در حالیکه همه گیری کووید ۱۹ توجهات زیادی را نسبت به کیفیت هوا جلب کرده است، انتخاب فیلتر هوا و نصب آن در سیستم های HVAC همچنان به تعویق افتاده است. تبدیل کیفیت هوا به یک اولویت جهانی و نصب سیستم های فیلتراسیون در شهرها و تشکیل شهرهای هوشمند برای ایجاد محیطی تمیز و سبز هنوز به ایجاد مشوق ها و اقدامات راهبردی نیاز دارد. اکنون زمان توقف روش های فیلتراسیون مرسوم و میانبرهای تعمیر و نگهداری فرا رسیده است.
بهترین راه برای جلب توجه ها به سمت فیلتر هوا، برجسته کردن اهمیت آن برای رفاه، سلامت و ایمنی ساکنین و تجهیزاتی که از آن محافظت می کند، مانند سیستم های گرمایش و تهویه مطبوع (HVAC) است. دلیل اصلی نصب تجهیزات HVAC فراهم کردن راحتی مورد نیاز از نظر دمایی برای ساکنین و در عین حال افزایش کیفیت هوای داخلی است. اما طبق گزارشی که آژانس بین المللی انرژی منتشر کرده است، سیستم های HVAC و فن های الکتریکی که برای راحتی حرارتی استفاده می شوند به هر حال مصرف انرژی خود را دارند و تقریبا ۲۰ درصد از کل برق مصرف شده در ساختمان ها در سراسر جهان را تشکیل می دهد. علاوه بر این، تقاضا برای سیستم های تهویه مطبوع به دلیل شهرنشینی سریع و رشد جمعیت، همچنان افزایش می یابد که منجر به افزایش تقاضای انرژی می شود. طبق گزارش سازمان ملل متحد، ۵/۲ میلیارد نفر تا سال ۲۰۵۰ در مناطق شهری ساکن خواهند شد و کلان شهرها را تشکیل خواهند داد که این تعداد ۶۸ درصد از جمعیت جهان خواهد بود در حالی که این رقم امروز ۵۵ درصد است [۱]. طبق گزارش UN-Habitat، شهرها در حال حاضر ۷۸ درصد انرژی جهان را مصرف می کنند و بیش از ۶۰ درصد از گازهای گلخانه ای را تولید می کنند [۲].
افزایش تقاضا برای HVAC به طور کلی سیستم های برق را در بسیاری از کشورها تحت فشار قرار می دهد و باعث افزایش انتشار گازهای گلخانه ای می شود. بدون احتراق مسئولانه سوخت فسیلی و مصرف انرژی برای کاهش اثرات زیست محیطی و ارتقای تجهیزات تهویه مطبوع با مصرف بهینه انرژی، تقاضای جهانی برای تولید برق برای دهه های آینده افزایش خواهد یافت. علاوه بر این، این شهرها به کیفیت هوای داخلی بهتر (IAQ) و نه فقط به راحتی حرارتی نیاز دارند. تحقیقات نشان داده است که فیلتراسیون و تهویه نامناسب و ناکافی می تواند منجر به بدتر شدن IAQ در فضاهای داخلی با تهویه طبیعی و مکانیکی شود [۳]. مطالعات دیگر نشان داده اند که IAQ ضعیف در محیط های سر بسته با جمعیت متراکم می تواند بر بهره وری، عملکرد شناختی و سلامت جسمی و روانی ساکنان تأثیر بگذارد [۴-۱۰]. کاهش چالش های مرتبط با کیفیت هوا مستلزم مداخلات سیاستی است که نقش فناوری های پیشرفته فیلتراسیون و سیستم های HVAC کارآمد را برجسته کند. اخیرا، همه گیری ها و بلایای زیست محیطی منجر به شکل گیری فلسفه ها و اقداماتی مرتبط با مسائل کیفیت هوا شده است.
فیلتراسیون برای محیط های ساختمانی
فیلتراسیون هوا ابزاری عالی برای جداسازی و حفظ ذرات و سایر آلاینده ها بر روی یا درون مدیای فیلتر است. با این حال، انتخاب، نصب و به کارگیری فناوری های مختلف مناسب فیلتر برای سرمایه گذاری جهت استفاده از ظرفیت آن برای انجام کار مورد نظر حیاتی است. عملکرد فیلتر هوا هسته اصلی درک عملکرد فیلتراسیون مورد نیاز برای یک کاربرد معین و حالتی است که فیلتراسیون انجام و هوای با کیفیت تحویل می شود. با این حال، هنگامی که فیلتر دچار خرابی مزمن و رایج می شود، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، تشخیص نقش فیلتراسیون هوا کار آسانی نیست. افزایش اهمیت فیلتراسیون هوا که در زمان همه گیری به وجود آمد، باید یک نقطه عطف تاریخی و نه صرفا یک فصل گذرا باشد. بنابراین، اجرای رویکردهای فیلتراسیون نوآورانه برای تغییر نگرش نسبت به کیفیت هوا و نحوه درک ما از عملکرد فیلتر ضروری است.
علاوه بر این، تاکید بر کیفیت هوای بهتر و محیط ساختمانی سالم مستلزم تخصیص بودجه برای تحقیقات در مورد فیلتراسیون آئروسل و ویژگی های آئروسل موجود در اتمسفر است. ترکیب چنین تحقیقاتی با بررسی مداوم آئروسل در فضای باز و داخلی در ارزیابی عملکرد فیلتر هوا در هنگام مواجهه با غلظت های مختلف ذرات و آلاینده های گازی در فضای باز بسیار ارزشمند خواهد بود. این امر از آنجایی که یک فرد بالغ به طور معمول روزانه ۱۷۰۰۰ لیتر هوا، بسته به طریقه نفس کشیدن فرد، استنشاق می کند، اهمیت زیادی پیدا می کند. این نشان می دهد که قرار گیری در معرض حتی غلظت کم آلاینده در هوایی که استنشاق می شود هر چند در زمان کم می تواند بسیار خطرناک باشد. بنابراین، انتخاب نامناسب فیلتر، محیط داخلی ساختمان و سیستم تنفسی ساکنین آن را در معرض بسیاری از انواع آلاینده ها قرار می دهد. علاوه بر این، عملکرد ضعیف فیلتر توانایی تجهیزات HVAC را برای ارائه گرمایش و/یا سرمایش مناسب مورد نیاز برای راحتی حرارتی ساکنین مختل می کند.
انتخاب فیلتر مناسب نیاز به شناخت اساسی ویژگی های فیزیکی و شیمیایی آلاینده های مورد نظر دارد. در نهایت، کیفیت و کمیت مناسب هوای پاک ارائه شده به محیط ساختمان نیاز به راه حل های فیلتراسیون هوای کارآمد دارد. با این حال، در حالی که ماهیت فیلتر انتخاب شده برای هر کاربردی ممکن است استاندارد به نظر برسد، اما طراحی فیلتر احتمالا تغییر خواهد کرد. زیرا پویایی بازار ممکن است با تکامل ترجیحات مشتری، پیشرفت فناوری های فیلتراسیون و در نهایت عرضه محصولات جدید تغییر کند.
مدیای فیلتر
یک عنصر جدایی ناپذیر در آناتومی فیلتر هوا، مدیای آن است. مدیای فیلتر نشان دهنده بلوک های سازنده یک فیلتر هوا است. خواص آنها فرآیند فیلتراسیون، نحوه عملکرد فیلتر و اینکه آیا ذرات از طریق تشکیل دندریت یا کیک در عمق یا سطح فیلتر از جریان هوا جدا می شوند یا به طور کامل از فیلتر عبور می کنند همان طور که در شکل ۲ نشان داده شده است، ناهمگنی مدیای فیلتر همچنان چالش بزرگی را برای پیش بینی عملکرد فیلتر ایجاد می کند. انتظار می رود مدیاهای فیلتر نفوذپذیر، کارآمد و دارای یکپارچگی ساختاری لازم برای عبور جریان هوا بدون تغییر شکل قابل توجهی باشند، زیرا این تغییر شکل بر روی عملکرد فیلتراسیون تاثیر گذار است.
پیش بینی عملکرد فیلتر هوا
ماهیت انتخاب فیلترهای هوای مناسب برای کاربردهای HVAC در شناخت چالش ها در یک موقعیت جغرافیایی، آب و هوا و شرایط عملیاتی معین نهفته است. این عوامل می توانند تاثیر خود را در انتخاب و مراحل مورد نیاز برای ایمن کردن هوای بیرون برای تامین هوای داخل داشته باشند.
یکی از چالش های اصلی در فیلتراسیون هوا، انحراف عملکرد فیلترهای هوا از پیش بینی نتایج آزمایشگاهی است. علاوه بر این، تغییر در ویژگی های ذرات از نظر چگالی، توزیع اندازه و غلظت می تواند دینامیک فیلتراسیون ذرات را تغییر دهد و در نهایت منجر به گرفتگی زودرس شود. به عنوان مثال، با توجه به طراحی فیلتر هوا و انتخاب مدیا، غلظت بیش از حد ذرات می تواند منجر به رسوب سطحی ذرات در یک مدیای فیلتر عمقی شود که منجر به کاهش قابل توجه نفوذپذیری می شود. همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است، ذرات همچنین می توانند برای تشکیل دندریت های درخت مانند برای تشکیل یک لایه کیک پل شوند.
بنابراین، یکی از مسائل اصلی در فیلتراسیون هوا، برجسته کردن نقش پیش فیلتراسیون به جای تکیه بر صرفا مرحله فیلتراسیون برای انجام کار است. همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است، اهمیت مراحل فیلتراسیون بسیار مهم است زیرا مکانیسم یا مکانیسم های غالب تحت تأثیر اندازه ذرات و توزیع آنها هستند.
جذب ذراتی که فیلتر در معرض آنها قرار می گیرد با مکانیسم های غالب مشخص می شود که در شکل ۵ بر اساس مکانیسم های غالب نشان داده شده است. کارایی فیلتر و مکانیسم جذب به بسیاری از عوامل مرتبط به هم بستگی دارد، مانند اندازه آئروسل، سرعت سطحی، تراکم و نحوه قرار گیری الیاف در مدیا. علاوه بر این، الیاف مجاور، تشکیل دندریت و بار الیاف نیز بر نحوه عملکرد فیلترهای «واقعی» تأثیر می گذارند.
بارگذاری و گرفتگی فیلتر
فیلترهای هوای نصب شده برای کاربردهای HVAC فیلترهای عمقی هستند که عمدتاً برای جذب ذرات معلق در هوا با استفاده از فیلترهای فیبری استفاده می شوند. فیلترهای عمقی مراحل ساکن، غیر ساکن، انتقال و رسوب سطحی را طی می کنند. در فیلتراسیون عمقی، تشکیل کیک ذرات به این معنی است که فیلترها نیاز به تعویض یا نگهداری دارند. از سوی دیگر، تشکیل کیک گرد و غبار اولیه در فیلتراسیون سطحی برای دستیابی به راندمان بالاتر مورد نیاز است. تغییر در ساختار منافذ مدیای فیلتر به دلیل ادامه رسوب ذرات در فضاهای بینابینی باعث کاهش نفوذپذیری و تغییر دینامیک جریان میشود که منجر به افزایش شدید افت فشار فیلتر میشود.
در نتیجه، افزایش مقاومت فیلتر، نرخ جریان تحویلی به فضاهای داخلی را تغییر می دهد و ساکنین ممکن است از نظر حرارتی احساس ناراحتی کنند. علاوه بر این، جمعیت بیش از حد انسان در محیط بسته، سطح رطوبت را در داخل محیط افزایش می دهد، که تجهیزات HVAC نصب شده را به چالش می کشد. زیرا این تجهیزات باید راحتی حرارتی مورد نیاز را در حالی که هوای پاک کافی برای تنفس در داخل محیط وجود داشته باشد، فراهم کنند. رطوبت بیش از حد نیز بر عملکرد فیلتر تأثیر میگذارد و پتانسیل رشد میکروارگانیسمها و در نتیجه ایجاد بو را تقویت میکند.
بارگذاری ذرات در یک ساختار فیلتر فیبری معمولی در شکل ۶ نشان داده شده است که در طول عمر خود از ساکن به غیر ساکن، به انتقال و در نهایت به سمت گرفتگی پیشروی می کند. از سوی دیگر، شکل ۷ تشکیل کیک گرد و غبار زودرس را بر روی یک فیلتر فیبری معمولی مورد استفاده در تجهیزات HVAC در مقایسه با فاز ساکن فیلتراسیون یک فیلتر مشابه نشان می دهد. در حالت ایده آل، افزایش مرحله ساکن در طول عمر فیلتر بسیار مهم است زیرا رسوب ذرات در عمق فیلتر با افزایش ناچیز افت فشار اتفاق می افتد. علوه بر این، گرفتگی زودرس فیلترهای هوا عملکرد فیلتر را از حالت مصرف بهینه انرژی دور می کند.
اندازه ذرات و بارگذاری ذرات
در نبرد جهانی علیه کووید-۱۹، زمانی که به نظر می رسید هیچ چیز به اندازه محافظت از بشریت در برابر عفونت ها موثر نیست، برخی از راه‌حل های فیلتراسیون بالاخره موفق شدند. با این وجود، نگاهی به تلفات شدید تاسف بار جانی در آن دوران و تأثیر آن بر اقتصاد جهانی، اهمیت کیفیت هوا را چند برابر می کند. صرف نظر از این، فیلترهای هوا در صورت تسهیل شرایط عملیاتی ایده آل، مانند نصب بدون نشتی و قرار دادن آنها در معرض نرخ جریانی که برای آن طراحی شدهاند، می توانند عملکرد بهینه خود را داشته باشند و در برخی موارد عملکرد بهتری نیز ارائه دهند.
برای درک عملکرد، شناخت این نکته ضروری است که این فیلترها هوا را از محیط بیرون می کشند و به محیط داخل، جایی که سیستم های HVAC کار می کنند، تزریق می کنند. گرفتگی زودرس که منجر به کوتاه شدن عمر فیلتر می شود، پیامدهای مالی دارد، چه با تعویض مکرر فیلترها نسبت به برنامه ریزی انجام شده یا باعث ایجاد آسیب به تجهیزات HVAC می شود. علاوه بر این، هنگامی که ذرات شروع به نفوذ در داخل ساختمان می کنند، ساکنین را در معرض خطرات نامطلوب سلامتی قرار می دهند و مستهلک شدن تجهیزاتی را که سیستم های HVAC قصد محافظت از آن را دارند سرعت می بخشند.
کارایی کلی یک فیلتر بر اساس ترکیب مکانیسم های فیلتراسیون غالب است. بنابراین، اندازه ذرات یک پارامتر اساسی در خواص آئروسل است و به شدت بر عملکرد فیلتر تأثیر می گذارد. برای نشان دادن چنین اثری، دو کارتریج فیلتر E10 V-bank مشابه (شکل ۸) به ترتیب با SAE Fine و گرد و غبار مصنوعی SAE Coarse در مقیاس آزمایشگاهی بارگذاری شدند. شکل ۹ تفاوت بصری اندازه ذرات بین دو نوع غبار را نشان می دهد. مقایسه افت فشار ناشی از بارگذاری این دو نوع ذره در شکل ۱۰ نشان داده شده است، که نشان می دهد ذرات SAE Fine نسبت به ذرات SAE Coarse نفوذ پذیری بیشتری دارند. ذرات گرد و غبار ریز تمایل دارند فضاهای بینابینی بیشتری را در داخل محیط فیلتر اشغال کنند، که منجر به تغییر قابل توجهی در ساختار منافذ میشود و از این رو، افت فشار فیلتر افزایش می یابد.
کیفیت هوا برای شهرهای هوشمند
اهداف شهرهای هوشمند زمانی سریعتر به دست می آیند که منافع بین بخش ها مشترک باشد، اهداف مشخص باشند و بودجه و منابع برای اجرای طرح های یکپارچه سازی در دسترس باشد. علاوه بر این، اجرای راه‌حل های ارتقای کیفیت هوا که امروزه در دسترس است، یک ارزش افزوده برای محیط ساختمان و رفاه ساکنان است. یک مطالعه موردی اخیر مزایای نظارت مداوم و نه دوره ای کیفیت هوا را در مراکز تماس پرجمعیت نشان داده است [۱۲]. این کار آزمایشی بدتر شدن کیفیت هوا هنگام ورود کارکنان به محل کار و سپس بازگشت به کیفیت قابل قبول هنگام خروج آنان را برجسته کرده است. اگرچه تعاملات کارکنان و الگوهای تنفسی به طور قابل توجهی بر کیفیت هوای داخل ساختمان تأثیر میگذارد، داده‌های جمع آوری‌شده به مدیریت تأسیسات کمک کرد تا تصمیمات تعمیر و نگهداری مناسب مربوط به ارتقاء فیلترهای هوا، افزایش نرخ تهویه و نصب فیلترهای شیمیایی برای تصفیه غلظت ترکیبات آلی فرار[۱] موجود در مرکز در ساعات اداری را اتخاذ کند. همانطور که در شکل ۱۱ نشان داده شده است، غلظت PM1 و PM2.5 پس از ارتقاء فیلتر به ترتیب به حداقل و حداکثر صفر و یک میکروگرم بر متر مکعب کاهش یافت. شکل ۱۲ مقایسه پایش کیفیت هوا در یک مرکز تماس بین روزهای کاری و آخر هفته را برای VOCs و دی اکسید کربن (CO۲) نشان می دهد.
در سطح جهانی، چین، سنگاپور، کره، ژاپن و فنلاند به سمت استفاده پیچیده تر از اینترنت اشیا (IOT) برای کنترل کیفیت هوا پیش می روند. یکپارچه سازی سیستم های پایش کیفیت هوا برای اندازه‌گیری، ردیابی و کاهش غلظت آلاینده ها، حفظ آسایش حرارتی و بهره برداری از تجهیزات از طریق استراتژی های بهره‌وری انرژی بسیار ارزشمند خواهد بود.
لحظه ظهور Eureka
رسیدن به لجظه ای که کیفیت هوا به موضوع اصلی صنعت ساختمان و اقتصاد جهانی تبدیل شود، چالش برانگیز است. نادیده گرفتن نقش حیاتی استنشاق کیفیت بهتر هوا و اجازه قرار گرفتن انسان در معرض آلودگی یک جرم است. ممکن است که همه گیری ها درست مانند خورشید گرفتگی و ماه گرفتگی باشد طوری که با گذشت زمان باید منتظر همه گیری بعدی باشیم. باید به سمتی پیش برویم که به جای اینکه بگوییم “بیایید برای بیماری بعدی آماده باشیم”، دیگر همه گیری نداشته باشیم. این امر با درک اهمیت فناوری های فیلتراسیون موجود و شناخت پتانسیل استفاده از آنها در محیط های داخلی تسهیل می شود.
با یادآوری این نکته که مردم یکی از سه ستون پایداری در کنار کره زمین و سود هستند، پذیرش مدل های کیفیت هوای «انسان محور» جان افراد زیادی را نجات داده و اثرات مالی آن بیشتر خواهد بود. غفلت از کنترل خطرات آلودگی و قرار گرفتن در معرض آن و عدم استفاده از سیستم های تهویه مطبوع درجه یک، مانع رفاه حال انسان می شود. ما باید تصمیم بگیریم که یا از مدل های تجاری کیفیت هوای پایدار استقبال کنیم و هزینه های آن را پرداخت کنیم یا جریمه های عدم انجام این کار را بپردازیم. چالش های پیش رو بزرگ هستند. موج فزاینده آلودگی هوا مشهود است. اقداماتی در حال انجام و تکامل است اما ممکن است همه گیری بعدی نزدیک شود.
[۱] the volatile organic compounds (VOCs)
لینک مقاله: https://www.filtnews.com/smarter-filtration-rhetoric/
نویسنده: DR. IYAD AL-ATTAR
مترجم: امین فروزان
تاریخ: ۱۲ جولای ۲۰۲۳
ذخیره پست 
