Как создать коробчатый HEPA-фильтр, который эффективно очищает воздух в помещении от дыма?

Почему коробчатый HEPA-фильтр является одним из наиболее эффективных решений для очистки воздуха своими руками

Дым лесных пожаров, табачный дым и дым от приготовления пищи вносят мелкие частицы — особенно частицы PM2,5 размером 2,5 микрометра или меньше — в воздух помещений в концентрациях, для устранения которых предназначены коммерческие очистители воздуха стоимостью в сотни долларов. Коробчатый HEPA-фильтр, иногда называемый коробкой Корси-Розенталя в честь инженеров, популяризировавших эту конструкцию, обеспечивает сопоставимую эффективность удаления частиц при использовании стандартных печных фильтров и коробчатого вентилятора, стоимость которых в совокупности составляет долю коммерческой единицы. Принцип прост: несколько фильтров с рейтингом HEPA или с высоким MERV расположены в кубической конфигурации вокруг коробчатого вентилятора, который втягивает воздух внутрь через все четыре поверхности фильтра одновременно, значительно увеличивая общую площадь поверхности фильтра по сравнению с конструкцией с одним фильтром и уменьшая сопротивление воздушному потоку, поэтому вентилятор может перемещать больше чистого воздуха в минуту.

Эффективность этого подхода была подтверждена независимыми исследователями, агентствами общественного здравоохранения и инженерными факультетами университетов. Во время задымления от лесных пожаров и пандемии COVID-19 специалисты по качеству воздуха в помещениях широко рекомендовали коробчатые HEPA-фильтры в качестве практичных и недорогих мер, которые действительно снижают концентрацию частиц в помещении до уровней, которые значительно снижают риски для здоровья. Понимание того, как его правильно построить, включая выбор фильтра, подбор вентилятора и технику герметизации, определяет, будет ли ваше устройство работать на своем потенциале или не будет работать из-за ошибок конструкции, которых можно избежать.

Понимание рейтингов HEPA и MERV перед покупкой

Настоящие фильтры HEPA улавливают 99,97% взвешенных в воздухе частиц диаметром 0,3 микрометра — наиболее проникающего размера частиц для волокнистых фильтрующих материалов. В контексте коробчатого фильтра, сделанного своими руками, обычно используются печные фильтры типа HEPA или с рейтингом HEPA, а не жесткие кассеты HEPA, поскольку стандартные печные фильтры плоские, гибкие и предназначены для легкой сборки в коробчатые конфигурации. Производительность печных фильтров оценивается по шкале MERV (минимальное отчетное значение эффективности), где более высокие цифры указывают на более тонкую фильтрацию.

Для удаления частиц дыма широко рекомендуемым минимальным стандартом являются фильтры MERV 13. Фильтры MERV 13 улавливают не менее 75 % частиц размером 0,3–1,0 микрометра и не менее 90 % частиц размером 1,0–3,0 микрометра — диапазона размеров, который охватывает основную часть твердых частиц дыма. Фильтры MERV 14 и MERV 16 обеспечивают все более лучшее улавливание мелких частиц, но создают большее сопротивление воздушному потоку, что уменьшает объем воздуха, который вентилятор может перемещать через фильтрующий узел. Для большинства ситуаций задымления MERV 13 представляет собой оптимальный баланс между эффективностью фильтрации и пропускной способностью воздушного потока в конфигурации коробчатого вентилятора.

Материалы, необходимые для изготовления коробчатого HEPA-фильтра

Материалы, необходимые для сборки стандартного блока HEPA с четырьмя фильтрами, недороги, широко доступны в хозяйственных магазинах и центрах благоустройства дома и не требуют никаких специальных инструментов или навыков для сборки. Сбор всего перед началом работы обеспечивает плавный процесс сборки.

• Четыре печных фильтра МЕРВ 13: Все четыре должны быть одинакового размера, чтобы сформировать поперечное сечение квадратной коробки. Наиболее распространенные размеры: 20×20×1 дюйм, 20×25×1 дюйм или 16×25×1 дюйм. Размер 20×20×1 дюйм является наиболее популярным для корпусных вентиляторов, поскольку он точно соответствует размерам лицевой поверхности стандартных 20-дюймовых коробчатых вентиляторов, что упрощает выравнивание и минимизирует зазоры.
• Один 20-дюймовый коробчатый вентилятор: Стандартный 20-дюймовый коробчатый вентилятор с производительностью 2000–2500 кубических футов в минуту на высокой скорости обеспечивает достаточный поток воздуха для очистки воздуха в помещении среднего и большого размера несколько раз в час в сочетании с четырьмя фильтрами MERV 13 размером 20×20 дюймов. Выберите вентилятор как минимум с тремя настройками скорости, чтобы вы могли сбалансировать шум и мощность фильтрации для разных уровней интенсивности дыма.
• Один фильтр или лист картона для верха: Пятый фильтр, помещенный сверху коробки, завершает пятигранный куб и добавляет дополнительную площадь поверхности фильтра. Некоторые строители используют плоский кусок картона, вырезанный по размеру, в качестве верхней панели, если бюджет ограничен, хотя пятый фильтр значительно повышает производительность и рекомендуется при высокой концентрации дыма.
• Широкая упаковочная лента или клейкая лента: Используется для герметизации всех соединений между фильтрами, а также между узлом фильтра и рамой вентилятора. Тщательная герметизация является одним из наиболее важных этапов: любой зазор в сборке позволяет нефильтрованному воздуху полностью обойти фильтрующий материал и попасть в выпускное отверстие вентилятора, полностью сводя на нет эффект фильтрации в этой точке.
• Банджи-шнуры или застежки-молнии (по желанию): Используется для скрепления блока фильтра во время первоначальной сборки перед приклеиванием ленты, а также для крепления вентилятора к верхней части корпуса фильтра в некоторых конфигурациях. Четыре банджи-шнура, обернутые вокруг собранной коробки снаружи, обеспечивают эффективное сжатие, удерживающее фильтры плотно вместе.

Пошаговые инструкции по сборке

Правильная сборка коробчатого HEPA-фильтра занимает примерно 15–30 минут. Самый важный принцип при сборке — обеспечить правильное направление воздушного потока через каждый фильтр и полную герметизацию каждого потенциального перепускного зазора. Спешка с процессом герметизации является наиболее распространенной причиной неэффективности воздушных фильтров, сделанных своими руками.

Шаг 1. Определите направление воздушного потока на ваших фильтрах.

На картонной рамке каждого печного фильтра указано стрелкой обозначенное направление воздушного потока. Воздух должен входить через входную поверхность (обычно менее плотную сторону) и выходить через выходную поверхность к вентилятору. В конфигурации короба все четыре боковых фильтра должны быть ориентированы так, чтобы их входные стороны (заборник грязного воздуха) были направлены наружу от центра коробки, а их выходные стороны были направлены внутрь, к вентилятору. Установка даже одного фильтра задом наперед значительно снижает эффективность его фильтрации и может привести к перегрузке фильтрующего материала.

Шаг 2 — Соберите четыре боковых фильтра в форму коробки.

Поставьте четыре фильтра по краям и сложите их в квадратную трубку так, чтобы картонные рамки соседних фильтров соприкасались каждым углом. Лица, расположенные ниже по потоку (чистый воздух), должны быть обращены внутрь. Для фильтров размером 20×20×1 дюйм полученное квадратное сечение имеет внутренние размеры примерно 20×20 дюймов, что соответствует лицевой стороне стандартного 20-дюймового коробчатого вентилятора. Временно удерживайте сборку вместе с помощью эластичных шнуров или попросите второго человека помочь вам, пока вы начнете приклеивать ее на пленку. Плотно наклейте широкую ленту на каждый шов, где встречаются соседние рамки фильтра, покрывая всю высоту каждого углового соединения снаружи коробки. Плотно прижмите ленту ко всем углублениям картонной рамки, чтобы обеспечить герметичность.

Шаг 3 — Запечатайте нижнюю часть коробки фильтра.

Нижняя часть фильтрующего куба — конец, противоположный вентилятору — должна быть закрыта, чтобы не допустить попадания нефильтрованного воздуха в узел снизу и полного обхода фильтрующего материала. Если вы используете пятый фильтр в верхнем положении и размещаете вентилятор сверху, нижнюю часть коробки необходимо заклеить картоном, вырезанным по размеру отверстия, и прочно заклеить скотчем все четыре края. Некоторые строители вместо этого ориентируют коробку так, чтобы вентилятор был сбоку, а пятый фильтр закрывал лицевую сторону, противоположную вентилятору, что работает одинаково хорошо. Какую бы ориентацию вы ни выбрали, главное, чтобы в готовой коробке было только одно отверстие — сторона, к которой крепится веер.

Шаг 4 — Прикрепите коробчатый вентилятор к открытой грани

Расположите вентилятор корпуса так, чтобы он располагался по центру открытой верхней части фильтрующего куба, при этом вентилятор нагнетал воздух вверх и в сторону от корпуса, втягивая воздух внутрь через четыре стороны фильтра и выпуская чистый отфильтрованный воздух через вентилятор. Решетка вентилятора должна быть обращена наружу (в направлении выхода чистого воздуха), а не внутрь, к фильтрам. Наклейте ленту по всему периметру в месте соприкосновения рамы вентилятора с верхними краями рамок фильтра, полностью загерметизировав это соединение. Если лицевая сторона вентилятора немного меньше отверстия фильтра, вырежьте картонную рамку, чтобы закрыть зазор, и плотно приклейте ее скотчем к раме вентилятора и к краям фильтра, прежде чем загерметизировать весь стык.

Шаг 5 — Заключительная проверка и испытание на герметичность

Прежде чем приступить к работе с устройством, визуально осмотрите каждый стык ленты при хорошем освещении, нажимая на все края ленты, чтобы убедиться в прилипании. Включите вентилятор на высокой скорости и медленно проведите рукой по всем швам — любой поток воздуха, ощущаемый в стыке, указывает на утечку, требующую дополнительной ленты. Обратите особое внимание на углы, где встречаются три корпуса фильтра, а также на стык между корпусом вентилятора и узлом фильтра, так как это места, наиболее подверженные утечкам из байпаса. При работе хорошо закрытого коробчатого фильтра не должно быть заметного потока воздуха ни в одном шве.

Сколько воздуха может очистить коробчатый HEPA-фильтр — Руководство по выбору помещения

Скорость подачи чистого воздуха (CADR) правильно построенной коробки MERV 13 с четырьмя фильтрами и 20-дюймовым вентилятором, работающим на высокой скорости, обычно находится в диапазоне от 400 до 600 CFM для частиц дыма, в зависимости от используемого конкретного вентилятора и марки фильтра. Это выгодно отличается от коммерческих очистителей воздуха в ценовом диапазоне от 200 до 500 долларов. Количество воздухообменов в час (ACH), которое это обеспечивает, зависит от объема помещения.

Рекомендации общественного здравоохранения обычно рекомендуют минимум 4–6 замен воздуха в час для эффективного уменьшения количества частиц дыма в жилых помещениях. В приведенной выше таблице показано, что один хорошо построенный коробчатый HEPA-фильтр комфортно достигает этой цели в помещениях площадью примерно до 900 квадратных футов с потолками высотой 8 футов и значительно превосходит ее в небольших помещениях. Для жилых помещений открытой планировки или больших комнат строительство двух блоков и размещение их в разных местах пространства обеспечивает более равномерное сокращение частиц, чем один блок, расположенный в центре.

Добавление активированного угля для удаления запаха дыма

Фильтры HEPA и MERV 13 чрезвычайно эффективно улавливают твердые частицы, но не адсорбируют газообразные загрязняющие вещества — летучие органические соединения (ЛОС), предшественники угарного газа и ароматические соединения, которые придают дыму характерный запах и способствуют его токсичному воздействию в газовой фазе. Для устранения запаха дыма и частиц в корпус коробчатого фильтра можно включить фильтрацию с активированным углем.

Самый простой подход — разместить один или два слоя листов предварительной фильтрации с активированным углем, которые можно приобрести в рулонах у поставщиков систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, на внешней стороне каждого фильтра MERV 13 перед сборкой. Углеродный слой улавливает газообразные загрязняющие вещества при первом прохождении через него воздуха, а расположенный за ним фильтр MERV 13 улавливает твердые частицы. Некоторые строители используют комбинацию фильтров MERV 13 и угольных печных фильтров, которые объединяют оба слоя фильтрующего материала в одном фильтрующем блоке, упрощая конструкцию. В средах с высокой концентрацией дыма, таких как помещения, прилегающие к действующим лесным пожарам, или дома, регулярно подвергающиеся воздействию табачного дыма, специальная угольная фильтрация значительно улучшает общее качество воздуха по сравнению с тем, чего можно достичь только с помощью фильтрации частиц.

График замены фильтров и текущее обслуживание

Корпусный HEPA-фильтр требует минимального обслуживания, но требует периодической замены фильтра для поддержания его работоспособности. По мере того как частицы дыма накапливаются на фильтрующем материале, сопротивление воздушному потоку постепенно увеличивается, и вентилятор постепенно пропускает через узел меньше воздуха, что снижает CADR без каких-либо видимых признаков снижения производительности.

• Визуальный осмотр: Проверяйте внешнюю поверхность фильтров каждые две-четыре недели в сезон задымления. Сильное изменение цвета поверхности фильтра на серый или коричневый цвет указывает на значительную загрузку частиц. Однородно затемненный фильтр, который когда-то был белым или светло-серым, существенно снизил оставшуюся емкость, и его следует незамедлительно заменить.
• Проверка воздушного потока: Держите легкую салфетку или полоску бумаги рядом с выпускным отверстием для чистого воздуха вентилятора, работающего на высокой скорости. Заметное уменьшение потока воздуха по сравнению с тем, когда фильтры были новыми, указывает на повышенное сопротивление фильтра из-за нагрузки и сигнализирует о необходимости замены.
• Интервал замены: При непрерывной работе во время задымления от лесного пожара со значениями AQI выше 150 фильтры могут потребовать замены в течение одной-трех недель. В периоды умеренного курения или периодического использования одних и тех же фильтров может прослужить два-три месяца. Не пытайтесь чистить или пылесосить фильтры MERV 13 — это повреждает волокнистую матрицу и необратимо снижает эффективность фильтрации.
• Обслуживание вентилятора: Вытирайте скопившуюся пыль с лопастей вентилятора и решетки каждый раз при замене фильтров. Скопление пыли на лопастях вентилятора снижает эффективность воздушного потока и в конечном итоге может привести к перегреву двигателя. Используйте влажную ткань или мягкую щетку — никогда не распыляйте воду непосредственно на корпус двигателя вентилятора или электрические компоненты.

Советы по размещению для достижения максимальной эффективности очистки от дыма

Место размещения коробчатого HEPA-фильтра в помещении существенно влияет на то, насколько быстро и тщательно он снижает концентрацию частиц дыма. Оптимальное размещение максимизирует циркуляцию воздуха через фильтр и сводит к минимуму объем воздуха в помещении, который остается застойным в мертвых зонах вдали от впускного отверстия фильтра.

• По возможности размещайте в центре комнаты: Центральное расположение позволяет фильтру одинаково всасывать воздух со всех направлений, сводя к минимуму расстояние, которое должна пройти любая частица, прежде чем достичь впускного отверстия фильтра. Размещение в углу или на стене ограничивает забор воздуха из соседних направлений и снижает эффективный CADR за счет ограничения объема воздуха, который фильтр может отбирать в единицу времени.
• Держите воздухозаборники свободными: Обеспечьте зазор не менее 12 дюймов вокруг всех четырех сторон фильтра. Размещение коробки у стены, за мебелью или внутри шкафа значительно уменьшает приток воздуха к закрытым поверхностям фильтра и снижает общую производительность.
• Расположите вытяжку чистого воздуха в направлении жилых помещений: Направьте вентилятор так, чтобы чистый фильтрованный воздух направлялся в места, где люди проводят больше всего времени — места для сидения, кровати и рабочие места. Это создает зону чистого воздуха вокруг находящихся в помещении людей еще до того, как весь объем воздуха в помещении достигнет низкой концентрации частиц.
• Держите окна и двери закрытыми во время задымления: Коробчатый HEPA-фильтр не может справиться с постоянным проникновением свежего дыма, если окна или двери пропускают нефильтрованный наружный воздух. Во время событий с высоким AQI поддержание герметичности оболочки здания, насколько это практически возможно, позволяет фильтру постепенно снижать концентрацию частиц в помещении до безопасного уровня в течение 30–60 минут работы.