Membranteknologi for luftbehandlingsenheter

I AAF 40' testcontaineren er fire filtersystemer, hvert med to trinn, installert parallelt. Hvert filtreringssystem har et VariCel EcoPak ePM1 55 % kompakt forfilter med glassfibermedier i det første trinnet. I det andre trinnet er tradisjonelle H14 HEPA-filter av glassfiber AstroCel I HC og H14 eFRM HEPA-membranfilter MEGAcel I installert i to filtersystemer hver. Filterkombinasjonen er derfor et ePM1 55%-filter, direkte etterfulgt av et H14 HEPA-filter. Volumstrømmen ble overvåket med volumstrømsåpninger. Trykkfallet i volumstrømsåpningene og i de respektive filtertrinnene ble fjernovervåket ved hjelp av AAF Sensor360^®-systemet. En kommersiell PM2,5-partikkelmåler ble også koblet til Sensor360^®-systemet ved beholderens luftinntak. En datalogger for lufttemperatur og luftfuktighet var også installert der. Bilde 2 viser testbeholderen i Diniars anlegg i Olaine (Latvia). Rørene på venstre side er luftutløpene til de fire filtersystemene inne i beholderen.

I den første delen av testen var beholderen i drift døgnet rundt i AAFs anlegg i Emmen (Nederland) i 83 dager, og etter en overhaling ble beholderen transportert til Dinairs anlegg i Olaine (Latvia), der den var i drift døgnet rundt i 828 dager. Filtrene ble drevet med en strømningshastighet på 3150 m³/t. Volumstrømmen ble justert manuelt ved behov. Forfiltrene ble kjørt opp til belastningsgrensen, i ett tilfelle til og med over, slik at filterpakken gikk i stykker. Trykktapet var da over 550 Pa. De ble skiftet ut omtrent hver tredje måned. Ved å legge til et annet forfilter i effektivitetsområdet ePM2,5 eller ePM10 kunne levetiden til VariCel EcoPak ePM1 55% kompaktforfilteret som ble brukt, helt sikkert forlenges.

Temperatur og relativ luftfuktighet

Testcontaineren ble utsatt for store sesongmessige svingninger i temperatur og relativ luftfuktighet i inntaksluften. Om vinteren ble det regelmessig oppnådd temperaturer på -10 °C, og i noen tilfeller til og med -20 °C. Dette resulterte noen få ganger i ising av forfiltrene. Om sommeren var de høyeste temperaturene opp til 35 °C. Den relative luftfuktigheten var naturlig nok lav om vinteren, under 10 %, men nådde verdier på opptil 100 % om sommeren. I løpet av dagen korrelerer den relative luftfuktigheten vanligvis med temperaturen, dvs. at den synker når luften varmes opp om dagen, og øker når den avkjøles om natten.

Partikkelkonsentrasjon

De målte PM2,5-partikkelkonsentrasjonene viser også store sesongvariasjoner (figur 1). Middelverdien for PM2,5 var 37 µg/m³. For den nærliggende latviske hovedstaden Riga indikerer Det europeiske miljøbyrået en PM2,5-middelverdi på 12 µg/m3 for 2018-2020. Begge gjennomsnittsverdiene ligger i området >7,5 µg/m3 og dermed i området for uteluftkategori ODA 3 (uteluft med svært høye konsentrasjoner av svevestøv) i henhold til Eurovent-retningslinje 4/23-2020, som tar hensyn til de nyeste anbefalingene fra Verdens helseorganisasjon (WHOs globale retningslinjer for luftkvalitet 2021). De målte PM2,5-toppverdiene ligger i området 200-370 µg/m³. Det kan ikke utelukkes at kondensasjonseffekter ved høy relativ luftfuktighet har bidratt til toppverdiene.

Temperatur og relativ luftfuktighet

Når det gjelder trykktapet, er det nødvendig å skille mellom kortsiktige effekter og langsiktig utvikling. Kortsiktige svingninger i trykkfallet ble ofte observert i løpet av dagen (figur 2).

Det er tydelig at det er en betydelig forskjell i trykkfall mellom tradisjonelle AstroCel I HEPA-filtre av glassfiber og MEGAcel I eFRM HEPA-membranfiltre. Glassfiberfiltrene ligger på et nivå på 400-450 Pa, mens MEGAcel I eFRM membran HEPA ligger betydelig lavere på 180-320 Pa. Det ble funnet en direkte sammenheng mellom økningen i relativ luftfuktighet og økningen i trykkfall. Denne økningen i trykkfallet ble observert for både glassfiberfiltre og eFRM MEGAcel I-filtre. Den er reversibel i begge tilfeller, men er noe høyere for eFRM-membranfiltre. Årsakene kan være kondensasjonseffekter i selve filtermaterialet, men dette er fortsatt gjenstand for pågående undersøkelser. Den langsiktige trykkfallsutviklingen må skilles fra dette.

Figur 3 viser den langsiktige utviklingen i trykkfall for tradisjonelle HEPA-filter av glassfiber sammenlignet med MEGAcel I eFRM membran HEPA-filter. Innledende trykkfall for MEGAcel I eFRM membran HEPA-filteret er med 180 Pa mindre enn halvparten av det tradisjonelle HEPA-filteret av glassfiber, som ligger i området 380 Pa. For begge filtrene er det periodiske svingninger i trykkfallet, som er noe større for MEGAcel I eFRM membran HEPA-filteret sammenlignet med de tradisjonelle HEPA-glassfiberfiltrene. For klarhetens skyld er verdiene i diagrammet ovenfor beregnet som et gjennomsnitt over noen få dager. Etter hvert som belastningen øker, øker trykkfallet for begge filtrene, men verdiene for MEGAcel I eFRM HEPA-membranfilteret er alltid betydelig lavere enn verdiene for det tradisjonelle HEPA-filteret av glassfiber. Mot slutten av testen er forskjellen i trykkfall fortsatt ca. 150 Pa.

Total Cost of Ownership (TCO)

For å oppnå kostnadsoptimal drift av et filtersystem må de totale eierkostnadene TCO minimeres. Denne består i hovedsak av investeringskostnadene for filtrene pluss energikostnadene for drift av CE-viften, som må overvinne trykkfallet forårsaket av filtrene.

Energikostnader

Energikostnadene som går med til drift av filteret, er direkte proporsjonale med filterets trykkfall:

Siden grunnforutsetninger som volumstrøm, driftstid, vifteeffektivitet og strømkostnader vanligvis er gitt i en filterinstallasjon, kan energikostnadene bare reduseres ved å velge et filter med lavest mulig trykkfall. Figur 4 viser utviklingen i strømkostnadene i noen europeiske land. De varierer betydelig fra land til land. I forbindelse med covid-19-pandemien steg de kraftig i hele Europa i 2021. Selv om det var en liten bedring i begynnelsen av 2022, er det ikke forventet noen betydelig bedring i forbindelse med den russiske krigen i Ukraina. Tvert imot forventes strømkostnadene å forbli høye, om ikke til og med øke.

I juni 2022, sammenlignet med januar 2020, var strømkostnadene +376 % i Sverige, +524 % i Tyskland og til og med +555 % i Frankrike. Det er verdt å merke seg at figur 4 kun viser engrosprisene. Avhengig av forbruksvolumet kan de være betydelig høyere for nærings- og industrikunder. I tillegg kommer nettleie og andre avgifter. Ingen av disse er tatt hensyn til i figur 4. Valg av et filter med lavest mulig trykkfall er derfor av avgjørende betydning for en kostnadsoptimalisert drift av et filtersystem.

Enhver kraftproduksjon medfører et visst CO2-utslipp. Dette kalles gjerne CO2-fotavtrykket. Nivået på CO2-utslippene og dermed CO2-fotavtrykket avhenger av energimiksen til strømforbrukeren. Fossile energikilder (kull, gass, olje) genererer naturlig nok høyere CO2-utslipp enn fornybare energikilder (vind, sol, vann). For samme strømforbruk er det derfor store forskjeller i CO2-utslippene fra land til land. Tabell 1 viser nivået på CO2-utslippene fra elektrisitetsproduksjon i ulike land. Naturlig nok har land med høy bruk av fornybare energikilder eller kjernekraft, som Sverige, Sveits og Frankrike, relativt lave CO2-utslipp fra strømproduksjon.

Tabell 1: CO2-utslipp fra elektrisitetsproduksjon i ulike land [2].

Eksempel

La oss sjekke energikostnader, TCO og CO2-fotavtrykk i en konkret applikasjon, forutsatt at forholdene er som beskrevet for containertesten. Til det antar vi følgende:

På grunn av situasjonen i energimarkedene som er beskrevet ovenfor, tar vi utgangspunkt i engrosprisene for strøm i juni 2022 og ser for enkelhets skyld bort fra alle nettavgifter og andre avgifter.

Tabell 2: Engrospriser på strøm juni 2022 (uten nettleie og andre avgifter) og økning i forhold til januar 2022 for noen land [1].

Figur 5 sammenligner energikostnadene for drift av et HEPA-filter av glassfiber med et HEPA-filter av eFRM-membran i ulike land under de ovennevnte forutsetningene, beregnet ved hjelp av formel (2).

De ulike strømkostnadene i de ulike landene gir betydelig forskjellige energikostnader for drift av et filter. I vårt eksempel er kostnadene i Italia ca. 2,37 ganger høyere enn i Sverige. Uavhengig av dette er det en kostnadsbesparelse på ca. 50 % i hvert land ved bruk av HEPA-membranfiltre fra eFRM. Ved beregning av totale eierkostnader legges investeringskostnadene for filtrene til energikostnadene i henhold til formel (1). Forutsatt følgende investeringskostnader,

Figur 6 viser utviklingen i totale eierkostnader over tid for ulike land.

På grunn av de lavere investeringskostnadene for glassfiberfiltrene er de totale eierkostnadene i utgangspunktet lavere enn for eFRM-membranfiltrene. På grunn av de betydelig lavere energikostnadene ved drift av eFRM-membranfiltrene snur imidlertid dette forholdet over tid (figur 6). Punktet der dette skjer, er det såkalte break-even-punktet, der driften av eFRM-membranfiltre av høyere kvalitet lønner seg økonomisk. Forskjellene i energikostnader mellom landene spiller neppe noen rolle for dette. Tilbakebetalingstiden ligger alltid på bare noen få måneder (figur 7).

Figur 8 viser de resulterende totale eierkostnadene over den antatte driftstiden på 18 000 timer.

På grunn av ulike energikostnader i de forskjellige landene er det betydelige forskjeller i total eierkostnad for filtrene. Uavhengig av dette er det i alle land betydelige kostnadsbesparelser på mellom 35 % og mer enn 42 %. Med energiforbruket som ligger til grunn for figur 5, kan CO2-ekvivalentene som vises i figur 9 beregnes.