Giornata ASSOCLIMA di approfondimento e analisi della ... · media Quando il filtro ......

"I fondamenti della UNI EN ISO 16890:analisi e confronto con la UNI EN 779"

Paolo Tronville

Sede ANIMA ‐ via Scarsellini, 11/13 ‐MilanoMercoledì 8 novembre 2017, ore 10:45

Giornata ASSOCLIMA di approfondimento e analisi della nuovaNorma UNI EN ISO 16890 “Filtri d’aria per ventilazione generale”

Contenuti• Motivazioni per la redazione della ISO 16890 • Limiti della UNI EN 779:2012• Novità della serie ISO 16890• Classificazione orientata all'applicazione• Distribuzione dimensione particelle in zone urbane e rurali• Differenza tra "ePMx" e "PMx"• Conclusioni

2P. Tronville – Giornata ASSOCLIMA su ISO 168908.11.2017

Una nuova norma filtri per ventilazione generale?

• Opportunità di avere un unico riferimento nei mercati globalizzati

• Rimediare a difetti e problemi esistenti– classificazione ingannevole (F7

rimuove 35% o 80%?)– metodo di prova (affinamenti e

rimozione carica elettrostatica dal filtro intero)

• Stabilire un sistema di classificazione significativo per l'applicazione e non solo per il componente

• … manca ancora un metodo rappresentativo per l'invecchiamento artificiale del filtro

8.11.2017 P. Tronville – Giornata ASSOCLIMA su ISO 16890 3

Metodi di prova e sistemi di

classificazione

Zhou B., Shen J., 2007, “Comparison of General Ventilation Air Filter Test Standards Between America and Europe”, Proceedings of IAQVEC 2007—6th International Conference on Indoor Air Quality, p. 639–646, Sendai, Vol. 2.


Situazione attuale

• EN 779:2012 in Europa• ANSI/ASHRAE 52.2‐2017 in USA e Canada• Altre norme diffuse localmente, ad esempio in Brasile: ABNT NBR

16101:2012 "Filtros para partículas em suspensão no ar —Determinação da eficiência para filtros grossos, médios e finos"

• Altre norme nazionali in Cina e Giappone

• Con la ISO 16890:2016 (entro giugno 2018, in Italia UNI EN ISO 16890) esiste un riferimento potenziale per tutto il mondo

• Potrebbe diventare "la norma globale" dei filtri per ventilazione generale de facto, anche senza un riconoscimento formale


Schema banco di prova secondo EN 779:2012

Fan

Test-filter

Dust feeder

HEPA filter

Aerosol (DEHS)

Counter

HEPA filter

Aerosol (DEHS)

Counter


7

Misure in laboratorio secondo EN779

0

100

200

300

400

500

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40

Portata di aria, m3/s

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Massa di polvere iniettata, g

Caduta di pressione-pulito Caduta di pressione-intasato

Cad

uta

di p

ress

ione

, Pa

0

20

40

60

80

100

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Massa di polvere iniettata, g

Eff.

in n

umer

o (0

,4 m

), %

80

84

88

92

96

100

Effi

cien

za in

mas

sa, %

Efficienza 0,4 micrometri Efficienza in massa

Resistenza al moto a filtro pulito ed invecchiamento artificiale

8.11.2017 P. Tronville – Giornata ASSOCLIMA su ISO 16890

P. Tronville – Giornata ASSOCLIMA su ISO 16890 8

Effetto della coltre di polvere sinteticaEfficienza spettrale dopo i diversi incrementi di polvere

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1,0 10,0

Diametro ottico della particella, m

Effi

cien

za sp

ettr

ale,

%

0 g / 48 Pa30 g / 50 Pa330 g / 126 Pa490 g / 218 Pa570 g / 286 Pa650 g / 390 Pa710 g / 460 Pa

La curva più in basso è l'efficienza iniziale

La coltre di polvere sintetica causa l'aumento dell'efficienza media

Quando il filtro funziona in un impianto che cosa succede?

Filtro classe M6 (efficienza media a 0,4 micrometri tra 60% e 80%)8.11.2017


Prova inter‐laboratorio Eurovent 2004 con invecchiamento naturale confrontata con prova di laboratorio secondo EN 779:2002

Filtro in materiale sintetico con carica elettrostatica iniziale

Risultati misura in laboratorio

Comportamento con invecchiamento naturale


Prova inter‐laboratorio Eurovent 2004 con invecchiamento naturale confrontata con prova di laboratorio secondo EN 779:2002

Filtro con fibra di vetro

Risultati misura in laboratorio

Comportamento con invecchiamento naturale

Classificazione filtri secondo EN 779:2012



Caduta di pressione con invecchiamento naturale

8.11.2017

L'intasamento in laboratorio con polvere sintetica non serve a prevedere la vita utile del filtro!

Punti critici in classificazione EN 779:2012• Efficienza media molto più elevata dell'efficienza in servizio,

indipendentemente dall'impianto• Vero non solo per i materiali con carica elettrostatica, ma anche per la

fibra di vetro• EN779:2012 ha aggiunto valori minimi di efficienza solo per le classi F7‐F9 • Valori di efficienza media sono ancora lì a confondere: quali valori di

efficienza descrivono la prestazione del filtro?• Gruppi M e G senza efficienza minima: non ci sono prestazioni minime

garantite• Unico dato utilizzato per la classificazione in corrispondenza a 0,4

micrometri (tutti gli altri non servivano per questo scopo)• Classe dei filtri F spesso determinata dalla prova sul materiale e non sul

filtro (corrispondenza non garantita) con immersione in alcol isopropilico (alcuni materiali venivano alterati)


Approccio serie ISO 16890• Utilizza solo efficienza iniziale e successiva al processo di rimozione della

carica elettrostatica effettuato sul filtro intero• Esprime l’efficienza dei filtri facendo riferimento a una delle frazioni in

massa del pulviscolo atmosferico: PM10, PM2.5 e PM1

• Nomenclatura differente ePM10, ePM2.5 ed ePM1 per evidenziare che non si tratta esattamente dei valori misurati dagli enti di protezione ambientale

• Questo passaggio consente di legare il componente all'applicazione calcolando l'effetto utile del filtro e superando la logica della pura comparazione tra prodotti

• Idea di fondo … consentire che i filtri possano venire scelti in base a "calcoli", come qualunque altro componente di un impianto di climatizzazione (es. batteria di scambio termico)

• La procedura di intasamento con polvere sintetica è opzionale e non interferisce più coi valori di efficienza


Classificazione dei filtri orientata all'applicazione

• Confronto tra prodotti per consentire concorrenza equa sul mercato, ma in un contesto significativo (EU8? F7? MERV13?)

• Criterio di classificazione con numeri, senza "gabbie", cioè soglie tra classi senza rilevanza per l'applicazione (F8 vs. F9? M6 vs. F7?)

• Affinché i numeri abbiano valore, vanno legati alla realtà impiantistica (poco utile sapere che tutti i filtri catturano qualsiasi palla da tennis)

• Identificazione di una situazione tipica, o almeno significativa (pur riconoscendo che ogni impianto fa storia a sé)

Scelte• Filtro in un tipico impianto di ventilazione attraversato dal 100% di aria

esterna• Proprietà del materiale particellare da catturare: distribuzione della

dimensione del diametro equivalente (le particelle reali non sono sfere)

P. Tronville – Giornata ASSOCLIMA su ISO 16890 158.11.2017

Dati indispensabili per calcolo ePMx

1. Efficienza del filtro nell'intervallo di dimensioni preso in considerazione• Necessario estendere l'intervallo di misura fino a 10 µm (per attribuire

un valore "ePM10" al filtro)• Dimensione minima pari a 0,3 micrometri per non complicare e rendere

molto più costosa la misura, senza aggiungere valore2. Distribuzione della dimensione delle particelle presenti nell'aerosol

"virtuale e realistico" con cui calcolare ePMx

• Importante come l'efficienza del filtro per determinare il valore di ePMx

• Indispensabile per fornire indicazioni relative all'applicazione e non solo al componente

Quale distribuzione scegliere? Qualunque sia l'efficienza del filtro esiste sempre una distribuzione che fornisce l'efficienza attesa dal costruttore. Si è cercata quella più vicina al "vero" (non senza discussioni)


Fonte affidabile per dati su aerosol esterno• Distribuzione della dimensione delle

particelle in atmosfera (aria esterna in ingresso nell'impianto) determinata dalla fisica degli aerosol

• Distribuzione della dimensione delle particelle simile in qualsiasi città

• La concentrazione (massa di tutte le particelle per unità di volume di aria) varia invece in modo marcato: più elevata nelle aree inquinate

• Dove trovare questi dati? Il libro di Seinfeld e Pandis fornisce una risposta autorevole

• Solitamente distribuzione della dimensione delle particelle espressa come somma di distribuzioni log‐normali (modi)8.11.2017 P. Tronville – Giornata ASSOCLIMA su ISO 16890 17

Proprietà degli aerosol: massa, superficie e numero


Distribuzioni tipiche nel medesimo aerosol (esempio a scopo illustrativo)

Rosso: numeroVerde: superficieBlu: volume

Richard Flagan, AAAR tutorial notes, 2009.)()()()( 2

pppppS dddnddddndS

)()( pp dddndN

)()(6

)()( 3pppppV dddnddddndV

)()(6

)()( 3ppppppM dddnddddndM

Tipico aerosol urbano (Seinfeld e Pandis)


q3 urban


q3 rural

Tipico aerosol rurale (Seinfeld e Pandis)

Raffronto tra aerosol urbano e rurale• La distribuzione in massa della

dimensione delle particelle può essere rappresentata come una distribuzione bimodale

• Il valore assoluto della concentrazione particellare dipende dalle condizioni locali

ISO 16890 usa• distribuzione urbana per calcolo

di ePM1 e ePM2.5

• distribuzione rurale per il calcolo di ePM10


Figura preparata da Ing. Romanò

Distribuzione bimodale urbana adottata in UNI EN ISO 16890

Assunzioni:• Particelle sferiche• Densità uniforme• Trascurata differenza

tra diametro aerodinamico e ottico


Tronville & Rivers, ASHRAE Journal, May 2016

Calcolo di ePMxLa capacità di rimuovere la frazione ePMx si ottiene moltiplicando l'efficienza spettrale del filtro per la distribuzione delle dimensioni delle particelle


Calcolo di ePMx• Nell’intervallo di dimensioni delle particelle da 0,3 a 10 µm si osserva la

distribuzione in massa di particelle a monte del filtro (area in verde) e quella che penetra il filtro (area tratteggiata in rosso)

• La differenza tra le due aree rappresenta la massa di particelle trattenuta dal filtro


Perché ePMx e non PM?

• Valori di PM misurati in tutto il mondo• Procedura di campionamento richiede

attenzione per avere dati confrontabili• Definizione di PM non scontata come

potrebbe apparire a prima vista• Non si "rilevano" tutte le particelle più

piccole di una certa dimensione (non sono selezionate in modo perfetto)

Definizione in UNI EN ISO 16890‐1:PM2.5: materiale particellare che passa attraverso un ingresso selettivo in funzione della dimensione, con efficienza 50% in corrispondenza al diametro aerodinamico pari a 2,5 μm


Sonda di campionamento per PM2.5 e PM10

Disegno a lato costituisce parte della definizione ufficiale degli strumenti per la misura di PM10 e PM2.5

Usare il termine PM (non ePM) implicitamente significa tenere conto che:‐ parte delle particelle più piccole della dimensione considerata dovrebbero passare e invece sono arrestate all'ingresso‐ parte delle particelle più grandi della dimensione considerata dovrebbero essere trattenute all'esterno e invece entrano nel condotto di campionamento


Penetrazione per sonda di campionamento PM10

Fonte: US Code of Federal Regulations Title 40 Part8.11.2017 P. Tronville – Giornata ASSOCLIMA su ISO 16890 27

d Efficienza in ingresso

d Efficienza in ingresso

µm % µm %1 100 9 62.82 94.2 10 55.13 92.2 11 46.54 89.3 12 37.15 85.7 13 26.96 81.2 14 15.97 75.9 15 4.18 69.7 16 0.0

Penetrazione per sonda di campionamento PM2.5

Fonte: Peters et al., Aerosol Science & Technology, 34: 389‐397, 2001.

Intervallo di dimensioni:0 – 3.254 µm


Differenza tra calcolo e misura del PM

• "ePMx": valore calcolato, partendo dalla distribuzione della dimensione di riferimento (Seinfeld e Pandis)

• "PMx": valore misurato, influenzato dalla modalità di misura. Le centraline di misura del PM usano sonde di prelievo che modificano la distribuzione della dimensione delle particelle

• Conoscendo la curva di penetrazione della sonda di prelievo si potrebbe calcolare un valore più prossimo al PM misurato; l'utilità di questa operazione è discutibile

• Altra differenza tra "ePMx" e "PMx": l'efficienza del filtro secondo ISO 16890 non è misurata e disponibile sotto 300 nm. Quindi la massa di particelle sotto questa dimensione non viene usata per fare il calcolo di ePMx (impatto solitamente trascurabile rispetto alle incertezze di misura)


Scopo delle parti della ISO 16890:2016• Circuito di prova molto simile a quello utilizzato per EN 779 e ASHRAE 52.2• Contaminante di prova liquido (DEHS) per dimensioni tra 0,3 e 1,0 μm e

solido (KCl) per dimensioni tra 1,0 a 10 μm• Le 4 parti normano separatamente il metodo di prova e la classificazione• Parte 1: definisce il sistema di classificazione• Parte 2: indica le modalità per la misura dell’efficienza spettrale e della

resistenza al moto del filtro in funzione della portata d’aria.• Parte 3: descrive la misura dell'efficienza gravimetrica per i filtri che hanno

efficienza ePM10 inferiore al 50% (si può usare per la determinazione della capacità di accumulo di polvere sintetica tipo ISO Fine)

• Parte 4: definisce il processo per eliminare la carica elettrostatica del filtro intero con vapori di alcol isopropilico


Procedura di prova

• Determinazione dell’efficienza spettrale secondo Parte 2 sul filtro nuovo e dell’andamento della caduta di pressione in funzione della portata d’aria

• Eliminazione della carica elettrostatica secondo Parte 4• Determinazione dell’efficienza spettrale secondo Parte 2 sul filtro

condizionato/scaricato• Calcolo della curva di efficienza media tra quella del filtro nuovo e quella

del filtro condizionato• Classificazione del filtro secondo Parte 1• Eventuale misura dell’efficienza gravimetrica e della resistenza al moto in

funzione della polvere catturata dal filtro secondo Parte 3• La polvere sintetica per la determinazione dell’efficienza gravimetrica e

per la prova di accumulo è la L2 definita dalla ISO 15957:2015 (differente da quella usata nella EN 779:2012)


Classificazione secondo ISO 16890‐1:2016

Nella tabella sottostante ePMx,min è l’efficienza minima tra quella iniziale e quella misurata dopo l’eliminazione della carica elettrostatica.


Designazione gruppo

Requisito minimoValore dichiarato

ePM1,min ePM2,5, min ePM10

ISO Grossolano ‐ ‐ < 50% Eff. in massa iniziale

ISO ePM10 ‐ ‐ ≥ 50% ePM10

ISO ePM2,5 ‐ ≥ 50% ‐ ePM2,5

ISO ePM1 ≥ 50% ‐ ‐ ePM1

Calcolo ePMx guidato

• La norma è corredata da un foglio elettronico per la facile determinazione della classe di filtrazione

• Il foglio permette anche di calcolare l’effetto di due filtri in serie• Partendo dalla distribuzione iniziale della massa delle particelle e dalla

curva di efficienza del primo filtro si ottiene la curva di distribuzione della massa delle particelle a valle del primo filtro

• Da quest'ultima e dalla curva di efficienza del secondo filtro si calcola la distribuzione della massa delle particelle a valle del secondo stadio di filtrazione, valutando così l'efficienza dell'insieme della combinazione di filtri



d i d i+1 d m Δln d i E i E D,i E A,i ePM 1 ePM 2,5 ePM 10

0,30 0,50 0,39 0,51 66,0% 37,0% 51,5% Minimum 45% 56% ‐‐0,50 0,70 0,59 0,34 78,0% 49,0% 63,5% Average 59% 68% 89%0,70 1,00 0,84 0,36 86,3% 59,0% 72,7% Reported N/A* 68% 89%1,00 1,30 1,14 0,26 92,0% 68,0% 80,0%1,30 1,60 1,44 0,21 95,0% 75,0% 85,0%1,60 2,20 1,88 0,32 96,9% 83,0% 90,0%2,20 3,00 2,57 0,31 98,4% 91,0% 94,7%3,00 4,00 3,46 0,29 99,7% 96,5% 98,1%4,00 5,50 4,69 0,32 100,0% 98,6% 99,3%5,50 7,00 6,20 0,24 100,0% 100,0% 100,0%7,00 10,00 8,37 0,36 100,0% 100,0% 100,0%

ISO 16890‐1 Annex B, Example Filter AData Entry Table Reporting Data

* Any Reporting value of N/A shows the minimum efficiency is below 50% for that ePM value

Test Data To Be EnteredParticle counter channel boundaries must be entered


d i d i+1 d m Δln d i E i E D,i E A,i ePM 1 ePM 2,5 ePM 10

0,30 0,50 0,39 0,51 82,0% 79,0% 80,5% Minimum 84% 88% ‐‐0,50 0,70 0,59 0,34 90,0% 88,0% 89,0% Average 85% 89% 96%0,70 1,00 0,84 0,36 94,3% 93,0% 93,7% Reported 85% 89% 96%1,00 1,30 1,14 0,26 96,7% 96,0% 96,4%1,30 1,60 1,44 0,21 98,2% 98,0% 98,1%1,60 2,20 1,88 0,32 98,8% 98,5% 98,7%2,20 3,00 2,57 0,31 98,9% 98,7% 98,8%3,00 4,00 3,46 0,29 99,2% 99,0% 99,1%4,00 5,50 4,69 0,32 99,7% 99,6% 99,7%5,50 7,00 6,20 0,24 100,0% 100,0% 100,0%7,00 10,00 8,37 0,36 100,0% 100,0% 100,0%

ISO 16890‐1 Annex B, Example Filter BData Entry Table Reporting Data

Particle counter channel boundaries must be enteredTest Data To Be Entered


d i d i+1 d m Δln d i E A,i Filter A EA,i Filter B Ecum,i ePM 1 ePM 2,5 ePM 10

0,30 0,50 0,39 0,51 51,5% 80,5% 90,5% Calculated 94% 95% 99%0,50 0,70 0,59 0,34 63,5% 89,0% 96,0% Reported 94% 95% 99%0,70 1,00 0,84 0,36 72,7% 93,7% 98,3%1,00 1,30 1,14 0,26 80,0% 96,4% 99,3%1,30 1,60 1,44 0,21 85,0% 98,1% 99,7%1,60 2,20 1,88 0,32 90,0% 98,7% 99,9%2,20 3,00 2,57 0,31 94,7% 98,8% 99,9%3,00 4,00 3,46 0,29 98,1% 99,1% 100,0%4,00 5,50 4,69 0,32 99,3% 99,7% 100,0%5,50 7,00 6,20 0,24 100,0% 100,0% 100,0%7,00 10,00 8,37 0,36 100,0% 100,0% 100,0%

ISO 16890‐1 Annex D, cummulation of Filter A+BData Entry Table Reporting Data

Particle counter channel boundaries must be enteredTest Data To Be Entered

Conclusioni

• Nuovo sistema di classificazione orientato all'applicazione e non solo al componente

• Scelta della distribuzione della dimensione delle particelle fondata su dati affidabili e accettati dalla comunità scientifica

• Calcolo di ePM10 basato sulla distribuzione rurale per consentire di ottenere valori non troppo bassi e simili per diverse tipologie di filtri

• Valori numerici usati per la classificazione significativi e utili, anche se non generalizzabili in modo scriteriato

• Confronto tra filtri molto più significativo che in precedenza• La forza del nuovo approccio proposto dalla ISO 16890 risiede nella

possibilità di variare la distribuzione della dimensione delle particelle in funzione delle necessità di ogni applicazione



Grazie per l'attenzione!

8.11.2017

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