ILMANKÄSITTELYLAITTEIDEN KALVOTEKNIIKKA

21/09/2022

Ainutlaatuisen teknologiansa ansiosta eFRM-kalvolla varustettu HEPA-suodatin on ollut useiden vuosien ajan monien biotekniikan ja mikroelektroniikkateollisuuden loppukäyttäjien valitsema suodatin. Em. segmenteille on tärkeää suodattimen alhaisen painehäviön lisäksi riskien minimointi. Tämä onnistuu suodattimen erittäin hyvän mekaanisen vakauden ja laajan kemiallisten aineiden kestävyyden avulla.

Erittäin alhaisen painehäviönsä ansiosta eFRM-suodatinmateriaali soveltuu erinomaisesti suurivirtauksisiin HEPA-suodattimiin, joita käytetään esimerkiksi puhdastilojen ilmanvaihtojärjestelmissä. Em. sovelluksen tutkimiseksi tehtiin testi todellisissa ulkoilmaolosuhteissa. eFRM HEPA-suodattimille tehtiin "1000 päivän" pitkäaikaistesti, jossa ne sijoitettiin rinnakkain perinteisten lasikuitu-HEPA-suodattimien kanssa kaksiportaiseen suodatinjärjestelmään AAF:n testikonttiin. Testikontin kuvauksen jälkeen tässä artikkelissa kerrotaan, miten suodattimet toimivat sekä lyhyellä että pitkällä aikavälillä.

Lyhyellä aikavälillä suhteellisen ilmankosteuden ja HEPA-suodattimien painehäviön välillä voidaan havaita mielenkiintoisia korrelaatioita. Pitkällä aikavälillä eFRM HEPA-suodattimien alhaisen painehäviön etu säilyy myös silloin, kun käytetään 100-prosenttisesti ulkoilmaa. Lisäksi asiakirjassa käsitellään taloudellisia vaikutuksia, jotka johtuvat eFRM HEPA-suodattimien alhaisesta painehäviöstä verrattuna lasikuitu-HEPA-suodattimiin.

Tällä hetkellä, kun sähkön hinta nousee eri tavoin eri maissa, keskustelu käyttökustannuksista ja kokonaiskustannuksista on erityisen tarpeellista. Vuoden 2021 lopun energiakustannuksia, joihin tämä asiakirja perustuu, on nyt korjattava kuukausittain ylöspäin. Tästä syystä eFRM HEPA-suodattimien käytön nykyiset kustannushyödyt ovat todennäköisesti esitettyjä arvoja suuremmat.

Myös eri suodattimien käytön aikainen hiilijalanjälki on keskustelunaiheena. Vaikka hiilijalanjälki (johtuen kansallisesti erilaisista energialähteiden yhdistelmistä) on hyvin erilainen eri maissa, eFRM HEPA-suodattimet tarjoavat merkittävän edun verrattuna perinteisiin lasikuitu-HEPA-suodattimiin. Näin ollen eFRM-kalvo-HEPA-suodattimet ovat paitsi taloudellinen myös ekologisesti järkevä tekninen ratkaisu hiukkassuodatukseen puhdastiloissa.

Testikontti

AAF:n 40 jalan testikonttiin on asennettu neljä samansuuntaista kaksiportaista suodatinjärjestelmää. Jokaisessa suodatusjärjestelmässä on ensimmäisessä portaassa VariCel EcoPak ePM1 55 % lasikuituinen laajapintasuodatin esisuodattimena. Toisessa portaassa kahteen järjestelmään on asennettu perinteiset H14-luokan lasikuitu-HEPA-suodattimet AstroCel I HC ja kahteen järjestelmään H14 eFRM-kalvo-HEPA-suodattimet MEGAcel I. Suodatinyhdistelmä on siis ePM1 55 % -suodatin, jota seuraa suoraan H14 HEPA-suodatin. Ilmavirtaa seurattiin virtaussäätimen avulla. Virtaussäädinten ja suodatusportaiden painehäviöitä valvottiin etänä AAF Sensor360^® -järjestelmällä. Kontin ilmanottoaukossa oli myös PM2,5-hiukkasanturi, joka oli liitetty Sensor360^®-järjestelmään. Ilmanottoaukkoon asennettiin lisäksi ilman lämpötilaa ja kosteutta mittaava dataloggeri. Kuvassa 3 on testikontti Dinairin tehtaalla Olainessa (Latvia). Vasemmalla olevat putket ovat kontin sisällä olevien neljän suodatinjärjestelmän ilman ulostuloaukot.

Testien suorittaminen

Testin ensimmäisessä osassa konttia käytettiin ympäri vuorokauden AAF:n tehtaalla Emmenissä (Alankomaat) 83 vuorokauden ajan. Perushuollon jälkeen kontti kuljetettiin Dinairin tehtaalle Olaineen (Latvia) ja sitä käytettiin siellä ympäri vuorokauden 828 vuorokauden ajan. Käytetty ilmavirta oli 3150 m³/h. Virtausta säädettiin tarvittaessa manuaalisesti. Esisuodattimia käytettiin maksimi kuormitusrajaan asti, yhdessä tapauksessa jopa sen yli, niin että suodatinpakka rikkoutui. Tällöin painehäviö oli yli 550 Pa. Esisuodattimet vaihdettiin noin kolmen kuukauden välein. Lisäämällä esisuodattimen eteen toinen esisuodatin, jonka luokka on ePM2.5 tai ePM10, voidaan varmasti pidentää VariCel EcoPak ePM1 55 % -esisuodattimen käyttöikää.

Testiolosuhteet

Lämpötila ja suhteellinen kosteus

Testikontti altistui suurille kausittaisille lämpötilan ja tuloilman suhteellisen kosteuden vaihteluille. Talvella saavutettiin säännöllisesti -10 °C:n ja satunnaisesti jopa -20 °C:n lämpötila. Tämä johti muutaman kerran esisuodattimien jäätymiseen (kuva 4). Kesällä huippulämpötilat olivat jopa 35 °C. Suhteellinen kosteus oli talvella luonnollisesti alhainen, alle 10 %, mutta kesällä se oli jopa 100 %. Suhteellinen kosteus korreloi yleensä vuorokauden aikana vastavuoroisesti lämpötilan kanssa, eli kosteus laskee ilman lämmetessä päivällä ja nousee lämpötilan laskiessa yöllä.

Hiukkaspitoisuus

Mitatuissa PM2,5 -hiukkaspitoisuuksissa on myös suuria kausivaihteluita (kuva 1). PM2,5 -hiukkasten keskiarvo oli 37µg/m³. Lähellä sijaitsevan Latvian pääkaupungin, Riian, PM2,5 -hiukkasten keskiarvo oli 12µg/m3 vuosina 2018-2020 Euroopan ympäristökeskuksen mukaan. Molemmat keskiarvot ovat kategoriassa >7,5µg/m3 ja kuuluvat siten ulkoilmaluokkaan ODA 3 (ulkoilma, jossa on erittäin korkeita hiukkaspitoisuuksia) Euroventin ohjeen 4/23-2020 mukaan, jossa otetaan huomioon Maailman terveysjärjestön viimeisimmät suositukset (WHO:n ilmanlaadun maailmanlaajuiset ohjeet 2021). Mitatut PM2.5 huippuarvot ovat välillä 200-370µg/m³. Ei voida sulkea pois sitä mahdollisuutta, että korkean suhteellisen ilmankosteuden aiheuttama tiivistyminen on vaikuttanut huippuarvoihin.

Testitulos

Ilman lämpötila ja suhteellinen kosteus

Painehäviötä tarkasteltaessa on tarpeen erottaa lyhyen aikavälin vaikutukset pitkän aikavälin kehityksestä. Lyhytaikaisia painehäviön vaihteluita havaittiin usein päivän aikana (kuva 2).

Merkittävä huomio on perinteisten lasikuituisten AstroCel I HEPA-suodattimien ja MEGAcel I eFRM-HEPA-suodattimien painehäviöeron suuruus. Lasikuitusuodattimien painehäviö on 400-450 Pa:n tasolla, kun taas MEGAcel I eFRM -HEPA:n painehäviö on huomattavasti pienempi, 180-320 Pa. Suhteellisen kosteuden nousun ja painehäviön kasvun välillä havaittiin suora korrelaatio. Tämä painehäviön kasvu havaittiin sekä lasikuitusuodattimilla että eFRM MEGAcel I -suodattimilla. Se on palautuva molemmissa tapauksissa, mutta on hieman suurempi eFRM-kalvosuodattimien tapauksessa. Syynä tähän voivat olla suodatinmateriaalissa tapahtuvat kondensaatiovaikutukset, mutta niitä tutkitaan edelleen. Pitkäaikainen painehäviön kehitys on erotettava tästä.

Kuvassa 3 esitetään perinteisen lasikuitu-HEPA-suodattimen painehäviön pitkän aikavälin kehitys verrattuna MEGAcel I eFRM-kalvo-HEPA-suodattimeen. MEGAcel I eFRM -kalvo-HEPA-suodattimen alkuperäinen painehäviö on 180 Pa:lla pienempi kuin puolet perinteisestä lasikuitu-HEPA-suodattimesta, joka on välillä 380 Pa. Molemmissa suodattimissa painehäviö vaihtelee ajoittain, ja MEGAcel I eFRM -kalvosuodattimen painehäviö on jonkin verran suurempi kuin perinteisen lasikuitu-HEPA-suodattimen. Selkeyden vuoksi edellä olevassa kaaviossa esitetyt arvot on keskiarvoistettu muutaman päivän ajalta. Kuorman kasvaessa molempien suodattimien painehäviö kasvaa, mutta MEGAcel I eFRM -kalvo-HEPA-suodattimen arvot pysyvät aina huomattavasti alhaisempina kuin perinteisen lasikuitu-HEPA-suodattimen arvot. Testin loppupuolella painehäviöero on edelleen noin 150 Pa.

MEGAcel I eFRM -kalvo-HEPA-suodattimien edut

Kokonaiskustannukset (TCO)

Suodatinjärjestelmän kustannusoptimoitu toiminta edellyttää, että kokonaiskustannukset (Total Cost of Ownership, TCO) on minimoitava. TCO koostuu pääasiassa suodattimien investointikustannuksista CF sekä puhaltimen CE energiakustannuksesta, joka aiheutuu suodattimien painehäviön voittamisesta.

Energiakustannukset

Suodattimen toiminnasta aiheutuvat energiakustannukset ovat suoraan verrannollisia suodattimen painehäviöön:

Koska suodatinlaitteiston perusarvot, kuten tilavuusvirta, toiminta-aika, puhaltimen hyötysuhde ja sähkön hinta, on yleensä annettu, energiakustannuksia voidaan alentaa vain valitsemalla suodatin, jonka painehäviö on mahdollisimman pieni. Kuvassa 4 esitetään sähkökustannusten kehitys eräissä Euroopan maissa. Ne vaihtelevat huomattavasti maittain. COVID-pandemian yhteydessä sähkön kustannukset nousivat jyrkästi koko Euroopassa vuonna 2021. Vaikka vuoden 2022 alussa tapahtui pientä elpymistä, merkittävää elpymistä ei ole odotettavissa Venäjän Ukrainan sodan yhteydessä. Päinvastoin, sähkökustannusten odotetaan pysyvän korkeina tai jopa nousevan.

Kesäkuussa 2022 sähkökustannukset olivat vuoden 2020 tammikuuhun verrattuna Ruotsissa +376%, Saksassa +524% ja Ranskassa jopa +555%. On huomattava, että kuvassa 4 esitetään vain tukkuhintoja. Kulutetusta määrästä riippuen hinnat voivat olla huomattavasti korkeammat kaupallisille tai teollisuuden asiakkaille. Lisäksi on otettava huomioon sähkönsiirto- ja muut maksut. Näitä ei ole otettu huomioon kuvassa 4. Suodatin, jolla on mahdollisimman pieni painehäviö, on näin ollen keskeisessä roolissa, kun halutaan kustannusoptimoida ilmanvaihdon järjestelmää.

CO2-päästöt ja hiilijalanjälki

Jokaiseen sähköntuotantoon liittyy tiettyjä CO2-päästöjä. Tätä kutsutaan yleisesti hiilijalanjäljeksi. CO2-päästöjen määrä ja siten hiilijalanjälki riippuu sähkönkuluttajan energialähteiden yhdistelmästä. Fossiilisista energialähteistä (hiili, kaasu, öljy) syntyy luonnollisesti enemmän CO2-päästöjä kuin uusiutuvista energialähteistä (tuuli, aurinko, vesi). Samasta sähkönkulutuksesta johtuvat CO2-päästöt vaihtelevat näin ollen suuresti maittain. Taulukossa 1 esitetään sähköntuotannon CO2-päästöjen taso eri maissa. Luonnollisesti maissa, joissa käytetään paljon uusiutuvia energialähteitä tai ydinenergiaa, kuten Ruotsissa, Sveitsissä tai Ranskassa, sähköntuotannon CO2-päästöt ovat suhteellisen alhaiset.

2020	Sweden	Switzerland	France	Finland	Spain	Italy	Germany
CO2 emissions (g/kWh)	9	12	51	69	156	213	311

Taulukko 1: Sähköntuotannon CO2-päästöt eri maissa [2].

Esimerkki

Tarkastellaanpa energiakustannuksia, TCO ja hiilijalanjälkeä todellisessa tapauksessa olettaen, että olosuhteet ovat samat kuin säiliötestissä. Näin ollen oletamme seuraavaa:

Yllä kuvatun energiamarkkinoiden epävakauden vuoksi käytämme sähkön tukkuhintoja kesäkuulta 2022 ja jätämme pois sähkönsiirto- ja muut maksut.

Electricity prices	Finland	Sweden	Spain	Germany	France	Switzerland	Italy
June 2022 (€/kWh)	0,1403	0,1148	0,1694	0,2182	0,2487	0,2552	0,716
Increase vs. Jan 2022	+417%	+376%	+312%	+524%	+555%	+500%	+472%

Taulukko 2: Sähkön tukkuhinnat kesäkuu 2022 (ilman sähkönsiirto- ja muita maksuja) ja nousu verrattuna tammikuuhun 2022 tietyissä maissa [1].

Kuvassa 5 verrataan lasikuitu-HEPA-suodattimen ja eFRM-kalvo-HEPA-suodattimen käyttökustannuksia eri maissa edellä mainituissa olosuhteissa laskettuna kaavan (2) avulla.

Eri maiden erilaiset sähkökustannukset johtavat siihen, että suodattimen käyttökustannukset vaihtelevat huomattavasti. Esimerkissämme Italian kustannukset ovat noin 2,37-kertaiset Ruotsin kustannuksiin verrattuna. Tästä riippumatta eFRM-kalvo-HEPA-suodattimia käytettäessä kussakin maassa saavutetaan noin 50 prosentin kustannussäästö. Laskettaessa kokonaiskustannuksia kaavan (1) mukaisesti suodattimien investointikustannukset lisätään energiakustannuksiin. Olettakaamme seuraavat investointikustannukset,

Kuvassa 6 esitetään TCO:n kehitys ajallisesti eri maissa.

Koska lasikuitusuodattimien hankintakustannus on pienempi, TCO on alussa matalampi kuin eFRM-kalvosuodattimien kohdalla. Kuitenkin, johtuen eFRM-kalvosuodattimen merkittävästi matalammasta käytönaikaisesta energiakustannuksesta, tämä suhde muuttuu päinvastaiseksi ajan kuluessa (Kuva 6). Kohtaa, jossa näin tapahtuu, kutsutaan nollakohdaksi (break-even-point). Tämän jälkeen laadukkaampi eFRM-kalvosuodatin on taloudellisesti kannattavampi. Erilaiset energian hinnat eri maiden kohdalla tuskin vaikuttavat tilanteeseen. Takaisinmaksuaika on aina muutaman kuukauden sisällä (Kuva 7).

Kuvassa 8 esitetään tuloksena saadut kokonaiskustannukset oletetun 18 000 tunnin käyttöajan aikana.

Koska energiakustannukset vaihtelevat eri maissa, suodattimien kokonaiskustannukset vaihtelevat huomattavasti. Tästä riippumatta kaikissa maissa saavutetaan merkittäviä kustannussäästöjä, jotka vaihtelevat 35 prosentista yli 42 prosenttiin. Kuvassa 5 esitettyjen energiankulutusten perusteella voidaan laskea kuvassa 9 esitetyt CO2-vastaavuudet.