室内の空気から煙を効果的に除去するボックス HEPA フィルターをどのように構築できますか?

ボックス HEPA フィルターが最も効果的な DIY 空気清浄ソリューションの 1 つである理由

山火事の煙、タバコの煙、料理の煙は、微粒子状物質、特に 2.5 マイクロメートル以下の PM2.5 粒子を室内空気に取り込み、その濃度は数百ドルもする市販の空気清浄機が対処できるように設計されています。ボックス HEPA フィルターは、この設計を普及させたエンジニアの名をとってコルシ ローゼンタール ボックスと呼ばれることもありますが、標準的な炉フィルターとボックス ファンを使用することで同等の微粒子除去性能を達成しますが、そのコストは商用ユニットの数分の 1 です。原理は簡単です。複数の HEPA 定格または高 MERV フィルターがボックス ファンの周りに立方体構成で配置されており、4 つのフィルター面すべてから同時に空気を内側に引き込み、単一フィルター設計と比較してフィルターの総表面積を劇的に増加させ、空気流抵抗を低減することで、ファンが 1 分あたりより多くのきれいな空気を移動できるようにします。

このアプローチの有効性は、独立した研究者、公衆衛生機関、大学工学部によって検証されています。山火事の煙イベントや新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックの間、室内の粒子濃度を健康リスクを大幅に低下させるレベルまで真に低減する実用的で低コストの介入として、ボックス HEPA フィルターの構築が室内空気質の専門家によって広く推奨されるようになりました。フィルターの選択、ファンのマッチング、シーリング技術など、ユニットを正しく構築する方法を理解することにより、ユニットが潜在能力を発揮できるか、回避可能な構築エラーによって性能を発揮できないかが決まります。

買い物をする前に HEPA と MERV の評価を理解する

真の HEPA フィルターは、繊維状濾材としては最も透過性の高い粒子サイズである直径 0.3 マイクロメートルの浮遊粒子を 99.97% 捕捉します。 DIY ボックス フィルターの場合、標準の炉フィルターは平らで柔軟性があり、ボックス構成に簡単に組み立てられるように設計されているため、剛性の HEPA カセットではなく、「HEPA タイプ」または「HEPA 定格」の炉フィルターが一般的に使用されます。炉フィルターの性能は MERV (Minimum Efficiency Reporting Value) スケールを使用して評価され、数値が大きいほど濾過がより細かいことを示します。

煙粒子の除去には、MERV 13 フィルターが広く推奨される最小標準です。 MERV 13 フィルターは、0.3 ～ 1.0 マイクロメートルの範囲の粒子の少なくとも 75%、および 1.0 ～ 3.0 マイクロメートルの範囲の粒子の少なくとも 90% を捕捉します。この範囲は、煙粒子状物質の大部分を包含するサイズ範囲です。 MERV 14 および MERV 16 フィルターは、微粒子の捕捉が徐々に向上しますが、空気流抵抗が大きくなり、ファンがフィルター アセンブリを通過できる空気の量が減少します。ほとんどの煙の状況では、MERV 13 はボックス ファン構成における濾過効率と気流スループットの間の最適なバランスを示します。

ボックス HEPA フィルターの構築に必要な材料

標準的な 4 フィルター ボックス HEPA の構築に必要な材料は安価で、金物店やホームセンターで広く入手でき、組み立てに特別なツールやスキルは必要ありません。開始する前にすべてを収集すると、スムーズなビルド プロセスが保証されます。

• 4 つの MERV 13 炉フィルター: 正方形の箱の断面を形成するには、4 つすべてが同じサイズである必要があります。最も一般的に使用されるサイズは、20×20×1 インチ、20×25×1 インチ、または 16×25×1 インチです。 20×20×1 インチ サイズは、標準の 20 インチ ボックス ファンの面の寸法に正確に一致し、位置合わせが簡素化され、隙間が最小限に抑えられるため、ボックス ファンの構築に最も人気があります。
• 20 インチボックスファン 1 台: 高速定格 2,000 ～ 2,500 CFM の標準的な 20 インチ ボックス ファンは、4 つの 20×20 インチ MERV 13 フィルターと組み合わせると、中型から大規模な部屋の空気を 1 時間に複数回浄化するのに十分な気流を提供します。少なくとも 3 つの速度設定があるファンを選択して、さまざまな煙の深刻度レベルに応じて騒音と濾過出力のバランスをとれます。
• 上部にフィルターまたはボール紙シート 1 枚: ボックスの上部に 5 番目のフィルターを配置すると、5 面の立方体が完成し、フィルターの表面積が追加されます。建築業者によっては、予算を重視する場合、上部パネルのサイズに合わせてカットした平らなボール紙を使用する場合もありますが、5 番目のフィルターを使用するとパフォーマンスが大幅に向上するため、煙の濃度が高い場合には推奨されます。
• 幅広の梱包テープまたはダクトテープ: フィルター間およびフィルターアセンブリとファンフレーム間のすべての接合部をシールするために使用されます。完全な密閉は最も重要な手順の 1 つです。アセンブリに隙間があると、濾過されていない空気が濾材を完全に迂回してファンの排出口に入り、その時点で濾過効果が完全に無効になります。
• バンジー コードまたは結束バンド (オプション): 初期構築中にテープで固定する前にフィルター キューブ アセンブリを一緒に保持するために、また一部の構成ではフィルター ボックスの上部にファンを固定するために使用されます。組み立てられたボックスの外側に巻き付けられた 4 本のバンジー コードは、フィルターをしっかりと固定する効果的な圧縮を提供します。

段階的な組み立て説明書

ボックス HEPA フィルターを正しく組み立てるには、約 15 ～ 30 分かかります。組み立て全体を通して最も重要な原則は、各フィルターを通過する空気の流れの方向が正しいこと、および潜在的なバイパスギャップがすべて完全に密閉されていることを確認することです。 DIY エアフィルターの性能が低下する最も一般的な原因は、密閉プロセスを急ぐことです。

ステップ 1 — フィルターの空気の流れの方向を特定する

すべての炉フィルターには、矢印で示された指定の空気流方向がボール紙フレームに印刷されています。空気は上流面 (通常は密度が低く見える側) から入り、下流面からファンに向かって出なければなりません。ボックス構成では、4 つのサイド フィルターすべてが、上流 (汚れた空気の取り入れ口) 面がボックスの中心から外側を向き、下流面がファンに向かって内側を向くように配置する必要があります。フィルターを 1 つでも逆に取り付けると、濾過効率が大幅に低下し、濾材に過負荷がかかる可能性があります。

ステップ 2 — 4 つのサイドフィルターを箱の形に組み立てます

4 つのフィルターを端を立てて角筒状に並べ、隣り合うフィルターのボール紙枠が四隅で接するようにします。下流 (清浄な空気) 面はすべて内側を向く必要があります。 20×20×1 インチのフィルターの場合、得られる正方形の断面の内側の寸法は約 20×20 インチとなり、標準の 20 インチのボックス ファンの面と一致します。バンジー コードで一時的にアセンブリを固定するか、テーピングを開始する間、2 人目の人に手伝ってもらいます。隣接するフィルターフレームが接するすべての継ぎ目に幅広のテープをしっかりと貼り、箱の外側の各コーナーの接合部の高さ全体を覆います。テープをボール紙フレームのくぼみにしっかりと押し込み、気密シールを確保します。

ステップ 3 — フィルターボックスの底を密閉する

フィルターキューブの底部 (ファンの反対側の端) は、ろ過されていない空気が下からアセンブリに入り、フィルター媒体を完全にバイパスしないように閉じる必要があります。上部の位置に 5 番目のフィルターを使用し、その上にファンを配置する場合は、開口部に合わせてカットしたボール紙で箱の底を密閉し、4 つの端すべてをテープでしっかりと固定する必要があります。一部のビルダーは代わりに、ファンが側面にあり、5 番目のフィルターがファンの反対側の面を閉じるようにボックスを配置しますが、これも同様にうまく機能します。どの向きを選択する場合でも、重要なのは、完成したボックスには開口部が 1 つだけ、つまりファンが取り付けられる面だけである必要があるということです。

ステップ 4 — ボックスファンを開いた面に取り付ける

ボックス ファンがフィルター キューブの開いた上部の中央に来るように配置し、ファンがボックスから上向きに空気を吹き出すようにします。つまり、フィルターの 4 つの側面から空気を内側に引き込み、フィルターを通過したきれいな空気をファンから排出します。ファン グリルはフィルターに向かって内側ではなく、外側 (きれいな空気が排出される方向) を向く必要があります。ファンフレームがフィルターフレームの上端と接触する周囲全体にテープを貼り、この接合部を完全にシールします。ファンの面がフィルターの開口部よりわずかに小さい場合は、隙間を埋めるためにボール紙の縁を切り、ファンのフレームとフィルターの端の両方にテープでしっかりと貼り付けてから、接合部全体を密閉します。

ステップ 5 — 最終検査と漏れテスト

ユニットを操作する前に、十分な照明の下ですべてのテープ接合部を目視検査し、すべてのテープの端を押して接着を確認してください。ファンを高速で回転させ、すべての継ぎ目の周りにゆっくりと手を回します。継ぎ目で空気の流れが感じられる場合は、漏れがあることを示しており、追加のテープが必要です。 3 つのフィルター フレームが交わる角、およびファン フレームとフィルター アセンブリ間の接合部はバイパス漏れが最も発生しやすい場所であるため、特に注意してください。しっかりと密閉されたボックスフィルターは、動作中に継ぎ目で検出可能な空気の流れを示さないはずです。

ボックス HEPA フィルターが浄化できる空気の量 — 部屋のサイズ設定ガイド

高速で動作する 20 インチ ファンを備えた適切に構築された 4 フィルター MERV 13 ボックスのクリーン エア供給率 (CADR) は、使用する特定のファンとフィルターのブランドに応じて、通常、煙粒子に関して 400 ～ 600 CFM の範囲に収まります。これは、200 ～ 500 ドルの価格帯の市販の空気清浄機と比べても遜色ありません。これにより提供される 1 時間あたりの空気交換回数 (ACH) は、部屋の容積によって異なります。

公衆衛生ガイドラインでは、一般に、占有空間の煙粒子を効果的に減らすために、1 時間あたり少なくとも 4 ～ 6 回の空気の交換を推奨しています。上の表は、単一のよく構築されたものであることを示しています。 ボックスHEPAフィルター は、天井が 8 フィートの最大約 900 平方フィートの部屋でこの目標を快適に達成し、より小さなスペースではこの目標を大幅に上回ります。オープンプランのリビングエリアまたは広い部屋の場合、2 つのユニットを構築し、空間内の異なる場所に配置すると、単一のユニットを中央に配置するよりも均一な粒子の削減が可能になります。

煙の臭いを除去するために活性炭を添加する

HEPA フィルターと MERV 13 フィルターは粒子状物質を非常に効果的に捕捉しますが、ガス状汚染物質 (煙に特有の臭いを与え、有毒な気相効果の一因となる揮発性有機化合物 (VOC)、一酸化炭素前駆体、芳香族化合物) は吸着しません。粒子だけでなく煙の臭いにも対処するために、活性炭濾過をボックスフィルター構造に組み込むことができます。

最も簡単な方法は、組み立て前に各 MERV 13 フィルターの外面に、HVAC サプライヤーからロール状で入手可能な活性炭プレフィルター シートを 1 層または 2 層配置することです。炭素層は、空気が最初に通過するときにガス状汚染物質を捕捉し、その背後にある MERV 13 フィルターが微粒子を捕捉します。一部のビルダーは、両方の媒体層を 1 つのフィルター ユニットに統合し、構造を簡素化する MERV 13 とカーボン炉フィルターの組み合わせを使用しています。活発な山火事に隣接する部屋や定期的にタバコの煙にさらされる家などの煙濃度の高い環境では、専用の炭素濾過により、粒子濾過だけで達成できる以上に全体的な空気の質が大幅に改善されます。

フィルター交換スケジュールと継続的なメンテナンス

ボックス HEPA フィルターは最小限のメンテナンスしか必要としませんが、性能を維持するには定期的なフィルター交換が必要です。煙の粒子がフィルター媒体上に蓄積すると、空気流抵抗が徐々に増加し、ファンがアセンブリ内を通過する空気が徐々に少なくなり、目に見えるパフォーマンスの低下を示すことなく CADR が低下します。

• 目視検査: 煙の季節には 2 ～ 4 週間ごとにフィルターの外面を確認してください。フィルター面全体の灰色または茶色のひどい変色は、粒子の負荷が大きいことを示します。かつては白または明るい灰色だったフィルターが均一に暗くなった場合、残存容量が大幅に減少しているため、速やかに交換する必要があります。
• エアフローチェック： 高速で動作させている間、ファンのきれいな空気の排気口の近くに軽量のティッシュまたは紙片を持ちます。フィルターが新品のときに比べて空気の流れが著しく減少した場合は、負荷によるフィルター抵抗の増加を示し、交換時期を示しています。
• 交換時期： AQI 値が 150 を超える山火事の煙イベント中に連続運転すると、1 ～ 3 週間以内にフィルターの交換が必要になる場合があります。中程度の喫煙または断続的な使用の場合、同じフィルターは 2 ～ 3 か月持続する場合があります。 MERV 13 フィルターを掃除したり掃除機をかけたりしないでください。繊維マトリックスが損傷し、ろ過効率が永久に低下します。
• ファンのメンテナンス: フィルターを交換するたびに、ファンブレードやグリルに溜まったほこりを拭き取ってください。ファンブレードに埃が蓄積すると、空気の流れの効率が低下し、最終的にはモーターの過熱を引き起こす可能性があります。湿らせた布または柔らかいブラシを使用してください。ファン モーターのハウジングや電気部品に直接水をスプレーしないでください。

排煙性能を最大化するための配置のヒント

ボックス HEPA フィルターを室内のどこに設置するかは、煙粒子濃度をいかに迅速かつ徹底的に低減するかに大きく影響します。最適な配置により、フィルターを通る空気循環が最大化され、フィルターの吸気パターンから離れたデッドゾーンに滞留する室内空気の量が最小限に抑えられます。

• 可能な限り部屋の中央に置きます。 中央に配置することで、フィルターが全方向から均等に空気を引き込むことができ、粒子がフィルターの吸気口に到達するまでに移動する距離を最小限に抑えることができます。コーナーまたは壁に配置すると、隣接する方向からの吸気が制限され、フィルターが単位時間あたりにサンプリングできる空気量が制限されるため、実効 CADR が低下します。
• 吸気面を清潔に保ちます。 フィルターの 4 つの側面すべての周りに少なくとも 12 インチの隙間を維持してください。ボックスを壁、家具の後ろ、またはキャビネットの中に置くと、遮られたフィルター面への空気の流れが大幅に減少し、全体的なパフォーマンスが低下します。
• きれいな空気の排気口を人がいるエリアに向けて配置します。 きれいなフィルターを通した空気が、座席エリア、ベッド、作業スペースなど、人が最も多くの時間を過ごすエリアに吹き付けるようにファンの向きを変えます。これにより、部屋全体の空気量が低粒子濃度に達する前であっても、居住者の周囲に清浄な空気ゾーンが形成されます。
• 煙が発生している間は窓やドアを閉めてください。 窓やドアにろ過されていない屋外の空気が流入する場合、ボックス HEPA フィルターは継続的な新鮮な煙の侵入に追いつくことができません。高 AQI イベント中、建物の外壁を可能な限り密閉した状態に保つことで、フィルターは作動後 30 ～ 60 分以内に室内の粒子濃度を安全なレベルまで段階的に低減できます。