Towards Lower Variance In Filtration Efficiency Of Fine And Ultra-Fine Particles In Residential Ventilation Units

Im Jahr 2012 starben 99.000 Europäer an den Folgen der Schadstoffe in Innenräumen [1]. Die Stoffe mit dem höchsten Schadenspotential in Innenräumen sind: Passivrauch, Radon, Feinstaub (PM2.5), Formaldehyd und Acrolein [2]. Von den genannten Schadstoffen verursacht Feinstaub (PM2.5) den größten Schaden. Ultrafeinstaub (Partikel < 0,1 mm) hat im Verhältnis zu seiner Masse eine sehr große Oberfläche und kann dadurch sehr gut toxische Schadstoffe (z.B. aus (Verbrennungsprozessen) transportieren [3]. Partikel mit einer Größe kleiner als 0,1 mm können die körpereigenen Schutzmechanismen überwinden und bis in die Blutbahn vordringen. So können sich die Partikel im ganzen Körper verteilen und ablagern [4], das Schadenspotential ist deshalb besonders hoch. Der Großteil des Feinstaubs gelangt von außen, durch Infiltration und Lüftung, ins Gebäude [5]. Mit einer möglichst luftdichten Gebäudehülle und einer balancierten Zu- und Abluftanlage mit Feinstaubfilter kann die Feinstaubmenge von außen reduziert werden.

Die Leistungsfähigkeit von Filtern wird mit dem Abscheidewirkungsgrad beschrieben. Der Abscheidewirkungsgrad entspricht dem Prozentsatz an Partikel die der Filter aus der Luft entfernt. Der Abscheidewirkungsgrad von Luftfiltern ist abhängig von der Partikelgröße und der Anströmgeschwindigkeit [6]. Der Abscheidewirkungsgrad nimmt ab einer Partikelgröße von 0,3 mm mit wachsender Geschwindigkeit zu. Bei kleineren Partikeln verringerte sich der Abscheidewirkungsgrad mit zunehmender Anströmgeschwindigkeit.

Die Anströmbedingungen von Luftfiltern in (Wohnraum-) Lüftungsgeräten sind aufgrund des geringen Platzes oftmals ungünstig. Es entsteht dann ein inhomogenes Strömungsfeld, der Filter wird dann nicht gleichmäßig von der Luft durchström. Es gibt dann Stellen die mit höherer Geschwindigkeit durchströmt werden (als bei einer optimalen Anströmung). An diesen Stellen werden kleine Partikel (mit höherem gesundheitlichem Schadenspotential) schlechter abgeschieden. Im Dissertationsprojekt wird untersucht, welchen Einfluss unterschiedliche Lüftungsgerätegeometrien auf den Abscheidewirkungsgrad von eingebauten Luftfilter haben. Als Ergebnis wird ein Werkzeug entwickelt mit dem der Einfluss der Lüftungsgerätegeometire auf den Abscheidewirkungsgrad ermittelt werden kann.

[1] Kirk R. Smith, Nigel Bruce, Kalpana Balakrishnan, Heather Adair-Rohani, John Balmes, Zoë Chafe, Mukesh Dherani, H. Dean Hosgood, Sumi Mehta, Daniel Pope, and Eva Rehfuess. Millions dead: how do we know and what does it mean? methods used in the comparative risk assessment of household air pollution. Annual review of public health, 35:185–206, 2014. doi: 10.1146/annurev-publhealth-032013-182356  .

[2] Jennifer M. Logue, Phillip N. Price, Max H. Sherman, and Brett C. Singer. A method to estimate the chronic health impact of air pollutants in U.S. residences. Environmental health perspectives, 120(2):216–222, 2012. ISSN 0091-6765. doi:10.1289/ehp.1104035  .

[3] Ralph J. Delfino, Constantinos Sioutas, and Shaista Malik. Potential role of ultrafine particles in associations between airborne particle mass and cardiovascular health. Environmental health perspectives, 113(8):934–946, 2005. ISSN 0091-6765. doi:10.1289/ehp.7938  .

[4] Fachbereich Umwelt, Naturschutz, Reaktorsicherheit, Bildung und Forschung. Ultrafeinstaub: Ursachen, gesundheitliche Wirkung und Forschungsbedarf, 19.09.2018. URL https://www.bundestag.de/resource/blob/577840/1c69d2400af2853cf56a77d84e119765/WD-8-094-18-pdf-data.pdf.

[5] Chun Chen and Bin Zhao. Review of relationship between indoor and outdoor particles: I/O ratio, infiltration factor and penetration factor. Atmospheric Environment, 45(2):275–288, 2011. ISSN 13522310. doi: 10.1016/j.atmosenv.2010.09.048  .

[6] J. T. Hanley, D. S. Ensor, D. D. Smith, and L. E. Sparks. Fractional aerosol filtration efficiency of in-duct ventilation air cleaners. Indoor air, 4(3):169–178, 1994. ISSN0905-6947. doi: 10.1111/j.1600-0668.1994.t01-1-00005.x  .