СИСТЕМА ВЕНТИЛЯЦИИ ПОМЕЩЕНИЙ И САЛОНОВ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
SYSTEM OF VENTILATION FOR ROOMS AND COMPARTMENTS OF VEHICLES

Изобретение относится к области строительства и транспорта и может быть использовано для вентиляции помещений и салонов транспортных средств, особенно в условиях невозможности обеспечить достаточный воздухообмен с наружной средой, будь то по причине ее загрязнения, отсутствия воздуховодов и приводов необходимой производительности, либо с целью экономии энергии.
Известны средства вентиляции легких пациента, в которых разделение потоков вдыхаемого и выдыхаемого воздуха для последующего удаления продуктов выдоха осуществляется системой клапанов и обеспечивается маской с дыхательными отверстиями или дыхательными трубками. Примером может служить устройство, описанное в патенте США 2005028823, 2005-02-10, А61М 16/06 или патенте США 4838257, 1989-06-13, А61М 16/00.
Однако область применения подобных средств вентиляции ограничена медициной, их применение для вентиляции помещений и, тем более, салонов транспортных средств создает неудобства. Примером может служить устройство вентиляции, которое содержит маску, соединенную через отверстие для дыхания с дыхательной системой человека, канал подачи атмосферного воздуха в помещение и канал выпуска использованного воздуха из помещения, сообщенные с маской. Маска выполнена с полостью, соединенной с отверстием для дыхания. Канал подачи атмосферного воздуха и канал выпуска использованного воздуха сообщены с маской при помощи полости (см. Заявка 2010146564/06, 16.11.2010).
В патенте США 2015140915, 2015-05-21, B60N 2/56 описана вентиляционная система салона транспортного средства, в которой очищенный воздух в заднюю часть салона подается с помощью воздуховода, размещенного в спинке водительского кресла и вентилятора, расположенного на задней панели этого кресла.
Такое устройство имеет два существенных недостатка: для достижения низкой концентрации продуктов выдоха в салоне или помещении нужно подать значительный объем воздуха снаружи, из-за чего устройство затрачивает значительную энергию, оказываясь неэкономичным, а кроме того, это далеко не всегда оправдано и вообще возможно - для этого требуется наличие воздуховодов с достаточной пропускной способностью, наличие чистого воздуха снаружи или мощные фильтрационные средства.
В патенте Китая 103287382, 2013-09-11, B60R 22/00 описано устройство для вентиляции ремня безопасности, который с этой целью выполняется с вентиляционными камерами и воздуховодами, выходящими на сторону, обращенную к водителю. При этом структура, а значит и прочность ремня безопасности, сохраняются.
Однако, как и в приведенных выше примерах, речь в данном случае идет лишь о приточной вентиляции того или иного объема, места. А значит и этому устройству присущи указанные выше недостатки. Кроме того, оно неприменимо для вентиляции салона транспортного средства в целом.
В патенте Китая 2699932, 2005-05-18, A61N 2/08 описано устройство для обучения правильному дыханию, содержащее геометрически разделенные каналы для вдоха и выдоха. Однако данное устройство непригодно для вентиляции.
Наиболее близкой к предложенной является система вентиляции животноводческого помещения, содержащая вытяжную шахту с клапаном и ветроагрегат, подсоединенный к воздуховодам, которые соединены с полыми передними стойками стойлового ограждения, имеющими отверстия, расположенные на уровне органов дыхания животных во время кормления (см. заявку РФ 94031036/06, 23.08.1994, A01K 1/00, опубликованную 20.06.1996).
Оптимальное расположение воздуховодов вблизи органов дыхания дает хороший эффект при очевидной невозможности использовать маски, однако и в этом случае преимущественное использование приточной вентиляции приводит к тому, что для достижения приемлемых условий для дыхания людей, находящихся в помещении, необходимо подать значительный объем воздуха снаружи, из-за чего устройство затрачивает значительную энергию, оказываясь неэкономичным и, кроме того, далеко не всегда оправдано ситуативно.
Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является обеспечение большей степени автономности системы вентиляции за счет повышения эффективности вентиляции там, где отсутствует возможность обеспечить достаточный приток чистого воздуха, и, соответственно, снижение энергозатрат там, где такая возможность имеется. Дополнительным эффектом является исключение неприятных ощущений, которыми сопровождается обычно чересчур интенсивная вентиляция.
Указанный результат достигается тем, что в известной системе вентиляции, содержащей средства притока чистого воздуха и средства отвода воздуха, последние выполнены в виде средств отвода воздуха, загрязненного продуктами дыхания, причем их воздухозаборные отверстия расположены в зоне распространения потока выдыхаемого воздуха.
Кроме того, зона распространения потока выдыхаемого воздуха может быть образована средствами формирования потока, расположенными в зоне непосредственного распространения потока выдыхаемого воздуха.
При этом средства формирования потока могут быть выполнены в виде элементов притока воздуха, в том числе средств притока чистого воздуха или средств рециркуляции ранее отведенного воздуха, загрязненного продуктами дыхания.
Кроме того, воздухозаборные отверстия могут быть расположены в зоне распространения потока выдыхаемого воздуха, относящейся к носовому и/или ротовому типу дыхания.
Далее, средства отвода воздуха, загрязненного продуктами дыхания, могут быть выполнены с возможностью периодического срабатывания.
При этом средства отвода воздуха, загрязненного продуктами дыхания, могут быть выполнены управляемыми, а система вентиляции снабжена сенсором дыхания, подключенным ко входу управления упомянутых средств.
Целесообразно также сенсор дыхания выполнить в виде датчика углекислого газа или паров воды.
Допускается также сенсор дыхания выполнить в виде измерителя частоты дыхания.
И, наконец, средства отвода воздуха, загрязненного продуктами дыхания, могут быть выполнены отслеживающими положение органов дыхания живых существ в помещении.
2
Таким образом, существо предложения заключается в том, что в известной системе вентиляции со средствами подачи, подведения воздуха и средствами его забора, отведения, удаления последние вынесены, пространственно расположены в зонах, куда распространяется или отводится поток выдыхаемого пассажирами транспортного средства, людьми, находящимися в помещении, воздуха, обогащенного продуктами выдоха. В результате из кабины или салона транспортного средства, из помещения, а если точнее, то из области пространства или зоны распространения выдоха, отводится воздух, загрязненный продуктами жизнедеятельности (прежде всего СО), отводится до того, как он смешался с остальным воздухом в помещении, так что практически не возникает необходимости заменять тот целиком, а только замещать ограниченный объем забранного воздуха из указанных зон.
В существующих решениях вентиляционных систем внутренний забор воздуха (для выведения из системы) делается глобальным (общим), а приток свежего воздуха, наоборот, индивидуальным и максимально близким к потребителю. Так выполнено большинство систем, если речь не идет о масках для дыхания и других видах дыхательных аппаратов со специальными путями отвода продуктов выдоха. В предложении, наоборот, приток может быть любым, а вот отведение осуществляется индивидуально.
В результате система вентиляции характеризуются пониженным притоком с сохранением и даже увеличением комфортности для человека - что важно как в условиях внешних загрязнений, так и при использовании ограниченных запасов воздуха для увеличения времени квазиавтономности кабины, салона, помещения, в том числе при использовании режима внутренней рециркуляции.
2
2
2
Забор продуктов выдоха происходит в предложении из пространственной или геометрической зоны непосредственного распространения продуктов выдоха, а поскольку для человека с открытым лицом и без маски характерно два типа дыхания, то следует выделить две зоны с максимальной концентрацией продуктов выдоха (к которым относим СО, пары НО, азотно-кислородную смесь с пониженным до 16% содержанием О и другие компоненты выдоха):
а) для интервалов времени носового дыхания для прямосмотрящего человека с незапрокинутой головой эта зона расположена в направлении от носа вдоль туловища (вертикально и под небольшим углом вперед), она простирается от подбородка до живота и бедер (от уровня подбородка вниз на 75-85 см и по ширине 50 см (по 25 см в стороны от оси)) - в виде параллелепипеда, цилиндра или конуса (в зависимости от влияния окружающих предметов и потоков).
б) для человека в процессе разговора и ротового дыхания указанная зона расположена спереди, перед нижней частью лица и шеей и простирается на такое же расстояние.
Следует отметить, что точная величина этого расстояния, как и упомянутого выше угла, не имеет принципиального значения, эффект достигается за счет того, что отводятся продукты выдоха, попадающие с потоком выдыхаемого воздуха в сектор пространства перед органами дыхания каждого отдельного человека, например, за счет того, что приточным потоком вентиляции в помещении создается избыточное давление, так что выведение продуктов жизнедеятельности происходит самопроизвольно. Это также может осуществляться специальными средствами, расположенными стационарно, когда характер вентиляции заменяется на вытяжной, причем такой, при котором забор загрязненного воздуха происходит в точках размещения людей, куда попадает выдыхаемый ими воздух, а приток, напротив, может быть как индивидуальным, так и общим, стационарным, расположенным, например, сверху.
Кроме того, говоря, что зона распространения потока выдыхаемого воздуха может быть образована средствами формирования потока, расположенными в зоне непосредственного распространения потока выдыхаемого воздуха, мы имеем в виду, что в этой последней «берут начало» средства отведения потока, что последний выводится ими из зоны непосредственного распространения в зону отведения.
Все остальные вариации ограничиваются комбинацией зон распространения с учетом положения и поворота головы, а также влияния внешних отражающих предметов и струй воздуха.
При конструировании устройств и необходимости переключения между вышеуказанными зонами для лучшего удаления продуктов выдоха, наряду с видео-датчиками, дающими положение лица, можно использовать, например, микрофоны, чтобы по факту голоса или специфике звучания ротового дыхания осуществлять переключение между зонами.
Как уже отмечалось, предложение относится к системам вентиляции, работающим с пониженным объемом внешнего притока и дает максимальный эффект для случая кабин, салонов и помещений, где по тем или иным причинам приток свежего воздуха ограничен, но люди находятся без противогазов, масок и иных средств, размещенных на органах дыхания. Однако это не значит, что все сказанное ниже не может быть распространено и на такой случай, если есть возможность учесть пространственную топологию распределения продуктов выдоха и скорректировать соответствующим образом геометрические зоны расположения устройств забора этих продуктов.
Системы вентиляции в соответствии с предложенным решением можно классифицировать следующим образом:
1) «пассивная», когда забор продуктов выдоха производится непрерывно или импульсно из геометрических (пространственных) зон с повышенной концентрацией продуктов жизнедеятельности (так, для сидящих людей с носовым дыханием эти зоны расположены между подбородком и животом). При этом приток в нужной пропорции компенсирует забор и направлен, к примеру, на верхнюю часть головы/лица и средства притока и/или забора обеспечивают необходимый для функционирования системы перепад давления. Датчики могут отсутствовать.
2) «активная» - аналогичная п. 1), где улучшению условий забора способствует формирование соответствующими устройствами (соплами, направляющими) струй и вихрей, что позволяет осуществлять отведение продуктов выдоха внутри и даже вне геометрической зоны в удобных направлениях. Датчики также могут отсутствовать.
3) «адаптивная» - аналогичная п. 1) или 2), но оснащенная механическими, электронными, оптическими или иными датчиками положения, перемещения, скорости, давления, звукового давления, концентрации и т.д., что позволяет осуществлять изменение направления струй, направляющих (параметров и положения вихрей) и переключение зон при изменении направления дыхания или положения человека (в том числе, перемещении головы, движении по комнате и др.).
4) «синхронная» - система по п. 1), 2) или 3), дополнительно оснащенная электронными, механическими, оптическими, химическими и др. датчиками определения наличия людей и/или факта дыхания (в том числе, локального повышения концентрации продуктов выдоха), после чего производится синхронизация отбора и удаления порций выдоха с ритмом дыхания, кроме того, для удаления выбираются порции с максимальной (выше пороговой) концентрацией продуктов выдоха из геометрических зон вблизи человека с целью максимального уменьшения необходимого притока на замену.
Разместить средства (отверстия) забора целесообразно на пересечении упомянутых геометрических зон с различными поверхностями и предметами, размещенными в их пространстве. При этом некоторые предметы могут приобретать дополнительные функции элементов системы вентиляции. Рассмотрим несколько конкретных вариантов систем.
Рабочее место за компьютером или другое рабочее место в помещении - для этого случая заборные средства в соответствии с вышеозначенными геометрическими зонами могут располагаться в следующих местах:
- нижний край монитора;
- компьютерная клавиатура;
- передний край стола;
- коврик-накладка на стол;
- подушка-накладка на сиденье/кресло/колени;
- передняя часть подушек дивана и подлокотников;
- скатерть, письменный или любой другой прибор для стола, в том числе на несколько персон.
В условиях больницы, зала ожидания, тренажерного зала:
- прикроватная тумбочка и элементы конструкции кровати и кресел;
- элементы медицинского оборудования для мониторинга или терапевтических процедур;
- индивидуальные светильники, штанги держателей, подлокотники;
- передняя часть подушек кресел и диванов;
- элементы спортивных тренажеров, попадающие в геометрическую зону распространения или расположенные вблизи нее;
- роботизированный агрегат с возможностью перемещения, используемый как для забора, так и оптимизации топологии струй (вихрей) в помещении.
Концертные залы:
- в спинках впереди стоящих кресел, притом что откидные сиденья могут быть оснащены индивидуальным механическим клапаном, открывающим воздуховод забора при их опускании;
- откидные столик или перекладина между подлокотниками кресла.
Для транспортного средства:
- ремень безопасности (накладка на ремень, крепление ремня);
- задняя поверхность спинки кресла в средней и нижней ее части (для пассажиров второго и последующих рядов);
- в нижней части руля, передней панели.
В аварийной системе лифтов и аналогичных замкнутых кабин:
- в панели с кнопками вызова диспетчера или специальной переговорной панели, лицом к которой пассажира просят находиться в случае длительной аварийной остановки.
В служебных помещениях, на рабочих местах:
- поверхности пульта управления;
- в рабочей одежде.
Кроме того, во многих случаях пассажирам, слушателям и т.п. могут предлагаться индивидуальные средства забора, например:
- декоративная накладка в виде резиновой или мягкой игрушки, располагаемая на животе или на коленях и связанная тонким шлангом с системой.
Заметим также, что в случаях, когда к предметам, используемым в качестве заборных элементов системы вентиляции, подключение воздуховодов нежелательно, их можно оснащать автономным устройством передачи набранного объема дистанционно - узко направленной струей в приемник.
Описанные выше средства забора должны сочетаться с устройствами притока, компенсирующими удаляемые объемы воздуха. При этом устройства притока могут быть единые и общие (вентиляционные отверстия в потолке, например) - поскольку сам процесс дыхания людей в случае отвода и удаления продуктов создает нужное направление притока свежих масс воздуха. Но, разумеется, могут быть и индивидуальные - в этом случае располагать их желательно с ориентацией сверху, с потоками в направлении верхней части головы и с условием «неперекрывания», непересечения струй с потоком выдыхаемого воздуха.
При этом забор во всех случаях может быть как активным (насос для создания перепада давления и засасывания продуктов из геометрической зоны), так и пассивным, если притоком создается необходимое избыточное давление для вывода продуктов.
Помимо увеличения времени автономной работы снижение объемов притока позволяет лучше фильтровать поступающий воздух и облегчает проблемы рекуперации.
На фиг. 1-4 проиллюстрированы некоторые варианты реализации предлагаемого решения. На фиг. 1 приведен вариант использования системы вентиляции в автомобиле. В показанном на фиг. 1 примере средства притока чистого воздуха не обозначены, это может быть приток через обдув ветрового стекла или другой, желательно с ориентацией сверху-сбоку, а средства отвода воздуха выполнены на ремне безопасности 1 и на руле 2 (с внутренней стороны и в центральной части) и представляют собой воздухозаборные отверстия 3 и 4 соответственно, подключенные через соответствующие воздуховоды (на ремне безопасности 1 воздуховод обозначен позицией 5, на руле 2 не показан), подключены к вытяжному насосу (также не показан на фиг. 1), засасывающему потоки воздуха, загрязненного продуктами дыхания (через воздухозаборные отверстия 3 отводится поток, свойственный носовому дыханию, через отверстия 4 - ротовому). Для данного варианта, когда воздухозаборные отверстия 3 размещены на ремне безопасности 1, возможно выполнить средства синхронизации забора порций выдоха механическими, например, в виде пластин 6, 7 (справа они показаны на фиг. 1 отдельно), установленных ближе к месту крепления ремня безопасности 1, пластина 6 - неподвижно, а 7 - с возможностью смещения при натяжении ремня безопасности 1, возникающему в процессе дыхания водителя, например, посредством тяги 8, которая смещается при дополнительном натяжении ремня безопасности 1. Указанное смещение приводит к тому, что отверстия 9 в пластине 6 перестают совпадать с отверстиями 10 в пластине 7 и откачка воздуха через воздухозаборные отверстия 3 в ремне безопасности 1 происходит только на выдохе. Исходное взаимное положение пластин 6 и 7 водитель устанавливает после пристегивания ремня безопасности 1 на полном вдохе или полном выдохе, фиксируя пластины 6, 7 в положении «начало вдоха и перекрытия отверстий 9, 10» или «начало выдоха и конец перекрытия отверстий 9, 10» соответственно.
В другом варианте, также показанном на фиг. 1, на коленях водителя или пассажира транспортного средства лежит подушка (или мягкая игрушка) 11 с датчиком дыхания 12, который управляет работой клапана 13 на входе гибкого шланга 14, подключенного к откачивающему насосу.
Фиг. 2 иллюстрирует, каким образом средства формирования потока, расположенные в зоне «непосредственного распространения потока выдыхаемого воздуха», расширяют эту зону до «зоны распространения потока выдыхаемого воздуха». На рабочем столе 15 пользователя установлен монитор 16 и пассивный экран 17 на подставке 18, служащий отражателем потока 19 выдыхаемого воздуха (поток, характерный для «носового» дыхания показан на фиг. 1 поз. 20). Потоки 19, 20 изображены на фиг. 1, 2 в зонах непосредственного распространения потока, простирающихся от органов дыхания на 75-80 см в направлении выдоха. Как показано стрелками на фиг. 2 отражатель 19 и монитор 20, являясь в данном случае средствами формирования потока, расположенными в зоне непосредственного распространения потока выдыхаемого воздуха, перенаправляют поток выдыхаемого воздуха к воздухозаборному отверстию (жалюзи) 21, образуя тем самым зону распространения потока выдыхаемого воздуха вдоль всего пути прохождения потока выдоха.
1
2
1
Фиг. 3 иллюстрирует выполнение средств формирования потока в виде элементов средств притока чистого воздуха. Воздухозаборные отверстия 21 расположены в стойке 22, пользователь располагается на стуле 23. Справа от пользователя располагается лампа 24, снабженная соплами подачи свежего воздуха 25, 26. Как показано на фиг. 3, подача воздуха в воздуховод 27 осуществляется на интервалах T и Т (соответствуют вдоху и выдоху пользователя или непрерывно, сопло 25 подает поток чистого воздуха на интервале Т2, а сопло 26 - на интервале Т. Стойка 22 воздуховодом 30 соединена со средствами откачки. Однако, как отмечено выше, формировать, перенаправлять поток забираемого воздуха можно также окружающим воздухом из салона или потоками ранее забранного загрязненного воздуха, который таким образом вместе с новыми порциями вновь направляется в воздухозаборные отверстия.
Указанные интервалы регистрируются сенсором 28, выход которого соединен с информационным входом контроллера 29, управляющего работой средств подачи чистого воздуха и откачки загрязненного (что условно показано стрелками на фиг. 3).
В показанном на фиг. 4 примере на столе 15 для совещаний установлены сенсоры 28, дистанционно подключенные к контроллеру 29, управляющему (также дистанционно) работой (положением на столе 15 и состоянием («включено-выключено») секционированных подвижных узлов отбора 31 загрязненного воздуха. Включенные секции узлов отбора 31 показаны на фиг. 4 затемненными. Вокруг стола 15 показаны только занятые офисными работниками стулья 23. Позицией 32 обозначена общая для данного помещения приточная вентиляция. В исходном состоянии узлы отбора 31 занимают нейтральное положение в центре стола (показаны пунктиром). По мере заполнения помещения контроллер 29 располагает их и включает секции из условия максимально полного отбора порций выдыхаемого работниками воздуха. Разумеется, узлы отбора могут быть выполнены с возможностью преодоления или огибания плоских препятствий (блокнотов, например) и быть подключены гибкими шлангами к общей системе откачки или же передавать узконаправленные импульсные потоки загрязненного воздуха от одного узла к другому (показано стрелками) и, затем, в общий заборный узел 33. Контроллер использует для этого не включенные на откачку секции или не включенные в данный момент (в интервалах между включениями). Так осуществляется отслеживание положения живых существ (пользователей) системы вентиляции.
Таким образом, предлагаемая система вентиляции обеспечивает в условиях загазованности и загрязнений длительные интервалы изоляции салона, кабины или помещения от притока внешнего воздуха. Это достигается не избыточным притоком кислорода, а удалением продуктов выдоха, которые целенаправленно выводятся из рециркуляции.
Если речь идет о ремне безопасности, то элементы вентиляции, которые выполнены в виде отверстий и каналов для забора и/или подачи воздуха, конструктивно могут быть размещены в структуре ремня и не нарушать его прочности. Они также могут выполняться в виде накладных элементов. В этом случае ремень выполняет роль несущей конструкции и при надевании (или при вывеске в свободном положении сбоку) позиционирует их в нужном положении относительно органов дыхания.
Как уже отмечалось выше, эти элементы могут быть выполнены так, чтобы работать с учетом ритма дыхания человека, находящегося на данном посадочном месте, например, за счет изменения натяжения ремня при перемещении грудной клетки.
Ремень с элементами вентиляции в виде отверстий и каналов для забора и/или подачи воздуха может быть выполнен с элементами формирования струй (потоков) и/или конструктивными элементами, улучшающими пропорцию забора продуктов выдоха, в том числе в виде пластикового нагрудника с загнутым краем.
Аналогичный воздухозаборный элемент в виде «корзиночки» с соплами может быть размещен в нижней части руля и выполнен с разводкой воздуховодов через руль и рулевую колонку, как совсем без датчиков, так и с датчиками изменения положения живота или нижней части грудной клетки водителя или пассажира: механического типа (в виде, например, бахромы из упругих полосок, касающихся передней части туловища); оптического (по аналогии с автофокусом фотоаппарата); ультразвукового (меряющего изменение дистанции по отражению) и др.
Тот же воздухозаборный элемент может быть выполнен в виде фартука на сиденье или выступающего края подушки с отверстиями, находящихся в направлении линии от носа вниз для сидящего человека, притом что разводка воздуховодов осуществляется, например, через крепление сиденья. К вышеперечисленным датчикам в этом случае можно добавить простой оптический, реагирующий, например, на изменение тени (от расположенного под углом источника света), создаваемой передней частью тела при движении грудной клетки и живота.
Все перечисленные варианты и множество других могут быть сконструированы исходя из сформулированной выше сути предложения и приведенных примеров, причем все они, будь то ремень безопасности транспортного средства с элементами вентиляции или узлы отбора (забора, откачки) порций выдыхаемого воздуха с соответствующей системой воздуховодов и управления в комнате для совещаний, студенческой аудитории и т.п., могут быть охарактеризованы посредством наличия в системе вентиляции средств отвода воздуха, выполненных именно в виде средств отвода воздуха, загрязненного продуктами дыхания, а также расположением их воздухозаборных отверстий в зоне распространения потока выдыхаемого воздуха (непосредственным образом или направленного к указанным отверстиям). Именно эта особенность обеспечивает системе вентиляции повышенную степень автономности и экономичность.