Wysokie ryzyko zakażenia się koronawirusem beta SARS-CoV-2 spowodowało, że w wielu krajach rozgorzały dyskusje na temat sposobów walki z rozprzestrzenianiem się patogenów w pomieszczeniach i w tym kontekście – odpowiedniej ich wentylacji. Dzięki debatom prowadzonym publicznie, wzrosła świadomość ludzi, jak ważne jest dla naszego zdrowia czyste powietrze. Wentylacja kontrolowana lub naturalna, obok dezynfekcji, okazały się bardzo skuteczne w minimalizacji zagrożeń.

Przeciętnie około 90% naszego życia przebywamy w pomieszczeniach zamkniętych: w domu, miejscu pracy lub nauki oraz w środkach transportu. Tymczasem powietrze w tych miejscach często jest bardziej zanieczyszczone substancjami szkodliwymi dla zdrowia niż powietrze zewnętrzne. Źródła zanieczyszczeń zależą m.in. od rodzaju budynku, jego lokalizacji czy zastosowanych w nim materiałów (emisja z materiałów budowlanych i elementów wyposażenia wnętrz).

Podstawowe sposoby usuwania zanieczyszczeń
Zasadniczo możemy zdefiniować dwie podstawowe metody usuwania zanieczyszczeń z powietrza wewnętrznego, które są wykorzystywane w branży HVAC: rozcieńczanie oraz filtrację.

Rozcieńczanie to nic innego jak wprowadzanie czystej cieczy do zanieczyszczonego środowiska w celu zmniejszenia stężenia zanieczyszczeń (rys. 1a). Najprościej zilustrować to na przykładzie intensywnie zabarwionej cieczy znajdującej się w naczyniu, której kolor, po dodaniu czystego płynu, staje się jaśniejszy. Następnie nadmiar płynu należy usunąć. W technologii HVAC procesy rozcieńczania zanieczyszczeń w środowisku (przez dostarczanie świeżego powietrza do pomieszczenia) i usuwania nadmiaru powietrza zwykle przebiegają jednocześnie, w myśl zasady bilansu masy. Drugą opcją jest usuwanie ze środowiska wewnętrznego określonych zanieczyszczeń, np. przez oczyszczacze powietrza. Problem może jednak polegać na tym, że dla różnych zanieczyszczeń często potrzebne są różne filtry. Przykładowo: filtr mechaniczny nie będzie skuteczny w odniesieniu do dwutlenku węgla, choć usuwa wiele innych zanieczyszczeń. Cząsteczki CO₂ są zbliżone do cząsteczek O₂, a więc nawet gdyby powstał filtr mechaniczny wychwytujący cząsteczki dwutlenku węgla, to w tym samym czasie byłby filtrowany także tlen.

Dwutlenek węgla jako indykator jakości powietrza
Głównym źródłem dwutlenku węgla w pomieszczeniach są ludzie, a dokładniej wydychane/zużyte przez nich powietrze. Dorosły człowiek wydycha przeciętnie około 20 l/h CO_2, a ilość ta wzrasta wraz ze zwiększaniem wysiłku fizycznego, nawet kilkukrotnie. Dwutlenek węgla może również pochodzić z emisji wewnątrz pomieszczeń, jak np. spalanie paliw na potrzeby przygotowywania posiłków czy ogrzewania. W budynkach nowo wybudowanych wydzielany jest podczas procesu krzepnięcia materiałów budowlanych (np. tynków), zwanego też „dojrzewaniem materiałów budowlanych”. Utrzymanie optymalnej jakości powietrza i redukcja stężenia CO₂ wymagają zatem odpowiedniej/dopasowanej do konkretnych warunków wentylacji. Istotne są przy tym aspekty ekonomiczne, ponieważ intensywna wentylacja prowadzi do zwiększonej emisji ciepła poza budynek. W technice wentylacyjnej dwutlenek węgla wciąż pełni funkcję praktycznego i łatwo mierzalnego współczynnika jakości powietrza. Wynika to z szeregu jego zalet jako indykatora, zwłaszcza nastepujących zależności:

• wartość stężenia CO₂ w atmosferze jest relatywnie stabilna i wynosi 0,03-0,04% (w niektórych miejscach, np. w miastach, wartości te mogą być wyższe);
• obecność ludzi w pomieszczeniu zawsze powoduje wzrost stężenia CO₂, przy czym dynamika tego wzrostu zależna jest od liczby osób, czasu ich przebywania w pomieszczeniu, aktywności oraz wymiany powietrza (wentylacji);
• stężenie CO₂ w powietrzu przekraczające około 0,1% pogarsza stan zdrowia użytkowników pomieszczeń (np. wg Myhrvold, 1996; Seppänen, 1999), jednak nie wszystkie skutki zdrowotne obserwowane przy podwyższonym stężeniu dwutlenku węgla są bezpośrednim wynikiem jego działania.

Sam dwutlenek węgla jest dla ludzi mało toksyczny (człowiek produkuje go dziennie ok. 350 l, w powietrzu wydychanym – 4,0%). Przy podwyższonym stężeniu CO₂ skutkującym niedoborem tlenu, organizm ludzki szybko reaguje i może się bronić przed bezpośrednimi następstwami chorobowymi.

Dodatkową zaletą CO₂ jako wskaźnika jakości powietrza jest fakt, że jest on gazem łatwo mierzalnym. Na rynku dostępnych jest wiele systemów pomiarowych, łatwych w obsłudze, o wystarczającej dokładności i w przystępnej cenie.

Dlaczego musimy wentylować pomieszczenia?
Zadaniem systemu wentylacyjnego w budynku jest zapewnienie odpowiedniej ilości świeżego (zewnętrznego) powietrza, niezbędnego do oddychania i dobrego samopoczucia użytkowników oraz do prawidłowego funkcjonowania urządzeń technicznych. Są przepisy, normy i wytyczne, które obligują do wentylacji i wskazują, jak to robić (np. PN-EN 15251, PN-EN 16798) – najczęściej w funkcji powierzchni, liczby osób w pomieszczeniu, wyposażenia, stężenia CO₂.

Czy ze względu na tlen – O₂? Pierwszym założeniem, gdy chce się odpowiedzieć na pytanie, z czego wynika konieczność wentylowania pomieszczeń, dość banalnym, jest to, że my, ludzie (użytkownicy), zużywamy tlen w procesie oddychania, w związku z czym stężenie tlenu w pomieszczeniu może spaść tak nisko, że stracimy koncentrację, ewentualnie będzie jeszcze gorzej. W polskich przepisach zaznacza się, że stężenie tlenu nie może być mniejsze niż 18% (ale 16% zasadniczo też jest bezproblematyczne). W jakich warunkach zatem do tego dochodzi? – Poniżej krótki przykład obliczeniowy.

Przykład 1.
Policzmy zużycie tlenu w przykładowym pomieszczeniu konferencyjnym o kubaturze: 7 x 8,5 x 3,8 m = 230 m³, w którym znajduje się 13 osób. W celu uproszczenia obliczeń, przyjmijmy, że pomieszczenie to jest całkowicie szczelne (bo w rzeczywistości zawsze są jakieś przecieki).
Dalsze założenia:

• wyjściowa zawartość tlenu w powietrzu w pomieszczeniu: 21%, czyli ok. 48 m³ ;
• spadek zawartości tlenu do 18% (bezpieczny próg określony przepisami): spadek ilości tlenu w pomieszczeniu o 6,9 m³ , do 41,1 m³ ;
• przeciętne zużycie tlenu na osobę siedzącą (przy lekkiej aktywności): 18 l/h = 0,018 m³/h;
• przeciętne zużycie tlenu przez 13 użytkowników sali konferencyjnej: 13 x 0,018 m³/h = 0,234 m³/h.

Jeśli zestawimy uzyskane wartości, to okazuje się, że krytyczny poziom stężenia tlenu (18%) w pomieszczeniu konferencyjnym z 13 osobami pojawi się dopiero po upływie 29,5 godzin. Trudno zatem uznać, aby niedobór tlenu miał być powodem, dla którego niezbędna jest wentylacja takiego pomieszczenia.

Czy ze względu na dwutlenek węgla – CO₂?
Kolejne założenie jest takie, że wentylujemy pomieszczenia ze względu na możliwość wzrostu stężenia dwutlenku węgla w powietrzu – bo przecież stosujemy czujniki CO₂ w systemach regulacji wentylacji, więc ten powód byłby logiczny. Ale zanim odniesiemy się do tej tezy, przyjrzyjmy się kilku wartościom granicznym jeśli chodzi o stężenie CO₂ w powietrzu wdychanym przez człowieka (tabela 2).

Średnie stężenie CO₂ w powietrzu zewnętrznym/atmosferycznym to około 400 ppm (parts per milion), czyli 0,04% (lub inaczej: 4 promile). Z kolei 0,1%, czyli 1000 ppm,to typowa wartość graniczna, która odnosi się np. do pomieszczeń biurowych czy klas szkolnych. Uważa się, że po jej przekroczeniu powietrze jest zużyte, a koncentracja ludzi znacznie słabnie. Co ciekawe, wartość graniczna, jaką dopuszczają polskie przepisy, określana jako NDS, czyli najwyższe dopuszczalne stężenie, to 0,5% (5000 ppm lub 9000 mg/m³). NDS definiowane jest jako wartość średnia ważona stężenia, którego oddziaływanie na pracownika w ciągu 8-godzinnego dobowego i przeciętnego tygodniowego wymiaru czasu pracy (określonego w Kodeksie pracy), przez okres jego aktywności zawodowej, nie powinno spowodować ujemnych zmian w jego stanie zdrowia oraz w stanie zdrowia jego przyszłych pokoleń (rozporządzenie MRPiPS z 12 czerwca 2018 r., DzU 2002 nr 217, poz. 1833). Stężenie dwutlenku węgla od 1,5% (27 000 mg/m³ ) dopuszczone jest jedynie krótkoterminowo – wartość ta określana jest jako NDSCh, czyli najwyższe dopuszczalne stężenie chwilowe. Cytując rozporządzenie, NDSCh to wartość średnia stężenia, które nie powinno spowodować ujemnych zmian w stanie zdrowia pracownika, jeżeli występuje w środowisku pracy nie dłużej niż 15 minut i nie częściej niż 2 razy w czasie zmiany roboczej, w odstępie czasu nie krótszym niż 1 godzina. Przy stężeniach od 8-10% zaczyna być groźnie, a wręcz występuje zagrożenie dla życia.
Wykonajmy zatem obliczenia dla CO₂ analogicznie jak dla tlenu.

Przykład 2.
Mamy to samo pomieszczenie – salę konferencyjną o kubaturze 230 m³, w której znajduje się 13 osób, z tą różnicą, że użytkownicy wydychają CO₂, a nie zużywają tlen. Dalsze założenia:

• wyjściowa zawartość CO₂ w powietrzu w pomieszczeniu: 0,04%, czyli 0,092 m³;
• najwyższe dopuszczalne stężenie CO₂ (NDS): 0,5% – zakładamy wzrost stężenia CO₂ w pomieszczeniu do poziomu 1,15 m³, czyli o 1,058 m³;
• przeciętna emisja CO₂ na osobę siedzącą (przy lekkiej aktywności): 15 l/h = 0,015 m³/h;
• przeciętna emisja CO₂ dla 13 użytkowników sali konferencyjnej: 13 x 0,015 m³/h = 0,195 m³/h;
• czas do osiągnięcia NDS w pomieszczeniu:

Z obliczeń wynika, że – biorąc pod uwagę nasycenie powietrza dwutlenkiem węgla – wentylację w sali konferencyjnej należałoby włączyć dopiero po 5,5 godzinach. Trudno sobie jednak wyobrazić, gdy spędza się ten czas w szczelnym pomieszczeniu z dwunastoma innymi osobami, aby wcześniej nie odczuwać silnie potrzeby otwarcia okien. A zatem to nie nasycenie powietrza dwutlenkiem węgla, ani też tlenem przede wszystkim wymuszają wentylowanie pomieszczeń.

Wynika to z naszej emisji! Konieczność ta wynika w pierwszej kolejności z naszej emisji zapachów i substancji aktywnych zapachowo. Organizm ludzki emituje do otoczenia nie tylko dwutlenek węgla, ale również inne substancje zapachowo czynne i to właśnie ta mieszanina, wraz z wilgocią, powodują u użytkowników silne odczucie zużytego powietrza oraz utraty koncentracji i dyskomfortu. Wartość tę można w praktyce mierzyć, a jej miarą jest olf. Przyjmuje się, że jest to wartość sensoryczna i przykładowo jedna siedząca osoba emituje 1 olf, przy czym jedna siedząca osoba jest wartością referencyjną, a inne źródła, jak płyta OSB czy linoleum, przeliczane są na jednostki osobowe (tabela 3).

Dlaczego zatem stosujemy CO₂ jako wartość pomiarową do określania jakości powietrza w pomieszczeniu? – Otóż emisja CO₂ przez człowieka koreluje z innymi gazami, które wydychamy i wydalamy. Ponadto poziom nasycenia CO₂ można łatwo i dokładnie wykryć za pomocą prostych czujników. Warto jednak pamiętać, że pomiar CO₂ w celu określenia jakości powietrza w pomieszczeniu może nie być wystarczający, jeśli inne substancje zapachowe lub obce gazy zdominują zanieczyszczenie powietrza. Dlatego w pomieszczeniach, w których jakość powietrza silniej zależy od innych substancji niż CO₂ (przykładowo toaleta), powinniśmy stosować inne czujniki lub inne rozwiązania, np. czujnik obecności.

Efektywna filtracja
Badania przeprowadzone przez wiodące organizacje zajmujące się ochroną środowiska wykazały, że powietrze w pomieszczeniach mieszkalnych i roboczych jest do 100 razy bardziej zanieczyszczone niż powietrze na zewnątrz. Rozwiązaniem mogą być – wspomniane już na wstępie artykułu – nowoczesne systemy oczyszczania powietrza, które są w stanie filtrować alergenne i zanieczyszczające elementy. Obecnie toczy się dyskusja na temat stosowania oczyszczaczy powietrza, które można wykorzystywać do usuwania aktywnych wirusów przenoszonych na cząsteczkach aerozolu w pomieszczeniu. Większość aerozoli jest emitowana nieregularnie z odzieży, skóry i wszystkich innych powierzchni. Zanieczyszczenie powietrza pyłem zawieszonym również określane jest jako droga przenoszenia się wirusów.

W przypadku stosowania oczyszczaczy powietrza, efektywny strumień objętości V_OP,ef można obliczyć w odniesieniu do pomieszczenia, gdy weźmie się pod uwagę bezwzględny przepływ objętościowy przez urządzenie, stopień separacji zastosowanego materiału filtrującego ηF lub stopień oddzielenia filtra oraz wydajność wentylacji εc i . Zależność tę przedstawia równanie (1):

Strumień objętościowy V_OP odnosi się do wydajności urządzenia i jest określany przez producenta lub przy użyciu odpowiedniej metody.

Gdy celem filtracji jest eliminacja wirusów przenoszonych na powierzchni cząsteczek aerozolu, należy wziąć pod uwagę skuteczność filtracji filtra w zakresie klasy wielkości PM1 (średnica aerodynamiczna ≤ 1 µm). Efektywność separacji frakcyjnej filtra η_F jest określona przez producenta materiału filtrującego zgodnie z normą ISO 16890 (EN ISO 16890-1). Przykładowo: klasa filtracyjna ISO ePM1 90% oznacza, że oddziela się 90% cząstek w zakresie od 0,3 do 1 μm. Filtry cząstek stałych o wyższej jakości (HEPA 13 i 14) oddzielają prawie wszystkie cząstki w tej klasie wielkości.

Producenci urządzeń filtrujących muszą zapewnić, że określony strumień objętości oczyszczacza powietrza jest całkowicie prowadzony przez filtr. Ewentualny wyciek należy odjąć od strumienia objętości urządzenia, ponieważ ta część nie przyczynia się do oczyszczania powietrza.

Źródła:
[1] zpe.gov.pl/a/zmiana-stezenia-roztworu
[2] http://www.chemmix.edu.pl/