03 - air quality

Upload: tiago-henriques

Post on 01-Jun-2018

216 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    1/17

    1

    Indoor Air Quality (IAQ)

    Qualidade do Ar Interior  QAI

    Sources of  pollutants

    Effect on health and limits

    Pollutant emission from persons

    olf  and decipol units

    Mass balance to pollutantsUse of  recirculation with filters

    RSECE‐QAI Flow rates and limits

    Internal Air Quality (IAQ)

    •   For comfort, indoor air quality may be said to be acceptable 

    if not more than 

     –   50% of  the occupants can detect any odour

     –   20% experience discomfort

     –   10% suffer from mucosal irritation

     –   5% experience annoyance

    for less than 2% of  the time.

    •   To guarantee air quality 

     –  Maximum concentration of  certain pollutants are defined

     –  Minimum flow rate of  fresh air are defined per occupant

    Values depend on human activity and building materials

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    2/17

    2

    Sick Buildings

    •   sick building defined as a building in which a significant number (more than 20 percent) of  occupants report illness perceived as being building related.

      ,  ,  ,  , and throat irritation, dryness of  mucous membranes and skin, nose bleeds, skin rash, mental fatigue, headache, cough, hoarseness, wheezing, nausea, and dizziness.

    •   Identification of  main causes of  sick buildings in 80s (why?):

    Table from S. Wang  – Handbook of  Air Conditioning

    Reference ventilation rate

    •   Due to oil shock crisis the reference values were 

    lowered leading in the 80’s to health problems 

    Since 1989

    Untill when?    w

        r    a     t    e     (    m     3     /     h     /

        p    e    r    s    o    n     )

    How is the ventilation rate 

    related to energy consumption?

         F    r    e    s     h    a     i    r     f     l    o

    From José Luís Alexandre, FEUP

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    3/17

    3

    Sources of  pollutants

    •   Occupants (CO2, moisture, particles, odours)

    •   Smoking (CO2, CO, particles, PAHs, VOC, odours)

    •   Building materials (furniture coatings, adhesives, 

    carpets, dusts, house mites) ácaros

    •   Equipments (printers, copiers, computers, burners 

    and boilers) (gas and solid emissions and odours)

      , •   HVAC equipment (VOC (Refrig.), dust, legionella)

    •   Land and water (Radon, Chlorine) 

    Particulate Classification

    •   Dusts, fumes and smokes  – Mainly solid

    •   Mists fo s and smo s – Mainl li uid smaller 

    •   Bioaerosols  – Viruses, bacteria, fungal spores

    •   Acording to the size can be:

     –  Visible or invisible

     –  Macroscopic, microscopic or submicroscopic or

     –    .  

     –  Nowadays classified by mean diameter: PM10; PM2.5; etc.

    •   Accoding to the interaction with persons:

     –  Inhalable (

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    4/17

    4

    Limits and Health Effects•   Particulates  – Limit of  50 μg/m3 (1 year) and 150 

    μg/m3 (1 day). Main problem with diameters from 1 

    to 10 μm retained on body.

    •   CO (Carbon Monoxide)  – Colorless and odorless 

    affects O2 distribution in body (35/9 ppm @ 8/1h)

    •   VOC (Volatile Organic Compounds)  – Irritation of  

    .  •   Radon  ‐ colorless, odorless, inert radiative gas widely 

    found in soil, rocks, and water, created by the decay of  

    the radium and uranium. Fix in lung and give cancer.

    Legislation for air quality

    •   There are several sources of  information for limits of  

    pollutants for human occupation:

    •   Laboral legislation: NP 1796‐1988 Higiene e segurança no trabalho: valores limites de exposição para substâncias nocivas 

    existentes no ar dos locais de trabalho•   World Health Organization

    •   HVAC regulations/Regulations

    e.g. CO limits are established in ppm for short  (1h) 

    and long (8h) exposure.

    Values in ppm can be converted to mg/m3 (@25oC) by:

    5.24)()/(   3   iii M 

     ppm X mmgC   

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    5/17

    5

    CO/CO2 Limits (From José Luis Alexandre, FEUP)

    WHO(mg/m3)

    NP

    (mg/m3)

    ASHRAE 62‐2001

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    6/17

    6

        r     i    s    o    n

         A     E     C    o    m    p

         A     S     H

    ASHRAE Fundamentals 2009; Ch. 10

    RSECE  ‐ QAI

    Indicado em tabela que é PM10 

    UFC  – Unidades Formadoras 

    de Colónias

    Pesquisa obrigatória apenas em edifícios construídos em zonas 

    graníticas, nomeadamente nos 

    distritos de Braga, Vila Real, Porto, 

    Guarda, Viseu e Castelo Branco

    Bq  ‐ Becquerel corresponde 

    a uma desintegração de um 

    núcleo por segundo

    9—Em edifícios com sistemas de climatização em que haja produção de aerossóis, 

    nomeadamente onde haja torres de arrefecimento ou humidificadores por água líquida, 

    ou com sistemas de água quente para chuveiros onde a temperatura de armazenamento 

    seja inferior a 60oC as auditorias da QAI incluem também a pesquisa da presença de 

    colónias de Legionella em amostras de água recolhidas nos locais de maior risco, 

    nomeadamente tanques das torres de arrefecimento,  depósitos de água quente e 

    tabuleiros de condensação, não devendo ser excedido um número superior a 100 UFC.

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    7/17

    7

    Emissions from occupants I

    •   CO2 and H2O release depend on person and activity

    Tabela extraída de José Luis Alexandre, FEUP

    Emissions from occupants II

    ASHRAE A08: Ch. 45  – Control of  Gaseous Indoor Air Contaminants

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    8/17

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    9/17

    9

    Mass balance to pollutant•   Volumetric flows (  ) for new air (n), insuflation (i ), 

    infiltration from outside (o), extracted by ventilation (e)

      .

    •   Pollutant concentration (C ) with values in the room space (s), outside environment (o) and in the insuflation (i ) inlet.

    •   For a room of  volume V and air recirculation R:

    oso   C C V    onC V 

     iiC V  seC V 

    s

    se   C  RV    )1(   se RC V 

    The insulation and extraction are not always similar and in that case the 

    infiltration is not a direct exchange with the outside ambient. 

    If  there is no balance between all the streams the concentration in the room 

    may change along time (accumulation or decrease along time).

    Dilution with new air 

    sC V 

    sC V    G

      as   C C V   

    sC V    G

    oC V 

    •   Considering a global ventilation flow rate (  ) either forced or natural the concentration in the room may be obtained as:

    so   C V GC V        V GC C  os

    • Based on the person production of  19 L/h CO2 and with the limit of 1800 m m3 or 1000 m and with 400 m in the

     

    environment we can define the required new air flow rate:

     persson/3166710)4001000(

    196  h L

     X  X 

    GV 

    os

    Volumetric

    m3

    h pers.32The Oxygen requirement is lower and therefore is satisfied.CO2 limits from other sources are in general >2500 ppm ! 

    For CO limit with 40% smokers (calculate the value) + 2 m3/h pers.

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    10/17

    10

    Odours•   Outdoor  – Automotive exhaust, waste or sewage plants .

    •   Indoor  – tobacco, bathrooms, building materials, consumer products, humans.

    •   There are two important limits of  concentration:

     –    Threshold limit value (TLV)  – Value with adverse health consequences for exposure for 8h periods.

     –    Odor detection threshold (ODT)  – Concentration detected by olfact

    When the ratio between the two  (TLV/ODT) is low there is higher risk.

    •   Other properties of  odours are:

     –   

     –    Character (e.g. fishy, ,flowery). Level of  unpleasant or pleasant

    •   The detailed characterisation  of  odour sources can only be done by mass spectrometry and gas chromatography but in general is not necessary and only a global relative value is used.

    Pollutants quantification•   The olf  unit is defined as the emission of  air pollutants (bio‐

    effluents) generated by a standard person in thermal comfort

    •   The decipol is the resultant  erceived  oluttion level when the emission is ventilated with 10 L/s of  unpolluted air.

    •   The percentage of  dissatisfied persons is related with the 

    ventilation rate q 

    in (L/s)/olf  by:

    •   The ventilation rate for a given value of  sources and pollution 

    25.085.1exp395   qPPDO     PPDo=100 %  for q  14000 ppm  (1,4%)

      ][

    10/ DecipolC C 

    s LV OS  

      ][/   olf Gs LV q  

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    11/17

    11

    OLF Emission sources

    Emission (olf)

    olf  emissions per occupant  Aditional olf  emissions 

    from room type

    Offices 0.3 0  – 1

    Class rooms 0.3 0.1  – 0.6

    Auditory 0.5 0.1  – 1.3

    Room with carpets 1.5 0.1  – 4

    House 0.1 0  – 1

    Ventilation 0.2 0  – 0.4

    Outside polutant level in Decipol

    Pure Air (Mountain) 0 DecipolAir in city  0.05 to 0.3 Decipol

    If  the volume of  air per person decreases from 10 

    m3 to 1 m3 the emissoin in olf  is almost the double. 

    Table and values from José Luis Alexandre, FEUP

    Definition of  new air flow rate•   For Cs=1.4 Decipol the PPDO for IAQ  is 20%.

    •   Based on this value of  decipol and from outside 0.3: –    .

     –    Office as before with + 20% smokers: 23 L/s pers.

     –    Office as before with + carpet: 36 L/s pers.

    Recomended values from W.P. Jones  – Air Conditioning Engineering

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    12/17

    12

    ASHRAE 62‐2001

    Exigências de 

    caudais de ar 

    novo (RSECE)

    RPH

    nexo 

    Legislação anterior (98) exprimia valores em renovações por hora  (2ª coluna) e duplicava valores na presença de fumadores.

    Nova legislação exige valores superiores a 60 m3/h ocupante com extracção directa para exterior e pressão na zona de fumo inferior à restante Art 29 RSECE.

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    13/17

    13

    Pollutant Removal•   The removal of  most pollutants is made by air renewal. 

    •   The removal or  articulates includin   bioaerosols ma  

    also be achieved by filtering recirculated air. 

    •   Microorganisms can also be removed by UV radiation 

    or using biocides or antimicrobials.

    •   VOCs and non‐organic gases (CO2, CO, etc) can also 

    be adsorbed in activated carbon or  otassium 

    permanganate‐impregnated alumina and VOCs can be 

    converted in a catalytic surface using UV radiation.

    Mass Balance to Pollutant

    Scheme from ASHRAE

    •   The use of  local 

    filters or collection 

    of  pollutants is  just 

    deduced from the 

    generation term.

    Figura de ASHRAE HVAC Applications 07: Ch 45

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    14/17

    14

    ASHRAE 62‐2001

    •   Air renewal may start some 

    •   This norm includes the possibility of  treating transient cases.

      .

    •   After utilization air renewal 

    should also operate to lower 

    pollutants. 

    •   For transient situations:

     

     

     

     

      t V 

    o

    V  Initialss

    eV GC 

    eC C 

      1

    ,

    Mass Balance with Recirculation

    iC V 

    sC 

    se   C  RV    )1(  

    G

    mC V 

    •   The new air and extraction can be expressed as a fraction of  the 

    insuflation flow rate and the recirculation ratio R as indicated.

    seC V on

    se RC V 

      o

    C  RV    1   s RC V 

      m

      so

    som   RC C  R

     RC V C  RV C   

      1

    1

      naasV 

    GC 

     RV 

    GC C 

    1

    Without filters C i =C m

    The balance is the same as considering only the new air supply

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    15/17

    15

    Mass balance with filters

    •   Filters can be installed in the recirculation line or in 

    the insuflation line after the mixture.

    •   Considering the efficiencies of  these filters as εr  ;  εm:

    •   Or expressing the total flow:

    r mmo

    s R

    V G RC C 

      

     

    111

    11  

    •   The new air flow rate is 

       RC  RC V 

    mar ms   11111      

     RV V n     1

    Impingement panel filters

    •   Made of  coarse highly porous fibers coated with a viscous substance to stick particles.  Thickness from 13 to 100 mm and section up to 610x610 mm. Design at velocity from 1 to 4 m/s low De taP up to 125 Pa in operation , Low cost  goo   e iciency use  before higher efficiency filters.

    •   Renewable‐media filters are panels where the medium is replaced 

    from a roll and they may be viscous or dry panel.•   Dry extended‐surface filters (mangas) are supported by a wire 

    frame forming pocket. Media velocities range from 0.03 to 0.5 m/s, although approach velocities run to 4 m/s. Depth indirection of  a r ow var es  rom  o  mm.  ommerc a  es gns  yp ca y have an initial resistance from 25 to 250 Pa. It is customary to replace the media when the final resistance of  125 Pa is reached for low‐resistance units and 500 Pa for the highest‐resistance units. 

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    16/17

    16

    Electrostatic filters•   Electret filters are composed of  electrostatically charged fibers. 

    The electrical charges are loaded during the filter production. The 

    chages on the fibers augment collection of  smaller particles by 

    interception and diffusion (Brownian motion) with Coulomb forces 

    caused by the charges. There are three types of  these filters: resin 

    wool, electret, and an electrostatically sprayed polymer.

    •   Electronic air cleaners can be highly efficient filters using 

    electrostatic precipitation to remove and collect particulate 

    ,  ,  . 

    air  cleaner  denotes a precipitator for HVAC air filtration. The filter 

    consists of  an ionization section and a collecting plate section. 

    Charges of  6 to 25 kV are given to the dust and the particles are 

    later collected in grounded plates.

    High efficiency filters

    •   Very high‐efficiency dry filters, HEPA (high‐efficiency particulate air) filters, and ULPA (ultralow‐penetration air) i ters exten e   ‐sur ace con gurat on o   eep space  o s 

    of  submicrometre glass fiber paper. These filters operate at duct velocities near 1.3 m/s, with resistance rising from 120 

    to more than 500 Pa over their service life. These filters are the standard for cleanroom

    •   Membrane filters are used mainly for air sampling and specialized small‐scale applications where their particular 

    , resistance, and high cost. They are available in many pore diameters and resistances and in flatsheet and pleated forms.

  • 8/9/2019 03 - Air Quality

    17/17

    Efficiencies for different sizes•   Arrestance test  – Measures the mass that 

    is retained in the filter but it does not 

    show any influence of  the smaller dust.

    •   Dust spot  – Is a test that measures the 

    opacity of  a sample in a filter that 

    characterises the retention of  finer 

    particles.

    •   DOP Penetration Test  – For high efficiency filters is based on 

    the measuerement of  the rate of  droplets passing the filter 

    compared with upstream, with mean particle diamenter 0.3 

    μm !

    Typical filter efficiencies

    •   Panel‐type or automatic roll (70  to 85% arrestance)

    •  

    arrestance and 25 to 50% dust spot

    •   Extended surface, cartridge, bag, or electronic 

    (manually cleaned or replaceable media) 50 to 65% dust spot

    •   Use of  prefilter (75 to 85% and 25 to 40%) and e ectron c  ter or ot er w t   to  ust spot.

    •   Higher quality has second filter with 80 to 95% and further a high efficiency filter with DOP from 95 to 99.97% with a disposable cell.