Wie neue Filtergruppen gegen Feinstaub helfen

Trotz einschränkender Maßnahmen ist die Außenluftsituation immer noch weit entfernt von den geltenden Richtwerten. Deshalb ist es umso wichtiger, die jeweils vorherrschende Qualität der Innenraumluft im Blick zu haben. Schließlich halten sich Mitteleuropäer heute durchschnittlich 90 Prozent ihrer Lebenszeit in Innenräumen auf. Und hier kommt etwa die Hälfte aller Partikel aus der Außenluft an. Entsprechend sind effiziente Luftfilter gefragt, die nicht nur die Arbeits- und Produktionsbedingungen verbessern, sondern auch gesundheitliche Gefahren mindern.

Feinstaubgefahr in Innenräumen

Abhängig vom Alter und körperlichen Belastungsgrad atmet der Mensch pro Tag 10 bis 20 m³ Luft ein. Das entspricht einer Masse von 12 bis 24 kg – also weitaus mehr als der tägliche Lebensmittel- und Trinkwasserbedarf einer einzelnen Person. Und weil diese Mengen in Mitteleuropa größtenteils in Innenräumen eingeatmet werden, ist es besonders wichtig, dass hier Vorkehrungen getroffen werden, die eine gute Luftqualität sicherstellen.

Hinzu kommt, dass Innenräume in der Regel viel belasteter sind als Außenbereiche: Denn innen können sich die Verschmutzungen in der „Frischluft“ mit den Verunreinigungen der Innenraumluft verbinden und bis zu 50-fach anwachsen. So sammeln sich nicht selten lungengängige Feinstaubpartikel wie Verbrennungsrückstände von Motoren, Triebwerken und Heizsystemen sowie Rauch, Ruß, Bakterien und Gase zu einer gesundheitsgefährdenden Dichte. Ergänzt werden sie häufig durch chemische Emissionen von Bau-, Innenausstattungs- und Reinigungsprodukten.

Atmen müssen alle

Feinstaub ist generell gefährlich, weil der menschliche Körper keine natürlichen Schutzmechanismen dagegen aufbieten kann. Er wird über die Atemwege aufgenommen und ein erheblicher Anteil seiner PM1-Partikel kann sogar über die Lunge in den Blutkreislauf gelangen. Die Konsequenzen sind bereits heute fatal. So sterben laut internationaler Energieagentur weltweit 6,5 Mio Menschen¹ pro Jahr vorzeitig an den Folgen von Luftverunreinigungen in Innen- und Außenbereichen; davon rund 600 000 in der Europäischen Union².

Dass Krebs eine Folge der Feinstaubbelastung sein kann, ist längst bekannt. Hingegen ist die Erkenntnis relativ neu, dass zusätzlich und in hohem Maß Herz-Kreislauf-Erkrankungen hieraus resultieren. Auch der Einfluss auf Demenzerkrankungen ist inzwischen nachgewiesen. Mit den negativen Auswirkungen auf die Gesundheit sind außerdem immense Kosten für die Gesellschaft und Wirtschaft verbunden.

PM1-Luftschadstoffe – sogenannte lungengängige Partikel, die kleiner als ein Mikrometer sind – haben sich in diesem Zusammenhang als die größten Krankheitsverursacher erwiesen. In städtischer Außenluft machen sie sogar mehr als 90 Prozent aller darin befindlichen Feinstaubpartikel aus. So haben Rechtsmediziner der Berliner Charité festgestellt, dass die Lunge eines Menschen, der sein Leben in einer Großstadt verbracht hat, nicht zu unterscheiden ist von der eines lebenslangen Rauchers³.

Partikel-Beschaffenheit

In der Außenluft kommt es zu Belastungen durch Partikel und luftgetragene molekulare Verunreinigungen (AMC) zum Beispiel durch

• Partikel, Ruß und Staub
• Gase und Dämpfe
• Dunst, Tau und Tropfen

Dabei steht die Größe der Partikel in un- mittelbarem Zusammenhang mit der gesundheitlichen Gefahr, die von ihnen ausgehen: je kleiner, desto häufiger und gefährlicher:

Partikel-Durchmesser kleiner als 1,0 μm (PM 1,0) = 99 Prozent aller Partikel in der Luft:

• Rauch und Ruß
• Verbrennungsrückstände von Motoren und Triebwerken
• Öl, Kerosin, Diesel, Blei
• Tabakrauch
• Bakterien, Viren
• luftgetragene molekulare Verunreinigungen

Partikel-Durchmesser kleiner als 2,5 μm (PM 2,5):

• kleinere Pollen
• Sporen
• kleinere organische Partikel

Partikel-Durchmesser kleiner als 10,0 μm (PM 10,0):

• Pollen
• gröberer Feinstaub
• organische Partikel

Partikel-Durchmesser größer als 10,0 μm:

• sichtbarer Grobstaub
• Sand
• Haare
• größere organische Partikel

Überraschende Ursachen

Inzwischen stammen mehr als die Hälfte der gesundheitsbelastenden Luftpartikel nicht mehr von den Abgasen aus Kraftfahrzeugen (12 Prozent), Energiegewinnung (15 Prozent) und Industrie (19 Prozent). Stattdessen machen zum Beispiel Kaminfeuer in deutschen Privathaushalten acht Prozent des hiesigen Feinstaubaufkommens aus und immerhin 23 Prozent die Landwirtschaft (durch Ammoniak, Dieselmotoren, Ackerboden, Getreidepartikel etc.)⁴. Die Belastung kann folglich in ländlichen Regionen ähnlich stark sein wie in Ballungszentren.

Partikelquellen der Außenluft:

• Kraftfahrzeugabgase
• Industrie und Energiegewinnung
• Landwirtschaft
• Schornsteine von Privathaushalten (offene Feuerstellen)

Partikelquellen der Innenraumluft:

• Ausgasungen durch Menschen
• Ausgasungen durch Bau- und Einrichtungsmaterialien
• Reinigungsmittel
• Kaminöfen, Kerzen, Nahrungszubereitung

Effektive Luftreinigung

Im Rahmen von „Clean Air for Europe“ (CAFE) zielt die Europäische Kommission bis 2020 ab auf die „Erreichung einer Luftqualität, die keine erheblichen negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt hat und keine entsprechenden Gefahren verursacht“.

Was die Außenluftqualität betrifft, sind bereits eine Reihe an emissionsreduzierenden Maßnahmen und Gesetzen eingeleitet worden. Die Lösung für eine gute Luftqualität in Innenräumen sind RLT-Anlagen mit entsprechenden Filtrationsmedien, die Schadstoffe wirkungsvoll aus der Luft entfernen und dabei möglichst energieeffizient arbeiten.

Übersicht der Luftfiltergruppen

Die Fähigkeit eines Filters, Partikel aus der Luft abzuscheiden, hängt vorrangig von verschiedenen physikalischen und mechanischen Phänomenen ab. So nutzen Schwebstofffilter sowohl den Diffusions- als auch den Sperreffekt.

Bei Feinstaubfiltern kommt der Trägheitseffekt zum Einsatz, während Grobstaubfilter ihre Wirkung mit Siebeffekten erzielen. Darüber hinaus spielen Sedimentations- und Elektrostatik-Effekte sowie verschiedene Kombinationen verschiedener Abscheidetechniken eine Rolle.

Die Abscheidegradkurve eines Luftfilters hat eine charakteristische V-Form, aus der sich der minimale Abscheidegrad erkennen lässt. Diesem entspricht die Größe der Partikel, die sich am schwersten herausfiltern lassen. Je nach Filter und Luftströmungsgeschwindigkeit im Filtermedium liegt die MPPS (= Most Penetrating Particle Size) zwischen 0,1 und 0,2 μm.

Filterbedarf gemäß ODA- und SUP-Werten

Wegen der anfangs genannten Gründe sollte der Eliminierung lungengängiger Feinstäube aus der Raumluft mit entsprechenden Luftfiltern der Klasse ePM1 besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden.

Dabei ist sowohl die Bestimmung der erforderlichen Raumluftqualität als auch die für die Produktauswahl wichtige Prüfnorm ISO 16890 mit den daraus resultierenden neuen Feinstaubfraktionen ePM1, ePM2,5 und ePM10 wichtig.

DIN EN 16798-3/4 ersetzt künftig die DIN EN 13779

Zur Definition der erforderlichen Luftqualität innerhalb eines Produktionsprozesses oder einer Büro- oder Lagersituation können oder müssen – je nach Warengruppe oder Branche – Standards herangezogen werden. Beispielhaft seien hier die EN ISO 14644 zur Bestimmung von Reinraumklassen oder die DIN EN 16798-3/4 zur Klassifizierung der Qualität der Raum-, Zu-, Fort- und Außenluft von Nichtwohngebäuden erwähnt.

Neu: Während noch bei der DIN EN 13779 die Differenz zwischen Außenluftqualität (ODA = Outdoor air) und Innenraumluftqualität (IDA = Indoor air) Grundlage für die benötigten Filterklassen war, ist mit der neuen DIN EN 16798-3/4 das Verhältnis von der Zuluft (SUP = Supply air) zur Innenraumluft Ausgangsbasis für die Produkt-auswahl.

Mit SUP ist konkret jener Luftstrom gemeint, der in den Raum oder in die Anlage eintritt, nachdem er behandelt wurde.

Definition der SUP-Qualitätsklassen

• SUP 1 gilt, wenn die Zuluft die Grenzwerte der WHO-Richtlinien (2005) und alle nationalen Normen oder Vorschriften zur Qualität der Luft mit einem Faktor von 0,25 einhält.
• SUP 2 gilt, wenn die Zuluft die Grenzwerte der WHO-Richtlinien (2005) und alle nationalen Normen oder Vorschriften zur Qualität der Luft mit einem Faktor von 0,5 einhält.
• SUP 3 gilt, wenn die Zuluft die Grenzwerte der WHO-Richtlinien (2005) und alle nationalen Normen oder Vorschriften zur Qualität der Luft mit einem Faktor von 0,75 einhält.
• SUP 4 gilt, wenn die Zuluft die Grenzwerte der WHO-Richtlinien (2005) und alle nationalen Normen oder Vorschriften zur Qualität der Luft einhält.

Neue Prüfnorm ISO 16890

Zur Verbesserung der Raumluftqualität im Allgemeinen und effektiven Abscheidung von PM1-Partikeln im Besonderen ist im Januar 2017 die Norm ISO 16890 zur Prüfung und Bewertung von Luftfiltern eingeführt worden. Nach einer Übergangszeit von 18 Monaten steht damit die Ablösung der EN 779:2012 zum 30. Juni 2018 an.

Bürogebäude, Krankenhaus, Schule, Flughafen, Eventhalle, Kaufhaus … – die Betreiber von raumlufttechnischen Anlagen haben es mit der neuen Prüfnorm leichter, maßgeschneiderte Filterlösungen zur Erfüllung ihrer Gesundheits- und Hygieneansprüche für ihre Immobilie auszuwählen als mit der EN 779:2012. Denn in Zukunft werden die Ergebnisse aus dem Labor viel mehr dem Verhalten von Luftfiltern in realen RLT-Anlagen gerecht.

Das liegt an der veränderten Herangehensweise der Filterprüfung: Mit Einführung der ISO 16890 wird das Abscheideverhalten aller in der Außenluft vorkommenden Partikelgrößen zwischen 0,3 und 10 µm ermittelt statt wie zuvor ausschließlich von Partikeln mit 0,4 µm.

Diese Modifikation führt zu Prüfergebnissen, die sich im späteren Filtereinsatz deutlich stärker widerspiegeln. Aus diesem Grund wird in Zukunft der Abscheidegrad des Filters nur noch ohne vorherige Staubbeladung bewertet.

Vier neue Filtergruppen

In Anlehnung an Veröffentlichungen von WHO und Umweltbehörden ersetzen außerdem die Feinstaubfraktionen ISO ePM1, ISO ePM2,5, ISO ePM10 sowie Grobstaub mit ISO coarse die bisherigen Filterklassen G1 bis F9. Durch diese neue Einteilung in vier Gruppen als auch eine Ausweispflicht der jeweils prozentualen Abscheideleistung des Filters für seine höchste Feinstaubgruppe lässt sich die Filterauswahl präziser auf die gewünschte Luftqualität abstimmen.

ePM1 60 Prozent steht z. B. für eine Abscheideeffizienz (e = efficiency) von 60 Prozent hinsichtlich Partikeln  1 µm (PM = Particulate Matter). Ein Produkt kann nur dann einer Gruppe zugeordnet werden, wenn es mindestens 50 Prozent der jeweiligen Partikelgröße abscheidet. Alle Filter, die weniger als 50 Prozent PM10 abscheiden, werden dem Grobstaub-Segment ISO coarse zugeordnet. Camfil sieht aus den oben genannten Gründen die höchste Dringlichkeit und auch eine große Chance darin, Entscheider für die Feinstaubgefahr speziell im PM1-Bereich zu sensibilisieren.

Übersetzungshilfe

Die VDI-/SWKI 3-Expertenarbeitsgruppe „Luftfiltration“ hat einen Übersetzungsschlüssel für alle Komfort-RLT-Anlagen verabschiedet, der Orientierung beim Wechsel vom alten zum neuen Filterklassen-System gibt:

Zudem muss die letzte Filterstufe in Zukunft mindestens mit einem Filter ISO ePM1  50 Prozent bestückt werden. Das bedeutet für einstufige RLT-Anlagen die generelle Ausstattung mit Filtermedien der neuen Klasse ISO ePM1.

Eine weitere Übersetzungshilfe ist durch den Industrieverband EVIA (European Ventilation Industry Association) herausgegeben worden. Hierbei sind weitere Filterklassen nach EN 779 berücksichtigt:

Einheitliche Produktlabel erleichtern Vergleich

Lange Zeit war mangels einheitlicher Produktdeklaration eine Sondierung des Filtermarktes nur durch den Vergleich durchschnittlicher Wirkungsgrade möglich, sehr aufwendig und nur eingeschränkt zielführend.

Um den Luftfiltervergleich ein Stück transparenter und damit einfacher zu machen, haben die nach Eurovent zertifizierten Luftfilterhersteller 2012 ein europaweit einheitliches Klassifizierungssystem verabschiedet und sich zur Kommunikation aller für den Kauf wichtigen Informationen verpflichtet.

So beinhalten deren Produktlabel die Filterklasse mit dem durch die EN 779:2012 definierten Mindestwirkungsgrad sowie zusätzliche Daten über den Anfangswirkungsgrad, den jährlichen Energieverbrauch sowie die für Luftfilter definierten Energieeffizienz-Klassen A+ bis E.

Lebenszykluskosten beachten

Ein Produktvergleich mit kritischem Blick auf die Lebenszykluskosten (LCC) einer Luftaufbereitungsanlage bietet in der Regel große Einsparpotenziale. Nicht selten können durch diese Gegenüberstellung mehr als 10 000 Euro pro Anlage und Jahr eingespart werden. Hier gilt die Faustregel: Pro Pascal des zur Filtration benötigten Luftdrucks jährlich 1 Euro.

Denn in der Regel betreffen nur 15 Prozent der Gesamtkosten eines Luftfilters dessen Anschaffung, während 70 Prozent allein für dessen Energieverbrauch aufgewendet werden müssen.

Die restlichen 15 Prozent sind Kosten für Arbeits- und Entsorgungsaufwand. Deshalb ist es bei der Auswahl wichtig, nicht nur den Einkaufspreis und die Abscheideleistung eines Luftfilters zu berücksichtigen, sondern auch dessen reguläre Betriebszeit (Standzeit), jährlichen Energieverbrauch (Energieeffizienz) sowie sein Mindestwirkungsgrad.

Gefragt: Zukunftsorientierte Produktentwicklungen

Die Umstellung auf die neue Prüfnorm ist hingegen nicht so groß, wenn die bisher verwendeten Luftfilter bereits heute den neuen Anforderungen entsprechen. Das trifft zum Beispiel auf die Camfil-Produkte der noch gültigen Filterklasse F7 zu. Sie erfüllen jetzt schon die Anforderungen der neuen ePM1-Gruppe und sind damit auch für den von VDI und SWKI empfohlenen Einsatz in der letzten Filterstufe von RLT-Anlagen geeignet.

Mit Hi-Flo M7 50+, Opakfil ES und Hi-Flo XLT7/670 50+ gibt es von Camfil drei unterschiedliche Filtertypen, die durch eine Kombination aus hohen Wirkungsgraden und langen Standzeiten bei großer Energieeffizienz gekennzeichnet sind.

Empfehlung

Ein guter F7-Filter sollte der neuen Gruppe ISO ePM1 entsprechen; also mindestens 50 Prozent aller Partikel unter einem Mikrometer abscheiden können. Viele F7-Luftfilter von Camfil sind jedoch bei vergleichbar geringen Lebenszykluskosten in der Lage, 60 Prozent und mehr abzuscheiden.

Die entsprechend reinere Innenraumluft wirkt sich vor allem positiv aus in Bezug auf die Gesundheit, Vitalität und Leistungsfähigkeit aller sich hierin aufhaltenden und arbeitenden Menschen.

Dieser Artikel von Tobias Zimmer ist zuerst erschienen in KK - Die Kälte + Klimatechnik Ausgabe: 02-2018.

Lesen Sie über die Klassifizierung der Reinraumklassen nach ISO 14644-1