Раскрываем карты: почему НЕРА фильтру в воздухоочистителе не нужна эффективность 99,95%

Производители любят писать про высокую эффективность своих воздухоочистителей — 99,95% и выше. Пользователей впечатляют эти цифры, и большой ценник на такие приборы кажется оправданным. Так ли это? Физика говорит, что для очистителя-рециркулятора вполне достаточно эффективности 95%. Стоит такой очиститель меньше, при этом его реальная эффективность такая же. А все эти девятки после запятой — не более чем маркетинговый ход.

Сразу обозначим важный момент. НЕРА фильтры стоят в пылесосах, приточных вентиляциях, даже кондиционерах. Но эта статья об очистителях воздуха. Они работают в режиме рециркуляции: гоняют один и тот же комнатный воздух. Ниже речь именно об очистителях-рециркуляторах.

Почему именно НЕРА фильтр?

Частицы условно делятся на крупные (больше 10 мкм), мелкие (от 1 до 10 мкм) и мельчайшие (меньше 1 мкм). Опаснее всех мелкие и мельчайшие частицы размером до 2,5 мкм, так называемые PM2.5. Это доказано и научными, и статистическими исследованиями. Они легли в основу рекомендаций Всемирной организации здравоохранения, согласно которым частицы РМ2.5 входят в список наиболее опасных загрязнителей воздуха.

Грубый фильтр задерживает только крупные частицы, с эффективностью 65-90%. Но для PM2.5 его эффективность будет практически нулевая. Задержать эти частицы может только НЕРА фильтр. Мы уже писали почему.

В том, что НЕРА фильтр — обязательный элемент современного воздухоочистителя, сомнений нет. Вопрос в том, какая у него должна быть эффективность.

Три эффективности

Есть у производителей воздухоочистителей маркетинговая уловка: перемешивать понятия эффективности фильтра, однопроходной эффективности прибора и эффективности очистки воздуха. На самом деле это разные вещи, и важно понимать различия между ними.

Эффективность фильтра

Вынем НЕРА фильтр из очистителя и поместим его в специальный аэрозольный стенд. Так выглядит наш стенд АС-1:

В стенд подается аэрозоль, имитирующий воздушные загрязнители. НЕРА фильтр фиксируется в стенде герметично. Поэтому у воздушного потока с частицами только один путь — через фильтр. Счетчиком частиц измеряем концентрацию на входе в фильтр и на выходе из него. Соотносим величины и получаем коэффициент эффективности НЕРА фильтра:

Е_фильтр = N_{вход фильтр} — N_{выход фильтр} / N_{вход фильтр}

Умножаем коэффициент на 100% и получаем эффективность фильтра. Для разных классов НЕРА фильтров эффективность отличается:

H10 — 85%
H11 — 95%
H12 — 99,5%
H13 — 99,95%
H14 — 99,995%

Однопроходная эффективность очистителя

Проведем тот же эксперимент, только теперь поместим в аэрозольный стенд не фильтр, а весь воздухоочиститель. Так же соотносим концентрации частиц на входе в прибор и на выходе из него. Получаем однопроходную эффективность очистителя:

Е = N_вход — N_выход / N_вход

Если бы фильтр крепился в приборе абсолютно герметично и в самом приборе не было щелей, то однопроходная эффективность очистителя и эффективность фильтра были бы равны. Но обычно такого не бывает.

В очистителях воздушные фильтры сменные. Для них есть специальные слоты, фильтры вставляется и вынимаются вручную. Если не обеспечить грамотное уплотнение в местах крепления, воздух пойдет через щели в обход фильтра. Сам корпус, часто составной из пластиковых деталей, тоже может содержать щели. Естественно, всё это влияет на однопроходную эффективность очистителя. Чем выше целевая эффективность, тем сложнее обеспечить нужную герметичность.

Показательный пример из нашего опыта работы с медицинскими ламинарными полями. Если в корпусе ламинарной ячейки с целевой эффективностью Н14 (99,995%) есть хотя бы одна дырочка размером с игольчатое ушко, то ее однопроходная эффективность упадет на порядок: 99,995% —> 99,95%. То есть проскок частиц увеличится в 10 раз 0,005% —> 0,05%.

В бытовых решениях очень сложно обеспечить такую прецизионную герметичность. По крайней мере, нам еще не попадался домашний очиститель воздуха с реальной однопроходной эффективностью Н13 или Н14. Хотя фильтры такого класса производители регулярно анонсируют в своих приборах.

Производители в характеристиках очистителя «выпячивают» большую эффективность НЕРА фильтра. В то время как однопроходная эффективность всего прибора почти всегда ниже. Мы тестировали приборы с НЕРА фильтром Н14, у которых на самом деле была однопроходная эффективность 50%.

Эффективность очистки воздуха

Между экспериментами на аэрозольном стенде и работой прибора в реальных условиях огромная разница. Самое главное для нас — чистота воздуха не на выходе из очистителя, а в комнате в целом. Выходящий из прибора чистый воздух тут же перемешивается с грязным воздухом комнаты, не вытесняя, а «разбавляя» его.

В настоящей комнате, кроме очистителя, есть и другие факторы, влияющие на концентрацию частиц в воздухе. Она уменьшается из-за естественного осаждения частиц и увеличивается из-за источников (люди, домашние животные, открытое окно, книги, ковры, мебель и т.д.). К тому же, в комнате воздух проходит через очиститель не один раз, а несколько. И с каждым прогоном на фильтре оседает все больше частиц, а воздух становится все чище. И чем больше воздуха за один раз прогоняется через фильтр, тем выше эффективность очистки. Поэтому на реальную эффективность очистки воздуха влияет не только класс фильтра, но и производительность прибора.

Производительность очистителя — объем воздуха, который прибор прокачивает через себя за единицу времени. Обозначается буквой Q. У нас измеряется в м3/ч, на западе в фут3/мин.
1 фут3/мин ≈ 1,7 м3/час

Представим, что у воздухоочистителя однопроходная эффективность 100%. Но вентилятор к нем настолько слабый, что производительность прибора близка к нулю. Такой очиститель не гоняет воздух через фильтр, а значит, и не чистит его. В обратной ситуации итог тот же: супермощный вентилятор + нулевая однопроходная эффективность = нулевая эффективность очистки.

Выходит, эффективность очистки воздуха зависит одновременно и от однопроходной эффективности прибора, и от производительности вентилятора. Чтобы оценить реальную эффективность очистки воздуха, надо искать разумное сочетание этих двух параметров. Это сочетание называется CADR (Clean Air Delivery Rate).

Что такое CADR

В начале 1980-х американская ассоциация AHAM (Association of Home Appliance Manufacturers) ввела CADR — показатель для измерения реальной эффективности комнатных очистителей воздуха. Эффективность очистки воздуха определяет именно CADR, а не девятки после запятой и не маркетинговые уловки от производителей типа «нано-био-ультра-фильтров».

«Clean air delivery rate» переводится как «скорость подачи чистого воздуха». Смысл показателя простой. Если очиститель подает 100 м3/ч, а его однопроходная эффективность равна 50%, то скорость подачи чистого воздуха составляет 50 м3/ч. Чем больше CADR, тем быстрее прибор чистит комнатный воздух и быстрее обновляет его. Соответственно, быстрее снижает концентрацию частиц в воздухе.

В математическом выражении CADR — это произведение однопроходной эффективности очистителя и его производительности:

CADR = E * Q

Три важных факта о CADR

Факт №1: CADR сильнее зависит от производительности очистителя, чем от количества девяток после запятой в эффективности фильтра

Допустим, у нас есть очиститель с производительностью 100 м3/ч. Вставим в него НЕРА фильтр Н11 (Е = 0,95). Получаем CADR = 95. Увеличим производительность в 2 раза. Теперь и CADR вдвое больше = 190.

Теперь заменим фильтр на Н13 (Е = 0,9995). Для производительности 100 м3/ч CADR = 99,95. Эффективность фильтра выросла на 2 порядка, а CADR практически не поменялся.

Факт №2: CADR не может быть больше производительности

Эффективность прибора не может быть больше 100%. В классификации фильтров самый эффективный — ULPA фильтр U18 с эффективностью 99,9999995%. Поэтому в лучшем случае CADR = 0,999999995 * Q.

Факт №3: CADR зависит от типа загрязнителя

CADR зависит от однопроходной эффективности очистителя. А она зависит от эффективности фильтров. А эффективность фильтра зависит от типа загрязнителя. В прошлой статье про НЕРА мы говорили, что этот фильтр по-разному задерживает мелкие и крупные частицы. Для частиц РМ2.5 будет одна эффективность, для частиц РМ10 — другая, а для летучих органических соединений — и вовсе нулевая (НЕРА задерживает только частицы, но не молекулы газов).

А вот угольный фильтр чистит газы, но плохо задерживает частицы. Поэтому очиститель с определенным комплектом фильтров будет иметь разный CADR по разным типам загрязнителей. Ассоциация AHAM проводит независимые исследования домашних очистителей и по их итогам выдает вот такие стикеры с CADR по разным загрязнителям:

Для простоты и наглядности мы остановимся на одном типе загрязнителей — РМ2,5. Дальше по тексту будем говорить о CADR по этим частицам.

Как CADR влияет на реальную эффективность очистки

Представьте изолированную комнату с идеальными условиями. Воздухообмен равномерный, то есть в любой части комнаты концентрация частиц PM2.5 одинаковая. Они не оседают на стены и пол, и источников частиц нет. В комнате установлен очиститель-рециркулятор. Притока нет, прибор очищает только тот воздух, который уже есть в комнате. Это единственный фактор, который изменяет концентрацию частиц в нашей идеальной комнате. В физике такая комната называется «реактором идеального перемешивания».

Если прибор выключен, концентрация частиц в комнатном воздухе будет постоянной. Если очиститель включен, концентрация падает. И чем дольше прибор работает, тем меньше частиц останется в воздухе. Концентрация частиц со временем убывает экспоненциально:

Экспонента описывается формулой:

N_t = N₀ * exp (- E * Q * t / V)

N_t — концентрация частиц в момент времени t
N₀ — начальная концентрация частиц
E — однопроходная эффективность очистителя
Q — производительность очистителя
V — объем комнаты
t — время работы очистителя

Но произведение E*Q это и есть CADR:

N_t = N₀ * exp (- CADR * t / V)

Показатель экспоненты — отношение CADR к объему помещения V. Значит, именно он определяет характерное время очистки помещения:

t ≈ V / CADR

Чтобы понять связь между CADR и реальной эффективностью прибора, зададим параметры:

Начальная концентрация частиц N₀ = 100 ед/м3
Объем комнаты V = 100 м3
Время работы очистителя t = 1 ч

Эти параметры остаются неизменными, в формуле меняем только CADR и смотрим, сколько частиц останется в комнате через час.

CADR = 100
N = 100 * exp (-1) ≈ 36,8 ед/м3
Эффективность очистки воздуха за 1 час ≈ 63,2%

Обратите внимание на нетривиальный факт. Допустим, в нашей комнате объемом 100 м3 стоит очиститель с производительностью 100 м3/ч. То есть он обеспечивает однократный воздухообмен. Получается, за 1 час воздух в комнате полностью обновится? Нет. Мы только что показали, что даже с эффективностью очистителя 100% (CADR = Q) при однократном воздухообмене эффективность очистки комнаты будет 63,2%. То есть концентрация снизится примерно в 3 раза, но никак не в десять и не в сто раз!
CADR = 150
N = 100 * exp (-1,5) ≈ 22,3 ед/м3
Эффективность очистки воздуха за 1 час ≈ 77,7%
CADR = 300
N = 100 * exp (-3) ≈ 5 ед/м3
Эффективность очистки воздуха за 1 час ≈ 95%

От 95% и выше — это уже хорошая эффективность очистки. Ее мы получили при трехкратном воздухообмене (CADR = 300 м3/ч, V = 100 м3). Так что вот простой совет: чтобы определить минимальный CADR для своей комнаты, умножьте её объем на три.
CADR = 600
N = 100 * exp (-6) ≈ 0,25 ед/м3
Эффективность очистки воздуха за 1 час ≈ 99,75%

Как измерить CADR очистителя

Можно измерить CADR напрямую. Однопроходную эффективность прибора измеряем на аэрозольном стенде и умножаем ее на производительность прибора. Это самый точный способ измерения CADR. Но аэрозольные стенды в России можно пересчитать по пальцам, поэтому посчитать CADR напрямую будет сложно.

Ассоциация AHAM предложила упрощенную методику. В ней CADR измеряется не напрямую, а через измерение непосредственно эффективности очистки воздуха. При этом можно не надо знать ни однопроходную эффективность прибора, ни производительность.

Измерим CADR очистителя по РМ2.5 по упрощенной методике.

В изолированную комнату ставим очиститель, но пока не включаем. Инжектируем в комнатный воздух какое-то количество аэрозоля из РМ2.5. Замеряем концентрацию частиц в разные моменты времени: через минуту, 10 минут, полчаса, 45 минут, час, два и так далее

Проветриваем комнату и снова напускаем то же количество РМ2.5. Включаем очиститель. Измеряем концентрацию частиц в воздухе с теми же временными интервалами.

Получаем две серии замеров: без очистителя и с очистителем. Полученные данные аппроксимируются экспонентой.
Первая экспонента показывает естественное осаждение частиц на стены и пол. Вторая — естественное осаждение и осаждение частиц в очистителе.

Вычитаем одно из другого и получаем итоговую экспоненту осаждения частиц в очистителе. Находим показатель экспоненты: (- CADR / V). Объем помещения мы знаем, посчитать CADR легко.

Такой способ измерения менее точный, чем на аэрозольном стенде. Зато он намного проще. Погрешность можно снизить, если провести большую серию измерений.

Какой CADR у очистителя Tion Clever

В США и Китае производителей обязывают указывать CADR очистителей воздуха. В России этого пока еще нет. Мы измерили CADR своего очистителя по собственной инициативе.

Эффективность Tion Clever мы проверили на аэрозольном стенде АС-1. Для мелкодисперсного аэрозоля с частицами PM2.5 однопроходная эффективность прибора больше 95%. Производительность прибора 150 м3/ч. Получаем CADR = 142,5.

Tion Clever разрабатывался для обеззараживания воздуха в медицинских палатах и кабинетах. Его CADR соответствует медицинским требованиям по обеспечению стерильности воздуха в лечебно-профилактических учреждениях. Один Tion Clever обеспечит трехкратный воздухообмен в помещениях объемом около 50 м3, то есть площадью около 20 м2. Для помещений большей площади устанавливается несколько приборов.

На фото два Tion Clever в операционном блоке одной из московских больниц: один на стене, другой на мобильной подставке.

Предлагаем вам элементарную задачку.

Один Tion Clever стоит в комнате площадью 20 м2 и высотой потолка около 2,5 м. Для простоты допустим, что в помещении нет источников частиц. За какое время Tion Clever снизит концентрацию частиц PM2.5 в 100 раз? То есть очистит воздух в комнате на 99%.

Посмотреть решение

Считаем объем комнаты:
V = 20 м2 * 2,5 м = 50 м3

Начальная концентрация частиц PM2.5 в воздухе равна N₀. Через время t она должна снизится в 100 раз:
N_t = 0,01 * N₀

Концентрация в воздухе меняется по закону:
N_t = N₀ * exp (- CADR * t / V)

Подставляем известные величины и считаем время, через которое воздух очистится на 99%:
0,01 * N₀ = N₀ * exp (- 142,5 * t / 50)
0,01 = exp (-2,85 * t)
ln (0,01) = -2,85 * t
-4,6 = -2,85 * t
t = 1.6

Ответ: примерно через полтора часа Tion Clever очистит воздух в комнате на 99%.

Заключение: советы по выбору очистителя воздуха

Самое главное — выбирайте очиститель с НЕРА фильтром. Дальше выбор зависит от того, указан ли CADR на самом приборе.

Если на приборе указан CADR

Посчитайте объем комнаты, в которую планируете поставить очиститель воздуха. Умножьте его на 3. CADR очистителя должен быть не меньше полученного значения.

Если на приборе не указан CADR

Попробуйте оценить CADR самостоятельно. Добросовестный производитель указывает в характеристиках очистителя и однопроходную эффективность, и производительность. Просто перемножьте их значения — и получите CADR. Если в описании прибора нет хотя бы одного из этих параметров, стоит задуматься: стоит ли вообще доверять такому производителю?
Чаще всего в характеристиках указана эффективность фильтра, а не однопроходная эффективность всего очистителя. Оцените качество сборки прибора. У фильтра должен быть достаточно жесткий корпус с уплотнителем по периметру. Сам фильтр должен плотно сидеть в корпусе. Остальные детали тоже должны плотно прилегать друг к другу, на стыках разъемных частей должен присутствовать уплотнитель. Если прибор собран без видимых щелей, значит, есть шанс, что однопроходная эффективность всего прибора близка к заявленной эффективности фильтров.

В характеристиках, как правило, указывается максимальная производительность очистителя в турбо-режиме. Очиститель в этом режиме обычно сильно шумит, поэтому пользователь редко его включает. Придите в магазин и своими ушами послушайте прибор на всех скоростях. Выберите подходящую скорость с комфортным уровнем шума — она и будет соответствовать производительности для расчета CADR.

И еще раз: не гонитесь за девятками после запятой в эффективности.

Изначально НЕРА фильтры разрабатывались не для рециркуляторов, а для однопроходной очистки воздуха в вентиляции. Они используются в чистых помещениях в медицине, фармацевтической и электронной промышленности. В этих областях риски представляют даже единичные пылинки или микробы в воздухе. Подача воздуха там устроена так, что стерильный воздух не смешивается с грязным, а вытесняет его. Поэтому однопроходная эффективность должна быть максимально большой, чтобы с улицы не попала ни одна частичка. Вот где нужны девятки после запятой. А каждая «честная» девятка напрямую влияет на стоимость фильтра и всего прибора в целом.

Очистители воздуха (рециркуляторы) — совсем другое дело. Они забирают воздух не с улицы, а из помещения, очищают и разбавляют грязный воздух чистым. Для них важна не эффективность фильтра или прибора сама по себе, важен именно CADR. И по факту, НЕРА фильтры с эффективностью 95% и 99,95% (при одинаковой производительности очистителя) показывают почти одинаковое время очистки помещения. А раз так, зачем платить больше?

Спасибо за внимание!

Если тема вызовет интерес, расскажем про технологию активной НЕРА фильтрации в очистителе Tion Clever.

ссылка на оригинал статьи https://geektimes.ru/post/274681/