УСТРОЙСТВО ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОЗДУХА

Полезная модель относится к устройствам, обеспечивающим повышение качества воздуха в помещении, и может быть использовано в помещениях производственного, непроизводственного и жилого назначения. Принцип действия устройства основан на замещении загрязненного воздуха помещения высококачественным воздухом, очищенным с помощью растений от аэрозольных и микробиологических загрязнителей, дополнительно увлажняемым и насыщаемым активными формами кислорода в оптимальных для человека концентрациях.
Известны устройства, обеспечивающие повышение качества воздуха в помещении путем очистки воздуха от аэрозольных загрязнителей и насыщения воздуха активными формами кислорода. Например, известно устройство (патент РФ №2124402), содержащее корпус с прорезями, через которые внутрь корпуса могут диффундировать аэрозольные примеси. Внутри корпуса происходит их поляризация и осаждение на осадительном электроде.
Недостатком устройства является крайне низкая производительность очистки воздуха от аэрозольных примесей вследствие отсутствия в устройстве вентилятора, обеспечивающего принудительное поступление загрязненного воздуха к осадительному электроду.
Известно устройство (международная заявка WO 03001119), предназначенное для повышения качества воздуха, включающее в себя технические средства для очистки воздуха в помещении от аэрозольных загрязнителей (пыли), насыщения воздуха активными формами кислорода (отрицательными ионами кислорода) и увлажнения воздуха. Технические средства - генератор аэроионов, аэрозольный фильтр, резервуар с водой для увлажнения воздуха и блок управления размещены в несущей конструкции (корпусе), имеющей форму цветочного горшка. В корпусе имеется отверстие для входа загрязненного воздуха, отверстие для выхода очищенного воздуха и вентилятор. Для улучшения внешнего вида изделия в корпусе - горшке установлено декоративное искусственное растение.
При пропускании загрязненного воздуха через аэрозольный фильтр воздух очищается от аэрозольных загрязнителей. Далее воздух увлажняется, насыщается отрицательными аэроионами и подается в помещение. Таким образом, очищенный в данном комплексе воздух замещает загрязненный воздух помещения, повышая его качество.
По существу, данное устройство является обычным бытовым очистителем воздуха с функцией увлажнения и ионизации воздуха. Единственной чертой, отличающей данное устройство от других воздухоочистителей с указанными функциями, является наличие декоративного растения, являющегося элементом дизайна и не несущего функциональную нагрузку.
Недостатком данного устройства, как и всех известных бытовых очистителей, состоящих из сугубо технических средств, воздействующих на воздушную среду помещений, является принципиальная невозможность формирования «живого» воздуха с естественным природным физико-химическим составом, наиболее полезным для воздействия на человека с точки зрения современных гигиенических требований. Кроме того, генерация только отрицательных аэроионов противоречит современным санитарным нормам (СанПиН 2.2.4.1294 - 03), обязывающим производить насыщение воздуха помещения аэроионами обеих полярностей, поскольку считается, что биполярная аэроионизация наиболее оптимальна для здоровья человека. Наконец, использование для увлажнения воздуха увлажнителя ультразвукового типа экологически небезопасно, т.к. при высыхании капель влаги во время их гравитационного падения в воздух помещения поступает значительное количество мелкодисперсных солевых аэрозолей, являющихся аллергенами.
Известно устройство для повышения качества воздушной среды помещения (патент РФ на ПМ №68310) путем замещения загрязненного воздуха воздухом, по физико-химическому составу приближенного к натуральному природному воздуху, очищенным от аэрозольных и микробиологических загрязнителей, увлажненным и насыщенным активными формами кислорода в концентрациях, наиболее оптимальных с точки зрения медико-биологического воздействия на человека.
Данное устройство содержит корпус с отверстиями для входа и выхода воздуха, вентилятор, биполярный ионизатор воздуха, установленный внутри корпуса, растения, лампы искусственного освещения растений, обеспечивающую освещенность растений в диапазоне 200-1000 люкс и систему их полива.
В данном устройстве повышение качества воздуха, в том числе, очистка воздуха от аэрозольных и микробиологических загрязнителей и увлажнение воздуха осуществляется с помощью растений, а насыщение воздуха активными формами кислорода - с помощью биполярного ионизатора воздуха. Данное устройство выбрано в качестве прототипа предлагаемого изобретения.
Недостатком данного устройства является относительно невысокая эффективность очистки воздуха растениями от аэрозольных и микробиологических загрязнителей и, как следствие, невысокая производительность устройства, предназначенного для повышения качества воздуха в помещении.
Задачей настоящей полезной модели является повышение качества воздушной среды путем увеличения эффективности очистки воздуха растениями от аэрозольных и микробиологических загрязнителей, увлажнение воздуха, насыщения воздуха помещения активными формами кислорода - легкими ионами кислорода отрицательной и положительной полярности (аэроионами) в концентрациях, утвержденных санитарными нормами.
Поставленная задача достигается с помощью устройства, содержащего корпус с отверстиями для входа и выхода воздуха, вентилятор, биполярный ионизатор воздуха, растения, лампы искусственного освещения растений и систему их полива.
Существенным отличием является то, что растения расположены в корпусе, причем, в качестве растений выбраны растения, характеризующиеся значительной площадью листовой мозаики и тем, что листья имеют высокую плотность тонких кутикул, содержащих вещества с высокой адгезивной способностью, обусловленной наличием на поверхности листьев жирных кислот и воска или развитой транспирационной функцией.
Существенным отличием является и то, что устройство дополнительно содержит источник постоянного напряжения, не менее двух перфорированных металлических решеток и униполярный ионизатор.
Также существенным отличием является то, что униполярный ионизатор расположен внутри корпуса над растениями и выполнен с возможностью формирования аэроионов положительной полярности, перфорированные решетки установлены между местом расположения униполярного ионизатора и биполярным ионизатором таким образом, чтобы через них проходил весь воздушный поток, а биполярный ионизатор расположен между отверстием, через которое воздух из корпуса поступает в помещение и перфорированными металлическими решетками.
Кроме того, существенным отличием является то, что каждая из перфорированных решеток гальванически соединена с соответствующим полюсом источника постоянного напряжения, при этом полярность и амплитуду напряжения на перфорированных решетках выбирают из условия (соотношения), при котором аэрозоли, заряженные аэроионами, не выходят за пределы корпуса.
Наконец, существенным отличием является то, что при использовании растений с развитой транспирационной функцией листьев применяют лампы, обеспечивающие искусственное освещение растений в спектральном диапазоне 400-700 нм с интенсивностью в пределах 3000-10000 люкс, периодически снижая интенсивность освещенности. При этом общая длительность периодов с пониженной освещенностью меньше или равна 25% от общей длительности искусственного освещения.
То, что растения со значительной площадью листовой мозаики расположены в корпусе, позволяет использовать их в качестве биологически активного фильтра с большой фильтрационной поверхностью, на который оседают аэрозоли и находящиеся на них микроорганизмы, присутствующие в загрязненном воздухе.
Вследствие того, что в качестве растений выбраны растения, характеризующиеся тем, что листья имеют высокую плотность тонких кутикул, содержащих вещества с высокой адгезивной способностью, обусловленной наличием на поверхности листьев жирных кислот и воска или развитой транспирационной функцией, обеспечивается высокое сцепление осевших
аэрозолей с листьями, способствующее повышению эффективности очистки воздуха от аэрозолей.
Благодаря тому, что униполярный ионизатор расположен внутри корпуса над растениями, обеспечивается интенсивная зарядка поступающих в корпус устройства аэрозолей и осаждение их на листья растений. А то, что униполярный ионизатор выполнен с возможностью формирования аэроионов именно положительной полярности, способствует тому, что у растений не развивается адаптация к аэроионному воздействию, вследствие чего растения в качестве очистителя воздуха могут функционировать длительное время.
То, что устройство дополнительно содержит источник постоянного напряжения и не менее двух перфорированных металлических решеток и то, что каждая из перфорированных решеток гальванически соединена с соответствующим полюсом источника постоянного напряжения, обеспечивает «запирание» внутри корпуса заряженных аэрозолей. А то, что при этом полярность и амплитуду напряжения на перфорированных решетках выбирают из условия (соотношения), при котором аэрозоли, заряженные аэроионами, не выходят за пределы корпуса, обеспечивает высокую эффективность очистки воздуха от аэрозолей.
То, что перфорированные решетки установлены между местом расположения униполярного ионизатора и биполярным ионизатором таким образом, чтобы через них проходил весь воздушный поток, исключает проскок загрязненного аэрозолями воздуха мимо перфорированных решеток.
Благодаря тому, что используют растений с развитой транспирационной функцией листьев и тому, что лампы обеспечивают искусственное освещение растений в спектральном диапазоне 400-700 нм с высокой интенсивностью в пределах 3000-10000 люкс, осуществляется повышенный выход влаги из листьев наружу. Благодаря повышенному выходу влаги, во-первых, повышается адгезия осевших аэрозолей к поверхности листьев, во-вторых, интенсивнее идет процесс насыщения влагой воздуха помещения. Кроме того, при интенсивном освещении и повышенном выходе влаги усиливается выход фитонцидов, которые являются, в некотором смысле, ядом для осевших на листья микроорганизмов.
То, что искусственное освещение растений осуществляют с периодическими снижениями интенсивности освещенности, общая длительность которых меньше или равна 25% от общей длительности искусственного освещения, обеспечивает периодический «отдых» растений, не адаптированных к постоянному световому воздействию с повышенной интенсивностью. При этом, как показала практика, длительность «отдыха» от интенсивного светового воздействия у растений может быть невелика, в пределах 25%, от общей продолжительности светового воздействия.
Отличительные признаки предлагаемого устройства обеспечивают повышение качества воздуха в помещении путем создания в помещениях жилого, производственного и непроизводственного (административного) назначения воздуха. Такой воздух по физико-химическому составу максимально приближен к натуральному природному воздуху, очищен с помощью растений от аэрозольных и микробиологических загрязнителей, дополнительно увлажнен и насыщен аэроионами отрицательной и положительной полярности в оптимальных для человека концентрациях.
Предлагаемое изобретение проиллюстрировано на фигурах 1-3. На фиг.1 представлен общий вид устройства, на фиг.2, 3 продемонстрирована эффективность очистки воздуха от аэрозолей разной дисперсности с помощью устройства, укомплектованного растениями с различными свойствами поверхности листьев.
Устройство содержит корпус 1 с отверстиями для входа 2 и выхода 3 воздуха, вентилятор 4, биполярный ионизатор воздуха 5, растения 6 в горшках 7, лампы искусственного освещения 8 растений 6, резервуар 9, перфорированные металлические решетки 10 и 11, источник постоянного напряжения 12 и униполярный ионизатор 13.
Для функционирования предлагаемого устройства используются растения 6, характеризующиеся значительной площадью листовой мозаики и тем, что листья имеют высокую плотность тонких кутикул, содержащих вещества с высокой адгезивной способностью, обусловленной наличием на поверхности листьев жирных кислот и воска (например, сансивьерии) или развитой транспирационной функцией (например, традесканция или монстера).
Растения 6 размещены в горшках 7, имеющих отверстия в днище. Горшки 7 установлены на дно резервуара 9. Сверху над растениями установлен прозрачный для спектрального диапазона 400-700 нм корпус 1. Внутри корпуса 1 над растениями 6 установлен униполярный ионизатор 13. Корпус 1 имеет отверстия для входа воздуха 2 и выхода воздуха 3. В отверстие для входа воздуха 2 установлен вентилятор 4, а в отверстие для выхода воздуха 3 установлен биполярный ионизатор воздуха 5. Снаружи корпуса смонтированы лампы искусственного освещения 8. Перед биполярным ионизатором воздуха 5 в корпусе 1 установлены параллельно друг другу перфорированные металлические решетки 10 и 11 таким образом, чтобы через них проходил весь воздушный поток. К каждой из решеток подсоединен один из полюсов источника постоянного напряжения 12.
Устройство работает следующим образом.
В резервуар 9 заливают воду, необходимую для периодического полива растений 6. Периодически в воду добавляют питательные вещества и микроэлементы, необходимые растениям 6 для нормальной жизнедеятельности. Вода с питательными веществами через отверстия в горшках 7 поступает в грунт и питает растения 6.
Включают лампы искусственного освещения 8 и униполярный ионизатор 13, формирующий в корпусе 1 устройства высокую, в пределах 100000-1000000 ион/куб, см концентрацию аэроионов положительной полярности. Униполярный ионизатор 13 имеет собственный побудитель расхода (микровентилятор), обеспечивающий быстрое поступление аэроионов с указанной концентрацией к листьям растениям.
Подают напряжение от источника постоянного напряжения 12 к перфорированным металлическим решеткам 10 и 11 таким образом, чтобы электрическое поле в промежутке между перфорированными металлическими пластинами 10 и 11 препятствовало выходу положительно заряженных аэрозолей из корпуса 1 устройства. Для этого к перфорированной металлической решетке 10 подают напряжение с положительного полюса источника постоянного напряжения 12, а к перфорированной металлической решетке 11 - с отрицательного полюса. Включают вентилятор 4 и биполярный ионизатор 5.
При включении вентилятора 4 загрязненный воздух поступает в корпус 1 устройства. Объем внутренней части корпуса 1, и, в том числе, поперечное сечение корпуса 1 выбраны таким образом, чтобы направленная составляющая скорости входящего в корпус 1 воздушного потока снижалась, как минимум, на порядок. Вследствие этого, поступающие вместе с воздушным потоком аэрозольные загрязнители и микробиологические загрязнители, осевшие на аэрозоли, находятся внутри корпуса 1 значительное время, во всяком случае, достаточное для столкновения большинства аэрозолей с положительными аэроионами. В результате столкновений аэроионов и аэрозолей происходит их объединение, образуются своего рода кластеры.
Одна часть положительно заряженных аэрозолей под действием направленного воздушного потока, формируемого микровентилятором униполярного ионизатора 13, оседает на листьях растений.
0
Другая часть положительно заряженных аэрозолей под действием направленной составляющей скорости воздушного потока, формируемого вентилятором 4, пытается выйти из корпуса 1 через перфорированные металлические решетки 10 и 11. Для того, чтобы предотвратить выход заряженных аэрозолей из корпуса 1 и вернуть их обратно в зону расположения растений 6, тем самым, увеличив время их пребывания внутри корпуса 1 и вероятность осаждения на листья растений 6, амплитуда напряжения U источника постоянного напряжения 12 выбирается на основании следующего условия:
0
U≥(V/S)·(D/μ)
где (V/S) - направленная составляющая скорости воздушного потока, формируемого вентилятором 4 в зоне расположения перфорированных металлических решеток 10 и 11, V - расход воздушного потока, формируемого вентилятором 4, S - площадь сечения воздушного потока, формируемого вентилятором 4 в зоне расположения перфорированных металлических решеток 10 и 11,
D - расстояние между перфорированными металлическими решетками 10 и 11,
2
μ - подвижность кластеров в электрическом поле. Подвижность подавляющего большинства (более 90%) кластеров больше или равна μ=0,0001 м/B с.
2
0
Расчеты показывают, а эксперименты подтверждают, что при расходе воздуха V=100 куб.м/час, сечении S=0,2 м, расстоянии D=5 мм и указанном значении подвижности кластеров в электрическом поле μ достаточно иметь амплитуду напряжения U на уровне 7 кВ, чтобы препятствовать выходу подавляющего числа заряженных аэрозолей за пределы корпуса 1.
Постепенно большинство аэрозольных кластеров оседают на листья. Естественно, что чем больше площадь листовой мозаики растений 6, тем быстрее идет удаление аэрозольных кластеров из воздушного потока.
Важную роль в удержании осевших на листья растений 6 аэрозолей играет природа листьев. Экспериментально установлено, что хорошо удерживают осевшие аэрозоли листья, имеющие высокую плотность тонких кутикул, содержащих вещества с высокой адгезивной способностью, обусловленной наличием на поверхности листьев жирных кислот и воска (например, сансивьерии) или развитой транспирационной функцией (например, традисканция или монстера). (Транспирация- процесс выхода влаги из листа наружу). При усилении транспирационной функции под действием внешних факторов (интенсивное освещение, повышение температуры окружающей среды) листья представляют собой природный аналог «мокрого» фильтра, часто использующегося в промышленных технологиях очистки воздуха.
Если использовать растения 6 с развитой транспирационной функцией листьев, то для усиления данной функции лампы искусственного освещения 8 должна обеспечивать освещение растений в спектральном диапазоне 400-700 нм с интенсивностью в пределах 3000-10000 люкс. Выбор спектрального диапазона 400-700 нм обусловлен тем, что он является наиболее важным для жизнедеятельности растений - наиболее значимые для жизнедеятельности растений красный и синий свет лежат именно в этом спектральном диапазоне.
Выбор диапазона интенсивности освещенности обусловлен следующим. При интенсивности освещенности ниже 3000 люкс (при обычных условиях) снижается эффективность транспирационной функции. Интенсивность светового воздействия более 10000 люкс, тем более, осуществляемого в течение продолжительного
периода, для комнатных растений нежелательна, т.к. при столь интенсивных воздействиях растения быстро истощаются и теряют свои декоративные свойства. Поскольку комнатные растения не совсем адаптированы к постоянному искусственному освещению с высокой интенсивностью, для их нормальной жизнедеятельности необходимы периоды с пониженной интенсивностью освещения не более 1000 люкс. Практика показала, что общая длительность периодов с пониженной интенсивностью освещения может находиться в пределах 25% от общей длительности искусственного освещения. При этом ни декоративность, ни другие показатели жизнедеятельности растений не страдают.
Важной особенностью работы заявляемого устройства является увлажнение воздуха помещения. Появляющаяся с высокой интенсивностью на листьях растений, характеризующихся развитой транспирационной функцией, влага в результате подвижности воздуха вблизи растений интенсивно испаряется, причем, что особенно ценно, испаряется, как это происходит в природе, на молекулярном (а не на аэрозольном) уровне, (в данном случае имеет место так называемый «холодный» тип испарения). В условиях, когда увлажнение является насущной функцией, в качестве используемых в устройстве растений 6 целесообразней использовать растения, характеризующиеся развитой транспирационной функцией. Когда увлажнение не является обязательным, возможно использование растений, содержащих вещества с высокой адгезивной способностью, обусловленной наличием на поверхности листьев жирных кислот и воска.
Увлажнение воздуха до оптимальных значений относительной влажности (40 - 60%) является одним из важных показателей качества воздуха.
Еще одним важным показателем качества воздуха является аэроионный состав воздуха.
Поскольку на выходе из корпуса 1 устройства количество аэроионов мало (электрическое поле между перфорированными металлическими решетками 10 и 11 «запирает» аэроионы и заряженные аэрозоли внутри корпуса) для восстановления аэроионного состава воздуха в отверстие для выхода воздуха 3 установлен биполярный ионизатор воздуха 5. Ионизатор 5 настроен таким образом, чтобы в воздушном потоке на выходе из устройства и в зоне расположения людей
обеспечивалось содержание аэроионов отрицательной и положительной полярности, установленное санитарными нормами.
На фиг.2, 3 продемонстрирована определенная экспериментально эффективность очистки воздуха от аэрозолей разной дисперсности с помощью предлагаемого устройства.
Для эксперимента устройство укомплектовывалось растениями с различными свойствами поверхности листьев - традесканцией с развитой транспирационной функцией (фиг.2) и сансивьерой, имеющей на поверхности листьев жирные кислоты и воски (фиг.3).
Проводилось измерение концентрации аэрозолей в загрязненном воздухе, поступающем в устройство, и в очищенном воздухе на выходе устройства при различном расходе очищаемого воздуха.
Как следует из фиг.2, при расходе воздуха 100 куб. м/час эффективность очистки воздуха от аэрозолей различной дисперсности при использовании растений с развитой транспирационной функцией составляет 60-90%.
Как следует из фиг.3, при том же расходе воздуха эффективность очистки воздуха от аэрозолей различной дисперсности при использовании растений, имеющих на поверхности листьев жирные кислоты и воски, составляет 20-50%.
При снижении расхода воздуха эффективность повышалась.
Перечисленные свойства и возможности заявляемого устройства, а именно, очистка воздуха от аэрозольных и микробиологических загрязнителей, увлажнение воздуха на молекулярном уровне, насыщение очищенного и увлажненного воздуха аэроионами в соответствие с требованиями санитарных норм, позволяют говорить, что данное устройство существенно повышает качество воздуха в помещении.
Исследования подтвердили, что данное устройство может работать круглосуточно и быть использовано для улучшения качества воздушной среды в закрытых производственных, непроизводственных (административных) и жилых помещениях, а также, в медицинских и оздоровительных учреждениях.