DE102018129286B3

DE102018129286B3 - Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102018129286B3
Application number: DE102018129286.4A
Authority: DE
Inventors: Christoph Hitzke; Gunnar-Marcel Klein; Martin Klein; Volkmar Chowanietz; Florian Keller; Tobias Warth; Maximilian Bauch
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2038-11-22
Also published as: WO2020104144A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10), die zur Entfernung von Stäuben, insbesondere Feinstaub, und Schadgasen, insbesondere Stickoxiden, aus der Umgebungsluft ausgebildet ist. Die Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) weist ein Gehäuse (1) mit zumindest einer Strömungseintrittsöffnung (20) und zumindest einer Strömungsaustrittsöffnung (11) und zumindest ein zwischen der Strömungseintrittsöffnung (20) und der Strömungsaustrittsöffnung (11) angeordnetes Filterelement (13) sowie eine Luftstromerzeugungsvorrichtung (17) auf, die dazu ausgebildet ist, einen Luftstrom von der Strömungseintrittsöffnung (20) durch das Filterelement (13) zu der Strömungsaustrittsöffnung (11) zu erzeugen. Das Filterelement (13) weist zumindest einen Filterbalg aus einem gefalteten Kombifiltermedium auf, das zumindest eine Partikelfilterlage und zumindest eine Aktivkohlelage aufweist, die auf der Partikelfilterlage angeordnet ist, wobei die Aktivkohlelage Aktivkohlepartikel aus einem Aktivkohlematerial aufweist. Die Aktivkohlelage hat ein Flächengewicht von 200 bis 1200 g/m² und das Kombifiltermedium, insbesondere die Partikelfilterlage, ist elektrostatisch aufgeladen. Anspruchs 14. Darüber hinaus wird ein Betriebsverfahren für die Umgebungsluftreinigungsvorrichtung offenbart.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung und ein Betriebsverfahren für diese.
Stand der Technik
Weltweit besteht in vielen Ballungszentren das Problem, dass die Umgebungsluft durch Industrieabgase, den Straßenverkehr und private Feuerstätten vor allem bei widrigen Wetterlagen (kein Regen, Inversion, geringe Windgeschwindigkeiten, kein Luftaustausch zwischen Höhenschichten) Grenzwerte für Feinstaub und/oder Schadgase wie Ozon, NOx, CO um ein Vielfaches überschritten werden können. Maßnahmen, die zu einer Reduktion der Schadstoffkonzentrationen führen, können entweder in der Vermeidung oder Reduzierung von Emissionen und/oder der Abscheidung dieser Schadstoffe aus der Umgebungsluft liegen.
Es ist ein bereits im Stand der Technik dokumentierter Ansatz, stationär montierte Umgebungsluftreiniger zur Abscheidung von Luftschadstoffen einzusetzen. Solche Geräte verfügen in der Regel über ein durchströmbares Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, in dem ein Gebläse und ein Filter angeordnet sind, wobei es sich bei den Filtern um klassische Filterelemente aus porösen und für Luft durchlässigen Filtermedien und/oder um Elektroabscheider handeln kann. Die Umgebungsluftreiniger werden vorteilhaft an Orten mit lokal erhöhrter Schadstoffkonzentration aufgestellt, etwa im Außenbereich als auch im Innenbereich, Tunneln, unterirdische Bahnhöfen, Bushaltestellen etc.
Umgebungsluftreiniger, die in erster Linie Feinstäube adressieren sind beispielsweise aus der DE 20 2016 102 373 U1 in Form einer Werbesäule oder FR 27 87 175 A bekannt.
Ferner ist aus der WO 2017/216611 A1 eine Umgebungsluftreinigungsvorrichtung mit mehreren Filterstufen bekannt, mittels der neben PM10-Feinstäuben auch Schadgase wie Stickoxide (NOx), insbesondere Stickstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid und/oder Schwefeloxide gefiltert werden können. Nach welchem Abscheideprinzip die Schadgase aus der Luft entfernt werden sollen bleibt dort offen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Umgebungsluftreinigungsvorrichtung zu schaffen, die sich durch ihre Fähigkeit auszeichnet, sowohl Feinstäube (insbesondere PM10) als auch Schadgase, insbesondere Stickoxide, wirksam aus der Luft abzuscheiden und hierbei besonders energieeffizient betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Umgebungsluftreinigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Darüber hinaus ergibt sich die Aufgabe, ein Betriebsverfahren zu schaffen, welches es ermöglicht, eine erfindungsgemäße Umgebungsluftreinigungsvorrichtung unter einem realen Einsatzszenario technisch sinnvoll und wirtschaftlich zu betreiben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
Bevorzugte Weiterbildungen werden durch die jeweiligen abhängigen Ansprüche angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung zur Entfernung von Stäuben, insbesondere Feinstaub, und Schadgasen, insbesondere Stickoxiden, aus der Umgebungsluft ausgebildet und weist ein Gehäuse mit zumindest einer Strömungseintrittsöffnung und zumindest einer Strömungsaustrittsöffnung auf. Zwischen der Strömungseintrittsöffnung und der Strömungsaustrittsöffnung ist ein Filterelement angeordnete. Ferner weist diese eine Luftstromerzeugungsvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, einen Luftstrom von der Strömungseintrittsöffnung durch das Filterelement zu der Strömungsaustrittsöffnung zu erzeugen, wobei das Filterelement zumindest einen Filterbalg aus einem gefalteten Kombifiltermedium aufweist, das zumindest eine Partikelfilterlage und zumindest eine Aktivkohlelage aufweist, die auf der Partikelfilterlage angeordnet ist, wobei die Aktivkohlelage Aktivkohlepartikel aus einem Aktivkohlematerial aufweist. Die Aktivkohlelage hat ein Flächengewicht von 200 bis 1200 g/m² und das Kombifiltermedium ist elektrostatisch aufgeladen und die Partikelfilterlage des Kombifiltermediums weist eine Luftdurchlässigkeit bei 200 Pa von zumindest 300 l/m²s auf.
Bevorzugt liegt die untere Grenze für das Flächengewicht der Aktivkohlelage bei 350 g/m².
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung beträgt die Luftdurchlässigkeit der Partikelfilterlage des Kombifiltermediums bei 200 Pa zumindest 800 l/m²s, stärker bevorzugt zumindest 1500 l/m²s. So ist ein noch geringerer Druckverlust erzielbar, während aufgrund der Elektreteigenschaften des Kombifiltermediums eine dennoch gute Abscheideleistung erreicht werden kann.
Durch die elektrostatische Aufladung der Partikelfilterlage handelt es sich bei dieser um eine so genannte Elektretfilterlage.
Im Bereich der Raumluftfilter sind elektrostatisch geladene Filtermedien bekannt. Die Ladung und damit Wirksamkeit der elektrostatischen Partikelabscheidung baut sich jedoch im Laufe der Betriebszeit ab. In bisher bekannten Umgebungsluftreinigungsvorrichtungen zur Abscheidung von PM-Fraktionen werden zur Sicherstellung einer über einen möglichst großen Zeitraum gleich bleibend hohen Abscheideleistung bisher keine elektrostatisch geladenen Filtermedien eingesetzt, sondern ausschließlich Filtermedien, die auf mechanischer Abscheidung beruhen (so genannter Sperreffekt).
Lösungen zur Feinstaubabscheidung aus der Umgebung nach dem Stand der Technik, insbesondere PM 10, nutzen häufig Mikroglasfasermedien oder Polymerfasermedien in relativ hoher Faser-Packungsdichte und einer Luftdurchlässigkeit < 300 l/m²s bei 200 Pa. Bezogen auf ein V-Zellen-Filtermodul mit standardisiertem Rastermaß (Querschnitt von 600 mm × 600 mm) und einem Volumenstrom von 3.400 m³/h ergäbe sich mit einem solchen Filtermedium (nur Partikelfiltration) damit ein Druckverlust von ca. 150 Pa und mithin eine Strömungsverlustleistung von 142 W. Unter Annahme eines für Kleinventilatoren üblichen Wirkungsgrad von <=50 % resultiert ein elektrischer Leistungsbedarf von ca. 300 W.
Der Leistungsbedarf, der erforderlich wäre, um eine kombinierte PM10 und NO2 Reduktion zu erzielen, würde bei Verwendung der oben beschriebenen Technologie mit hochabscheidendem Filtermedium mit geringer Luftdurchlässigkeit deutlich über 300 W pro V-Zellen-Filtermodul hinausgehen, da zusätzliche Strömungsleistung erforderlich ist, um die Strömung durch eine zur Adsorption von NO₂ vorgesehen Aktivkohleschicht zu fördern. Der zusätzliche Druckverlust bei Verwendung eines Kombinationsmediums aus hochabscheidender Partikelfilterlage (bspw. mit PM10 Abscheidung > 80 %) und Aktivkohlelage resultiert aus dem zusätzlichen Druckverlust bei Durchströmung der Aktivkohlefilterlage sowie der durch die notwendige Reduzierung der Faltenzahl erhöhte Filterflächenbelastung. Die Faltenzahl ist bei einem Kombinationsfiltermedium mit einer mehr als verdoppelten Filtermediendicke etwa um 50 % zu reduzieren. Für den Betrieb des oben genannten V-Zellen-Filtermoduls ergäbe sich ein Leistungsbedarf von ca. 800 W (2 x (300 W + 100 W für Aktivkohlelage)).
Gemäß der Erfindung ist nun jedoch vorgesehen, ein vergleichsweise „offenes“ Partikelfiltermedium (Luftdurchlässigkeit > 300 l/m2 h bei 200 Pa, insbesondere > 800 l/m²s, bevorzugt sogar > 1500 l/m²s) einzusetzen, welches elektrostatisch aufgeladen ist, wodurch der Druckverlust der Partikelfilterlage gering gehalten werden kann. Konkret kann dieser ca. auf 1/3 des o.g. Wertes gesenkt und der Leistungsbedarf für den Betrieb eines V-Zellen-Filtermoduls dadurch um 50 % auf ca. 400 W reduziert werden (2 x (100 W für Partikelfilterlage + 100 W für Aktivkohlelage)).
Zur Sicherstellung eines hohen PM10 Abscheidegrades von beispielsweise > 80 % nutzt die erfindungsgemäße Lösung nun das Zeitverhalten des Fraktionsabscheidegrades der elektrostatisch wirkenden Partikelfilterlage (Elektretfilterlage) im Zusammenspiel mit der Gasdurchbruchscharakteristik der Aktivkohlefilterlage aus. Durch die - im Vergleich zur reinen Feinstaubabscheidung - deutlich kürzeren Serviceintervalle der Aktivkohlefilterlage wird die Elektretfilterlage immer im optimalen Funktionsbereich betrieben, in dem der initiale elektrostatische Abscheideeffekt noch weitgehend erhalten ist und eine PM10 Abscheidung > 80 % gewährleistet ist.
Die erfindungsgemäße Umgebungsluftreinigungsvorrichtung ist dazu vorgesehen, im öffentlichen Außen- oder Innenraum, etwa an innerstädtischen Schadstoff-Hotspots, insbesondere in unmittelbarer Nähe eines Fahrwegs, aufgestellt zu werden.
Die Luftdurchlässigkeit der Partikelfilterlage beträgt in einer bevorzugten Ausführung bei 200 Pa zumindest 2000 l/m²s, am meisten bevorzugt werden sogar noch höhere Werte. Hinsichtlich des Flächengewichts der Aktivkohleauflage wird ein Bereich zwischen 200 und 1200 g/m² als technisch sinnvoll angesehen, da hier ein vorteilhaftes Verhältnis zwischen dem Druckverlust und der vorgehaltenen Adsorptionskapazität besteht.
Die sich bei einer Aktivkohlelage mit hierin spezifiziertem Flächengewicht und einer Partikelfilterlage mit hierin spezifizierter Luftdurchlässigkeit ergebende Dicke des Kombifiltermediums beträgt etwa 1,5 bis 3,5 mm. Das sich hieraus ergebende Flächengewicht des Kombifiltermediums (inkl. Aktivkohle) wird in einem Bereich zwischen 400 und 1200 g/m² liegen.
Filtermedien, welche sowohl eine Partikelfiltrationsfunktion als auch eine Adsorptionsfunktion haben werden üblicherweise als Kombifiltermedien bezeichnet. Die Aktivkohlepartikel sind bevorzugt bezüglich der Partikelfilterlage immobilisiert, etwa durch Schmelzkleberfäden, welche bei der Herstellung des Kombifiltermediums als dünnes Netzwerk aufgebracht werden.
Die Aktivkohlelage selbst kann bevorzugt auch eine Mehrzahl von verschiedenen Aktivkohlen aufweisen, welche jeweils ein unterschiedliches Zielgasspektrum haben können. Insbesondere können imprägnierte Aktivkohlen zum Einsatz kommen, bevorzugt basisch imprägnierte Aktivkohlen. Es können aber auch imprägnierte Aktivkohlesorten mit nichtimprägnierten, wasserdampfaktivierten Standardkohlen in einer Schicht gemischt eingesetzt werden oder diese werden in aneinander angrenzenden Schichten aufgebracht. Das Rohmaterial der Aktivkohlen sind meist Kokosnussschalen, welche in einem Drehrohrofen oder in einem Wirbelschichtreaktor wasserdampfaktiviert werden. Mögliche Imprägniermittel, je nach Zielgasspektrum, sind beispielsweise Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid und/oder Kaliumcarbonat.
Als vorteilhafter Effekt des Einsatzes von Aktivkohle in der erfindungsgemäßen Umgebungsluftreinigungsvorrichtung ergibt sich eine signifikante Reduktion des Ozongehalts in der Umgebungsluft (je nach eingesetzter Kohlesorte bis zu 99 %), wodurch, da Ozon ein starkes Oxidationsmittel ist, ein natürliches Gleichgewicht von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid dahingehend verlagert wird, dass ein vergleichsweise größerer Anteil Stickstoffmonoxid vorhanden ist, welches erstens für den menschlichen Körper weniger schädlich ist und zweitens daher nicht durch den Filter adsorbiert werden muss.
Erfindungsgemäß ist die in der Aktivkohlelage vorgesehene Aktivkohlemenge derart ausgelegt, dass deren Adsorptionskapazität für ein vorbestimmtes Schadgas, insbesondere ein Stickoxid, bei einer vorbestimmten Schadgaskonzentration in der Umgebungsluft erschöpft ist bevor die durch die elektrostatische Ladung des Kombifiltermediums hervorgerufene Abscheidewirkung einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet. Bevorzugt kann der vorbestimmte Schwellwert eine ePM10 Effizienz gemäß ISO16890 von mindestens 50 % im Vergleich zum Neuzustand betragen.
Hierin liegt der Kerngedanke der Erfindung: Aufgrund des Einsatzes einer Partikelfilterlage mit vergleichsweise hoher Luftdurchlässigkeit, welches elektrostatisch geladen ist, und der Anpassung der „Standzeit“ der Aktivkohlelage auf einen maximal sinnvoll unter Beibehaltung der elektrostatischen Abscheidewirkung möglichen Betriebszeitraum des Partikelfiltermediums ergibt sich ein besonders energiesparender Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung und damit eine reale Praxistauglichkeit.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann das Aktivkohlematerial eine NO_x-Adsorptionskapazität nach 3h, insbesondere bei einer Probenmenge von 1 g und einem Volumenstrom von 12 l/min, gemäß ISO 11155-2 bei 30 ppm NO_x-Konzentration zwischen 20 und 200 mg/g aufweisen, insbesondere zwischen 50 bis 150 mg/g.
Die Prüfgaskonzentration von 30 ppm wird bewusst hoch gewählt, um die Adsorptionskapazität der Aktivkohle in einer wirtschaftlich vertretbaren Zeitspanne unter Laborbedingungen bestimmen zu können. Bei für hochbelastete verkehrsnahe Gebiete typischerweise auftretenden Konzentrationen um 50 ppb ergäbe sich ein Vielfaches der Messzeit bis zum Erreichen der Sättigungskapazität, welche bei der genannten Konzentration insbesondere im Bereich 10-100 mg/g zu erwarten ist, da sich bei geringerem NO_x-Partialdruck im Prüfgas die Sättigungskapazität der Aktivkohle verringert, der Gasdurchbruch jedoch im Vergleich zu einer höheren Gaskonzentration geringer ist.
Eine weitere, ebenfalls bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Filterelement ein V-Zellenelement ist, das zumindest sechs, bevorzugt zumindest acht, jeweils V-förmig zueinander angeordnete Filterbälge aufweist (die einzelnen V-Zellen), die insbesondere von einem gemeinsamen Rahmen gehalten werden. Diese Filterelementkonfiguration hat sich für den Einsatz in einer stationären Umgebungsluftreinigungsvorrichtung als besonders vorteilhaft erwiesen, da eine besonders große Filterfläche bei einem geringem Anströmflächenquerschnitt untergebracht werden kann.
Die Filterfläche eines einzelnen Balgs kann hierbei etwa 0,5 bis 2,5 m² betragen, bevorzugt 1 bis 1,6 m², so dass sich bei acht Einzelbälgen Filterflächen der Vorrichtung zwischen 4 und 20 m² ergeben. Die Abmessungen der Einzelfilterbälge des V-Zellenelements können dabei beispielhaft wie folgt ausgelegt sein:

Länge:: 250 - 600 mm
Breite: 250 - 600 mm
Höhe:: 20 - 50 mm
Faltenhöhe:: 20 - 50 mm
Faltenabstand:: 4 - 12 mm

Ferner kann das Kombifiltermedium zumindest eine weitere Lage aufweisen, die insbesondere auf einer der Partikelfilterlage abgewandten Seite der Aktivkohlelage angeordnet ist.
Bei der weiteren Lage kann es sich insbesondere um eine Trägerlage handeln, bezüglich der die Aktivkohlepartikel der Aktivkohlelage immobilisiert sind; dies kann durch Schmelzkleberfäden, welche bei der Herstellung des Kombifiltermediums als dünnes Netzwerk aufgebracht werden, erfolgen. Die Trägerlage kann insbesondere eine Luftdurchlässigkeit bei 200 Pa von größer als 3000 l/m²s und/oder ein Flächengewicht zwischen 25 g/m² und 75 g/m² aufweisen. Die Luftdurchlässigkeit der Trägerlage ist erfindungsgemäß größer als die Luftdurchlässigkeit der Partikelfilterlage. Die Trägerlage wird bevorzugt anströmseitig angeordnet, sodass sich dadurch bereits bevor die Luftströmung die Aktivkohle und die Partikelfilterlage erreicht eine gewisse Vorabscheidung ergibt, welche dazu beitragen kann, die Standzeit in der Partikelfilterlage zu erhöhen bzw. deren elektrostatische Aufladung länger aufrecht zu erhalten, insbesondere, da in der Trägerlage auch Wassertropfen zurückgehalten werden, welche für die elektrostatische Ladung schädlich sind. Bei der Trägerlage kann es sich um sehr luftdurchlässige spinngelegte Medien und/oder Spinnvliese handeln.
Gemäß einer noch weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Partikelfilterlage ein Spinnvliesmaterial, insbesondere Polyethylenterephthalat- oder Polypropylen-Spinnvliesmaterial, und/oder ein Nadelvliesmaterial, insbesondere ein Polypropylen- oder Polyethylenterephthalat-Nadelvlies, und/oder eine Meltblownlage aufweisen und/oder ein Mehrkomponentenfasermaterial, insbesondere mit Bikomponentenfasern mit einer Polypropylen/Polyacrylnitril-Komponente aufweisen.
Konkret kann die elektrostatisch geladene Partikelfilterlage (Elektretfilterlage) wie folgt aufgebaut sein:

(a) PET-Spinnvlies (10 - 40 g/m²) + Meltblownlage (10 - 60 g/m²) oder
(b) PP/PAN-Bikomponentenfasern + PP-Spinnvlies (10 - 30 g/m²) + PP/PAN-Nadelvlies (15 - 100 g/m²)
(c) Ein- oder mehrlagiges Spinnvlies aus Bikomponentenfasern PP/PP (30 - 120 g/m²), insbesondere mit einem PP-Homopolymer und einem Metallocen-Polypropylen.

Alternativ oder zusätzlich können die Aktivkohlepartikel des Aktivkohlematerials eine Korngröße von 10 bis 80 mesh, insbesondere 30 bis 60 mesh, aufweisen und/oder das Aktivkohlematerial eine BET-Oberfläche von 500 bis 1500 m2/g aufweisen.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann die Umgebungsluftreinigungsvorrichtung eine Steuerungsvorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, zumindest in Abhängigkeit eines Niederschlagsparameters der Umgebung einen Betriebszustand der Luftstromerzeugungsvorrichtung zu beeinflussen, insbesondere dazu, diese bei Regen abzuschalten. Es ist bekannt, dass unter der Einwirkung von Feuchtigkeit die elektrostatische Aufladung von Filtermedien leidet und sich dieses schneller entlädt. Um den elektrostatischen Abscheideeffekt länger beibehalten zu können wird nun bevorzugt vorgesehen, die Luftstromerzeugungsvorrichtung bei Regen und/oder Überschreiten einer vorbestimmten relativen Grenzluftfeuchte abzuschalten oder diese zumindest in ihrer Leistung zu reduzieren. Der Niederschlagsparameter kann aus einem Niederschlagssensor (Regensensor) der Umgebungsluftreinigungsvorrichtung selbst bezogen werden oder aber unter Nutzung von Wetterdaten, die bspw. über mobile Datennetze bereitgestellt werden.
Gemäß einer noch weiteren Ausführungsform kann das Kombifiltermedium zumindest eine noch weitere Lage aufweisen, die als antimikrobielle und/oder antiallergene Lage ausgebildet ist, die zumindest einen antimikrobiellen und/oder antiallergenen Stoff aufweist. Durch diese Maßnahme kann die Umgebungsluftqualität unter einem weiteren wichtigen Aspekt verbessert werden.
Der antimikrobielle, insbesondere antibakterielle oder biozide, Stoff schützt das Filtermedium oder Teile bzw. Schichten desselben davor, dass dieses bzw. diese von Mikroorganismen wie z. B. Pilzen oder Pilzsporen, insbesondere Schimmelpilze oder Schimmelpilzsporen, Bakterien oder Algen, welche in lebendiger, fortpflanzungsfähiger oder ausbreitungsfähiger Form vorliegen können, befallen wird bzw. sich solche Mikroorganismen in dem Filtermedium ausbreiten oder dieses durchwachsen.
Der antiallergene Stoff kann beispielsweise feinste Pollenpartikel und sonstige Allergene, die nicht immer von dem Filtermedium vollständig zurückgehalten werden können, für den menschlichen Körper bzw. dessen Immunsystem zumindest teilweise unschädlich machen.
Als antimikrobieller Stoff kann insbesondere Zink-Pyrithion dienen. Alternativ oder zusätzlich kann Octa-isothiazolon als antimikrobieller Stoff verwendet werden. Die zweite Filterschicht kann ferner antimikrobielle Stoffe auf der Basis von Nanosilber enthalten. Die zweite Filterschicht kann auch antimikrobiellen Metallen und Metallverbindungen, insbesondere Silber, Kupfer und Aluminiumverbindungen und/oder 2-Brom-2-nitropropan-1,3-diol, weitere Isothiazolinverbindungen, Benzoesäure und deren Derivate, Benzalkoniumhalogenide, wasserlösliche Coenzyme, öllösliche Coenzyme, Pflanzenextrakte, Antibiotika, biozide Metalle, aliphatische und/oder aromatische Fettsäuren und/oder quartäre Tenside als antimikrobielle Stoffe enthalten.
Als antiallergene Stoffe kommen insbesondere Polyphenole, wie Katechine, Tannide oder Flavonoide, in Frage. Es können insbesondere Kaffee-, Gallus-, Ellagin-, Tanninsäure, Cyanidin, Procyanidin, Proanthocyanidine, Rutin, Quercitin, Resveratol verwendet werden. Polyphenole binden vorzugsweise antiallergene Stoffe, sodass die allergische Wirkung vermindert werden kann. Allergene Pollen werden beispielsweise von Polyphenolen denaturiert. Der antiallergene Stoff kann ferner antiallergene Enzyme aufweisen. Antiallergen Enzyme spalten vorzugsweise allergen wirkende Proteine in kleinere unschädlichere Bestandteile auf.
Die noch weitere Filterlage selbst kann mehrlagig aufgebaut sein. In der Reihenfolge der Durchströmung kann z. B. auf die antimikrobielle Filterschicht eine antiallergene Filterschicht folgen. Alternativ können auf die antimikrobiellen und antiallergenen Stoffe auch in ein und derselben Lage vorgesehen sein.

Alternativ oder zusätzlich kann die Partikelfilterlage folgende Filtrationsparameter im nicht entladenen Zustand aufweisen:

ePM1 Effizienz gemäß ISO 16890:	30 - 99 %
ePM2.5 Effizienz gemäß ISO 16890:	40 - 99,5 %
ePM10 Effizienz gemäß ISO 16890:	50 - 99,9 %
Staubspeicherkapazität ISO Fein A2 Staub bei +50Pa gem. DIN71460-1: 10 - 80 g/m², insbesondere 20 - 60 g/m².

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren einer stationären Umgebungsluftreinigungsvorrichtung mit folgenden Schritten:

a) Mittels der Luftstromerzeugungsvorrichtung der Umgebungsluftreinigungsvorrichtung Fördern von Umgebungsluft durch das zumindest eine Filterelement, dabei Adsorbieren zumindest eines vorbestimmten Schadgases in der Aktivkohlelage des Kombifiltermediums des Filterelements,
b) So lange Durchführen von Schritt a) bis die Adsorptionskapazität des in der Aktivkohlelage vorhandenen Aktivkohlematerials für das vorbestimmte Schadgas bei einer vorbestimmten Schadgaskonzentration in der Umgebung erschöpft ist, jedoch bevor die durch die elektrostatische Ladung des Kombifiltermediums hervorgerufene Abscheidewirkung einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, dadurch Erreichen eines Auslegungs-Serviceintervalls,
c) Austauschen des aus Schritt b) beladenen Filterelements gegen ein neues Filterelement mit unverbrauchter Filterkapazität.

Die mit einer derartigen Betriebsführung verbundenen Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz wurden bereits bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassend beschrieben; die in diesem Zusammenhang genannten Wirkungen und Vorteile sind analog auf das Betriebsverfahren übertragbar.
Das Auslegungs-Serviceintervall kann in einem Bereich zwischen 2 d und 200 d liegen. Dessen konkreter Wert hängt in erste Linie von einem in der konkreten Vorrichtung eingesetzten Flächengewicht an Aktivkohle und der durch die Umgebungsluftreinigungsvorrichtung geführten Luftmenge ab. Bei einem Einsatz zur Reduzierung der Schadstoffbelastung in der Umgebung, insbesondere an verkehrsnahen Schadstoff-Hotspots, ist hierbei anhand einer geeigneten Auslegung des Filterelements, insbesondere des Kombifiltermediums, auch eine wirtschaftliche Optimierung hinsichtlich der Gesamtbetriebskosten unter Einbeziehung von Wartungskosten ermöglicht.
Eine beispielhafte Auslegungsrechnung für eine erfindungsgemäße Umgebungsluftreinigungsvorrichtung zur Aufreinigung eines mit Stickstoffdioxid belasteten Straßenabschnitts ist im Folgenden zu finden.
Bei einer angenommenen Konzentration von NO₂ in der Umgebungsluft zu $C_{NO 2} = 0,1 {mg/m}^{3}$
und einem angenommenen Volumenstrom durch die Umgebungsluftreinigungsvorrichtung $V_punkt_Luft = 20.000 m^{3} /h$
ergibt sich eine durch die Umgebungsluftreinigungsvorrichtung geführte Stoffmasse NO₂ pro Zeiteinheit zu $k_{Aktivkohle} = 50 g_{NO2} {/kg}_{Aktivkohle}$
unter Berücksichtigung einer Adsorptionskapazität einer typischen Aktivkohle von $m_punkt_Aktivkohle = {m_punkt_}_{NO2} {/k}_{Aktivkohle} =0 {,04 kg}_{Aktivkohle} /h$
ergibt sich dadurch ein „Aktivkohleverbrauch“ pro Zeiteinheit von $m_punkt_Aktivkohle = {m_punkt_}_{NO2} {/k}_{Aktivkohle} =0,04 {kg}_{Aktivkohle} /h$
Bei einem Filterelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Kombifiltermedium mit einem hier beispielhaft angenommenen Flächengewicht der Aktivkohlelage von 1000 g/m² und einer Gesamtfilterfläche von 36 m² (was für bei einem Einsatz von mehreren hierin beschriebenen V-Zellenelementen mit jeweils acht Filterbälgen ein realistischer Wert ist) ergibt sich eine Gesamtaktivkohlemasse in der Umgebungsluftreinigungsvorrichtung von $m_{Aktivkohle} = 36 kg .$
Würden 100 % des durch das Filterelement der Umgebungsluftreinigungsvorrichtung strömenden NO₂ aus der Luft entfernt werden können, ergäbe sich aus dieser Gesamtaktivkohlemasse eine maximale Standzeit der Aktivkohlelage von 37,5 Tagen bis die Adsorptionskapazität erschöpft ist, sodass ein Service (=Austausch des Filterelements) mit diesem Intervall nötig wäre.
Bei einer angenommenen NO₂-Emission eines typischen Dieselfahrzeugs von 300 mg/km ergäbe sich auf einer beispielhaft angenommenen Fahrstrecke von 500 m (Schadstoff-Hotspot) eine Gesamtemission von NO₂ von 150 mg/Tag und Dieselfahrzeug.
Es wäre somit möglich (bei einer angenommenen NO₂-Abscheidung von 100 %) anhand der Umgebungsluftreinigungsvorrichtung für den o. g. Zeitraum von 37,5 Tagen die Emissionen von rund 533 Fahrzeugen mit o. g. NO₂-Emissionen komplett zu kompensieren oder aber die Emissionen von weit mehr Fahrzeugen zu einem nicht unerheblichen Anteil bilanziell zu reduzieren. Unter Berücksichtigung einer über Serviceintervalle in dieser Größenordnung realistischen NO₂-Abscheidung von gemittelten 80 % ergäbe sich ein entsprechend kleinerer Wert für die Anzahl der kompensierbaren Fahrzeugemissionen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, Beschreibung und Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:

1 eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Umgebungsluftreinigungsvorrichtungs-Anordnung;
2 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Umgebungsluftreinigungsvorrichtungs-Anordnung mit Blick ins Gehäuseinnere;
3 eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Umgebungsluftreinigungsvorrichtung mit Blick ins Gehäuseinnere.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Umgebungsluftreinigungsvorrichtungs-Anordnung 100 in einer isometrischen Ansicht gezeigt. Diese weist drei übereinander angeordnete Umgebungsluftreinigungsvorrichtungen 10 auf, die mit einem vorbestimmten Abstand 102 zu einander gestapelt sind. Die Umgebungsluftreinigungsvorrichtungs-Anordnung 100 erlaubt auch eine andere Anordnung der würfelförmig ausgebildeten Umgebungsluftreinigungsvorrichtungen 10, etwa nebeneinander. Jede der Umgebungsluftreinigungsvorrichtungen 10 ist ein funktionell eigenständig funktionsfähiger Umgebungsluftreiniger, d. h. weist ein Filterelement, ein Gebläse und zugeordnete Lufteintritts- und Luftauslassöffnungen auf. An ihrem unteren Ende hat die Umgebungsluftreinigungsvorrichtungs-Anordnung 100 einen Sockel 106, mit dem diese in einer Montageanordnung auf einem Fundament, etwa aus Beton, befestigbar ist. Die Gesamthöhe der Vorrichtung kann bei 1,5 bis 6 m liegen.
Die äußeren Sichtflächen der Gehäuse 1 der einzelnen Umgebungsluftreinigungsvorrichtungen 10 werden durch Außengehäuseelemente 181 gebildet, die plattenförmig ausgebildet und einzeln austauschbar sein können.
In der 2 ist die Umgebungsluftreinigungsvorrichtungs-Anordnung 100 nun in einer Seitenansicht gezeigt, wobei die Verbindung der einzelnen Umgebungsluftreinigungsvorrichtungen 10 anhand der Abstandhalters 105, der insbesondere geschraubt sein kann, erkennbar ist. Ferner können die Vorrichtungsbestandteile im Inneren des Gehäuses 1 eingesehen werden. Das Gehäuse 1 ist dabei zweischalig aufgebaut, wobei es ein Innengehäuse 19 und ein Außengehäuse 18 aufweist. Das Innengehäuse 19 ist als Funktionsgehäuse ausgeführt, in dem die Luftstromerzeugungsvorrichtung 17 und das Filterelement 13 angeordnet sind und das die Lufteintrittsöffnung 20 sowie die Luftaustrittsöffnung 11 aufweist. Das Filterelement 13 wird im Saugbetrieb durchströmt, und weist anströmseitig ein Vorfiltervlies 15 auf, das mittels eines Rahmens 14 befestigt ist. Bei dem Hauptfilterelement handelt es sich vorliegend um ein V-Filterelement aus 8 Einzelfaltenbälgen. Alternativ kann es sich bei dem Hauptfilterelement auch um einen Einzelbalg handeln.
Das Filterelement 13 weist erfindungsgemäß ein Kombifiltermedium auf, das zumindest eine Partikelfilterlage und zumindest eine Aktivkohlelage mit Aktivkohlepartikeln aus einem Aktivkohlemedium aufweist. Die Aktivkohlelage hat ein Flächengewicht von 200 bis 1200 g/m² und das Kombifiltermedium ist elektrostatisch aufgeladen und die Partikelfilterlage des Kombifiltermediums weist gemäß dieses Ausführungsbeispiels eine Luftdurchlässigkeit bei 200 Pa von zumindest 1500 l/m²s auf. Weit höhere Werte sind für die Luftdurchlässigkeit ebenso möglich. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern erfasst Kombifiltermedien mit einer Luftdurchlässigkeit in der Partikelfilterlage von zumindest 300 l/m²s ebenfalls.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, ein vergleichsweise luftdurchlässiges Partikelfiltermedium einzusetzen, welches elektrostatisch aufgeladen ist, wodurch der Druckverlust der Partikelfilterlage gering gehalten werden kann, dabei jedoch ein sehr hoher Anfangsabscheidegrad sichergestellt werden kann.
Zur Sicherstellung des hohen PM10 Abscheidegrades von beispielsweise > 80 % nutzt die erfindungsgemäße Lösung nun das Zeitverhalten des Fraktionsabscheidegrades der elektrostatisch wirkenden Partikelfilterlage (Elektretfilterlage) im Zusammenspiel mit der Gasdurchbruchscharakteristik der Aktivkohlefilterlage aus. Durch die - im Vergleich zur reinen Feinstaubabscheidung - deutlich kürzeren Serviceintervalle der Aktivkohlefilterlage (siehe o. g. Beispielrechnung) wird die Elektretfilterlage immer im optimalen Funktionsbereich betrieben, in dem der initiale elektrostatische Abscheideeffekt noch weitgehend erhalten ist und eine PM10 Abscheidung > 80 % gewährleistet ist.
Bei der Luftstromerzeugungsvorrichtung 17 handelt es sich vorliegend um ein Radialgebläse 17, welches ansaugseitig aus akustischen Gründen ein Strömungsleitgitter 16 aufweist. Alternativ können auch Axialgebläse eingesetzt werden, wenn diese im konkreten Einzelfall zur Anlagenkennlinie passen.
Das Innengehäuse 19 stellt einen Strömungskanal 192 bereit, der sich in Strömungsrichtung S hinter der Luftstromerzeugungsvorrichtung 17 weitet, um die Strömungsgeschwindigkeit zu reduzieren, was in der Abbildung durch die Strömungspfeile S angedeutet ist. Zwischen dem Innengehäuse 19 und dem Außengehäuse 18 liegt ein Spalt 191 vor, der die im Innengehäuse 19 angeordnete Anlagentechnik vor Beschädigungen durch Vandalismus bedingte mechanische Einwirkungen schützt, indem dieser einen Verformungsraum für die Außenhülle bereitstellt.
Die Luftstromerzeugungsvorrichtung 17 wird durch einen Elektromotor angetrieben, wozu die Umgebungsluftreinigungsvorrichtungs-Anordnung 100 einen Stromanschluss 103 aufweist, der an einer Seitenwand 104 des Sockels 106 vorliegt und in einer Montageanordnung mit einer Versorgungsleitung verbindbar ist.
Im Gehäuse 1, nämlich im Spalt 191 zwischen Innen- 19 und Außengehäuse 18, ist zudem ein Schadstoffsensor 12, insbesondere ein Feinstaubsensor 12 zur Messung von PM2,5 und PM10, angeordnet, mittels dem zumindest einen Luftqualitätsmesswert an der Lufteintrittsöffnung 20 erfassbar ist.
Das Innengehäuse 19 und das Außengehäuse 18 sind vorliegend mittels einer inneren Gitterstruktur 21 verbunden, über die im Wesentlichen die Gehäusesteifigkeit bereitgestellt wird.
3 zeigt eine Umgebungsluftreinigungsvorrichtung 10, die der in 2 gezeigten entspricht, in einer isometrischen Ansicht, wobei die räumliche Anordnung der inneren Vorrichtungsbestandteile besser erkennbar ist. Die Wandungen sowohl des Innengehäuses 19 als auch des Außengehäuses 18 sind dazu teilweise ausgeblendet. Die Außengehäuseelemente 181 können als eine Tür an der Gitterstruktur 21 gelagert an Türscharnieren und mit einem Schloss versehen ausgeführt sein, über die das Vorvlies und das (Haupt-) Filterelement 13 mit den Filterbälgen aus Kombifiltermedium zugänglich sind und ausgetauscht werden können.

Claims

Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10), die zur Entfernung von Stäuben, insbesondere Feinstaub, und Schadgasen, insbesondere Stickoxiden, aus der Umgebungsluft ausgebildet ist, wobei die Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) ein Gehäuse (1) mit zumindest einer Strömungseintrittsöffnung (20) und zumindest einer Strömungsaustrittsöffnung (11) und zumindest ein zwischen der Strömungseintrittsöffnung (20) und der Strömungsaustrittsöffnung (11) angeordnetes Filterelement (13) sowie eine Luftstromerzeugungsvorrichtung (17) aufweist, die dazu ausgebildet ist, einen Luftstrom von der Strömungseintrittsöffnung (20) durch das Filterelement (13) zu der Strömungsaustrittsöffnung (11) zu erzeugen, wobei das Filterelement (13) zumindest einen Filterbalg aus einem gefalteten Kombifiltermedium aufweist, das zumindest eine Partikelfilterlage und zumindest eine Aktivkohlelage aufweist, die auf der Partikelfilterlage angeordnet ist, wobei die Aktivkohlelage Aktivkohlepartikel aus einem Aktivkohlematerial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohlelage ein Flächengewicht von 200 bis 1200 g/m² aufweist und das Kombifiltermedium elektrostatisch aufgeladen ist und die Partikelfilterlage des Kombifiltermediums eine Luftdurchlässigkeit bei 200 Pa von zumindest 300 l/m²s aufweist, wobei die in der Aktivkohlelage vorgesehene Aktivkohlemenge derart ausgelegt ist, dass deren Adsorptionskapazität für ein vorbestimmtes Schadgas, insbesondere ein Stickoxid, insbesondere Stickstoffdioxid, bei einer vorbestimmten Schadgaskonzentration in der Umgebungsluft erschöpft ist bevor die durch die elektrostatische Ladung des Kombifiltermediums hervorgerufene Abscheidewirkung einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.
Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftdurchlässigkeit der Partikelfilterlage des Kombifiltermediums bei 200 Pa zumindest 800 l/m²s, bevorzugt zumindest 1500 l/m²s beträgt.
Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Schwellwert eine ePM10 Effizienz gemäß ISO16890 von mindestens 50 % im Vergleich zum Neuzustand ist.
Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivkohlematerial eine Stickoxid-Adsorptionskapazität (NO_x) nach 3 h gemäß ISO 11155-2 bei 30 ppm Stickoxid (NO_x) zwischen 20 und 200 mg/g aufweist, bevorzugt zwischen 50 und 150 mg/g.
Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (13) ein V-Zellenelement ist, das zumindest sechs, bevorzugt zumindest acht, jeweils V-förmig zueinander angeordnete Filterbälge aufweist, die insbesondere von einem gemeinsamen Rahmen gehalten werden.
Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterfläche eines einzelnen Filterbalgs 0,5 bis 2,5 m² beträgt, bevorzugt 1 bis 1,6 m².
Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombifiltermedium zumindest eine weitere Lage aufweist, die insbesondere auf einer der Partikelfilterlage abgewandten Seite der Aktivkohlelage angeordnet ist.
Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Lage als Trägerlage ausgebildet ist, bezüglich der die Aktivkohlepartikel der Aktivkohlelage immobilisiert sind, wobei die Trägerlage insbesondere eine Luftdurchlässigkeit bei 200 Pa von größer als 3000 l/m²s und/oder ein Flächengewicht zwischen 25 g/m² und 75 g/m² aufweist.
Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelfilterlage ein Spinnvliesmaterial, insbesondere Polyethylenterephthalat- oder Polypropylen-Spinnvliesmaterial, und/oder ein Nadelvliesmaterial, insbesondere ein Polypropylen- oder Polyethylenterephthalat-Nadelvlies, und/oder eine Meltblownlage aufweist und/oder ein Mehrkomponentenfasermaterial, insbesondere mit Bikomponentenfasern mit einer Polypropylen/Polyacrylnitril-Komponente aufweist.
Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohlepartikel des Aktivkohlematerials eine Korngröße von 10 bis 80 mesh, insbesondere 30 bis 60 mesh, aufweisen und/oder das Aktivkohlematerial eine BET-Oberfläche von 500 bis 1500 m²/g aufweist.
Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsluftreinigungsvorrichtung eine Steuerungsvorrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, zumindest in Abhängigkeit eines Niederschlagsparameters der Umgebung einen Betriebszustand der Luftstromerzeugungsvorrichtung zu beeinflussen, insbesondere dazu, diese bei Regen abzuschalten oder zu drosseln.
Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombifiltermedium zumindest eine noch weitere Lage aufweist, die als antimikrobielle und/oder antiallergene Lage ausgebildet ist, die zumindest einen antimikrobiellen und/oder antiallergenen Stoff aufweist.
Stationäre Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der antiallergene Stoff Polyphenole und/oder antiallergene Enzyme aufweist und/oder - der antimikrobielle Stoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus antimikrobiellen Metallen und Metallverbindungen, insbesondere Silber, Kupfer und Aluminiumverbindungen, Nanosilber, Zink-Pyrithion, Octa-isothiazolon, 2-Brom-2-nitropropan-1,3-diol, Isothiazolinonverbindungen, Benzoesäure und deren Derivate, Benzalkoniumhalogenide, wasserlösliche Coenzyme, öllösliche Coenzyme, Pflanzenextrakte, Antibiotika, biozide Metalle, aliphatische und aromatische Fettsäuren und quartäre Tenside.
Betriebsverfahren einer stationären Umgebungsluftreinigungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend die Schritte a) Mittels der Luftstromerzeugungsvorrichtung (17) Fördern von Umgebungsluft durch das zumindest eine Filterelement (13), dabei Adsorbieren zumindest eines vorbestimmten Schadgases in der Aktivkohlelage des Kombifiltermediums des Filterelements (13), b) So lange Durchführen von Schritt a) bis die Adsorptionskapazität des in der Aktivkohlelage vorhandenen Aktivkohlematerials für ein vorbestimmtes Schadgas bei einer vorbestimmten Schadgaskonzentration in der Umgebung erschöpft ist, jedoch bevor die durch die elektrostatische Ladung des Kombifiltermediums hervorgerufene Abscheidewirkung einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, dadurch Erreichen eines Auslegungs-Serviceintervalls, c) Austauschen des aus Schritt b) beladenen Filterelements (13) gegen ein neues Filterelement (13) mit unverbrauchter Filterkapazität.
Betriebsverfahren nach Anspruch 14, wobei das Auslegungs-Serviceintervall in einem Bereich zwischen 2 d und 200 d liegt.