קצב חילוף האוויר ושיעור הריאקציה של פני השטח במבני אחסון ומוזיאוניים

במבני אחסון מוזיאוניים יש לעתים קרובות קצב חילוף אוויר נמוך. במבנים כאלו, רמת זיהום האוויר תלויה בעיקר בקצב חילוף האוויר וביכולת הספיחה של משטחים פנימיים. מאמר זה מתאר את השפעת חילוף האוויר ותגובות הספיחה וכן אוורור מכני עם סינון פעיל, באמצעות שימוש בנתונים של מדידת זיהום אוויר בשלושה מוזיאונים וארכיונים בדנמרק. לרוב, רמות האוזון בתוך המבנה יעלו כאשר קצב חילוף האוויר עולה ואוזון נכנס מבחוץ. ככל שעולה קצב חילוף האוויר, יחול דילול בריכוז של מזהמים שנוצרים בפנים, כגון חומצות אורגניות. אבל, עוצמת המקור ויכולת הספיחה של פני השטח הם בעלי השפעה מכרעת כאשר קצב חילוף האוויר הוא פחות מ-  1 h^-1. סינון פעיל הוא שיטה יעילה להסרת זיהום, במיוחד באמצעות יחידות סירקולציה פנימיות.

מבוא:

מבני אחסון מוזיאוניים רבים ממוקומים בבניינים בעלי פעילות אנושית מועטה. לרוב אין עמדות עבודה קבועות בתוך המחסנים ואנשים מגיעים אליהם רק כאשר מוציאים או מחזירים פריט מסוים. ביתר הזמן החדר או המבנה כולו נעול, וכתוצאה מכך נוצרים תנאי סטגנציה. אם אין בבניין אוורור מכני, תהיה תחלופה נמוכה של אוויר בין החדרים והאוויר שמסביב. זה ימנע מאוויר מבחוץ להיכנס לאזור האחסון, אך גם יאפשר לתרכובות שמיוצרות בפנים להצטבר בחדרים.

מזהמי אוויר ונזק מוחשי:

מזהמי אוויר גזיים תוקפים חומרים באמצעות תגובות כימיות: חלקם ע"י הידרוליזה (למשל: חומצה אצטית) וחלקם ע"י חמצון ישיר (למשל: אוזון). ככל שיותר מזהמים יהיו על האובייקט, כך תהיה התגובה מהירה יותר. מזהמים אחדים פועלים בסינרגיה, וגם תגובה הדדית בין מזהמים ולחות היא גורם חשוב בתהליכי ההידרדרות, כגון הידרוליזה. הגורם העיקרי להידרדרות מחלקיקים הוא לכלוך, שמהווה בעיה במיוחד בחלקיק העדין ( (<1μm diameter. המזהמים העיקריים שגורמים נזק כוללים אוזון, תחמוצת נתרן, תחמוצת גופרית, גזי גופרית מצומצמים, חומצות אורגניות וחלקיקים עדינים. המקור של אוזון, תחמוצת נתרן ותחמוצת גופרית הוא לגמרי ממקורות חיצוניים. גזי גופרית יכולים להיות ממקור חיצוני או פנימי, בעוד שחומצות אורגניות בכל רמה שהיא בדרך כלל נוצרים בפנים. לחלקיקים עדינים יכול להיות מקור חיצוני או פנימי, אך ההרכב הכימי שלהן משתנה. מבוא כללי של זיהום אוויר בסביבה מוזיאונית ניתן לדוגמא ב- [1-4].

בקרת זיהום במבנים:

ככל שמבנה דולף יותר, כך ייכנסו מבחוץ יותר מזהמי אוויר. זה נכון במיוחד במבנים גדולים ופתוחים, כגון גלריות של מוזיאונים. במבנים כאלו הרמה הפנימית של מזהמים שנוצרו בחוץ יהיה לרוב 30-80% מהריכוז שבחוץ.

בקצה השני, מזהמים שנוצרים בפנים מצויים בשפע בנפחי אוויר קטנים וסגורים, כגון ארונות תצוגה, כספות וארונות אחסון. בחדר אטום למזהמים חיצוניים, המזהמים שנוצרים בפנים אינם יכולים לצאת וריכוזם עלול להגיע לרמה גבוהה מאד. אם כך, תהיה תגובה מהירה מאד עם הפריטים המאוחסנים.  אי שם בין הגלריה הפתוחה לארון האחסון ישלנו מבני אחסון וארכיון. בקרת אקלים במבנים כאלו מתמקדת בעיקר בלחות היחסית (RH) – מניעת מצבי לחות או יובש קיצוניים ומזעור התנודות של שינויי RH.

כרגיל, בקרת אקלים במבנים מבוצעת באמצעים מכניים כגון מערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר. אפשר לצייד מערכות אלו במסנני חלקיקים וגזים מזהמים. אבל, לאחרונה מתמקדים יותר במבנים בעלי אקלום פסיבי, שבהם חומרי הבניין והמבנה תורמים ליציבות הטמפרטורה והלחות. כדי להשיג את האפקט הטוב ביותר, מבנים כאלו צריכים להיות אטומים למדי, וזה טוב במבנים לאחסון שבהם אין צורך להתחשב בנוחיות אנושית (אין צורך ב"אוויר צח"). במתקני אחסון כאלה יכול להיות קצב חילוף אוויר של 0.5 h^-1 או פחות, באמצעות אוורור טבעי בלבד. לדוגמא – [5] במאמר זה. אבל לא ברור מה זה אומר לגבי איכות האוויר, מכיוון שמעט מחקרים נעשו על מבני מוזיאון עם רמות חילוף אוויר נמוכות.

מאמר זה מתאר גורמים שונים שמגדירים את איכות האוויר בתוך מבני אחסון מוזיאוניים, באמצעות תוצאות מעקב בשלושה מבני מוזיאון וארכיון בדנמרק. המעקב בוצע בחדרי אחסון במוזיאון הלאומי של דנמרק, המוזיאון הדני לאומנות הצילום והארכיון של מכון Arnamagnean באוניברסיטת קופנהגן. שלושת האתרים שימשו לבדיקת אסטרטגיות אוורור שונות במבני אחסון מוזיאוניים, שיפורסמו במלואם במקום אחר [6]. בוצעו למעלה מ-20 מערכות ניטור בנות 3 חודשים כ"א ב-11 אתרים בתוך שלושת הבניינים. באתרים מסוימים בוצעו 2 או יותר תקופות מדידה עוקבות בתנאי אוורור שונים. נפח חדרי האחסון נע בין 120 ל-500 ממ"ק וברובם היה קצה חילוף אוויר נמוך (0.5 h^-1 >), אם כי זה הוחלף בחלק מתקופות המדידה. ברוב האתרים לא היו אמצעי אוורור מכניים. החדרים היו עמוסים בריהוט ופריטי אספנים; יחס השטח לנפח היה לרוב כ-4 מ"ר/ממ"ק.

שיטה:

מזהמי אוויר נמדדו בכל האתרים ע"י דגימה פסיבית. חומצות אורגניות (חומצי + נמלים) נדגמו באמצעות מערכת דגימה דיפוזית Palme שסופקה ע"י אוניברסיטת Oxford Brookes. אוזון נדגם באמצעות מערכת דגימה דיפוזית Analyst שסופק ע"י CNR-IIA. ריכוזי הזיהום המדווחים, או יחס I/O  בהתבסס על מדידות הזיהום, הם ערכים ממוצעים של שלושה חודשים.

חלקיקים נמדדו כריכוז של חלקיקים עדינים באוויר (1μm diameter-0.02) באמצעות סופר חלקיקים TSI P-Trak. מדידת החלקיקים בוצעה פעם בדקה בפרק זמן של 6-8 שעות.

קצב חילוף האוויר נקבע ע"י מדידת קצב דעיכת הריכוז של גז מעקב (פריאון 134a) במרווחי זמן של דקה אחת במהלך שעה באמצעות photo-acoustic sensor.

בכל האתרים נמדדו תנאי החוץ והפנים. מכשירי המדידה הפנימיים הוצבו קרוב למרכזו של כל חדר. הסביבה החיצונית נמדדה במוזיאון הלאומי ממסך Stevenson שהוצב על הדשא ליד הבניין ובשני המבנים האחרים מתחנות מזג אוויר בראש הבניין.

יחסי זיהום חוץ/פנים:

 מזהמי אוויר מבחוץ יסתננו לבניינים דרך חורים או חרכים במעטפת הבניין, חלונות פתוחים או מערכת האוורור. במהלך תהליך הסתננות המזהמים יתמקמו על משטחים שזרם האוויר עובר מעליהם, שמצמצם תוך כדי כך את ריכוזם. אוזון הוא דוגמא לתרכובת ריאקטיבית, שריכוזו יהיה מצומצם בפנים בהשוואה לבחוץ. יחס חוץ/פנים (I/O) טיפוסי של אוזון הוא בערך 0.3, למרות שדווח על יחס 0.8 במבני מוזיאון [7 , 8].

כאשר תגובות ספיחה הם הגורם העיקרי להסרת הזיהום, אז יחס O/I של אוזון (ומזהמים חיצוניים אחרים) במצב קבוע יתואר כך:

                           משוואה מס' 1

כאשר:

I = ריכוזי פנימי של מזהם (ppb או μgm^-3)

O = ריכוז חיצוני של מזהם (ppb או μgm^-3)

n = קצב חילוף אוויר (h^-1)

v_d = מהירות הריבוע (mh^-1)

S = שטח פנימי של החדר (מ"ר)

V = נפח החדר (ממ"ק)

קצב ההסרה מפני השטח vd(S/V) הוא גורם מרכזי בנוסחא מס' 1. קצב הסרה זה מוגדר כמהירות הריבוץ של המזהם כפול יחס השטח/נפח של החדר. מהירות הריבוץ מוגדרת כזרם המזהם אל המשטחים חלקי ריכוזו באוויר, וזה נותן לנו את יחידת המהירות. במזהמים ריאקטיביים כמו אוזון, הסרה באמצעות תגובת המשטח, לעומת ריאקציה באוויר, היא החלק החשוב של סך הסרת הזיהום בתוך הבניין. קצב ההסרה הוא בר-השוואה לקצב חילוף האוויר: אם, לדוגמא, יש בחדר קצב הסרה של 1 h^-1 אז המזהמים ירבצו על המשטחים הפנימיים בקצב שווה לזה שיאוורר בהחלפת אוויר אחת לשעה.

תרשים מס' 1 מראה איך ישפיעו קצב חילוף האוויר וקצב ההסרה על יחס ה-O/I בתוך בניין בהתבסס על משוואה מס' 1.  חדרטיפוסי עם קצב הסרת אוזון של 1.5 h^-1 מיוצג ע"י הקו המקווקוו. קווי המודל מיוצגים לעומת 25 מדידות ממחסני מוזיאון שונים. מספר מדידות נופלות מחוץ לתחום המוגדר ע"י קווי המודל    (שמצביע על סביבה פנימית נורמלית). אבל, מדידות מסוימות אלו הן מאתרים בהם הופעלו אמצעי בקרה נוספים, כגון מסנני אוויר. אירו מס' 1 מראה שהדרך היעילה ביותר לעכב חדירה של מזהמים חיצוניים היא שילוב של קצב חילוף אוויר נמוך וקצב הסרה גבוה.

הווצרות מזהמים פנימיים:

עבור תרכובות שמשוחררות לסביבה הפנימית (פליטה מחומרי הבנייה ומהאוסף עצמו), מצב הריכוז הקבוע בתוך בניין תלוי גם בקצב חילוף האוויר וגם בספיחה-מחדש לשטחים הפנימיים. ככלל, ככל שקצב חילוף האוויר גבוה, ריכוז המזהמים שנוצרים בתוך הבניין – נמוך.

ניתן לבטא מאזן מאסה (בדומה למשוואה מס' 1) של מזהמים פנימיים (בהנחה שהריכוז בחוץ = 0):

                                    משוואה מס' 2

כאשר: G = קצב ההווצרות של מזהמים [μg/h].

תרשים מס' 2 מציג איך קצב חילוף האוויר וקצב ההסרה משפיעים על הריכוז הפנימי של מזהמים שנוצרים בתוך הבניין (בהנחה שקצב הווצרות המזהמים הוא קבוע).

חדר טיפוסי עם קצב הסרה של חומצה אורגנית של 0.5 h ^-1 מתואר ע"י הקו המקווקוו. 16 נקודות הנתונים מייצגות מדידות של ריכוזי חומצות אורגניות (חומצי + נמלים) ממחסני מוזיאון שונים. ניתן לראות שגם גידול בקצב חילוף האוויר או בקצב ההסרה יצמצמו את ריכוז המזהמים, אבל קצב ההסרה מהמשטחים הוא הגורם העיקרי כאשר חילוף האוויר הוא מתחת ל- 1 h^-1, בעוד שבקצב חילוף אוויר גבוה יותר – קצב חילוף האוויר הוא זה שמשפיע על ריכוז המזהמים. יש לציין שלמזהמים שנוצרים בפנים יש ריכוז גבוה יותר בפריט נקבובי, כגון ספר, מאשר באוויר החופשי בחדר, בעוד שזיהום שבא מבחוץ יהיה בעל ריכוז גבוה יותר בחלל החדר מאשר בנקבוביות של ספר.

ייתכן שהרצון לשמור על קצב חילוף אוויר נמוך בבניין כדי לשמור על אקלים פנימי יציב יתנגש עם הצורך לשמור על איכות אוויר נקיה כאשר חומרים נפלטים קיימים בחדר. השימוש ב"ספיחה פסיבית" כאשר מזהמי אוויר נספגים חזרה אל הקירות יעבוד רק ברמה של 2 או אפילו 3 h^-1 בחדרים נורמליים. דרך יעילה אחרת להגביר את קצב הסרת הזיהום היא שימוש ביחידות סינון, שבאמצעותם האוויר בחדר ממוחזר במחזוריות.

השפעת חילוף האוויר:

היחס בין קצב חילוף האוויר ורמות זיהום מתואר בתרשים מס' 3, באמצעות מדידיות שנעשו בארכיון של מכון Arnamagnean כדוגמא. המגמה של יחס O/I של אוזון היא שהוא עולה עם עליית חילוף האוויר. מצד שני, ריכוז החומצות האורגניות שנוצרות בפנים ירד רק במקצת כשהאוורור פעל בקביעות. היהצפוי שנמצא ירידה משמעותית יותר בריכוז בחומצות האורגניותככל שחילוף האוויר עלה. אבל, זה מתבסס על ההנחה שפליטת החומצה היא עקבית על פני זמן, וזה ככל הנראה לא קרה.

כמו כן, חלקיקים מסתננים לבניינים מבחוץ וריכוזם יורד בדרכם פנימה עקב הריבוץ על משטחים. תרשים מס' 4 מציג מדידות של חלקיקים עדינים במיוחד מחדר אחסון במהלך חצי יום. ריכוז החלקיקים בפנים תאם את ריכוזהחלקיקים בחוץ ושמר על יחס O/I של בערך 0.25. בדוגמא זו היה קצב חילוף האוויר בערך  h^-1 1, כך שלפי משוואה מס' 1 קצב ההסרה של החלקיקים היה h^-1 3.

השפעת הספיחה:

תרשימים 1 ו-2 מלמדים שכמות השטח הריאקטיבי הזמין בתוך חדר היא אחד מאמצעי ההסרה של זיהום ברמות נמוכות של חילוף אוויר. אבל יהיה קשה להוסיף עוד שטח קירות בחדר מבלי לפגוע בתפקוד הנורמלי של החדר, כגון שטח אחסון של פריטים. דרך אחת לפתור את זה היא באמצעות מסנני אוורור, שבנויים כך שהם חושפים משטחים גדולים בתוך נפח קטן יחסית. האוויר נדחף דרך מנגנון הסינון ע"י מאוורר מכני, במקום להתפזר באופן פסיבי על משטחי הקירות.זה מבטיח שנפחים גדןךים של אוויר מסוננים בקצב גבוה. תרשים מס' 5 מראה איך יחס ה- O/I של האוזון במוזיאון הצילום הורד באמצעות ספיחה פסיבית ע"י טפט ריאקטיבי, אך הוסר טוב יותר כשהאוויר בתוך הארכיון הועבר שוש ושוב דרך יחידת סינון פנימית. במהלך 3 תקופות מדידה, קצב חילוף האוויר היה פחות או יותר אחיד, כך שיש ליחס את הירידה באוזון בתוך החדר לעלייה בחומרי שטח ריקטיביים בתוך הארכיון, בין אם כטפט ריאקטיבי ובין אן למתקן הסינון בתוך יחידת מחזור האוויר. רק בחדר היה קצב ההסרה בערך  h^-1 0.2, שזה בר השוואה לקצב חילוף האוויר, ומצביע על ספיגה מזערית ע"י הקירות והריהוט. הטפט המיוחד העלה את רמת ההסרה ל-  h^-1 1 ויחידת הסינון ל- h^-1 2.4 – יותר מפי 10 קצב ההסרה של החדר לכשעצמו.

יחידת המחזור צוידה במסננים עבור מזהמים גזיים ועבור חלקיקים עדינים. תרשים מס' 6 מציג את האפקטיביות של המחזור הפנימי ברמת החלקיק: בתוך 90 דקות מהפעלה יחידת מחזור האוויר, יחס ה-O/I של החלקיקים ירד מ-0.23 ל-0.01, ויחס זה נשמר במהלך כל שלושת חודשי הבדיקה.

השפעת האוורור:

אוורור באמצעות "אוויר צח", כאשר אוויר מבחוץ מוכנס באמצעות מאוורר מכני. נפוץ במבני מוזיאונים. בהתבסס על משוואה מס' ,1 ברור שעם העלאת קצב האוורור, הכניסה של מזהמי אוורי תעלה אף היא, אלא אם משתמשים במסנן. במערכת אוורור שעובדת עם אוויר צח, יש למקם את המסנן בזרם האוויר הנכנס. אבל, אם הסיבה העיקרית לשימוש באוורור מכני בחדר אחסון היא לשלוט בזיהום האוויר [10], אז יש להקפיד שהמסננים אכן מסירים אתכלהזיהום מהאוויר הנכנס. תרשים מס' 7 מדגים נקודה זו: בחדר אחסון ללא אוורור מכני וקצב חילוף אוויר נמוך של בערך 0.1 h^-1, היה יחס ה-O/I של האוזון 0.08. כאשר הותקנה מערכת אוורור עם מסנן פחם עלה קצב חילוף האוויר לכמעט 1 h^-1 אבל יחס ה-O/I נותר כמעט ללא שינוי 0.10.

מה שקרה הוא שאם כי המסנן הסיר כמות גדולה של אוזון מהאוויר, סך המאסה של האוויר שהוכנסה לחדר עלתה מאד. קצב ההסרה מהמשטחים לפני התקנת האוורור היה בערך 1.6 h^-1 לפי משוואה מס' 1. עם התקנת המאוורר והמסנן סך קצב ההסרה (של החדר + המסנן) עלה מאד ל-  12 h^-1 וזה משקף שהמסנן אכן הסיר הרבה אוזון. אבל התוצאה נטו לכל החדר לא השתנתה, והאוסף עדיין היה חשוף לאותה רמת אוזון.

סיכום:

תגובות של פני השטח הן המנגנון ההרסני ביותר של מזהמי אוויר. בהתחשב בכך שריבוץ על הפריטים הוא חלק ממסלול ההידרדרות של פריטים אלו, חשוב לשמור חומרי משטח רבים ככל האפשר (על קירות או במסננים) בהשוואה לפני השטח של האוסף עצמו. הסרה פסיבית, ע"י שימוש בטפט ריאקטיבי, תתן קצב הסרה שווה לדילול הזיהום שניתן ע"י מספר החלפות אוויר בשעה. אבל, שימוש ביחידות אוורור מכניות זה יכול לעלות בחזקת 10. בניין שיש בו קצב חילוף נמוך עם האוויר שבחוץ בשילוב עם בקרת זיהום פנימית פעילה יספק הגנה טובה מפני מזהמים – הן אלה שנכנסים מבחוץ והן אלה שנוצרים בתוך החדר.

מאמר זה נכתב ע"י יונתן רבה בעל ניסיון וידע רב בתחום החימום והקירור לחברות מפעלים גני אירועים ועוד...                                                                                            יתרה מכך החברה גם משכירה ומשווקת את מוצריה בעיסקאות ליסינג לתקופות קצרות וארוכות במחיר לכל כיס                                                                                               טלפון 0508330888 בקרו באתרינו החדש : http://www.hcsystem.co.il/