dr hab. inż. Jan Kaczmarczyk Gliwice, 12.04.2018 r. Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechnika Śląska Recenzja rozprawy doktorskiej mgr inż. Sławomiry Dumały p.t. Wykorzystanie promieniowania ultrafioletowego do usuwania zanieczyszczeń mikrobiologicznych w grzejniku kanałowym Podstawa formalna Podstawą opracowania recenzji jest pismo Dziekana Wydziału inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej Ś-76/2018 z dnia 26.03.2018 r. Formalną podstawą jest Ustawa o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z dnia 14 marca 2003 r. (Dz. U. z późn. zm.). Przedmiotem recenzji jest rozprawa doktorska mgr inż. Sławomiry Dumały pt. Wykorzystanie promieniowania ultrafioletowego do usuwania zanieczyszczeń mikrobiologicznych w grzejniku kanałowym, która została przygotowana na Wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej. Promotorem rozprawy była prof. dr hab. Marzenna Dudzińska. Zasadność podjętej tematyki badawczej Wpływ warunków środowiska wewnętrznego w budynkach na komfort ich użytkowników jest od wielu lat przedmiotem badań naukowców na całym świecie. Wykazano, że zanieczyszczone powietrze wewnętrzne powoduje dyskomfort oraz przyczynia się do wzrostu intensywności odczuwanych symptomów Syndromu Chorego Budynku. Udowodniono także, że złej jakości powietrze w biurach wpływa na obniżenie produktywności pracowników biurowych, a w przypadku szkół negatywnie wpływa na efektywność uczenia się (Wargocki i in. 1999, 2002, 2006, 2007). Oprócz zanieczyszczeń gazowych i pyłowych istotnymi zanieczyszczeniami powietrza są także mikroorganizmy. Zawarte w powietrzu wewnętrznym mikroorganizmy, wdychane przez ludzi, mogą być przyczyną wielu niekorzystnych objawów chorobowych. Bakterie i grzyby znajdujące się w powietrzu mogą powodować m.in. katar sienny i astmę. Źródłem wielu zanieczyszczeń powietrza wewnętrznego są sami użytkownicy, stąd też ich eliminacja z powietrza wewnętrznego wymaga zastosowania specjalnych rozwiązań technicznych. Zasadne jest zatem opracowywanie nowych, efektywnych rozwiązań pozwalających na kształtowanie warunków dla przebywania ludzi właściwych nie tylko z uwagi na ich komfort, ale przede wszystkim zapewniających odpowiednie warunki dla ich zdrowia. Z uwagi na obecne we wszystkich pomieszczeniach bioaerozole i zagrożenia dla zdrowia, które ze sobą niosą, tematyka podjęta przez mgr inż. Sławomirę Dumałę w jej pracy dotycząca analizy i kształtowania środowiska wewnętrznego jest bardzo ważna i aktualna. O nowości opracowanego przez Doktorantkę rozwiązania świadczy także zgłoszenie patentowe opracowanego modułu z lampami UV. Moduł ten posiada duży potencjał aplikacyjny ponieważ może być zintegrowany z grzejnikami kanałowymi.
Charakterystyka pracy Przedłożona do recenzji praca składa się z 6 rozdziałów, poprzedzonych podziękowaniami, zestawienia literatury oraz streszczenia w języku polskim i angielskim. W części zasadniczej pracy liczącej, bez spisu literatury, 116 stron, zamieszczono 49 rysunków oraz 18 tabel. Praca zawiera odniesienia do 186 publikacji naukowych i raportów, w większości w języku angielskim, 3 aktów prawnych oraz 10 norm. W rozdziale pierwszym, będącym wstępem do pracy, mgr inż. Sławomira Dumała uzasadniła podjęcie tematyki badań oddziaływania lamp emitujących promieniowanie ultrafioletowe na środowisko oraz ich wykorzystania w grzejniku kanałowym. Wskazała na negatywne skutki działań termomodernizacyjnych prowadzących do ograniczenia zużycia energii w budynkach polegające na pogorszeniu jakości powietrza wewnętrznego w pomieszczeniach. Zwróciła uwagę na wpływ zanieczyszczeń mikrobiologicznych powietrza na zdrowie użytkowników oraz na konieczność poszukiwania rozwiązań technicznych redukujących to zagrożenie. Drugi rozdział Autorka poświęciła prezentacji aktualnego stanu wiedzy na temat jakości powietrza wewnętrznego w aspekcie zagrożeń mikrobiologicznych. Podstawą opracowania był obszerny przegląd literatury oraz zestawienie informacji na temat dostępnych na rynku urządzeń oczyszczających powietrze wykorzystujących dezynfekcyjne właściwości promieniowania UV. Autorka scharakteryzowała w nim typowe zanieczyszczenia mikrobiologiczne, ich pochodzenie i wpływ na zdrowie człowieka, a także dokładnie opisała metody pomiaru czystości mikrobiologicznej powietrza. Przedstawiła również obowiązujące regulacje prawne dotyczące zanieczyszczeń mikrobiologicznych i wskazała na ich brak w przypadku pomieszczeń innych niż pomieszczenia przemysłowe. Dokładnie opisała dostępne metody oczyszczania powietrza. Przegląd badań na temat metod oczyszczania został przedstawiony w formie tabelarycznej z uwzględnieniem ich zakresu, zastosowanej procedury pomiarowej oraz otrzymanych wyników. Takie ujęcie pozwoliło na przejrzyste usystematyzowanie dotychczasowych prac badawczych. Na podkreślenie zasługuje także starannie wykonany przegląd komercyjnych rozwiązań technicznych wykorzystujących promieniowanie UVC. W trzecim rozdziale Autorka sformułowała cele pracy i przedstawiła jej zakres. Celem naukowym rozprawy doktorskiej było określenie wpływu promieniowania ultrafioletowego UVC na skuteczność procesu dezynfekcji powietrza w układach z wymuszonym przepływem powietrza, zaś celem praktycznym było zaprojektowanie, skonstruowanie oraz wyznaczenie na podstawie badań skuteczności modułu dezynfekującego z lampami. Doktorantka w sposób przejrzysty nakreśliła plan, który zakładał realizację badań w trzech etapach. Etap I, obejmujący zadania 1. i 2., dotyczył identyfikacji jakości powietrza w budynkach w warunkach ich typowego użytkowania. W etapie II. (zadanie 3) przewidziała badanie skuteczności modułu UVC w warunkach laboratoryjnych, zaś w Etap III. (zadanie 4) opracowanie i testowanie prototypu modułu gotowego do zastosowania w grzejnikach kanałowych. Czwarty rozdział zawierał opisy metod badawczych wykorzystanych w realizacji poszczególnych zadań. Przedstawiono w nim charakterystyki obiektów badań, urządzenia pomiarowe, procedury poboru i przygotowania próbek mikrobiologicznych oraz zakres ich analiz. Zadanie 1. obejmowało
pomiary zanieczyszczeń mikrobiologicznych, temperatury i wilgotności powietrza oraz stężenia CO 2 w klasach znajdujących się w 5 szkołach. Pomieszczenia wyposażone były w wentylację grawitacyjną. Dodatkowo rejestrowano zanieczyszczenia mikrobiologiczne na zewnątrz budynków. W zadaniu 2. wykorzystano jedno pomieszczenie edukacyjne wyposażone w wentylację mechaniczną wyporową oraz klimatyzatory sufitowe i naścienne. Przebadano 4 różne konfiguracje zainstalowanych systemów dla dwóch założonych poziomów temperatury powietrza w pomieszczeniu: 23 C i 28 C. Pomiary jakości powietrza dotyczyły wyłącznie zanieczyszczeń mikrobiologicznych. W zdaniu 3. zbadano działanie dostępnego na rynku modułu UVC z czterema lampami w warunkach laboratoryjnych w specjalnie przygotowanej instalacji wyposażonej w komorę umożliwiającą prowadzenie analiz mikrobiologicznych. Badanie działania modułu w trzech wariantach konstrukcyjnych przeprowadzono dla jednego szczepu bakterii. Zadanie 4. obejmowało opracowanie modułu zawierającego przebadane w poprzednim zadaniu lampy UVC, który może zostać zintegrowany z grzejnikami kanałowymi oraz jego przebadanie w warunkach laboratoryjnych. Wpływ ustawienia lamp UVC na warunki przepływu powietrza przez moduł zbadano metodą badań symulacyjnych z użyciem programu AutoDesk CFD. Eksperymenty z przygotowanym prototypem urządzenia prowadzono na trzech wybranych szczepach mikroorganizmów dla trzech poziomów strumienia przepływającego powietrza: 100, 200 i 300 m 3 /h. Dobór metod dla realizacji poszczególnych zadań badawczych oceniam jako właściwy. W kolejnym rozdziale Autorka przedstawiła wyniki zrealizowanych zadań. Badania przeprowadzone w szkołach w ramach zadania 1. pozwoliły na identyfikację 18 dominujących bakterii i pleśni. Ich stężenia w budynkach były w większości przypadków wyższe niż na zewnątrz. Zarejestrowane poziomy stężeń CO 2 wskazują na niedostateczną ilość powietrza wentylacyjnego. Wyniki eksperymentów w zadaniu 2. pokazały, że w większości badanych przypadków stężenia bakterii w pomieszczeniu o temperaturze powietrza 28 C były wyższe niż dla temperatury 23 C. Najwyższe stężenia bakterii i grzybów były obserwowane w przypadku działających klimatyzatorów. Na tej podstawie stwierdzono, że systemy uzdatniające powietrze mogą stanowić dodatkowe źródło zanieczyszczeń biologicznych. Analizy działania modułu z lampami UVC pokazały, że zarówno konstrukcja z odbłyśnikiem, jak i z zaburzaczem przepływu pozwalają na uzyskanie skuteczności powyżej 99%. Wyniki symulacji CFD przeprowadzonych w zadaniu 4. zostały przedstawione w formie map prędkości. Za najbardziej korzystne rozwiązanie uznano moduł wyposażony w cztery lampy UV i zaburzacz przepływu. Maksymalna skuteczność działania prototypu modułu z włączonymi lampami UVC wyznaczona w warunkach laboratoryjnych dla trzech wybranych szczepów bakterii wynosiła powyżej 99%. Z wyjątkiem bakterii Pseudomonas fluorescens, dla której niemal wszystkie badane przypadki dawały skuteczność 100%, skuteczność zależała od liczby włączonych lamp oraz strumienia powietrza przepływającego przez moduł. W rozdziale 6. zawarto podsumowanie przeprowadzonych badań oraz wnioski, które podzielono na dwie części. Pierwsza część to wnioski ogólne, zaś druga dotyczy skuteczności opracowanego modułu z lampami UV pracującego w różnych trybach i ma charakter szczegółowy. Wyciągnięte wnioski nie budzą zastrzeżeń.
Uwagi dotyczące pracy Praca mgr inż. Sławomiry Dumały dotyczy ważnego w dziedzinie inżynierii środowiska problemu badawczego, ale również praktycznego. Cztery zadania badawcze są zaplanowane przez Doktorantkę w sposób przemyślany, tak, aby stopniowo zgłębiając zagadnienie, osiągnąć założone cele naukowe i utylitarne. Do szczególnie ważnych elementów pracy zaliczam: - przeprowadzenie jakościowych i ilościowych badań mikroorganizmów występujących w pomieszczeniach edukacyjnych wyposażonych w różne systemy wentylacji i/lub klimatyzacji, - wykonanie kompleksowych badań możliwości dezynfekcyjnych modułów wyposażonych w lampy UVC w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Podział pracy na rozdziały jest poprawny, jednak pewną trudność w zrozumieniu sprawia zamieszczenie w jednym rozdziale (rozdział 4.) wszystkich opisów metod badawczych dla zadań 1-4, a dopiero w kolejnym rozdziale (rozdział 5.) przedstawienie otrzymanych wyników oraz ich interpretacji. Trudność wynika z tego, że rezultaty zadania poprzedniego stanowią ważne wskazówki dla założeń przyjętych w kolejnym zadaniu. Lektura pracy byłaby zdecydowanie łatwiejsza, gdyby poszczególne zadania opisano jako odrębne całości i zamieszczono je w kolejności ich wykonywania. W badaniach jakości powietrza w pomieszczeniu edukacyjnym wyposażonym w różne kombinacje systemów wentylacji i klimatyzacji (zadanie 2.) nie podano informacji na temat dostarczanego strumienia powietrza zewnętrznego dla przypadków 1. i 3.. Szkoda też, że nie zamieszczono informacji na temat wilgotności względnej powietrza, która jest czynnikiem wpływającym na możliwość przetrwania i rozwoju mikroorganizmów i może także wpływać na skuteczność dezaktywacji mikroorganizmów przez lampy UV. Cenne byłoby zbadanie poziomu tła dla zanieczyszczeń biologicznych, podobnie jak to miało miejsce w zadaniu 1., tj. badaniach prowadzonych w szkołach. W zadaniu 3. wybór gatunków mikroorganizmów do badań właściwości dezynfekcyjnych lamp UV był właściwy, Doktorantka uwzględniła również bakterie przetrwalnikujące. Zastanawiające jest jednak, dlaczego do badań laboratoryjnych użyto innych gatunków (dla rodzajów Pseudomonas i Bacillus) niż te, które zostały zidentyfikowane w badaniach użytkowanych pomieszczeń edukacyjnych i określone jako dominujące. Na podstawie wyników symulacji CFD, tj. rozkładu prędkości powietrza, Doktorantka stwierdziła, że moduł wyposażony w strumienicę i zaburzacz przepływu gwarantuje najbardziej równomierny rozpływ powietrza wewnątrz modułu i wybrała go do dalszych badań. Nie podała jednak szczegółowych informacji, w jaki sposób dokonała oceny równomierności przepływu powietrza przez moduł. Do porównania wyników byłoby wskazane zastosowanie obiektywnej metody, ponieważ warunki przepływu powietrza dla rozwiązań przedstawionych na rysunkach 5.15, 5.16 i 5.17 są bardzo do siebie podobne. Przeprowadzenie analizy przepływu powietrza przez moduł za pomocą programu CFD (Autodesk CFD, w pracy Autorka użyła określenia AutoCad CFD), było słuszne. W opisie założeń nie zamieszczono jednak precyzyjnego opisu warunków brzegowych. Brakuje informacji na temat temperatury powietrza przepływającego i temperatury powierzchni lamp. Doktorantka nie podała, czy uwzględniła
wymianę ciepła pomiędzy lampami i powietrzem, czy też założyła warunki izotermiczne. Wybór warunku p=0pa na wylocie z modułu był słuszny, jednak konsekwencją może być brak zbilansowania strumieni powietrza nawiewanego i wywiewanego. Należałoby podać czy została przeprowadzona odpowiednia analiza oraz na jakiej podstawie przyjęto Y+<2. Doktorantka podała, że w zadaniu 3. zweryfikowano prawdziwość deklaracji producenta lamp UV o niewytwarzaniu ozonu przez działające lampy. Jednak w rozdziale 5., w którym zamieszczono wszystkie wyniki pomiarów brakuje informacji na ten temat. W pracy Doktorantka przywołuje różne określenia charakteryzujące działanie urządzeń oczyszczających, np. CADR, skuteczność, poziom inaktywacji czy też sprawność; to ostatnie wykorzystuje także w części doświadczalnej do interpretacji własnych wyników. Pojęcia te jednak nie zostały zdefiniowane, nie przeprowadzono też ich porównania. Wyznaczone przez Doktorantkę wartości skuteczności działania modułu są bardzo ważne, jednak należy pamiętać, że nie są one wystarczające do oszacowania stopnia redukcji poziomu zanieczyszczeń mikrobiologicznych w pomieszczeniu. Określenie wpływu opracowanych modułów na warunki w pomieszczeniu i opracowanie wytycznych do ich efektywnego stosowania w praktyce może stanowić kontynuację badań. Doktorantka do przedstawienia wyników zadania 1. używa sformułowania sezon bezgrzewczy. Proponowałbym używać sformułowania okres poza sezonem grzewczym. Wyniki badania skuteczności modułu UVC przedstawiono w tabelach 5.2 (tabela dotyczy serii pierwszej) i 5.3 (dotyczy serii drugiej). Każda z tabel dodatkowo zawiera trzy serie (I, II i III), które należałoby raczej nazwać powtórzeniami. Wątpliwość budzi poprawność sformułowania na stronie 19: Z uwagi na nieuregulowane krajowe akty prawne. Doktorantka nie ustrzegła się także pewnych błędów: - tal zamiast lat str. 17 - pochłaniania zamiast pochłania str. 34 - mogą być zawodnie zamiast mogą być zawodne str. 34 - wiążę się zamiast wiąże się str. 51 - Analiza wpływu na prace urządzeń zamiast Analiza wpływu na pracę urządzeń s. 64 - W pomieszczeniu znajduje się 10 opraw oświetleniowe zamiast W pomieszczeniu znajduje się 10 opraw oświetleniowych str. 69 - zabieżności zamiast zbieżności s. 74 - wraz z oprogramowanie zamiast wraz z oprogramowaniem str. 73 - Bacterie zamiast Bakterie w opisie Rys. 51.a na str. 79 - stanowiący doposażeniem zamiast stanowiący doposażenie str. 88 - zastosowanie niewłaściwego stylu: Możesz czyścić go str. 42, Jednak projekty zaczęły być naśladowane zamiast projektowane str. 50
- niejasne jest, o jakie czynniki chodzi w zdaniu: Naukowcy zauważyli, że zmniejszenie wydajności w wyniku przechłodzenia w temperaturach osiągalnych w systemie HVAC okazało się być równe dwóm czynnikom, które mogłyby mieć znaczny wpływ na usuwanie bioaerozoli str. 51 Podsumowanie Praca doktorska mgr inż. Sławomiry Dumały zawiera oryginalne wyniki badań eksperymentalnych. Autorka przeanalizowała ważny problem techniczny, dotyczący rozpoznania zanieczyszczeń mikrobiologicznych w budynkach, a następnie usuwania ich za pomocą specjalnie zaprojektowanego i wykonanego modułu sterylizującego UVC. Doktorantka wykazała się zarówno umiejętnością prowadzenia badań eksperymentalnych w terenie i laboratorium, jak i badań symulacyjnych z wykorzystaniem metod CFD. Niedociągnięcia rozprawy, przedstawione powyżej, nie wpływają na jej pozytywną ocenę. Stwierdzam, że przedstawiona do recenzji rozprawa doktorska spełnia wymogi związane z uzyskaniem stopnia doktora zgodnie z Art. 13 Ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym z dnia 14 marca 2003 r. (Dz. U. Nr 65 poz 595 wraz z późn. zmianami). W związku z tym wnioskuję do Rady Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej o dopuszczenie mgr inż. Sławomiry Dumały do dalszego etapu postępowania w przewodzie doktorskim w celu nadania jej stopnia doktora.