Устройство для очистки и дезинфекции воздуха и улучшения микроклимата помещения

Область техники
Полезная модель относится к области кондиционирования воздуха и может быть использована для очистки, дезинфекции и увлажнения воздуха в любых помещениях (жилых, медицинских, производственных, коммерческих и прочих).  Кроме того, полезная модель относится к области растениеводства и может использоваться для выращивания растений на вертикальных поверхностях и озеленения помещений.
Уровень техники
Качество воздуха в помещениях, где люди проводят большую часть своего времени, является одним из важнейших параметров здоровья и благополучия человека. Исследования показывают, что внутри помещений загрязненность воздуха может быть в несколько раз выше, чем вовне.
В помещениях обычно присутствуют такие загрязнения, как пыль и микроорганизмы (вирусы, бактерии и споры грибов и плесени), газы и другие летучие соединения.
Наиболее распространенными патогенными микроорганизмами, встречающимися в закрытых помещениях, являются: различные вирусы, стафилококки, стрептококки, сарцины, синегнойная и кишечная палочки, а также споры грибов.
Кроме того, существует множество опасных веществ, выделяющихся из зданий, строительных материалов и мебели. Летучие химические соединения, обнаруживаемые в воздухе чаще других: формальдегид, фенол, бензол, стирол, этилбензол, толуол, ксилол, альдегиды, ацетон, аммиак, этилацетат, оксиды азота, оксиды углерода.
Загрязнения и патогенные микроорганизмы, содержащиеся в воздухе, приводят к снижению функций иммунной системы человека и проявлению различных заболеваний: от аллергии до пневмонии, как в случае пандемии COVID-19. За последние несколько лет в мире было зафиксировано несколько вспышек вирусных заболеваний, в том числе пандемия COVID-19. В настоящее время очистка воздуха от микроорганизмов и прочих летучих соединений наиболее актуальна.
Бытовая пыль является сорбентом и накопителем веществ, загрязняющих воздух в помещении. Комплекс соединений, загрязняющих воздушную среду помещений, является активным стимулятором аллергенных свойств пыли.
Присутствие большого количества людей, находящихся в помещениях в течении длительного времени, ускоряет рост численности микроорганизмов в воздухе.
В настоящее время для очистки воздуха применяют следующие методы: физические, химические и биологические.
Заявляемое устройство представляет собой комбинацию наиболее экологичных способов очистки и дезинфекции воздуха - физического и биологического.
Из существующего уровня техники известно устройство для выращивания растений (WO2013014337A2, дата публикации 31.01.2013 г.) которое включает корпус с встроенными в него растениями в субстрате, ирригационным средством для орошения и средством для создания воздушного потока сквозь субстрат с растениями. По меньшей мере, некоторые из растений вместе с их субстратами помещены в модульные блоки для выращивания (далее по тексту - контейнеры), а в корпусе имеются места для контейнеров, в которые они могут быть установлены съемным образом, независимо от средств ирригации. Воздух всасывается внутрь корпуса через контейнеры с субстратом и корнями растений и выдувается наружу через специальные отверстия в верхней части корпуса устройства. В устройстве в качестве фильтра используется контейнеры с субстратом и растениями.
Так как воздух проходит через корневую систему растений, то различные взвешенные в воздухе частицы, такие как пыль, оседают на корнях растений, что приводит к их быстрому загрязнению, снижению продолжительности жизни растений и частому обслуживанию контейнеров.
Полив растений внутри корпуса происходит вертикальным орошением контейнеров, содержащих субстрат с корнями растений. Частично смывая загрязнения из корней, поливочная жидкость не подвергается обеззараживанию и используется для повторных поливов растений.
Воздух, проходящий через контейнеры с корнями растений и выдуваемый в помещение, также не проходит бактерицидной обработки.
Таким образом, вышеуказанное техническое решение не обеспечивает эффективную очистку выдуваемого воздуха. Кроме того, существует риск распространения в воздухе микроорганизмов из контейнеров с субстратом.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявляемой полезной модели является передвижной очиститель воздуха для выращивания растений (CN209197026, дата публикации 02.08.2019 г.), который содержит вертикальный корпус, часть для выращивания растений, часть для фильтрации воздуха, часть, усиливающую рост растений, систему подогрева выдуваемого воздуха, микро-ирригационную часть и часть автоматического управления. Средство для полива выполнено в виде капельниц, выведенных из корпуса наружу над каждым контейнером с растением.
Недостатком прототипа является отсутствие бактерицидной обработки выдуваемого потока воздуха. Следовательно, не происходит устранение вредных микроорганизмов в воздушном потоке.
Так же часть, усиливающая рост растений, подогревает выдуваемый воздух, что неизбежно повышает температуру воздуха в помещении, осушает его и приводит к снижению общей влажности воздуха в помещении. В устройстве отсутствует система увлажнения воздуха.
Система полива в виде капельной головки не обеспечивает уровень потребления жидкости, необходимый конкретному виду растений, что может привести к различным болезням растений, развитию плесени, грибка и, как следствие, гибели растений, в результате избыточного либо недостаточного увлажнения. Конструкция системы полива растений, предусматривающая выведение капельной головки отдельно над каждым контейнером снаружи вертикального корпуса, значительно усложняет конструкцию устройства.
Конструкция устройства является единым целым и не предусматривает увеличение площади для повышения производительности. Устройство-прототип по замыслу представляет собой только посадочную платформу вместо готового продукта с конфигурацией растений, следовательно, потребителю необходимы специальные знания в области ботаники для подбора и высадки определенных сортов растений, очищающих воздух, а также самостоятельная настройка систем автоматизации. Кроме того, известно, что производительность очистки воздуха растениями зависит от размера и количества листьев, таким образом, выращивание растений из семян не позволит достичь эффективной очистки воздуха по сравнению со взрослыми растениями специально подобранных сортов.
Раскрытие полезной модели.
Задачей, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является создание эффективного, экологичного и экономичного устройства для улучшения качества воздуха в помещении.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является улучшение качества воздуха в помещении.
Технический результат достигается благодаря устранению из воздуха взвешенных твердых частиц и микроорганизмов (бактерий, вирусов, спор грибов, плесени), поглощению газов и запахов. Происходит увлажнение воздуха, насыщение воздуха кислородом, аэроионами и фитонцидами.
Заявляемая полезная модель представляет собой устройство для очистки и дезинфекции воздуха и улучшения микроклимата помещения, включающее вертикальный корпус закрытого типа, который содержит часть для выращивания растений, систему ирригации, систему фильтрации воздуха, систему освещения растений, систему автоматического управления, отличающееся тем, что система фильтрации воздуха включает несколько типов фильтров; устройство содержит систему дезинфекции воздуха, которая содержит в качестве основного элемента как минимум один источник ультрафиолетового излучения в диапазоне частот, эффективном для уничтожения микроорганизмов; содержит систему увлажнения воздуха; вертикальный корпус состоит как минимум из одного модуля, который содержит систему ирригации, систему увлажнения воздуха и часть для выращивания растений и модули могут соединяться между собой для увеличения площади устройства и повышения производительности. При этом система ирригации построена на основе фитильной гидропонной системы. Кроме того, система ирригации содержит компонент стерилизации ирригационной жидкости.
В заявляемом устройстве очистка воздуха достигается благодаря системе фильтрации, которая представляет собой многоступенчатую систему, состоящую из нескольких типов фильтров для повышения эффективности очистки и достижения технического результата. Использование разных типов фильтров имеет взаимодополняющий эффект.
В заявляемом устройстве могут применяться следующие типы фильтров, как все вместе, так и в разных сочетаниях:
механический фильтр используются в качестве фильтра предварительной (грубой) очистки воздуха от крупных частиц пыли, пуха, шерсти животных и прочее;
фильтр тонкой очистки удерживает мелкие частицы пыли, споры плесени, пыльцу и прочее;
угольный фильтр служит для адсорбирования вредных газов и неприятных запахов
высокоэффективный фильтр очистки воздуха, фильтр типа HEPA.
Дезинфекция в заявляемом устройстве достигается благодаря системе бактерицидной обработки воздушного потока, которая устраняет различные микроорганизмы, в том числе вирусы. В качестве основного элемента такой системы применяется ультрафиолетовое излучение (далее по тексту - УФ-излучение).
УФ-излучение - это физический метод дезинфекции, основанный на фотохимических реакциях, которые приводят к необратимым повреждениям ДНК и РНК микроорганизмов. В результате микроорганизмы прекращают воспроизводство (инактивируются) и погибают.
В заявляемом устройстве применяются специальные безозоновые УФ-излучатели типа UV-C с длиной волны 253,7 нм, работающие в бактерицидном спектре. Использование таких излучателей не влияет на физико-химические и органолептические свойства воздуха.
В заявляемом устройстве УФ-излучатели расположены в специальной камере обработки воздушных потоков, исключающей выход УФ-лучей за ее пределы. Внутренняя стенка камеры обработки воздушных потоков УФ-излучением снабжена покрытием, отражающим УФ-излучение, для повышения эффективности облучения микроорганизмов внутри камеры. Также может применяться катализатор, например сетка из диоксида титана, для получения фотокаталитического эффекта. Так как УФ-излучение не выходит за пределы камеры и, соответственно, заявляемого устройства, это позволяет использовать безозоновые УФ-излучатели типа UV-C на протяжении длительного времени без вреда для здоровья человека.
В качестве дополнительного средства дезинфекции воздуха в заявляемом устройстве могут также применяться высокоэффективные фильтры очистки воздуха - фильтры типа НЕРА (EPA-, HEPA-, ULPA-фильтры). Указанные фильтры могут использоваться совместно с источником УФ-излучения, для усиления дезинфицирующего эффекта устройства. Современные фильтры типа HEPA задерживает мельчайшие взвешенные частицы, в том числе микроорганизмы. Эффективность таких фильтров достигает 99,97%. При последовательном размещении в устройстве источника УФ-излучения, а затем HEPA-фильтра, микроорганизмы, оседающие на поверхности фильтра, получают дополнительную дозу УФ-излучения, что приводит к их гибели.
Дополнительным способом очистки воздуха является биологический. Роль биологического фильтра играют живые растения. Естественные биохимические процессы, происходящие в растениях, способствуют очищению воздуха и улучшению микроклимата в помещениях.
Растения поглощают из окружающего воздуха углекислый газ. Хлорофилл и другие пигменты в листьях улавливают энергию от источника света (системы освещения в заявляемом устройстве). Эта энергия используется на расщепление молекулы воды на ионы кислорода и водорода. В результате химических реакций растения используют водород и поглощенный углекислый газ для синтеза углеводов, необходимых им для жизнедеятельности, а кислород, как побочный продукт фотосинтеза, выделяется в воздух. Также растения могут очищать окружающий воздух как от газообразных веществ, так и от взвешенных частиц и микроорганизмов.
Для очищения воздуха в помещении подходит взрослое растение, имеющее крупные листья с большой площадью или большим количеством мелких листьев. Именно листья работают в качестве биологического фильтра. В заявляемом устройстве используются специально подобранные виды растений, имеющие наибольшую очищающую способность.
Для протекания фотосинтеза в оптимальном режиме лист или само растение должно получать достаточное количество световой энергии, воды и углекислого газа. В заявляемом устройстве оптимальные условия достигаются благодаря системе освещения растений и системе ирригации, основанной на фитильной гидропонной системе, где растение потребляет столько ирригационной жидкости, сколько ему необходимо. Достаточность уровня углекислого газа достигается благодаря размещению устройства в помещениях с людьми, например в офисах, квартирах, медицинских учреждениях, учебных заведениях и прочих.
Растения выделяют фитонциды - вещества, которые убивают или тормозят рост и развитие патогенных микроорганизмов (бактерий, вирусов, грибков и т.п.) и одновременно с этим улучшают качество воздуха.
Фитонциды растений, в заявляемом устройстве, способствуют дополнительной дезинфекции воздуха, а также увеличивают содержание легких отрицательных ионов с одновременным снижением тяжелых.
Таким образом, растения изменяют не только химическй состав воздуха, но и физическое состояние его молекул, путем ионизации.
Заявляемое устройство содержит систему освещения растений, которая позволяет поддерживать оптимальный уровень освещенности растений. В устройстве используются источники света определенного спектра и длинны волны, необходимые для роста растений и формирования лиственной массы. Таким образом, система дополнительного освещения в заявляемом устройстве, позволяет поддерживать непрерывную фитонцидную активность растений независимо от времени суток и сезона.
Вертикальный тип конструкции заявляемого устройства позволяет эффективно и экономно использовать площадь помещения и разместить большее число растений на квадратный метр устройства для увеличения его производительности. Кроме того, отдельные модули устройства могут соединяться между собой для увеличения площади покрытия стен в высоту и ширину.
Часть для выращивания растений, включает съемные контейнеры с грунтом либо субстратом и выращиваемыми растениями и специальные места в модуле для установки съемных контейнеров. Такое техническое решение упрощает эксплуатацию устройства и позволяет легко и быстро устанавливать и производить замену контейнеров с растениями.
В заявляемом устройстве увлажнение воздуха достигается благодаря технологии равномерного испарения ирригационной жидкости в открытых горизонтальных ирригационных каналах внутри устройства и естественных свойств растений по испарению влаги с поверхности листьев.
Система увлажнения воздуха представляет собой систему открытых горизонтальных каналов с ирригационной жидкостью, расположенных внутри каждого модуля, используемых для распределения ирригационной жидкости и подведения её к контейнерам с растениями и средство создания принудительного воздушного потока внутри корпуса, например вентилятора. Воздух внутри вертикального корпуса не контактирует непосредственно с грунтом и корневой системой, так как они находятся в изолированных контейнерах, что исключает проникновение в воздушный поток микроорганизмов, которые могут содержаться в грунте.
Система ирригации содержит резервуар с ирригационной жидкостью, компонент стерилизации ирригационной жидкости, систему подачи ирригационной жидкости (водяной насос, подающая трубка), систему распределения ирригационной жидкости в виде открытых горизонтальных каналов и систему подачи ирригационной жидкости к контейнерам с растениями на основе фитильной гидропонной системы.
Фитильная система обеспечивает автоматическую подачу ирригационной жидкости к корням растений за счет действия капиллярных сил. В результате растения в устройстве потребляют столько ирригационной жидкости, сколько им требуется для жизнедеятельности (в том числе для эффективного протекания процессов фотосинтеза, фитонцидной активности и увлажнения воздуха), независимо от их видового состава. Такая система является простой в исполнении и экономичной, так как не требует частого запуска системы ирригации и позволяет экономно использовать ирригационную жидкость в устройстве.
Благодаря встроенному в резервуар компоненту стерилизации ирригационная жидкость обеззараживается, что позволяет многократно использовать ирригационную жидкость в устройстве. Стерилизация ирригационной жидкости предотвращает попадание микроорганизмов в воздушный поток, проходящий внутри модуля. Такое решение повышает эффективность и экономичность заявляемого устройства.
Система автоматического управления позволяет произвести настройку устройства для оптимальной работы всех его элементов и достижения технического результата. Автоматическое управление системами освещения, ирригации, фильтрации и дезинфекции воздуха, а также блок управления вышеуказанными системами, позволяет настроить работу устройства в автоматическом режиме.
С помощью различных датчиков, например датчики температуры, влажности, освещенности, загрязненности воздуха, система управления определяет различные параметры воздуха и окружающей среды, что позволяет оптимизировать работу устройства. А модуль беспроводной передачи данных позволяет производить настройки работы устройства дистанционным способом.
Сущность полезной модели поясняется чертежом:
фиг. - Общий вид примера устройства. Где (1) - резервуар с ирригационной жидкостью, (2) - система подачи ирригационной жидкости, (3) - компонент стерилизации ирригационной жидкости, (4) - входное воздушное отверстие, (5) - съемные контейнеры с грунтом либо субстратом и выращиваемыми растениями, (6) - модули, (7) - система освещения растений, (8) - система фильтрации воздуха, (9) - система дезинфекции воздуха, (10) - система автоматического управления, (11) - выходное воздушное отверстие.
Осуществление полезной модели.
Пример воплощения полезной модели:
1. Устанавливается резервуар с ирригационной жидкостью (1).
2. Модули (6) устройства плотно соединяются друг с другом и с резервуаром (1).
3. В специальные места (отверстия) в модулях устанавливаются контейнеры (5), содержащие грунт либо субстрат с выращиваемыми растениями.
4. Осуществляется подключение устройства к электропитанию.
5. Далее автоматически происходит запуск следующих систем: стерилизации ирригационной жидкости (3) и подача (2) её в систему распределения и подведения к контейнерам с выращиваемыми растениями; запуск системы освещения растений (7); запуск средства создания воздушного потока внутри модулей. Воздух затягивается в нижней части модуля (4) и проходит через первую ступень фильтрации фильтрами грубой очистки, далее, поднимаясь вверх внутри модулей, воздух проходит через систему увлажнения воздуха, затем воздух проходит вторую ступень фильтрации (8) фильтрами тонкой очистки, где происходит устранение мелких взвешенных частиц, далее воздух проходит угольный фильтр, где очищается от запахов и газов. Далее воздух проходит дезинфекцию (9) с помощью источника УФ-излучения и фильтров типа HEPA. Очищенный, обеззараженный и увлажненный поток воздуха выдувается наружу в верхней части модуля (11).
6. Устройство работает в автоматическом режиме. В соответствии с заданными настройками системы автоматического управления (10), происходит запуск и остановка систем освещения, ирригации, фильтрации, дезинфекции и увлажнения воздуха, стерилизации ирригационной жидкости, анализ состояния грунта растений, анализ температуры и влажности воздуха в помещении.
Технический результат достигается благодаря очищению воздуха системой фильтрации от взвешенных частиц (пыль, пух, шерсть и прочее), поглощению фильтрами вредных газов и запахов, устранению микроорганизмов (бактерий, вирусов, споров плесени и грибов) с помощью системы дезинфекции воздуха, увлажнению воздушного потока стерилизованной ирригационной жидкостью. Благодаря растениям улучшается состав воздуха, путем поглощения углекислого газа и вредных летучих соединений, насыщения воздуха кислородом, аэроионами, фитонцидами. Устройство увеличивает скорость движения воздушных масс в помещении. Кроме того, вертикальное озеленение улучшает шумоизоляцию в помещении. В результате происходит улучшение качества воздуха в помещении.