人工模擬森林小氣候系統及方法

2023-05-02 07:15:06

人工模擬森林小氣候系統及方法
【專利摘要】本發明涉及材料與能源領域和環保領域，是室內小氣候技術的一種模式，是人工模擬森林小氣候系統及方法，簡稱森林空調或森林空氣系統。本發明能解決在惡劣的室外空氣下，滿足ASHRAE標準的空調環境的舒適度，同時做到溫度溼度分別控制，並能人工模擬森林小氣候高濃度負離子的空氣環境。由7個獨立的小系統組成，1、冷水機組及冷凍水、熱水循環系統；2、空氣洗滌處理系統；3、水質處理系統；4、[OH]-羥基自由基負離子發生系統；5、轉輪除溼機；6、溫度溼度智能控制系統及空氣負離子監測；7、特殊布風器。是按照Fanger舒適方程式提出的綜合舒適溫標，用測量設備可以對本發明的小氣候舒適條件與空氣品質進行評價。
【專利說明】人工模擬森林小氣候系統及方法
[0001]【技術領域】:本發明涉及材料與能源領域和環保領域，是室內小氣候技術的一種模式，是人工模擬森林小氣候系統及方法，簡稱森林空調或森林空氣系統。
[0002]【背景技術】:目前的實用的小氣候環境一空調技術已經發展80多年，已經在節能、舒適度、無塵空間發展到很高的水平高度，在節能方面，通過製冷劑的發明及二次潛熱上的挖掘，在製冷效率已經達到6.0以上，在空氣潔淨度上已經有100、10、1級的潔淨空間；熱舒適性是居住者對室內熱環境滿意程度的一項重要指標，也有很大的發展。
[0003]目前中國商業建築建設量大，商業建築的能耗較發達國家高40%左右，商業建築的節能是非常重要、刻不容緩的一項工作。商業建築的空調能耗是商業建築的能耗的主要部分，通過制定標準建立有穩定機制、有持續創新能力的中國智能建築的技術創新體系，可以有效的降低商業建築的空調能耗，並且已建成的商業建築空調節能具有投資回收期短、效益高的特點，有利於商業建築空調節能工作的開展。
[0004]ASHRAE (美國採暖、劁冷與空週工程師學會)標準由於其在製冷、空調領域的權威性，成為中國商業建築的主要技術參考。我國的商業建築能耗較發達國家高40%左右，其中的最重要原因之一是目前我國中央空調環境的空氣品質不高，使用者以開窗通風漏冷為主要原因；其次是舒適滿意度偏低這個隱藏的原因，造成對空調系統的不信任，如「空調病」說法的流行，觀念錯誤形成錯誤的使用方法。
[0005]早在20世紀初，人們就開始了舒適感研究，空氣調節工程師、室內空氣品質研究人員等所希望的是能對人體舒適感進行定量預測。
[0006]舒適度評價有Fanger熱舒適方程理論和實踐，並有多種評價指標:包括卡塔冷卻能力、當量溫度、有效溫度、新有效溫度、標準有效溫度、平均預測反應、舒適方程和主觀溫度等，在溼度控制有發展到第四代的轉輪除溼機等新技術高效設備。按照現行的設計規範要求各種室內空調環境均要設定新鮮風比率，但在室外的惡劣條件下，特別是在高濃度的有害有毒的有機氣體下，無法保障室內空氣品質符合更高的質量要求，由於中國社會的不斷追求⑶P發展，城市汙染嚴重，中國大城市空氣達標天數已經下降到少於每年周期的三分之一以下，一種高潔淨度的生活小空間，對保障人們身體健康非常重要。本發明同時涉及材料與能源領域和環保領域。
[0007]為了對舒適度的進一步理解，以下作為【背景技術】對空調環境舒適度的技術要求進行概述
[0008]基於卡諾循環的空調器，在上世紀60年代興起，解決了人們在室內小氣候對溫度指標的要求，特別對手術中的病人，給予非常有用的幫助。
[0009]熱舒適性是居住者對室內熱環境滿意程度的一項重要指標。早在20世紀初，人們就開始了舒適感研究，空氣調節工程師、室內空氣品質研究人員等所希望的是能對人體舒適感進行定量預測。
[0010]目前有關空氣噴淋室，是針對冷量的需求設置，屬於大的氣液比，並會以大幅增加空氣溼度的代價降溫；目前只在簡易的工廠車間、養雞場低成本使用。冷凍水空氣噴淋室因溼度控制難點這個缺點，不能提供舒適的溫度溼度有效控制，目前市場除了研究用途幾乎絕跡。
[0011]空氣由幹空氣和水蒸汽、粉塵、有機氣體，霧霾，放射性源等組成，有害病菌是附著在粉塵顆粒存在於空氣中，放射性源同時也會在粉塵的吸收下，產生空氣汙染；潔淨車間和無菌車間室內空氣潔淨度通常只針對粉塵的去除做定義，沒有對有機氣體去除的指標。
[0012]Fanger舒適方程式提出的綜合舒適溫標，其中的有效溫度曾為很多官方和專業團體所採用，特別是用在熱環境規範中，直到1967年，ASHRAE(美國裡暖、迦冷與交週工程師學會)也一直轉載這個指標，但是有效溫度在低溫時過分強調了溼度的影響，而在高溫時對溼度的影響強調得不夠。目前，任何主要的官方機構均已不再推薦有效溫度指標，ASHRAE則推薦使用其代替形式一新的有效溫度ET*。儘管如此，它仍是那些早期指標中最值得注意的指標。因為它不但得到普遍的承認，而且是具有大量的實驗數據。有效溫度溫標的建立是一項卓越的成就，ET*作為標準指標被空氣調節工程師使用了近50多年。
[0013]1、新有效溫度(ET*)
[0014]這個指標是GAGGE在1971年提出的，所謂ET*，就是相對溼度為50 %的假想封閉環境中相同作用的溫度。該指標同時考慮了輻射、對流和蒸發三種因素的影響，因而受到了廣泛的採用。新有效溫度曲線如圖1所示。由圖1得知，室溫30°C，相對溼度40%;按新有效溫度曲線ET* = 25°C，與室溫18°C，相對溼度80%的舒適度是一致的。圖1是等新有效溫度曲線
[0015]FANGER制定了三個舒適條件:
[0016]第一個條件是人體必須處於熱平衡狀態，以便使人體對環境的散熱量等於人體體內產生的熱量。
[0017]第二個條件是皮膚平均溫度應具有與舒適相適應的水平。
[0018]第三個條件是人體應具有最佳的排汗率，排汗率也是新陳代謝的函數。
[0019]隨後，FANGER綜述了文獻，得出了熱平衡方程的每一個量的表達式。
[0020]評價室內熱舒適的標準:
[0021]PMV-PPD指標，P.0.Fanger教授把熱感覺分為七個等級:
[0022]
~3 -2 _1 O +1 +2 +3
[0023]
很冷冷涼適宜暖熱很熱
[0024]PMV:-0.5?+0.5 (不超過5%的人不滿意)
[0025]PPD:< +10% (不超過10%的不滿意)
[0026](2)影響因素的分析
[0027]人體的熱負荷L =得熱量-失熱量
[0028]人體的熱平衡方程:S = M-W-R-C-E
[0029]式中:S——人體總的熱量
[0030]M——新陳代謝率
[0031]W——人做的功
[0032]R——輻射量
[0033]C——對流熱交換量
[0034]E—蒸發量
[0035]1、總能量記為M,單位met,靜坐休息時代謝率M = Imet = 58w/m2學習時為
1.2met,行走時為2.0met,做家務為2-3.5met,打籃球是為7.0met等。
[0036]2、W-機械功
[0037]n = W/M
[0038]人一般做功效率不大於20%
[0039]3、R-輻射換熱量
[0040]7--,,σ(7；;-7；4)
[0041]4、C-對流換熱量
[0042]C = hc*f* (t-ta)
[0043]5、人的蒸發熱損失
[0044]E = Eres+Esk
[0045]Eres = 0.0014M(34_t)+0.0173Μ(5.87-Pa)
[0046]Esk = Ersw+Edif
[0047]Edif = 3.05* (0.256t_3.37-Pa)
[0048]Ersw = 0.42 (M-ff-58.15)
[0049]熱舒適三個條件:
[0050](I)S = O
[0051 ] (2)皮膚表面溫度 t = 35.7-0.0275M(1- η)
[0052](3) E = 0.42 {Μ (1-η )-58.15}
[0053]將上述條件帶入熱平衡方程得到熱舒適方程得:
[0054]
M U-//) -0.0014M(34-t)~0.0173M(5.8了- Pa) -3.054 {5.765-0.007Μ(1-η)~ Pa； -0.42(Μ(1-η) -58.15} =3.9*f*(T' - 7^') +f*h* (~ta)
[0055]從而可得出影響人體熱舒適的六個因素:溫度、溼度、風速、平均輻射溫度、著裝、活動程度。
[0056]2、預測平均反應(PMV)
[0057]當一組環境變量滿足舒適方程時就將產生最佳的舒適感。如果該方程未得到滿足，則該環境就不是最佳的，但是方程並未給出任何說明所處的環境是如何不舒適的方法。FANGER進一步發展了舒適方程，並用公式表示一個可預測任何給定環境變量的組合所產生熱感覺的指標，這一指標被稱為預測平均反應(PMV)，FANGER教授把它分為七個等級，每一個等級的代表意義如下表所示:
[0058]FANGER的七級指標表I
[0059]
PMVfI1+3 1+2 1+1 fo Pl 1-2 卜3
爾麗熱感覺 I熱I暖I稍暖I舒適I稍涼I涼t
[0060]為了擴大該想法的應用範圍，FANGER提出在某一活動量下的熱感使人體熱負荷的函數的建議(所謂有體熱負荷就是體內產熱量與人體對實際環境散熱量兩者之差，假設人體的平均皮膚溫度及實際活動量相適應的汗液分泌量均保持舒適值)，並通過實驗建立了PMV方程。PMV方程沒有被各種衣著和活動情況下的實驗數據所證實，它對於坐著工作和穿著輕便衣服的人體可給出很好的結果，然而有關在較高新陳代謝下的熱感的資料是非常欠缺。
[0061]2.1標準的有效溫度(SET)
[0062]在介紹標準有效溫度之前，讓我們先來看一下皮膚溼潤度的概念。皮膚溼潤度是皮膚表面的實際蒸發損失與在相同環境中可能出現的最大損失之比，最大損失意味著皮膚表面是完全溼潤的。皮膚溼潤度的概念對於新的有效溫度是很重要的，將這一指標與空氣的溫度和溼度聯繫起來，就可提供一個適用於穿標準服裝和坐著工作的人的指標。在此基礎上，工程師們又擴展了新有效溫度的主要內容，以綜合考慮不同的活動水平和衣服熱阻，由此產生了眾所周知的標準有效溫度(SET)。
[0063]標準有效溫度應包含平均皮膚溫度和皮膚溼潤度，以便確定某個人的熱狀態。確定某一狀態的標準有效溫度需分兩步進行，首先要求出一個人的皮膚溫度和皮膚溼潤度，這可以通過實測來完成，其次就是求出產生相同皮膚溫度和溼潤度值的標準環境溫度，這一步可通過對人體的傳熱分析來完成。
[0064]標準有效溫度是本文所述中比較全面的一種，儘管它的最初設想是用以預測人體排汗時的不舒適感，但經過發展卻能應付各種各樣衣著條件、活動量和環境變量的情況。然而它所具有的複雜性，使其需要用計算機來計算皮膚溫度和皮膚溼潤度，因此阻礙了它的通用性。
[0065]2.2主觀溫度
[0066]早期所制定的哪些指標大多已廢棄不用了，他們已被舒適方程和標準有效溫度之類更完善的指標所代替，但是，新指標固然有自己的優點，他們也有關共同的弱點，其一，數學公式的複雜性，導致必須在計算機上求值，其二，儘管他們包括了所有的變量，但令人遺憾的是這都使得他們在實際中的用處不大。基於以上原因，工程師又定義了一個新的指標，這種指標的應用是以想要設計一個舒適環境的設計師的問題為中心。它要求有兩種數據，即居住者需要什麼樣的溫度、以及什麼樣的物理變量組合會產生這一溫度。這一指標就是主觀溫度。它的定義為:一個具有空氣溫度(Ta)等於平均輻射溫度(I；)，相對空氣流速(V)等於0.lm/s和相對溼度50%的均勻封閉空間的溫度，該環境將產生與實際環境相同的溫暖感。
[0067]主觀溫度的定義在很大程度上取決於主觀溫暖感，利用環境變量表示的主觀公式無論何時均可由現有的溫暖感數據加以確定，因此這是由經驗得出的公式。
[0068]3熱舒適性指標的評價
[0069]本發明列舉了主要的溫暖感和舒適感指標。當已知有關的人體活動狀態和衣著條件而需要預測舒適溫度時，主觀溫度計算公式就會快速而足夠準確的估算出人體舒適所需要的溫度。主觀溫度方程不能用來預測人體不舒適感或人體感覺。
[0070]對照ASHRAEE55-1992的舒適區域要求，ET*值在23°C到26°C之間，相對溼度小於60%。因而由它所算出的溫度範圍和溼度範圍都比較適合，而溫度和溼度是影響人體舒適性的兩個最重要因素，基於此，本發明的智能控制系統採用可編程模糊PDI控制算法，以新有效溫度(ET*)作為主要的舒適性定值控制指標，設定範圍ET*值在15°C到30°C之間。
[0071]
【發明內容】
:目前空調存在的技術問題:
[0072]1、無法解決當霧霾很嚴重時，空調環境的空氣品質；生活品質的不斷提高，現在汽車日益增多，工廠因工藝要求日益提高，涉及的環保問題嚴重；短時間看不到空氣有本質上的改善，為保障人民的身體健康，急需高品質的小空間空氣環境；在身體健康比金錢更重要的觀念下，高品質的空氣是很多人的追求。
[0073]2、商業樓宇的空調環境，因空氣品質不高，人們的使用壞習慣經常開窗換氣，漏冷嚴重，使原有的設計空調功率不足，冷凍水的標準要求在7?11°C ;但高峰期很多時間只能保持在10?13°C;空氣環境的相對溼度往往超過65%;按照Fanger舒適方程式可以預見，大多數空調使用者都會感覺不舒適；這樣的壞習慣造成多重的惡性循環，操作者會使新風量降低或直接停用新風，導致我國的商業樓宇比國外先進國家能耗高40% ;這是很大的浪費。
[0074]3、空氣中的粉塵顆粒，是細菌、病菌的載體，在人流密集的封閉場所，如地鐵站、商場等，粉塵的累積，特別是PM2.5/PM0.5粉塵；靜電除塵產生的臭氧會對人體傷害；FFU的能耗與造價，也讓很多企業無法承受，而且效果也不是很好。
[0075]技術方案:本發明能解決在惡劣的室外空氣下，滿足ASHRAE標準的空調環境的舒適度，同時做到溫度溼度分別控制，空氣的潔淨度高，並能人工模擬森林小氣候高濃度負離子的空氣環境。由6+1個獨立的小系統組成，1、冷水機組及冷凍水、熱水循環系統；2、空氣洗滌處理系統；3、水質處理系統；4、[0H]_羥基自由基負離子發生系統；5、轉輪除溼機；6、溫度溼度智能控制系統及空氣負離子監測；(6+1)、特殊布風器(不是該系統必要的)。是按照Fanger舒適方程式提出的綜合舒適溫標，包含4個環境因素(幹球溫度、風速、平均輻射溫度及相對溼度)和5種舒適溫標(當量溫度、有效溫度、修正有效溫度、新有效溫度和合成溫度)，採用以下測量設備可以對本發明的空調空間舒適條件與空氣品質進行評價:溫度計、溼度計、風速計、黑球溫度計、PM10/PM2.5/PM0.5粉塵顆粒計數器、空氣負離子濃度檢測儀及有機氣體檢測儀；本發明能在惡劣的室外空氣環境下，提供滿足以Fanger舒適方程式提出的綜合舒適溫標的控制指標及室內空氣品質標準GB/T 18883-2002空氣品質指標，並能完全模擬森林裡的高負離子的特定小氣候環境。
[0076]本發明的實施例，可以使一部分人群在當下霧霾嚴重的城市裡，享受森林裡的潔淨空氣，也可以在加入富氧功能下為需要氧療的人群提供一個純淨高氧的森林空氣的舒適環境。給人們得到身體健康的保障。
[0077]本發明的各個系統描述:
[0078]1、冷水機組及冷凍水，熱水循環系統
[0079]冷水機組是目前市場中商品設備，是卡諾循環的應用，由於變頻技術與新材料製冷劑的技術應用，挖掘製冷劑的二次潛熱；目前的製冷效率最高達到6.0以上；在節能方面已經有長足的發展，應用在本發明系統，其蒸發器設定的工況O?5°C，是為本發明作為冷源的2?8°C冷水使用；與中央空調的冷水溫度7?11 °C有不同的要求。
[0080]電加熱、鍋爐為本發明熱源使用，與目前的中央空調的使用方法一致；也可以使用溴化鋰吸收式制冷機，同時提供冷源和熱源。
[0081]2、空氣噴淋處理系統
[0082]本發明空氣噴淋處理系統，由噴淋洗滌塔、水池、水循環系統、噴頭組、進氣室、除霧室、水處理淨化系統、紫外燈管、自來水補水、地漏排水等組成。該系統是本發明關鍵設備，採用圓形或方形的逆流式或橫流式空氣水洗滌塔；採用變頻軸流式或離心式低揚程水泵，空氣經2?8°C冷水洗滌後，空氣與冷水充分洗滌，(該空氣包括有按照相關空調規範需要加入新鮮空氣量、臭氧和空調環境的迴風量；)並發生臭氧水解反應和空氣經洗滌後的除塵，粉塵顆粒溶解進入水中；也因臭氧水解產生[0H]_羥基自由基，空氣帶入的微量有機氣體，也會被[0ΗΓ羥基自由基分解或部分分解，使有機氣體發生[0ΗΓ羥基自由基氧化反應成為醇類、酮類或醛類物質，並溶解進水裡；經熱交換後潔淨空氣與冷凍水的溫度相同，並以該溫度的飽和水蒸汽帶出水分進入空調環境，特徵的溫度對應帶入空調環境的水份是表2，
[0083]
—常壓F不同溫度下飽和溼空氣的含水量—
溫度T 空氣水份含量溫度T 空氣水份含量溫度T 空氣水份含量OV 4.87克水/立方米4°c 6.40克水/立方米8°C 8.35克水/立方米10C 5.22克水/立方米5°C 6.85克水/立方米9°C 8.91克水/立方米20C 5.59克水/立方米6°C 7.32克水/立方米10°C 9.50克水/立方米30C 5.98克水/立方米7°C 7.82克水/立方米11°C 10.13克水/立方米
[0084]圖2是逆流式洗滌塔結構示意圖，新鮮空氣(含臭氧)與空調迴風在①空氣與臭氧混合室混合，經空氣洗滌塔噴淋室②，洗滌塔的水由冷源O?5°C經熱交換器⑧冷卻成為2?8°C冷水，洗滌塔水池設有水處理系統③，空氣在填料⑩內與水充分混合，攪拌、碰撞、氣泡液膜的分子間交換和物理化學反應，填料高度50釐米，設計要求混合的空氣風速小於
2.5m/s，通過設計要求的風速和洗滌塔高度，氣液接觸時間大於1.0秒，水噴淋頭11水噴淋密度18?45m3/m2.h的範圍內，空氣經熱交換與噴淋水的水溫一致，風速偏高，會使洗滌後的空氣形成過飽和水蒸汽，水噴淋頭組11採用螺旋式無堵塞噴淋頭；空氣經除霧器12後消除空氣中的過飽和水蒸汽；若有暖氣要求的，需要經過加熱熱交換器④；在剛開動空調初段，水溫的溫度高，為了防止空氣中的水分帶入空調環境中，除溼表冷器⑤這時發揮可靠性的作用，其自動電磁閥開關由空調環境溼度控制；潔淨空氣經空調離心式風機13進入送風恆壓箱⑥，送風進入森林小氣候環境，迴風循環進入①空氣與臭氧混合室。
[0085]洗滌塔的參數要求:
[0086]1、水池的水溫由O?5°C冷源提供，控制水溫在2?8°C，洗滌後的空氣以對應水溫度的飽和水蒸汽帶來水份，例如8°C的水溫，飽和水蒸汽為8.35克水/立方米，在20°C的室溫，對應的相對溼度是55%，溼度控制主要由水池的水溫相關，通過調整精確控制水池水溫，可以精確控制本發明的室內溼度，理論上精度到達I %，比現有的恆溫恆溼空調，溼度控制精度是10% ;控制精度有大幅度提高。
[0087]2、洗滌塔必須滿足塔內風速小於2.5m/s，氣液接觸時間大於1.0秒，水噴淋密度18?45m3/m2.h的範圍內；水氣比為0.5?1.0L/m3 ;兼顧除塵和氣體淨化雙重作用，通常水洗滌的空氣的去除效率在55%以下，原因在於0.5微米以下的灰塵顆粒，由於細菌附著，細菌的絨毛產生疏水性難以洗滌去除，本發明可以實現空氣除塵效率在85 %以上，空氣中的有機氣體淨化效率75%以上；原因是水池中含有[0ΗΓ羥基自由基，對粉塵有溼潤作用，對細菌有殺菌消毒作用，對有機氣體發生斷鏈反應或醇類、醛類的親水化合物質等溶於水的鍵能結合，使廢氣的去除效率大幅提高。
[0088]該設備部分為本發明提供了潔淨的空氣品質。及通過風量和水池水溫的控制，為本發明提供恰當的溼度(增溼或減溼)與室內小氣候需要的溫度，也因水池的含有豐富的[0ΗΓ羥基自由基，它是一種重要的活性氧，經氣提作用，在空氣中的水分也包含有大量的活性氧，為人工模擬森林小氣候系統創造條件。
[0089]該空氣氣溫度直接從出風口吹出，會因露點溫度的原因，產生煙霧狀，所以需要利用FFU單元(FFU英文全稱為:Fan Filter Unit，中文專業用語為風機過濾機組)混合風后送出，以FFU單元單個或多個作為布風器。
[0090]3、水質處理系統
[0091]本發明水池的水，由於空氣中含有粉塵、霧霾、有機氣體，洗滌空氣時帶入的汙染，若沒有水質處理系統，累積後會產生異味，對空氣二次汙染，水質處理系統由水粗過濾器、時間控制器、定時排放閥門及延時控制，水位測量控制系統、邏輯控制保護系統，邏輯自我診斷系統等組成；以上系統實現每周自動換水一次，在換水過程中，保護水泵、冷源的啟動功能，達到節約用水和節約納米二氧化鈦(當使用光催化產生活性氧時)的目的。
[0092]水質處理為本發明提供了可以大量存在的[0ΗΓ羥基自由基負離子水質要求，以自動換水為基本要求。在節水有要求的地區可以附加超濾系統純水設備再生。
[0093]4、[0ΗΓ羥基自由基負離子發生系統
[0094][0ΗΓ羥基自由基是一種重要的活性氧，從分子式上看是由氫氧根(0H-)失去一個電子形成。羥基自由基具有極強的得電子能力也就是氧化能力，氧化電位2.8v ;自然界獲取[0ΗΓ羥基自由基是通過閃電產生臭氧後雨水洗滌得到，及植物樹葉經過光合作用釋放出來，在森林裡的空氣特別甜美，就是在森林裡的溪流水釋放到空氣中大量的[0ΗΓ羥基自由基，參考森林小氣候特徵研究的論文，劃分當空氣中[0ΗΓ羥基自由基在600個/M3以上；人們有愉悅的感受，當空氣中[0ΗΓ羥基自由基在3000個/M3以上，對人體有保健功倉泛;
[0095]本發明的[0ΗΓ羥基自由基產生有兩種方法，一是高壓電離氧氣或空氣產生臭氧，經水洗滌後獲得，這是完全模擬自然界的方法；二是採用水溶液的納米二氧化鈦在遠紫外光的催化直接獲取，該方法節能，可靠性高，不會產生臭氧發生器氧化空氣中微量的溴氣分子，而形成溴酸鹽有害物質。
[0096]早期本人從事消毒劑二氧化氯的研究中得到的參數:[0ΗΓ羥基自由基在水溫I (TC時，半衰期為30分鐘；[0ΗΓ羥基自由基在水溫15°C時，半衰期為12分鐘；[0ΗΓ羥基自由基在水溫25°C時，半衰期為2分鐘；本發明空氣的[0ΗΓ羥基自由基是水洗滌過程中，由氣提中釋放出來。在7年的發明過程中，做了定性研究，由於實驗手段及經費不足，定量測定對應的參數表未能獲取準確的數據。
[0097]查科技文獻得知:臭氧與水的反應速率:
[0098]臭氧的水解活化能E = 61.2kj/mol ；
[0099]10°C 時，反應常數 k = 0.91x103(s-1)；
[0100]20°C 時，反應常數 k = 1.67x103(s-1)；
[0101]水洗滌時間為I秒的設計，主要是粉塵、有機氣體的去除需要，，是環保廢氣處理的設計規範、因臭氧氣體的臭氧濃度不高，臭氧的水解反應需要時間非常非常短(小於
0.0l秒)，不會出現剩餘的臭氧溢出到小氣候環境。
[0102]以下抄錄網絡科技文獻=T12光催化氧化機理，給本發明第二種[0ΗΓ羥基自由基發生方法提供理解做進一步解釋。
[0103]T12屬於一種η型半導體材料，它的禁帶寬度為3.2ev (銳鈦礦)，當它受到波長小於或等於387.5nm的光(紫外光)照射時，價帶的電子就會獲得光子的能量而越前至導帶，形成光生電子(e_);而價帶中則相應地形成光生空穴(h+)，
[0104]如果把分散在溶液中的每一顆T12粒子近似看成是小型短路的光電化學電池，則光電效應應產生的光生電子和空穴在電場的作用下分別遷移到T12表面不同的位置。T12表面的光生電子e-易被水中溶解氧等氧化性物質所捕獲，而空穴h+則可氧化吸附於T12表面的有機物或先把吸附在T12表面的0H_和H2O分子氧化成[.0Η]自由基，[-0Η]自由基的氧化能力是水體中存在的氧化劑中最強的，能氧化水中絕大部分的有機物及無機汙染物，將其礦化為無機小分子、CO2和H2O等無害物質。
[0105]反應過程如下:
[0106]T12+hv — h++e-(3)
[0107]h++e —熱能(4)
[0108]h++0H_—.0Η(5)
[0109]h++H20 —.ΟΗ+Η+(6)
[0110]e__1-O2 — O2(7)
[0111]02+Η+ —Η02.(8)
[0112]2Η20.— 02+Η202(9)
[0113]Η202+02 —.0Η+Η++02(10)
[0114].0H+dye —...—CO2+H2O(11)
[0115]H++dye —...—CO2+H2O(12)
[0116]由機理反應可知，T12光催化降解有機物，實質上是一種自由基反應。
[0117]T12王要有兩種晶型一銳欽礦型和金紅石型，銳欽礦型和金紅石型均屬四方晶系，
[0118]兩種晶型都是由相互連接的T16八面體組成的，每個Ti原子都位於八面體的中心，且被6個O原子圍繞。兩者的差別主要是八面體的畸變程度和相互連接方式不同。
[0119]金紅石型的八面體不規則，微現斜方晶，其中每個八面體與周圍10個八面體相連(其中兩個共邊，八個共頂角)；而銳鈦礦型的八面體呈明顯的斜方晶畸變，其對稱性低於前者，每個八面體與周圍8個八面體相連(四個共邊，四個共頂角)。這種晶型結構確定了它們的鍵距:銳鈦礦型的T1-Ti鍵距(3.79，3.04)，T1-O鍵(1.934，1.980);金紅石型的T1-Ti鍵距(3.57，.396)，T1-O鍵距(1.949，1.980)。比較T1-Ti鍵距，銳鈦礦型比金紅石型大，而T1-O鍵距，銳鈦礦型比金紅石型小。這些結構上的差異使得兩種晶型有不同的質量密度及電子能帶結構。銳鈦礦型T12的質量密度(3.894g.cm_3)略小於金紅石型T12 (4.250g.cm—3)，銳鈦礦型T12的禁帶寬度Eg為3.3ev,大於金紅石型T12的(Eg為
3.1Ve)。銳鈦礦型的T12較負的導帶對O2的吸附能力較強，比表面較大，光生電子和空穴容易分離，這些因素使得銳鈦礦型T12光催化活性高於金紅石型T12光催化活性[11』12]。
[0120]在不同程度不規則分布，實際的晶體都是近似的空間點陣式結構，總有一種或幾種結構上缺陷。當有微量雜質元素摻入晶體中時，也可能形成雜質置換缺陷。這些缺陷存在對催化活性起著重要作用。Salvador等研究了金紅石型T12(OOl)單晶上水的光解過程，發現氧空位形成的Ti3+-Vo-Ti3+缺陷是反應中將!120氧化為H2O2過程的活性中心，其原因是Ti3+-Ti3+鍵間距(2.59)比無缺陷的金紅石型中Ti4+-Ti4+鍵間距(4.59)小得多，因而使吸附的活性羥基反應活性增加，反應速率常數比無缺陷的金紅石型上的大5倍。但是有的缺陷也可能成為電子-空穴的複合中心而低反應活性。
[0121 ] 摻雜改性T12提高光催化效率的機理
[0122]半導體光催化機理是:它們在一定波長的光激發後，價帶上的電子(e_)被激發，越過禁帶進入導帶，同時在價帶上產生相應的空穴OO。這些光生電子和空穴帶有一定能量可以自由遷移，當它們遷移到催化劑表面時就可以和吸附在催化劑表面的化學物質發生化學反應，並產生大量的高活性自由基[.0H]，這些自由基就能將有機化合物氧化分解。
[0123]根據以上的實驗結論:納米二氧化鈦光催化產生[.0Η]_羥基自由基，其節能效率可以通過滲入半導體等方法會有很多潛力可挖。本發明大部分圖例中列舉的是以其中之一的方法:納米二氧化鈦光催化產生[.0ΗΓ羥基自由基為例。完全人工模擬森林小氣候的方法是採用臭氧曝氣獲得的活性氧[.0ΗΓ羥基自由基。
[0124]5、溫度溼度智能控制系統及空氣負離子監測。
[0125]模糊控制器是一種近年來發展起來的新型控制器，其優點是不要求掌握受控對象的精確數學模型，而根據人工控制規則組織控制決策表，然後由該表決定控制量的大小。
[0126]本發明以新的有效溫度(ET*)作為控制指標，其對應的定值控制只有模糊控制器符合要求，加減溼空氣量可以通洗滌水溫控制，空間的溼度降低有轉輪除溼機完成；開啟停用森林空調必須按邏輯系統順序，與當前的空調系統，潔淨空間系統有巨大的區別。
[0127]模糊控制器是一臺工業電腦，同時也提供自診斷系統，判斷系統是否正常和故障點，給維修人員提供便利的標準維修指弓I。
[0128]負離子監測是評估當前使用中的森林空調負離子系統處於何種狀態，為使用者提供一個參考值，森林空調是否需要保養或維修；
[0129]此控制系統較複雜，同時有2個變量的定值自動控制:溫度與溼度，並按照新的有效溫度對應的經驗值(由ASHRAE美國重暖、迦冷與交週工程師學會提供)控制，以滿足及方便各類人群所需要的舒適小氣候狀態。
[0130]簡易型的負離子監測儀具體參數
[0131]基本參數:
[0132]1、測試範圍:1000 ?9999X 1041ns/cm
[0133]2、尺寸大小:120mm (長)x45mm(寬)x20mm(高)
[0134]3、工作電壓:2X3V
[0135]4、電池規格:使用CR2032紐扣電池2個
[0136]5、正負離子顯示:測得正離子時，顯示正數據，測得負離子時，數據前顯示負號
U _，，
[0137]6、轉輪除溼機
[0138](I)轉輪除溼機從發明到目前，已經是第四代產品，轉輪除溼機是市場產品，可以輕易地獲得O?-50°c的空氣露點，除溼效率高，轉輪除溼機不產生腐蝕，不造成汙染，不需補充吸溼劑。
[0139](2)設備體積小，安裝簡便；可以在環境內獨立安裝，也可以裝在風道中。
[0140](3)轉輪除溼機可採用電、蒸汽及燃氣能源進行再生，總體用電量小，與冷卻法除溼系統相比，節約用電量達20%?30% ;
[0141](4)可根據再生能量的控制，穩定和調節處理空氣溼度，可與系統自動控制一體化，也可單獨控制；
[0142]轉輪除溼設備從六十年代投入市場以來.其核心部件一吸溼轉輪芯，已經發展到第四代了，轉輪材料更加牢固耐用，不會析出汙染物，除溼後的空氣不會造成腐蝕和汙染；而且從原來的單一氯化鋰轉輪擴展為應用更為廣泛的多種類型的轉輪(如高效矽膠轉輪、分子篩轉輪、複合型轉輪)，可根據用戶處理溼度參數的不同要求，選擇不同類型和規格的轉輪。再生加熱的能源可選用:電、蒸汽、燃氣，而除溼性能不變。設備操作方式有手控、自控、異地遙控，還可與DDC、PLC相連，因此可適用於大多數除溼場合。尤其當轉輪除溼機與空調系統一起使用時，既提高了除溼效果，又節約了能量，為空調的發展做出了貢獻。
[0143]轉輪除溼機是市場的商業化產品，為本發明提供了降低溼度的需要值。是本發明需要運用的重要工具之一。
[0144]6+1、特殊布風器
[0145]森林環境中，偶爾一陣冷風，使人體產生對環境的應激反應，身體毛孔產生一開一合的反應中，有一種爽極的身心愉悅，該狀態使人們對森林的熱愛有一種難忘的回憶；利用特殊布風器，利用冷空氣(2_8°C )的密度比小氣候環境溫度(20-24°C )密度高，吐出的冷氣圈，在氣體混合過程中，產生的溫度梯度，使人們的身體產生的應激反應，本發明稱這種應激反應為爽極狀態，該種狀態能人工模擬這種森林裡的一陣一陣涼風吹送的狀態。
[0146]有益的效果:經過以上本發明的6+1個系統的組合，可以按照新的有效溫度對應的經驗值(由ASHRAE美國重腫、迦冷與空週工程師學會提供)簡易使用及控制，在商業樓宇上，人們珍惜優質森林空氣的品質下，形成良好的空調使用習慣，減少開窗漏冷等不良習慣，達到節能目的，評估可節能10%以上；在家用空調使用上，森林空調床大幅減低使用空間獲得高品質的森林小氣候環境，雖然單位體積需要的功率增加50%，但使用空間只有三分之一或更低；節能效果突出，並創造更加健康的空氣品質和身體感受；在工業應用上，例一廣東某半導體公司，生產顯示屏，為了滿足切割、鑽孔、腐蝕、雕刻、印刷、顯影、黑化等工藝的一致性，在1800平米內使用2000KW的空調機組，提供恆溫恆溼的空調環境及提供低溫廢氣排放漏冷，年浪費製冷電能超過500萬元；運用本發明，可以回收冷量80 %以上；其經濟效益與社會效益非常明顯。例2某疫苗生產廠，因室外空氣品質變差，10級的無菌包裝車間因0.5微米以下的粉塵積聚，部分時間不達標，造成不同批次部分產品不合格，因此大批產品被銷毀的損失，本發明在去除小於0.5微米的粉塵效率最高，比靜電除塵效率更高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0147]圖1:新有效溫度(ET*)曲線
[0148]圖2:空氣洗滌處理系統結構示意圖
[0149]①空氣洗滌塔②圖例水泵③水處理系統④除霧室⑤遠紫外光管
[0150]⑥盤管熱交換器⑦新風迴風空氣混合室⑧噴淋填料⑨噴頭組
[0151]圖3:本發明應用之一-----森林空調床
[0152]1、室內溫度不控制，由轉輪除溼機降低室內相對溼度在40%以下，按照新的有效溫度(ET*)，可獲得較滿意的舒適度；
[0153]2、室外的新風，經過冷水(2?8°C )洗滌，產生森林活性氧和氣候條件，由於只有很小的空間(8m3)內實現小氣候環境，是通常房間的空間25m3的三分之一以下，達到高效節能的目的。
[0154]①新風風機及臭氧發生器②室外空調機組③水泵④除霧器⑤布風器⑥森林空調床
[0155]⑦自來水補水⑧地漏⑨熱交換盤管⑩噴頭組?噴淋填料?轉輪除溼機
[0156]圖4:全風量單冷式森林空調室實施案例(小於50平方)
[0157]①風機②空氣洗滌塔③風冷式空調室外機組④消聲入風風道⑤可調風向出風風道⑥蒸發器⑦遠紫外光管⑧PLC程序控制器⑨噴淋填料
[0158]圖5:半風量單冷式森林空調實施案例(小於100平方)
[0159]①風機②空氣洗滌塔③風冷式空調室外機組④消聲入風風道⑤可調風向出風風道⑥蒸發器⑦遠紫外光管⑧PLC程序控制器⑨噴淋填料⑩吊頂?FFU單元@圖例水泵?新鮮風機
[0160]圖6:全風量單冷式森林空調吸菸室實施案例(小於50平方)
[0161]①風機②空氣洗滌塔③風冷式空調室外機組④消聲入風風道⑤可調風向出風風道⑥蒸發器⑦遠紫外光管⑧PLC程序控制器⑨噴淋填料⑩吊頂及頂送風?布風器?架空透風地板地迴風
[0162]圖7:中央森林空調空氣處理機組
[0163]①空氣與臭氧混合室②空氣洗滌塔噴淋室③水處理系統④加熱熱交換器⑤除溼表冷器⑥送風恆壓箱⑦遠紫外光管⑧盤管熱交換器⑨冷凍水循環⑩洗滌填料?噴頭組@除霧室?風機
[0164]圖8:本發明應用於商業大廈中央空調的實施方案總圖
[0165]①冷卻塔②空氣洗滌塔③水處理系統④加熱熱交換器⑤除溼表冷器⑥送風恆壓箱⑦遠紫外光管⑧盤管熱交換器⑨冷凍水循環⑩洗滌填料?水噴淋組?除霧室?風機?FFU單元?壓縮機?節流閥?冷凝器?蒸發器
[0166]【具體實施方式】:本發明是即使在惡劣的室外空氣下，滿足ASHRAE標準的空調環境的舒適度，同時做到溫度溼度分別控制及空氣的潔淨度高，並能人工模擬森林小氣候高濃度負離子的空氣環境。由6個獨立的小系統有機組合而成；1、冷水機組及冷凍水、熱水循環系統；2、空氣洗滌處理系統；3、水質處理系統；4、[0ΗΓ羥基自由基負離子發生系統；5、轉輪除溼機；6、溫度溼度智能控制系統及空氣負離子監測；以圖2作為具體實施技術解決案例說明:
[0167]圖2是逆流式洗滌塔結構示意圖，新鮮空氣(含臭氧)與空調迴風在①空氣與臭氧混合室混合，經空氣洗滌塔噴淋室②，洗滌塔的水由冷源O?5°C經熱交換器⑧冷卻成為2?8°C冷水，洗滌塔水池設有水處理系統③，空氣在填料⑩內與水充分混合，攪拌、碰撞、氣泡液膜的分子間交換和物理化學反應，填料高度50釐米，設計要求混合的空氣風速小於
2.5m/s，通過設計要求的風速和洗滌塔高度，氣液接觸時間大於1.0秒，水噴淋頭11水噴淋密度18?45m3/m2.h的範圍內，空氣經熱交換與噴淋水的水溫一致，風速偏高，會使洗滌後的空氣形成過飽和水蒸汽，水噴淋頭組11採用螺旋式無堵塞噴淋頭；空氣經除霧器12後消除空氣中的過飽和水蒸汽；若有暖氣要求的，需要經過加熱熱交換器④；在剛開動空調初段，水溫的溫度高，為了防止空氣中的水分帶入空調環境中，除溼表冷器⑤這時發揮可靠性的作用，其自動電磁閥開關由空調環境溼度控制；潔淨空氣經空調離心式風機13進入送風恆壓箱⑥，送風進入森林小氣候環境，迴風循環進入①空氣與臭氧混合室。
[0168]洗滌塔的參數要求:
[0169]①水池的水溫由O?5°C冷源提供，控制水溫在2?8°C，洗滌後的空氣以對應水溫度的飽和水蒸汽帶來水份，例如8°C的水溫，飽和水蒸汽為8.35克水/立方米，在20°C的室溫，對應的相對溼度是55%，溼度控制主要由水池的水溫相關，通過調整精確控制水池水溫，可以精確控制本發明的室內溼度，理論上精度到達I %，比現有的恆溫恆溼空調，溼度控制精度是10% ;控制精度有大幅度提聞。
[0170]②洗滌塔必須滿足塔內風速小於2.5m/s，氣液接觸時間大於1.0秒，水噴淋密度18?45m3/m2.h的範圍內；水氣比為0.5?1.0L/m3 ;兼顧除塵和氣體淨化雙重作用，通常水洗滌的空氣的去除效率在55%以下，原因在於0.5微米以下的灰塵顆粒，由於細菌附著，細菌的絨毛產生疏水性難以洗滌去除，本發明可以實現空氣除塵效率在85 %以上，空氣中的有機氣體淨化效率75%以上；原因是水池中含有[0ΗΓ羥基自由基，對粉塵有溼潤作用，對細菌有殺菌消毒作用，對有機氣體發生斷鏈反應或醇類、醛類的親水化合物質等溶於水的鍵能結合，使廢氣的去除效率大幅提高。
[0171]該設備部分為本發明提供了潔淨的空氣環境。及通過風量和水池水溫的控制，為本發明提供恰當的溼度(增溼或減溼)與室內小氣候需要的溫度，也因水池的含有豐富的[0ΗΓ羥基自由基，它是一種重要的活性氧，經氣提作用，在空氣中的水分也包含有大量的活性氧，為人工模擬森林小氣候系統創造條件。
【權利要求】
1.人工模擬森林小氣候系統及方法是由冷水機組及冷凍水、熱水循環系統；空氣洗滌處理系統；水質處理系統；[OH]-羥基自由基負離子發生系統；轉輪除溼機；溫度溼度智能控制系統及空氣負離子監測有機結合組成，其特徵是具有高度相似的森林環境，即使在惡劣的室外空氣下，在滿足ASHRAE標準的空調環境的舒適度的同時做到溫度溼度分別控制，空氣的潔淨度高，並能人工模擬森林小氣候高濃度負離子的空氣環境，可以使一部分人群在當下霧霾嚴重的城市裡，享受森林裡的潔淨空氣，也可以在加入富氧功能下為需要氧療的人群提供一個純淨高氧的森林空氣的舒適環境，給人們得到身體健康的保障。
2.根據權利要求1所述的人工模擬森林小氣候系統及方法，其特徵之一是需要冷源溫度在O?5°C冷源，製取2?8°C冷水；其特徵之二是需要空氣洗滌處理系統的洗滌塔滿足以下條件:洗滌塔必須滿足塔內風速小於2.5m/s，氣液接觸時間大於1.0秒，水噴淋密度18?45m3/m2.h ;水氣比為0.5?1.0L/m3的範圍內；其特徵之三是溫度溼度智能控制系統需要PLC模糊控制器實現。
3.根據權利要求1所述的人工模擬森林小氣候系統及方法，其特徵是以ASHRAE標準的新有效溫度(ET*)作為控制指標；方便使用者快速、簡易、傻瓜式設定參數。
4.根據權利要求1所述的人工模擬森林小氣候系統及方法，其特徵是降低溼度有兩種方法，一是降低空氣洗滌塔水池水溫，二是啟動轉輪除溼機；其特徵是增加溼度的方法是提高空氣洗滌塔水池的水溫；其特徵是溫度控制是通過水溫溫度、風量、表冷器啟動控制冷量輸出或加熱控制；並根據ASHRAE標準的新有效溫度(ET*)作為控制指標由PLC模糊控制器定值智能自動控制實現，並能實現溼度控制精度為I %。
5.人工模擬森林小氣候系統及方法，其特徵是[0H]-羥基自由基負離子發生系統的方法之一由臭氧經空氣洗滌系統發生臭氧水解而成，並經洗滌、氣提、曝氣產生含有[0H]-羥基自由基負離子(又稱活性氧)的空氣；其特徵是[0H]-羥基自由基負離子發生系統方法之二由水溶液的納米二氧化鈦在遠紫外光的催化直接獲取，並經空氣氣提產生含有[0H]-羥基自由基負離子(又稱活性氧)的空氣；本發明使用該兩種方法之一或兩種同時使用。
6.根據權利要求5所述的人工模擬森林小氣候系統及方法，其特徵是由高壓電場、高壓放電電極、臭氧發生器運用在新風入口、新風管道及迴風風道中，經水溫2?8°C空氣洗滌塔洗滌產生的[0H]-羥基自由基負離子(又稱活性氧)的空氣應用到小氣候環境中。
7.根據權利要求5所述的人工模擬森林小氣候系統及方法，其特徵是由水溫2?8°C的水溶液中，納米二氧化鈦在遠紫外光的催化直接獲取，並經空氣氣提產生含有[0H]-羥基自由基負離子(又稱活性氧)的空氣應用到小氣候環境中。
8.人工模擬森林小氣候系統及方法，其特徵是在森林空調床的實施例中，在最需要的小空間裡(森林空調床)實現森林空調環境，節約小氣候空間為家庭空調節能20%以上並提供聞品質的空氣環境。
9.根據權利要求8所述的森林空調床的實施例，其特徵是森林空調床由新風風機及臭氧發生器、室外空調機組(蒸發器設定溫度O?5°C )、水泵、除霧器、布風器、森林空調床、自來水補水、地漏、熱交換盤管、無堵塞水噴淋、洗滌填料、轉輪除溼機組成，該組成的森林空調床也能消除因露點溫度形成霧氣及床周邊產生的凝露，也通過分體安裝、隔震、動設備靜設備的規範，防止噪聲、震動傳遞到睡眠用床。
10.人工模擬森林小氣候系統及方法，其特徵是:在商業空調應用實施例中，提供高品質的空氣及舒適的小氣候環境，並符合PMV:-0.5?+0.5(不超過5%的人不滿意)pro:<+10% (不超過10%的不滿意)，避免空調使用者因空氣品質不高，開窗漏冷的錯誤做法，達到節能目的。
11.根據權利要求10所述的人工模擬森林小氣候系統及方法，其特徵是由森林空調空氣處理機組替代傳統的空調機組，或傳統的空調機組並聯使用森林空調空氣處理機組淨化新鮮風，提高空氣品質並按照新的有效溫度(ET*)作為定值控制指標。
12.人工模擬森林小氣候系統及方法，其特徵是採用特殊布風器，利用冷空氣(2-8°C)的密度比小氣候環境溫度(20-24°C )的密度高，吐出的冷氣圈，在氣體混合過程中，產生的溫度梯度，使人們的身體產生毛孔一張一合的應激反應，本發明稱這種應激反應為爽極狀態，該種狀態能人工模擬這種森林裡的一陣一陣涼風吹送的狀態，實現人體應激反應下的爽極狀態。
【文檔編號】F24F3/14GK104180446SQ201410394593
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月11日 優先權日:2014年8月11日
【發明者】周偉文 申請人:周偉文