УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗДУХА В ПОМЕЩЕНИИ

Полезная модель относится к средствам кондиционирования воздуха и может использоваться для получения и непрерывного поддержания качественного воздуха с заданными параметрами в помещения различного назначения, в частности спортивных клубах, фитнес-центрах и на базах подготовки спортивных команд, а так же жилых помещениях, спальнях, рекреациях и пр.
Известно устройство для регулирования воздуха в помещении (WO 9703631), и создания атмосферы с пониженным содержанием кислорода при нормальном давлении, содержащее установленный внутри или снаружи помещения сепаратор газовых смесей на обогащенную кислородом и обедненную кислородом смеси, причем забор газовой смеси для сепарации осуществляется из помещения, обедненная кислородом (и обогащенная азотом) смесь направляется внутрь помещения для создания гипоксической атмосферы внутри помещения, а обогащенная кислородом смесь утилизируется. В известном устройстве нормальное давление поддерживается за счет воздушных отверстий и/или перепускных клапанов, через которые внутрь помещения поступает атмосферный воздух. Кроме того в известном устройстве также обеспечивается сброс из помещения диоксида углерода либо вместе с потоком воздуха, отбираемым для последующей сепарации, либо через расположенные в нижней части помещения, исходя из того, что углекислый газ имеет больший вес и потому оседает в нижней части помещения.
Известно также передвижное средство с возможностью регулирования воздуха внутри него для проведения гипоксической терапии и/или гипоксических тренировок (RU 71539), в котором при помощи генератора гипоксической смеси внутри салона передвижного средства обеспечивается создание атмосферы с пониженным содержанием кислорода, а при помощи воздухозаборных отверстий и перепускных клапанов внутри салона регулируют давление, а также контролируют содержание диоксида углерода и кислорода.
Общими недостатками описанных устройств являются отсутствие точного регулирования содержания диоксида углерода, а также высокие энергозатраты на работу установки по сепарации воздушных смесей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для регулирования атмосферы в помещении, известное из патента ЕА 6734, содержащее смесительную камеру с воздуховпускным и воздуховыпускным трубопроводами для циркуляционного воздуха, а также с впускным трубопроводом для окружающего воздуха из внешней атмосферы и впускным трубопроводом для подачи азота в смесительную камеру. Установка может также содержать скруббер для очистки воздуха, поступающего из помещения в смесительную камеру через воздуховпускной трубопровод, от диоксида углерода.
В смесительной камере осуществляют подготовку воздуха с заданными характеристиками (пониженным содержанием кислорода и повышенным содержанием азота). Для этого в смесительную камеру подают очищенный воздух, отобранный из помещения, воздух из окружающей атмосферы, а также подают в нее азот - либо по трубопроводу из удаленного резервуара для хранения азота, либо от сепаратора, который может быть установлен между помещением и смесительной камерой так, что в нем производится отделение смеси в повышенным содержанием азота из воздуха, отобранного из помещения, и далее эта смесь подается вместо чистого азота в смесительную камеру. Известная установка может также содержать буферный резервуар, который может аккумулировать полученный воздух с заданными характеристиками для последующей его подачи в помещение.
При работе известного устройства поддерживают избыточное давление в помещении, повышают концентрацию азота, понижая одновременно концентрацию кислорода и диоксида углерода, регистрируя содержание кислорода, диоксида углерода, влажности, содержания озона и температуры посредством установленных в помещении датчиков. Работу осуществляют в режиме полной или частичной циркуляции - соответственно, без забора дополнительного воздуха из атмосферы с полной заменой воздуха после превышения предельно допустимых концентраций CO2 и кислорода, либо с периодическим забором атмосферного воздуха и поддержанием заданных параметров с помощью электроники.
К недостаткам известного устройства можно отнести необходимость поддержания постоянно повышенного давления в помещении, что ведет к повышенным энергозатратам на работу компрессоров. Кроме того в известном устройстве предлагается регулировать содержание диоксида углерода за счет обеднения им циркулирующей воздушной смеси, причем предполагается, что используемый при этом для циркуляции воздух из внешней атмосферы имеет пониженное содержание CO2, что однако неверно для наружной атмосферы в крупных городах, где подобные установки могут получить наибольшее распространение. При этом скруббер для очистки воздуха от диоксида углерода устанавливается опционально и только на трубопроводе, который вводит в смесительную камеру некондиционный воздух из помещения, атмосферный воздух очистке от CO2 не подвергается. Кроме того, подача азота осуществляется из удаленных резервуаров, что увеличивает громоздкость установки, а так же затраты на ее изготовление и монтаж.
Целью настоящей полезной модели является создание нового устройства регулирования воздуха внутри помещения, которое обеспечивало бы непрерывное поддержание высокого качества воздушной смеси внутри помещения, а также быстрое установление и изменение основных параметров атмосферы внутри помещения.
Указанная цель достигается в устройстве для регулирования воздуха внутри помещения, которое включает по крайней мере генератор азота, скруббер для удаления диоксида углерода по крайней мере из воздуха, отобранного из помещения, и средство нагнетания воздушной смеси внутрь помещения, а также воздуховоды для связи указанных элементов устройства, в котором согласно полезной модели, по крайней мере один вход скруббера связан с внутренним объемом помещения для отбора воздушной смеси, выход скруббера связан со средством нагнетания воздуха в помещение, причем устройство дополнительно содержит ресивер для хранения азота, вход которого связан с выходом генератора азота, а выход связан с линией подачи воздушной смеси от скруббера к средству нагнетания воздушной смеси внутрь помещения.
Наличие ресивера (расширительного бачка) для хранения азота непосредственно в составе системы подготовки воздушной смеси в описанной циркуляционной системе позволяет быстро нагнетать нужное количество азота в воздушную смесь, обеспечивая быстрое создание и поддержание необходимой пропорции азот/кислород в воздушной смеси, нагнетаемой в помещение (быстрый «набор высоты» при создании гипоксической атмосферы). Кроме того наличие постоянного резерва азота в ресивере существенно снижает нагрузку на генератор азота и, соответственно, снижает энергозатраты устройства в целом.
В частном случае устройство содержит также средства контроля параметров воздушной смеси внутри помещения, например датчики определения содержания диоксида углерода, датчики определения содержания кислорода, датчики давления.
Указанные датчики предпочтительно электрически соединены с контроллером, обеспечивающим регулирование параметров воздушной смеси в зависимости от сигналов указанных датчиков.
В частном случае средство нагнетания воздушной смеси внутрь помещения может представлять собой кондиционер, вход которого соединен с линией подачи воздушной смеси от скруббера и ресивера азота, а выход которого связан с внутренним объемом помещения, например посредством воздуховода. Это позволяет повысить удобство устройства в эксплуатации за счет совмещения в одном из его элементов функции нагнетания воздуха в помещение с функциями очистки воздуха от пыли, и задания требуемых значений температуры и влажности воздушной смеси.
В частном случае кондиционер может быть установлен непосредственно внутри помещения. Аналогично, в частном случае осуществления полезной модели внутри помещения может располагаться скруббер. Это позволит уменьшить материалоемкость и энергоемкость устройства.
В частном случае скруббер имеет дополнительный вход для забора атмосферного воздуха и его очистки от излишков диоксида углерода. В результате обеспечивается надежный контроль и регулирование уровня содержания диоксида углерода внутри помещения даже при отборе атмосферного воздуха с повышенным содержанием CO2, характерного для крупных городов и промышленных центров.
Полезная модель описывается далее более подробно на конкретном варианте ее осуществления со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором схематично изображено заявленное устройство.
Позициями на чертеже обозначены: 1 - помещение, 2 - скруббер, 3 - воздуховод отбора воздуха из помещения и подачи его в скруббер, 4 - ресивер, 5 - кондиционер, 6 - линия (воздуховод) подачи воздушной смеси от скруббера к кондиционеру, 7 - генератор азота, 8 - датчики параметров воздушной смеси в помещении (датчик уровня диоксида углерода, кислорода, датчик давления и пр.).
Помещение 1, в котором поддерживается качественная атмосфера с заранее заданными параметрами, связано со входом (одним из входов) скруббера 2 для отбора (периодического или постоянного) из помещения 1 отработанной (некондиционной) воздушной смеси и ее очистки от диоксида углерода. В случае, когда скруббер 2 установлен внутри помещения 1, отбор может осуществляться, например, при помощи входного патрубка скруббера. При установке скруббера за пределами помещения между входом скруббера 2 и внутренним объемом помещения может быть проложен воздуховод 3.
Скруббер 2 может также иметь второй вход, предназначенный для отбора и очистки атмосферного воздуха от избыточного количества CO2, что предпочтительно при использовании установки в крупных городах с высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха диоксидом углерода. На предыдущем уровне техники отбор атмосферного воздуха без предварительной очистки приводил к повышению содержания CO2 в атмосфере помещения, что негативно сказывалось на находящихся внутри помещения людях.
С целью экономии энергозатрат на производство азота и с целью обеспечения наиболее удобного и быстрого регулирования параметров воздушной смеси устройство содержит также ресивер 4 для хранения запаса азота. Своим входом ресивер 4 соединен с генератором азота 7 (в качестве которого могут использоваться известные сепараторы), при этом выход ресивера 4 посредством воздуховода соединен с линией (воздуховодом) 6 подачи воздушной смеси от скруббера 2 к кондиционеру 5. В отличие от предшествующего уровня техники, на котором необходимо использовалось несколько вспомогательных емкостей для формирования и хранения воздушной смеси, в рассматриваемой полезной модели наличие ресивера 4, его предпочтительная связь непосредственно со входом кондиционера 5 может обеспечить максимально быстрый ввод азота в подготавливаемую смесь и быстрое изменение параметров воздуха, подаваемого внутрь помещения 1. В рамках настоящее полезной модели возможна установка на линии 6 смесительной емкости перед кондиционером 5, на вход которой могут подаваться очищенный в скруббере 2 воздух и азот из ресивера 4, однако даже в этом случае за счет наличия в устройстве ресивера 4 азота под давлением «набор высоты» в присутствии смесительной камеры на линии 6 будет производиться в заявленном устройстве быстрее и с меньшими энергетическими затратами, чем это было в наиболее близком аналоге.
Внутри помещения 1 могут быть установлены датчики 8 контроля параметров воздуха. В частности, не ограничивая общности, возможно контролирование уровня CO2, кислорода, озона, содержания пыли, наличия иных механических и/или химических примесей (например, углеводородов), а также датчики контроля температуры, влажности, давления и проч. Датчики 8 соединены с устройством управления (не показано), которое может любым известным на текущем уровне техники способом собирать информацию с датчиков 8, определять текущее состояние атмосферы внутри помещения 1, и регулировать содержание различных компонентов путем подачи управляющих воздействий на клапаны (не показаны), открывающие доступ азота в воздуховод 6, на генератор азота 7, а также на клапаны (не показаны), установленные на воздуховоде 6 на входе в кондиционер 5 либо на выходе из него, клапаны (не показаны), установленные на воздуховоде 3 перед скруббером 2 или сразу после скруббера 2.
Работа устройства начинается с набора достаточного количества азота в ресивер 4. Для этого с помощью генератора 7 из окружающего воздуха получают азот (под которым здесь и далее понимается чистый азот либо смесь с содержанием азота не менее 95%) и нагнетают его (с помощью компрессора - не показан) в ресивер 4. Необходимое количество азота, накапливаемое в ресивере 4, рассчитывается специалистом отдельно для каждого конкретного помещения 1, исходя из объема этого помещения и требуемого соотношения азот/кислород в нем при работе установки в стационарном режиме (после «набора высоты»).
В режиме создания атмосферы с заданными характеристиками (при «наборе высоты») открывают клапан (не показан) на выходе из ресивера 4, в результате чего азот через воздуховод 6 и кондиционер 5 поступает, например, самотеком внутрь помещения 1. Самостоятельное движение азота обеспечивается за счет избыточного давления в ресивере 4 по сравнению с давлением в помещении 1. Одновременно обеспечивают отвод избыточного количества воздуха из помещения 1, например, путем открытия выпускного клапана (не показан) для сброса лишнего воздуха в окружающую атмосферу. Таким образом, в помещении 1 в процессе «набора высоты» обеспечивается поддержание нормального давления.
2
2
После «набора высоты» работа устройства осуществляется в режиме циркуляции воздуха следующим образом. Через воздуховод 3 из помещения 1 отбирается заданное количество воздуха, определяемое в каждом конкретном случае исходя из решаемой задачи, например, необходимое для обеспечения санитарно-гигиенического уровня воздушной среды помещения. Отбор воздуха осуществляют с использованием компрессора (не показан), например установленного перед входом в скруббер 2. Отобранный воздух поступает в скруббер 2, в котором из него химическим или механическим путем удаляются излишки диоксида углерода (до содержания CO менее 0,08 об.%), после чего обедненный CO воздух поступает в кондиционер 5, где обеспечивается достижение заданных значений параметров воздушной смеси, например таких как, температура воздуха и/или влажность и/или содержание пылевых частиц, при необходимости обеспечивается дезодорация воздуха и/или его ионизация и т.п. После формирования воздушной смеси с заданными характеристиками она из кондиционера 5 подается в помещение 1.
Одновременно с помощью датчиков 8 осуществляют контроль параметров атмосферы в помещении 1, отслеживая, в частности, концентрацию кислорода и давление. На основании показателей датчиков 8, например при падении давления в помещении 1 или недостаточном уровне кислорода, контроллер (не показан) обеспечивает добавление, например, атмосферного воздуха или обогащенной кислородом воздушной смеси, вырабатываемой генератором азота в скруббер 2 (например, путем подачи управляющего воздействия на запуск компрессора - не показан, - с помощью которого воздух нагнетают в скруббер 2 через воздуховод, соединенный одним концом со скруббером 2, а другим, например, с окружающей средой или одним из выходов генератора азота, через который выдается обогащенная кислородом смесь - также не показан). Добавление в систему циркуляции воздуха из атмосферы или из выхода генератора азота через скруббер 2 обеспечивает сохранение требуемой концентрации CO2 даже в условиях мегаполиса, что не достигалось в наиболее близком аналоге.
При избыточной концентрации кислорода в помещении 1 контроллер подает управляющее воздействие на открытие выпускного клапана из ресивера 4, в результате чего в циркуляционный контур за счет избыточного давления в ресивере 4 начинает поступать азот (азотсодержащая смесь). Подача азота осуществляется до тех пор, пока датчиками 8 кислорода в помещении 1 не будет зафиксировано его (кислорода) снижение ниже заданного уровня (вообще менее 20,9 об%, в отдельных рабочих режимах - менее 17 об%). Если при подаче азота или (как описано ранее) воздуха из окружающей среды, очищенного в скруббере 2, в помещении 1 возникает избыточное давление, зафиксированное датчиками 8, по сигналу с контроллера обеспечивается открытие выпускного клапана для сброса избытка воздуха в окружающую среду (или осуществляют утилизацию избытка воздуха любым иным приемлемым способом).
Таким образом обеспечивается создание и непрерывное поддержание в помещении комфортной атмосферы с заданными характеристиками (концентрацией кислорода, азота, CO2, влажностью, температурой и пр.), эффективное удаление вредных примесей (в первую очередь диоксида углерода) с поддержанием нормального давления в помещении 1. Необходимо отметить, что описанный пример приведен лишь для лучшего понимания сущности полезной модели и ни в коей мере не должен рассматриваться в качестве ограничительного. Специалисту будут ясны и другие конкретные случаи осуществления полезной модели (например, использование смесительного бачка на линии 6 после скруббера 2, ресивера 4 и перед кондиционером 5), которые несмотря на отдельные несущественные отличия, будут тем не менее как и заявленная модель охарактеризованы той же совокупностью существенных признаков, приведенных в прилагаемой формуле.