаждения частиц. Подразделяются на пассивные (электретные материалы) и активные (с источником высокого напряжения).

•      Сорбционные (угольные) фильтры — задержание газообразных загрязнений (летучих органических соединений, запахов) путём адсорбции на активированном угле или специальных сорбентах.

•      Фотокаталитические фильтры — разложение органических загрязнений под действием УФ-излучения в присутствии катализатора (обычно TiO2).

•      Комбинированные (многоступенчатые) фильтры — сочетают несколько принципов очистки в одном блоке.

 

4. Конструктивные типы фильтров

4.1. Панельные и ячейковые фильтры

Панельные фильтры представляют собой наиболее простую конструкцию: фильтрующий материал закреплён в рамке (картонной, пластиковой или металлической) в виде плоской панели или гофрированного пакета. Глубина фильтрующего слоя, как правило, не превышает 50–100 мм. Панельные фильтры широко применяются в качестве фильтров грубой и средней очистки (ISO Coarse, ePM10) для предварительной очистки воздуха и защиты последующих ступеней фильтрации от крупных загрязнений. Фильтрующий материал может быть выполнен из стекловолокна, полиэфирного волокна, металлической сетки (для промывных исполнений) или синтетических нетканых материалов. Основными преимуществами панельных фильтров являются низкая стоимость и простота замены; недостатками — относительно невысокая пылеёмкость и эффективность фильтрации.

4.2. Карманные (рукавные) фильтры

Карманные фильтры (pocket filters, bag filters) отличаются большой площадью фильтрующего материала при компактных габаритных размерах, что достигается за счёт формирования нескольких (обычно от 4 до 12) карманов из фильтрующего материала, расположенных параллельно направлению потока воздуха. Большая площадь фильтрации обеспечивает высокую пылеёмкость, низкое начальное гидравлическое сопротивление и длительный срок службы. Карманные фильтры применяются в широком диапазоне классов — от ePM10 до ePM1 — и являются одними из наиболее распространённых конструктивных типов для общеобменной вентиляции производственных, коммерческих и административных зданий. Фильтрующий материал — как правило, многослойное синтетическое волокно или стекловолокно, нередко с электретной зарядкой.

4.3. Кассетные и V-образные фильтры

Кассетные фильтры выполняются в виде жёсткого блока с гофрированным (складчатым) фильтрующим материалом, уложенным в корпус из металла или пластика. Гофрирование позволяет разместить большую площадь фильтрующего материала в компактном корпусе стандартных размеров. V-образные фильтры представляют собой разновидность кассетных, в которой несколько складчатых элементов расположены V-образно или W-образно в общей раме, обеспечивая ещё большую площадь фильтрации и, следовательно, меньшее сопротивление при равных фильтрационных характеристиках. Кассетные и V-образные фильтры широко применяются в системах тонкой очистки (ePM1, классы H) там, где требуется высокая эффективность при ограниченных габаритах фильтровальной секции.

4.4. HEPA и ULPA фильтры

HEPA-фильтры (High Efficiency Particulate Air) и ULPA-фильтры (Ultra-Low Penetration Air) представляют собой высшую ступень механической фильтрации воздуха. Конструктивно они, как правило, представляют собой глубокоплиссированный пакет из боросиликатного стекловолокна (с диаметром волокон 0,3–1,5 мкм) или из синтетических материалов, размещённый в жёстком металлическом или пластиковом корпусе. Для обеспечения равномерного воздушного зазора между складками применяются разделители из алюминиевой фольги, гофрированной бумаги или термопластичных нитей (бесразделительная конструкция). HEPA- и ULPA-фильтры применяются в медицинских учреждениях (операционные, палаты интенсивной терапии), фармацевтическом производстве, микроэлектронной промышленности, ядерных объектах и других областях, где требуется максимальная чистота воздуха.

4.5. Электростатические активные фильтры

Активные электростатические фильтры (электростатические осадители, ESP — Electrostatic Precipitators) используют высоковольтное электрическое поле для зарядки частиц и их последующего осаждения на коллекторных пластинах. В двухступенчатых конструкциях первая ступень (ионизатор) создаёт коронный разряд, заряжающий частицы, а вторая (осадитель) представляет собой систему чередующихся заземлённых и высоковольтных пластин, между которыми осаждаются заряженные частицы. Преимуществами активных электростатических фильтров являются: низкое гидравлическое сопротивление, возможность промывки и повторного использования, высокая эффективность задержания мельчайших частиц. Недостатки — образование озона и оксидов азота при неправильной настройке, необходимость регулярной промывки.

4.6. Угольные (адсорбционные) фильтры

Угольные фильтры предназначены для адсорбции газообразных загрязнений: летучих органических соединений (ЛОС), одоранов, паров растворителей, формальдегида и других химических веществ. В качестве адсорбента используется гранулированный или формованный активированный уголь с развитой удельной поверхностью (800–1500 м²/г). Для специальных применений могут использоваться импрегнированные угли — активированный уголь, пропитанный химическими реагентами для улучшения задержания специфических газов (кислых, щелочных, нейтральных). Угольные фильтры применяются в системах вентиляции кухонь, лабораторий, медицинских учреждений, промышленных объектов с химическими выбросами, а также в фильтрах рециркуляционных систем общественных зданий.

5. Материалы фильтрующих элементов

5.1. Стекловолокнистые материалы

Стекловолокнистые фильтровальные материалы производятся путём вытягивания расплава боросиликатного стекла в тончайшие нити диаметром от 0,3 до 6 мкм с последующим их хаотическим укладыванием и связыванием связующим веществом (как правило, синтетической смолой). Стекловолокно отличается высокой термической устойчивостью (до 250–300°C и выше для специальных марок), химической стойкостью к большинству кислот и оснований, размерной стабильностью при изменении влажности и высокой эффективностью механического задержания частиц. Стекловолокнистые материалы являются основным фильтрующим материалом для производства HEPA и ULPA фильтров, а также широко применяются в карманных и кассетных фильтрах тонкой очистки.

5.2. Синтетические нетканые материалы

Синтетические нетканые материалы на основе полиэфирных (ПЭТ), полипропиленовых (ПП) и полиамидных (ПА) волокон получили широкое распространение в фильтрах грубой и средней очистки. Они производятся методами иглопробивания, термосклейки, гидроспутывания или аэродинамического формирования и могут иметь различную плотность, толщину и структуру. Электретные синтетические материалы, получившие постоянный электрический заряд методом коронного разряда или трибозарядки в процессе производства, обеспечивают значительно более высокую эффективность фильтрации при более низком гидравлическом сопротивлении по сравнению с незаряженными аналогами. Их недостатком является постепенная потеря заряда в процессе эксплуатации.

5.3. Полимерные мембраны (ПТФЭ)

Мембраны из политетрафторэтилена (ПТФЭ, торговая марка Gore-Tex) представляют собой тонкие пористые плёнки с высокоупорядоченной структурой пор. ПТФЭ-мембраны обладают уникальным сочетанием высокой эффективности фильтрации (сравнимой с классом H14), низкого гидравлического сопротивления и гидрофобности, что делает их незаменимыми в применениях, где требуется защита от влаги и агрессивных химических сред. Кроме того, поверхностный механизм фильтрации ПТФЭ-мембран обеспечивает лёгкое удаление задержанных частиц и возможность регенерации фильтра импульсной продувкой. Мембраны ПТФЭ широко применяются в процессной вентиляции полупроводникового производства, фармацевтике и пищевой промышленности.

5.4. Нановолокна

Технологии электроспиннинга (electrospinning) и центробежного прядения позволяют получать нановолокна диаметром от 100 нм до нескольких микрометров. Слой нановолокон, нанесённый на подложку из обычного нетканого материала, формирует тончайший барьер, эффективно задерживающий субмикронные частицы при минимальном увеличении гидравлического сопротивления. Нановолоконные фильтровальные материалы нового поколения демонстрируют высокую эффективность задержания частиц PM1 при сохранении приемлемого гидравлического сопротивления и повышенной пылеёмкости. Их производство остаётся более дорогостоящим по сравнению с традиционными материалами, однако активные исследования в данной области постепенно снижают себестоимость.

6. Технические характеристики и методы испытаний

6.1. Эффективность фильтрации

Эффективность (КПД) фильтрации определяется как доля частиц (по счётной или массовой концентрации) данного размера, задержанных фильтром, от их суммарного количества, поступающего с потоком воздуха на фильтр. Выражается в процентах или в единицах. Дополнительно используется понятие «проникание» (penetration) — доля частиц, прошедших через фильтр, равная (1 — КПД). Для высококлассных фильтров HEPA/ULPA проникание часто задаётся в единицах, поскольку значения КПД столь близки к 100%, что оперирование ими неудобно.

Измерение эффективности фильтрации производится с использованием аэрозольных генераторов (монодисперсных или полидисперсных), измерителей счётной концентрации частиц (оптические счётчики частиц, конденсационные счётчики ядер конденсации — CPC) или приборов, измеряющих массовую концентрацию (фотометры, неfelometer). Стандарт EN 1822 для HEPA/ULPA предписывает использование монодисперсного DEHS-аэрозоля (ди(2-этилгексил)себацинат) или PAO-аэрозоля.

6.2. Гидравлическое сопротивление

Гидравлическое сопротивление (перепад давления) фильтра является важнейшей энергетической характеристикой, непосредственно влияющей на потребление электроэнергии вентиляционной установкой. Начальное (чистое) сопротивление определяется при номинальном расходе воздуха для нового незагрязнённого фильтра. В процессе накопления пыли сопротивление возрастает. Конечное (предельно допустимое) сопротивление, при достижении которого фильтр подлежит замене, нормируется производителем и составляет, как правило, 200–450 Па для фильтров грубой и средней очистки и 400–600 Па для фильтров тонкой очистки (HEPA-фильтры имеют начальное сопротивление 150–300 Па и конечное — как правило, вдвое выше начального).

6.3. Пылеёмкость

Пылеёмкость (dust holding capacity) характеризует суммарную массу синтетической испытательной пыли (стандарт ISO 15957 и ASHRAE 52.2), которую фильтр способен накопить до достижения конечного сопротивления. Высокая пылеёмкость обеспечивает длительный срок службы фильтра и сокращает эксплуатационные расходы. Для карманных фильтров среднего класса пылеёмкость составляет 1000–3000 г, для высококлассных фильтров — 500–1500 г.

6.4. Расход воздуха и скорость фильтрации

Расход воздуха через фильтр (объёмный, м³/ч или л/с) является ключевым параметром при подборе фильтра к конкретной вентиляционной установке. Скорость фильтрации — скорость воздуха в сечении фильтрующего материала (face velocity, м/с) — напрямую влияет на гидравлическое сопротивление и эффективность фильтрации. Для большинства фильтров тонкой очистки рекомендуемая скорость фильтрации составляет 1,5–2,5 м/с. Чрезмерно высокая скорость приводит к увеличению сопротивления и снижению эффективности задержания частиц в области инерционного осаждения.

6.5. Срок службы и условия эксплуатации

Нормативный срок службы фильтра зависит от класса фильтра, уровня запылённости приточного воздуха и режима работы вентиляционной установки. В типичных условиях городской среды фильтры грубой очистки (ISO Coarse, ePM10) рекомендуется заменять каждые 1–3 месяца, фильтры средней и тонкой очистки (ePM2.5, ePM1) — каждые 6–12 месяцев, HEPA-фильтры — каждые 2–5 лет. Более точно момент замены определяется по показаниям дифференциального манометра (датчика перепада давления), встроенного в вентиляционную установку.

7. Фильтры для специальных применений

7.1. Медицинские учреждения и чистые помещения

В операционных, палатах интенсивной терапии, онкологических отделениях и отделениях трансплантологии требования к чистоте воздуха особенно высоки: воздух должен быть практически полностью освобождён от бактерий, спор грибков и вирусоносителей. Для этих помещений применяются высокоэффективные фильтры не ниже класса H13 (HEPA). Нормирующим документом в России является СанПиН 2.1.3678-20, в Европе — стандарт EN ISO 14644. В чистых помещениях микроэлектроники (ISO класс 1–3) применяются фильтры ULPA классов U15–U17, обеспечивающие задержание частиц размером 0,1–0,12 мкм с эффективностью 99,9995% и выше.

7.2. Пищевая и фармацевтическая промышленность

В производственных помещениях фармацевтической отрасли (GMP-производство) и пищевой промышленности применяются фильтры, соответствующие требованиям европейских директив GMP (Good Manufacturing Practice) и FDA (США). Помимо высокой эффективности фильтрации (H13–H14 в зонах наполнения и упаковки), к фильтрам предъявляются требования по химической стойкости, исключению выделения волокон и использованию безопасных для пищевых производств материалов.

7.3. Ядерные объекты

На объектах атомной энергетики, ядерного оружейного комплекса и ядерной медицины вентиляционные фильтры выполняют функцию барьера, удерживающего радиоактивные аэрозоли. Применяются фильтры HEPA (H13–H14) и ULPA (U15–U17) со специальными металлическими корпусами, обеспечивающими возможность работы в гермобоксах и дистанционную замену. В системах удаления йода используются специальные угольные фильтры (TEDA-импрегнированный уголь) для задержания органических соединений йода. Нормирующим документом является IAEA Safety Guide NS-G-1.3.

7.4. Транспортные средства

Системы вентиляции автомобилей, поездов и самолётов оснащаются специальными фильтрами, адаптированными к условиям транспортной среды. Салонные фильтры автомобилей (cabin air filters) бывают двух типов: обычные — для задержания пыли, пыльцы и сажи (класс ePM10 по ISO 16890) и комбинированные угольные — дополнительно адсорбирующие выхлопные газы и ЛОС. Авиационные системы кондиционирования воздуха (cabin air recirculation) оснащаются фильтрами HEPA класса H14 или лучше: воздух в салоне воздушного судна обновляется через HEPA-фильтры, удаляющие вирусы, бактерии и другие биологические агенты.

8. Подбор, монтаж и обслуживание фильтров

8.1. Критерии выбора фильтра

Правильный выбор фильтра определяется совокупностью следующих факторов: назначением помещения и нормируемым качеством воздуха (по СанПиН, ГОСТ, отраслевым нормам или требованиям заказчика); уровнем загрязнённости наружного воздуха (концентрация PM1, PM2.5, PM10); требуемым расходом воздуха; допустимым гидравлическим сопротивлением (исходя из располагаемого давления вентилятора); требованиями к стоимости жизненного цикла (ТСО); наличием специфических загрязнений (биологические агенты, газообразные примеси); ограничениями по габаритным размерам и весу.

Для современных вентиляционных установок рекомендуется применять многоступенчатые системы фильтрации: предварительная ступень (ISO Coarse или ePM10) защищает более тонкие фильтры от крупных загрязнений и существенно увеличивает суммарный срок службы фильтрующего пакета.

8.2. Монтаж фильтров

Монтаж фильтров должен производиться в строгом соответствии с инструкцией производителя. Принципиально важным является обеспечение герметичности посадочного места фильтра: даже незначительные щели вокруг фильтра приводят к байпасу неочищенного воздуха и резкому снижению реальной эффективности системы. Для обеспечения герметичности применяются рамки с резиновыми уплотнениями, специальные клеи или герметики. При монтаже HEPA-фильтров требуется проведение послемонтажных испытаний на герметичность (leak test) с использованием аэрозольного генератора и фотометра.

8.3. Техническое обслуживание

Техническое обслуживание фильтровального оборудования включает: регулярный визуальный осмотр состояния фильтров; контроль гидравлического сопротивления; замену фильтров по показаниям датчика перепада давления или по регламентному сроку; ведение журнала обслуживания. Замену фильтров следует производить в средствах индивидуальной защиты (респиратор, перчатки, очки) во избежание ингаляции задержанных загрязнений. Доступ к фильтрам должен обеспечиваться через специальные сервисные люки или секции.

8.4. Утилизация отработанных фильтров

Отработанные фильтры накапливают значительное количество задержанных загрязнений, включая тонкодисперсные частицы, микроорганизмы и потенциально опасные химические вещества. Их утилизация регламентируется национальным законодательством об отходах. В общем случае отработанные фильтры упаковываются в полиэтиленовые пакеты непосредственно на месте демонтажа во избежание вторичного загрязнения и утилизируются как отходы IV класса опасности. Фильтры с радиоактивными или особо опасными загрязнениями утилизируются в соответствии со специальными процедурами.

9. Энергетические аспекты фильтрации

9.1. Влияние фильтров на потребление электроэнергии

Гидравлическое сопротивление фильтров является одной из основных статей потерь давления в вентиляционных системах и непосредственно влияет на потребление электроэнергии вентиляторами. Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления фильтра, равна произведению объёмного расхода воздуха на перепад давления, делённому на КПД вентилятора. Согласно расчётам Европейской ассоциации производителей вентиляционного оборудования (Eurovent), фильтры ответственны за 30–50% суммарного потребления электроэнергии вентиляционными установками. Принятие стандарта ISO 16890 способствовало переходу от фильтров с электростатической зарядкой (имеющих низкое начальное, но высокое конечное сопротивление) к фильтрам из стекловолокна и нановолокон с более стабильными энергетическими характеристиками.

9.2. Расчёт стоимости жизненного цикла (LCC)

Оценка стоимости жизненного цикла (Life Cycle Cost, LCC) фильтра учитывает не только первоначальную стоимость фильтрующего элемента, но и затраты электроэнергии за весь срок службы, расходы на монтаж и демонтаж, утилизацию. Для высокопроизводительных установок затраты электроэнергии на преодоление сопротивления фильтра на несколько порядков превышают его закупочную стоимость. Именно поэтому выбор более дорогих, но энергоэффективных фильтров с низким сопротивлением экономически оправдан в долгосрочной перспективе. Рекомендуется проводить расчёт LCC с использованием методики Eurovent 4/21 или аналогичных.

10. Современные тенденции и перспективы развития

10.1. Умные фильтры и IoT

Активно развивается направление «умных» фильтров, оснащённых встроенными датчиками перепада давления, температуры, влажности и счётчиками частиц. Данные с датчиков передаются по беспроводным протоколам (Zigbee, LoRaWAN, NB-IoT) в системы управления зданием (BMS/BAS) и облачные платформы мониторинга качества воздуха. Это позволяет реализовать стратегию обслуживания «по состоянию» вместо жёсткого регламентного обслуживания, оптимизировать момент замены фильтра и своевременно обнаруживать неисправности. Ряд производителей предлагает готовые IoT-решения для ретрофита существующих вентиляционных установок.

10.2. Антимикробные и антивирусные фильтры

Пандемия COVID-19 значительно ускорила разработку фильтров с биоцидными свойствами. Нанесение на фильтрующий материал ионов серебра, меди, диоксида титана или четвертичных аммониевых соединений обеспечивает инактивацию бактерий и вирусов, задержанных на поверхности волокон. Такие фильтры снижают риск повторного заражения воздуха при механических воздействиях (вибрации, резких изменениях давления). Важно подчеркнуть, что антимикробная обработка является дополнением к механической фильтрации, а не заменой ей: первичным барьером остаётся высокоэффективный фильтрующий материал.

10.3. Биоразлагаемые и экологичные фильтры

В рамках концепции устойчивого развития и «зелёного» строительства разрабатываются фильтрующие материалы на основе возобновляемого сырья: целлюлозных волокон, полилактида (PLA), шерсти и натурального латекса. Такие материалы биоразлагаемы и не создают трудностей с утилизацией, однако пока уступают синтетическим по механической прочности, устойчивости к влаге и эффективности фильтрации тонких частиц. Исследования в этой области активно продолжаются.

10.4. Молекулярная фильтрация нового поколения

Помимо традиционных угольных сорбентов, разрабатываются новые классы адсорбентов для молекулярной очистки воздуха: металлоорганические каркасные структуры (MOF, Metal-Organic Frameworks), цеолиты нового поколения и полимеры с внутренней пористостью (PIM). Эти материалы обладают рекордно высокой удельной поверхностью (до 6000 м²/г для некоторых MOF) и избирательностью к отдельным молекулярным загрязнителям. В перспективе они могут обеспечить регенерируемую адсорбцию широкого спектра ЛОС при значительно меньших габаритах по сравнению с традиционными угольными фильтрами.

11. Нормативная и техническая база

Проектирование, подбор, монтаж и эксплуатация систем вентиляции с воздушными фильтрами регламентируется разветвлённой системой нормативных документов. Основными из них являются:

•      ISO 16890-1÷4:2016 — Воздушные фильтры для общей вентиляции. Части 1–4: технические требования, метод измерения эффективности задержания фракций частиц, определение gravimetric efficiency и сопротивления.

•      EN 1822-1÷5:2019 (ISO 29463) — Высокоэффективные фильтры воздуха HEPA и ULPA. Части 1–5: классификация, тестирование аэрозолем, испытания на целостность.

•      ISO 15957:2015 — Испытательная пыль для оценки воздушных фильтров.

•      ГОСТ Р ЕН 779-2014 — Воздушные фильтры для общей вентиляции (устаревший, заменяется ISO 16890).

•      СП 60.13330.2020 — Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (обновлённый СНиП 41-01).

•      СанПиН 2.1.3678-20 — Санитарно-эпидемиологические требования к эксплуатации помещений, зданий, сооружений.

•      ГОСТ Р 52539-2006 — Чистота воздуха в лечебных учреждениях.

•      EN ISO 14644-1÷3 — Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды.

•      Директива Евросоюза 2009/125/EC (ErP Directive) и регламент (EU) 1253/2014 — требования по экодизайну к вентиляционным установкам, косвенно регламентирующие энергетические характеристики фильтров.

 

12. Заключение

Фильтры для систем вентиляции являются ключевым элементом, обеспечивающим нормируемое качество воздуха в зданиях различного назначения. Совместное действие нескольких физических механизмов — инерционного и диффузионного осаждения, зацепления и электростатического притяжения — обеспечивает задержание частиц широкого диапазона размеров. Новейшая международная система классификации ISO 16890 устанавливает более реалистичные и практически ориентированные критерии оценки фильтров, непосредственно связанные с задержанием атмосферных частиц PM1, PM2.5 и PM10.

Правильный подбор фильтра требует учёта многочисленных факторов: назначения помещения, уровня загрязнённости наружного воздуха, требуемой эффективности фильтрации, энергетических и экономических ограничений. Грамотное техническое обслуживание фильтров — своевременная замена по показаниям датчика перепада давления — является необходимым условием сохранения нормируемых параметров воздушной среды и энергоэффективности вентиляционной установки.

Современные тенденции развития фильтрационных технологий включают создание «умных» IoT-фильтров, разработку антимикробных и биоцидных покрытий, применение нановолоконных материалов с улучшенными характеристиками и поиск экологически безопасных биоразлагаемых фильтрующих материалов. Эти разработки открывают перспективы для повышения качества воздуха в помещениях при одновременном снижении энергопотребления и экологической нагрузки.

 

Список источников и литературы

1. ISO 16890-1:2016. Air filters for general ventilation — Part 1: Technical specifications, requirements and classification system based upon particulate matter efficiency (ePM). ISO, Geneva, 2016.

2. ISO 16890-2:2016. Air filters for general ventilation — Part 2: Measurement of fractional efficiency and airflow resistance. ISO, Geneva, 2016.

3. EN 1822-1:2019. High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) — Part 1: Classification, performance testing, marking. BSI/DIN, 2019.

4. EN 1822-5:2019. High efficiency air filters (EPA, HEPA and ULPA) — Part 5: Determining the efficiency of filter element. BSI/DIN, 2019.

5. ASHRAE Standard 52.2-2017. Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. ASHRAE, Atlanta, 2017.

6. СП 60.13330.2020. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003. Минстрой России, Москва, 2020.

7. СанПиН 2.1.3678-20. Санитарно-эпидемиологические требования к эксплуатации помещений, зданий, сооружений. Роспотребнадзор, Москва, 2020.

8. ГОСТ Р 52539-2006. Чистота воздуха в лечебных учреждениях. Общие требования. ФСТЭК России, Москва, 2006.

9. EN ISO 14644-1:2015. Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness by particle concentration. ISO, Geneva, 2015.

10. Hinds, W. C. Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles. 2nd ed. — New York: Wiley-Interscience, 1999. — 504 p.

11. Davies, C. N. (ed.). Air Filtration. — London: Academic Press, 1973. — 171 p.

12. Spurny, K. R. (ed.). Advances in Aerosol Filtration. — Boca Raton: Lewis Publishers, 1998. — 598 p.

13. Brown, R. C. Air Filtration: An Integrated Approach to the Theory and Applications of Fibrous Filters. — Oxford: Pergamon Press, 1993. — 272 p.

14. Eurovent 4/21:2018. Energy Consumption of Air Filters in General Ventilation. Eurovent, Brussels, 2018.

15. Европейская ассоциация EUROVENT. Классификация воздушных фильтров по ISO 16890. Рекомендательный документ. Brussels: Eurovent, 2017.

16. Захаров, А. В., Крупнов, Б. Н. Воздушные фильтры для систем вентиляции и кондиционирования воздуха: Учебное пособие. — Москва: МГСУ, 2019. — 180 с.

17. Мурашко, Д. А., Бажан, П. И. Фильтры для очистки вентиляционного воздуха: монография. — Санкт-Петербург: Политехника, 2018. — 224 с.

18. Liu, Z., Hu, X., Jia, S. et al. Review of Nanofiber-Based Air Filtration: Material, Structure, and Applications // Advanced Fiber Materials. — 2023. — Vol. 5. — P. 1109–1140.

19. Zhang, S., Tang, N., Cao, L. et al. Highly Integrated Polysulfone/Polyacrylonitrile/Polyamide Nanofiber Membrane for Efficient Air Filtration // ACS Applied Materials & Interfaces. — 2016. — Vol. 8, No. 46. — P. 32055–32062.

20. Кокорин, О. Я. Современные системы кондиционирования воздуха. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва: Физматлит, 2014. — 272 с.

21. Wang, C. S. Electrostatic Forces in Fibrous Filters — a Review // Powder Technology. — 2001. — Vol. 118, No. 1–2. — P. 166–185.

22. Feng, Z., Long, Z., Mo, J. A Review of Aerosol Deposition in Fibrous Filters: Experimental Data and Numerical Models // Journal of Aerosol Science. — 2015. — Vol. 88. — P. 146–167.

23. IAEA Safety Guide NS-G-1.3. Instrumentation and Control Systems Important to Safety in Nuclear Power Plants. IAEA, Vienna, 2002.

24. Европейский стандарт EN 779:2012. Particulate air filters for general ventilation — Determination of the filtration performance. CEN, Brussels, 2012. (Отозван, заменён ISO 16890.)

25. Директива ЕС 2009/125/EC об экодизайне энергосвязанной продукции. Официальный журнал Европейского союза, 2009. // EUR-Lex. URL: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A32009L0125

---