CN104180446A - 人工模拟森林小气候系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料与能源领域和环保领域，是室内小气候技术的一种模式，是人工模拟森林小气候系统及方法，简称森林空调或森林空气系统。本发明能解决在恶劣的室外空气下，满足ASHRAE标准的空调环境的舒适度，同时做到温度湿度分别控制，并能人工模拟森林小气候高浓度负离子的空气环境。由7个独立的小系统组成，1、冷水机组及冷冻水、热水循环系统；2、空气洗涤处理系统；3、水质处理系统；4、[OH]^-羟基自由基负离子发生系统；5、转轮除湿机；6、温度湿度智能控制系统及空气负离子监测；7、特殊布风器。是按照Fanger舒适方程式提出的综合舒适温标，用测量设备可以对本发明的小气候舒适条件与空气品质进行评价。

Description

人工模拟森林小气候系统及方法

技术领域：本发明涉及材料与能源领域和环保领域，是室内小气候技术的一种模式，是人工模拟森林小气候系统及方法，简称森林空调或森林空气系统。 

背景技术：目前的实用的小气候环境--空调技术已经发展80多年，已经在节能、舒适度、无尘空间发展到很高的水平高度，在节能方面，通过制冷剂的发明及二次潜热上的挖掘，在制冷效率已经达到6.0以上，在空气洁净度上已经有100、10、1级的洁净空间；热舒适性是居住者对室内热环境满意程度的一项重要指标，也有很大的发展。 

目前中国商业建筑建设量大，商业建筑的能耗较发达国家高40％左右，商业建筑的节能是非常重要、刻不容缓的一项工作。商业建筑的空调能耗是商业建筑的能耗的主要部分，通过制定标准建立有稳定机制、有持续创新能力的中国智能建筑的技术创新体系，可以有效的降低商业建筑的空调能耗，并且已建成的商业建筑空调节能具有投资回收期短、效益高的特点，有利于商业建筑空调节能工作的开展。 

ASHRAE(美国采暖、制冷与空调工程师学会)标准由于其在制冷、空调领域的权威性，成为中国商业建筑的主要技术参考。我国的商业建筑能耗较发达国家高40％左右，其中的最重要原因之一是目前我国中央空调环境的空气品质不高，使用者以开窗通风漏冷为主要原因；其次是舒适满意度偏低这个隐藏的原因，造成对空调系统的不信任，如“空调病”说法的流行，观念错误形成错误的使用方法。 

早在20世纪初，人们就开始了舒适感研究，空气调节工程师、室内空气品质研究人员等所希望的是能对人体舒适感进行定量预测。 

舒适度评价有Fanger热舒适方程理论和实践，并有多种评价指标：包括卡塔冷却能力、当量温度、有效温度、新有效温度、标准有效温度、平均预测反应、舒适方程和主观温度等，在湿度控制有发展到第四代的转轮除湿机等新技术高效设备。按照现行的设计规范要求各种室内空调环境均要设定新鲜风比率，但在室外的恶劣条件下，特别是在高浓度的有害有毒的有机气体下，无法保障室内空气质量符合更高的质量要求，由于中国社会的不断追求GDP发展，城市污染严重，中国大城市空气达标天数已经下降到少于每年周期的三分之一以下，一种高洁净度的生活小空间，对保障人们身体健康非常重要。本发明同时涉及材料与能源领域和环保领域。 

为了对舒适度的进一步理解，以下作为背景技术对空调环境舒适度的技术要求进行概述 

基于卡诺循环的空调器，在上世纪60年代兴起，解决了人们在室内小气候对温度指标的 要求，特别对手术中的病人，给予非常有用的帮助。 

热舒适性是居住者对室内热环境满意程度的一项重要指标。早在20世纪初，人们就开始了舒适感研究，空气调节工程师、室内空气品质研究人员等所希望的是能对人体舒适感进行定量预测。 

目前有关空气喷淋室，是针对冷量的需求设置，属于大的气液比，并会以大幅增加空气湿度的代价降温；目前只在简易的工厂车间、养鸡场低成本使用。冷冻水空气喷淋室因湿度控制难点这个缺点，不能提供舒适的温度湿度有效控制，目前市场除了研究用途几乎绝迹。 

空气由干空气和水蒸汽、粉尘、有机气体，雾霾，放射性源等组成，有害病菌是附着在粉尘颗粒存在于空气中，放射性源同时也会在粉尘的吸收下，产生空气污染；洁净车间和无菌车间室内空气洁净度通常只针对粉尘的去除做定义，没有对有机气体去除的指标。 

Fanger舒适方程式提出的综合舒适温标，其中的有效温度曾为很多官方和专业团体所采用，特别是用在热环境规范中，直到1967年，ASHRAE(美国采暖、制冷与空调工程师学会)也一直转载这个指标，但是有效温度在低温时过分强调了湿度的影响，而在高温时对湿度的影响强调得不够。目前，任何主要的官方机构均已不再推荐有效温度指标，ASHRAE则推荐使用其代替形式--新的有效温度ET*。尽管如此，它仍是那些早期指标中最值得注意的指标。因为它不但得到普遍的承认，而且是具有大量的实验数据。有效温度温标的建立是一项卓越的成就，ET*作为标准指标被空气调节工程师使用了近50多年。 

1、新有效温度(ET*) 

这个指标是GAGGE在1971年提出的，所谓ET*，就是相对湿度为50％的假想封闭环境中相同作用的温度。该指标同时考虑了辐射、对流和蒸发三种因素的影响，因而受到了广泛的采用。新有效温度曲线如图1所示。由图1得知，室温30℃，相对湿度40％；按新有效温度曲线ET*＝25℃，与室温18℃，相对湿度80％的舒适度是一致的。图1是等新有效温度曲线 

FANGER制定了三个舒适条件： 

第一个条件是人体必须处于热平衡状态，以便使人体对环境的散热量等于人体体内产生的热量。 

第二个条件是皮肤平均温度应具有与舒适相适应的水平。 

第三个条件是人体应具有最佳的排汗率，排汗率也是新陈代谢的函数。 

随后，FANGER综述了文献，得出了热平衡方程的每一个量的表达式。 

评价室内热舒适的标准： 

PMV-PPD指标，P.O.Fanger教授把热感觉分为七个等级： 

PMV：-0.5～+0.5(不超过5％的人不满意) 

PPD：＜+10％(不超过10％的不满意) 

(2)影响因素的分析 

人体的热负荷L＝得热量-失热量 

人体的热平衡方程：S＝M-W-R-C-E 

式中：S——人体总的热量 

M——新陈代谢率 

W——人做的功 

R——辐射量 

C——对流热交换量 

E——蒸发量 

1、总能量记为M，单位met，静坐休息时代谢率M＝1met＝58w/m²学习时为1.2met，行走时为2.0met，做家务为2-3.5met，打篮球是为7.0met等。 

2、W-机械功 

η＝W/M 

人一般做功效率不大于20％ 

3、R-辐射换热量 

$R=\mathrm{\ϵ}{f}_{\mathrm{cl}}{f}_{\mathrm{eff}}\mathrm{\σ}(T_{\mathrm{cl}}^4-T_r^4)$

4、C-对流换热量 

C＝hc*f*(t-ta) 

5、人的蒸发热损失 

E＝Eres+Esk 

Eres＝0.0014M(34-t)+0.0173M(5.87-Pa) 

Esk＝Ersw+Edif 

Edif＝3.05*(0.256t-3.37-Pa) 

Ersw＝0.42(M-W-58.15) 

热舒适三个条件： 

(1)S＝0 

(2)皮肤表面温度t＝35.7-0.0275M(1-η) 

(3)E＝0.42{M(1-η)-58.15} 

将上述条件带入热平衡方程得到热舒适方程得： 

$\begin{array}{c}M(1-\mathrm{\η})-0.0014M(34-t)-0.0173M(5.87-\mathrm{Pa})-3.054\{5.765-0.007M(1-\mathrm{\η})-\mathrm{Pa}\}-0.42\\ \{M(1-\mathrm{\η})-58.15\}=3.9*f*(T_{\mathrm{cl}}^4-T_{\mathrm{mrt}}^4)+f*h*(t_{\mathrm{cl}}-\mathrm{ta})\end{array}$

从而可得出影响人体热舒适的六个因素：温度、湿度、风速、平均辐射温度、着装、活动程度。 

2、预测平均反应(PMV) 

当一组环境变量满足舒适方程时就将产生最佳的舒适感。如果该方程未得到满足，则该环境就不是最佳的，但是方程并未给出任何说明所处的环境是如何不舒适的方法。FANGER进一步发展了舒适方程，并用公式表示一个可预测任何给定环境变量的组合所产生热感觉的指标，这一指标被称为预测平均反应(PMV)，FANGER教授把它分为七个等级，每一个等级的代表意义如下表所示： 

FANGER的七级指标      表1 

PMV值

+3

+2

+1

0

-1

-2

-3

预测热感觉

热

暖

稍暖

舒适

稍凉

凉

冷

为了扩大该想法的应用范围，FANGER提出在某一活动量下的热感使人体热负荷的函数的建议(所谓有体热负荷就是体内产热量与人体对实际环境散热量两者之差，假设人体的平均皮肤温度及实际活动量相适应的汗液分泌量均保持舒适值)，并通过实验建立了PMV方程。PMV方程没有被各种衣着和活动情况下的实验数据所证实，它对于坐着工作和穿着轻便衣服的人体可给出很好的结果，然而有关在较高新陈代谢下的热感的资料是非常欠缺。 

2.1标准的有效温度(SET) 

在介绍标准有效温度之前，让我们先来看一下皮肤湿润度的概念。皮肤湿润度是皮肤表面的实际蒸发损失与在相同环境中可能出现的最大损失之比，最大损失意味着皮肤表面是完全湿润的。皮肤湿润度的概念对于新的有效温度是很重要的，将这一指标与空气的温度和湿度联系起来，就可提供一个适用于穿标准服装和坐着工作的人的指标。在此基础上，工程师们又扩展了新有效温度的主要内容，以综合考虑不同的活动水平和衣服热阻，由此产生了众所周知的标准有效温度(SET)。 

标准有效温度应包含平均皮肤温度和皮肤湿润度，以便确定某个人的热状态。确定某一 状态的标准有效温度需分两步进行，首先要求出一个人的皮肤温度和皮肤湿润度，这可以通过实测来完成，其次就是求出产生相同皮肤温度和湿润度值的标准环境温度，这一步可通过对人体的传热分析来完成。 

标准有效温度是本文所述中比较全面的一种，尽管它的最初设想是用以预测人体排汗时的不舒适感，但经过发展却能应付各种各样衣着条件、活动量和环境变量的情况。然而它所具有的复杂性，使其需要用计算机来计算皮肤温度和皮肤湿润度，因此阻碍了它的通用性。 

2.2主观温度 

早期所制定的哪些指标大多已废弃不用了，他们已被舒适方程和标准有效温度之类更完善的指标所代替，但是，新指标固然有自己的优点，他们也有关共同的弱点，其一，数学公式的复杂性，导致必须在计算机上求值，其二，尽管他们包括了所有的变量，但令人遗憾的是这都使得他们在实际中的用处不大。基于以上原因，工程师又定义了一个新的指标，这种指标的应用是以想要设计一个舒适环境的设计师的问题为中心。它要求有两种数据，即居住者需要什么样的温度、以及什么样的物理变量组合会产生这一温度。这一指标就是主观温度。它的定义为：一个具有空气温度(T_a)等于平均辐射温度(T_r)，相对空气流速(v)等于0.1m/s和相对湿度50％的均匀封闭空间的温度，该环境将产生与实际环境相同的温暖感。 

主观温度的定义在很大程度上取决于主观温暖感，利用环境变量表示的主观公式无论何时均可由现有的温暖感数据加以确定，因此这是由经验得出的公式。 

3热舒适性指标的评价 

本发明列举了主要的温暖感和舒适感指标。当已知有关的人体活动状态和衣着条件而需要预测舒适温度时，主观温度计算公式就会快速而足够准确的估算出人体舒适所需要的温度。主观温度方程不能用来预测人体不舒适感或人体感觉。 

对照ASHRAEE55-1992的舒适区域要求，ET*值在23℃到26℃之间，相对湿度小于60％。因而由它所算出的温度范围和湿度范围都比较适合，而温度和湿度是影响人体舒适性的两个最重要因素，基于此，本发明的智能控制系统采用可编程模糊PDI控制算法，以新有效温度(ET*)作为主要的舒适性定值控制指标，设定范围ET*值在15℃到30℃之间。 

发明内容：目前空调存在的技术问题： 

1、无法解决当雾霾很严重时，空调环境的空气品质；生活品质的不断提高，现在汽车日益增多，工厂因工艺要求日益提高，涉及的环保问题严重；短时间看不到空气有本质上的改 善，为保障人民的身体健康，急需高品质的小空间空气环境；在身体健康比金钱更重要的观念下，高品质的空气是很多人的追求。 

2、商业楼宇的空调环境，因空气品质不高，人们的使用坏习惯经常开窗换气，漏冷严重，使原有的设计空调功率不足，冷冻水的标准要求在7～11℃；但高峰期很多时间只能保持在10～13℃；空气环境的相对湿度往往超过65％；按照Fanger舒适方程式可以预见，大多数空调使用者都会感觉不舒适；这样的坏习惯造成多重的恶性循环，操作者会使新风量降低或直接停用新风，导致我国的商业楼宇比国外先进国家能耗高40％；这是很大的浪费。 

3、空气中的粉尘颗粒，是细菌、病菌的载体，在人流密集的封闭场所，如地铁站、商场等，粉尘的累积，特别是PM2.5/PM0.5粉尘；静电除尘产生的臭氧会对人体伤害；FFU的能耗与造价，也让很多企业无法承受，而且效果也不是很好。 

技术方案：本发明能解决在恶劣的室外空气下，满足ASHRAE标准的空调环境的舒适度，同时做到温度湿度分别控制，空气的洁净度高，并能人工模拟森林小气候高浓度负离子的空气环境。由6+1个独立的小系统组成，1、冷水机组及冷冻水、热水循环系统；2、空气洗涤处理系统；3、水质处理系统；4、[OH]^-羟基自由基负离子发生系统；5、转轮除湿机；6、温度湿度智能控制系统及空气负离子监测；(6+1)、特殊布风器(不是该系统必要的)。是按照Fanger舒适方程式提出的综合舒适温标，包含4个环境因素(干球温度、风速、平均辐射温度及相对湿度)和5种舒适温标(当量温度、有效温度、修正有效温度、新有效温度和合成温度)，采用以下测量设备可以对本发明的空调空间舒适条件与空气品质进行评价：温度计、湿度计、风速计、黑球温度计、PM10/PM2.5/PM0.5粉尘颗粒计数器、空气负离子浓度检测仪及有机气体检测仪；本发明能在恶劣的室外空气环境下，提供满足以Fanger舒适方程式提出的综合舒适温标的控制指标及室内空气质量标准GB/T 18883-2002空气质量指标，并能完全模拟森林里的高负离子的特定小气候环境。 

本发明的实施例，可以使一部分人群在当下雾霾严重的城市里，享受森林里的洁净空气，也可以在加入富氧功能下为需要氧疗的人群提供一个纯净高氧的森林空气的舒适环境。给人们得到身体健康的保障。 

本发明的各个系统描述： 

1、冷水机组及冷冻水，热水循环系统 

冷水机组是目前市场中商品设备，是卡诺循环的应用，由于变频技术与新材料制冷剂的技术应用，挖掘制冷剂的二次潜热；目前的制冷效率最高达到6.0以上；在节能方面已经有长足的发展，应用在本发明系统，其蒸发器设定的工况0～5℃，是为本发明作为冷源的2～8℃ 冷水使用；与中央空调的冷水温度7～11℃有不同的要求。 

电加热、锅炉为本发明热源使用，与目前的中央空调的使用方法一致；也可以使用溴化锂吸收式制冷机，同时提供冷源和热源。 

2、空气喷淋处理系统 

本发明空气喷淋处理系统，由喷淋洗涤塔、水池、水循环系统、喷头组、进气室、除雾室、水处理净化系统、紫外灯管、自来水补水、地漏排水等组成。该系统是本发明关键设备，采用圆形或方形的逆流式或横流式空气水洗涤塔；采用变频轴流式或离心式低扬程水泵，空气经2～8℃冷水洗涤后，空气与冷水充分洗涤，(该空气包括有按照相关空调规范需要加入新鲜空气量、臭氧和空调环境的回风量；)并发生臭氧水解反应和空气经洗涤后的除尘，粉尘颗粒溶解进入水中；也因臭氧水解产生[OH]^-羟基自由基，空气带入的微量有机气体，也会被[OH]^-羟基自由基分解或部分分解，使有机气体发生[OH]^-羟基自由基氧化反应成为醇类、酮类或醛类物质，并溶解进水里；经热交换后洁净空气与冷冻水的温度相同，并以该温度的饱和水蒸汽带出水分进入空调环境，特征的温度对应带入空调环境的水份是表2， 

图2是逆流式洗涤塔结构示意图，新鲜空气(含臭氧)与空调回风在①空气与臭氧混合室混合，经空气洗涤塔喷淋室②，洗涤塔的水由冷源0～5℃经热交换器⑧冷却成为2～8℃冷水，洗涤塔水池设有水处理系统③，空气在填料⑩内与水充分混合，搅拌、碰撞、气泡液膜的分子间交换和物理化学反应，填料高度50厘米，设计要求混合的空气风速小于2.5m/s，通过设计要求的风速和洗涤塔高度，气液接触时间大于1.0秒，水喷淋头11水喷淋密度18～45m3/m2·h的范围内，空气经热交换与喷淋水的水温一致，风速偏高，会使洗涤后的空气形成过饱和水蒸汽，水喷淋头组11采用螺旋式无堵塞喷淋头；空气经除雾器12后消除空气中的过饱和水蒸汽；若有暖气要求的，需要经过加热热交换器④；在刚开动空调初段，水温的温度高，为了防止空气中的水分带入空调环境中，除湿表冷器⑤这时发挥可靠性的作用，其自动电磁阀开关由空调环境湿度控制；洁净空气经空调离心式风机13进入送风恒压箱⑥，送风进入森林小气候环境，回风循环进入①空气与臭氧混合室。 

洗涤塔的参数要求： 

1、水池的水温由0～5℃冷源提供，控制水温在2～8℃，洗涤后的空气以对应水温度的 饱和水蒸汽带来水份，例如8℃的水温，饱和水蒸汽为8.35克水/立方米，在20℃的室温，对应的相对湿度是55％，湿度控制主要由水池的水温相关，通过调整精确控制水池水温，可以精确控制本发明的室内湿度，理论上精度到达1％，比现有的恒温恒湿空调，湿度控制精度是10％；控制精度有大幅度提高。 

2、洗涤塔必须满足塔内风速小于2.5m/s，气液接触时间大于1.0秒，水喷淋密度18～45m3/m2·h的范围内；水气比为0.5～1.0L/m3；兼顾除尘和气体净化双重作用，通常水洗涤的空气的去除效率在55％以下，原因在于0.5微米以下的灰尘颗粒，由于细菌附着，细菌的绒毛产生疏水性难以洗涤去除，本发明可以实现空气除尘效率在85％以上，空气中的有机气体净化效率75％以上；原因是水池中含有[OH]^-羟基自由基，对粉尘有湿润作用，对细菌有杀菌消毒作用，对有机气体发生断链反应或醇类、醛类的亲水化合物质等溶于水的键能结合，使废气的去除效率大幅提高。 

该设备部分为本发明提供了洁净的空气品质。及通过风量和水池水温的控制，为本发明提供恰当的湿度(增湿或减湿)与室内小气候需要的温度，也因水池的含有丰富的[OH]^-羟基自由基，它是一种重要的活性氧，经气提作用，在空气中的水分也包含有大量的活性氧，为人工模拟森林小气候系统创造条件。 

该空气气温度直接从出风口吹出，会因露点温度的原因，产生烟雾状，所以需要利用FFU单元(FFU英文全称为：Fan Filter Unit，中文专业用语为风机过滤机组)混合风后送出，以FFU单元单个或多个作为布风器。 

3、水质处理系统 

本发明水池的水，由于空气中含有粉尘、雾霾、有机气体，洗涤空气时带入的污染，若没有水质处理系统，累积后会产生异味，对空气二次污染，水质处理系统由水粗过滤器、时间控制器、定时排放阀门及延时控制，水位测量控制系统、逻辑控制保护系统，逻辑自我诊断系统等组成；以上系统实现每周自动换水一次，在换水过程中，保护水泵、冷源的启动功能，达到节约用水和节约纳米二氧化钛(当使用光催化产生活性氧时)的目的。 

水质处理为本发明提供了可以大量存在的[OH]^-羟基自由基负离子水质要求，以自动换水为基本要求。在节水有要求的地区可以附加超滤系统纯水设备再生。 

4、[OH]^-羟基自由基负离子发生系统 

[OH]^-羟基自由基是一种重要的活性氧，从分子式上看是由氢氧根(OH-)失去一个电子形成。羟基自由基具有极强的得电子能力也就是氧化能力，氧化电位2.8v；自然界获取[OH]^-羟基自由基是通过闪电产生臭氧后雨水洗涤得到，及植物树叶经过光合作用释放出来，在森 林里的空气特别甜美，就是在森林里的溪流水释放到空气中大量的[OH]^-羟基自由基，参考森林小气候特征研究的论文，划分当空气中[OH]^-羟基自由基在600个/M3以上；人们有愉悦的感受，当空气中[OH]^-羟基自由基在3000个/M3以上，对人体有保健功能； 

本发明的[OH]^-羟基自由基产生有两种方法，一是高压电离氧气或空气产生臭氧，经水洗涤后获得，这是完全模拟自然界的方法；二是采用水溶液的纳米二氧化钛在远紫外光的催化直接获取，该方法节能，可靠性高，不会产生臭氧发生器氧化空气中微量的溴气分子，而形成溴酸盐有害物质。 

早期本人从事消毒剂---二氧化氯的研究中得到的参数：[OH]^-羟基自由基在水温10℃时，半衰期为30分钟；[OH]^-羟基自由基在水温15℃时，半衰期为12分钟；[OH]^-羟基自由基在水温25℃时，半衰期为2分钟；本发明空气的[OH]^-羟基自由基是水洗涤过程中，由气提中释放出来。在7年的发明过程中，做了定性研究，由于实验手段及经费不足，定量测定对应的参数表未能获取准确的数据。 

查科技文献得知：臭氧与水的反应速率： 

臭氧的水解活化能E＝61.2kj/mol； 

10℃时，反应常数k＝0.91x10³(s^-1)； 

20℃时，反应常数k＝1.67x10³(s^-1)； 

水洗涤时间为1秒的设计，主要是粉尘、有机气体的去除需要，，是环保废气处理的设计规范、因臭氧气体的臭氧浓度不高，臭氧的水解反应需要时间非常非常短(小于0.01秒)，不会出现剩余的臭氧溢出到小气候环境。 

以下抄录网络科技文献：TiO₂光催化氧化机理，给本发明第二种[OH]^-羟基自由基发生方法提供理解做进一步解释。 

TiO₂属于一种n型半导体材料，它的禁带宽度为3.2ev(锐钛矿)，当它受到波长小于或等于387.5nm的光(紫外光)照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子(e^-)；而价带中则相应地形成光生空穴(h⁺)， 

如果把分散在溶液中的每一颗TiO₂粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO₂表面不同的位置。TiO₂表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获，而空穴h⁺则可氧化吸附于TiO₂表面的有机物或先把吸附在TiO₂表面的OH^-和H₂O分子氧化成[·OH]自由基，[·OH]自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的，能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物，将其矿化为无机小分子、CO₂和H₂O等无害物质。 

反应过程如下： 

TiO₂+hv→h⁺+e^-                   (3) 

h⁺+e^-→热能                      (4) 

h⁺+OH-→·OH                     (5) 

h⁺+H₂O→·OH+H⁺                  (6) 

e-+O₂→O₂ ^-                       (7) 

O₂+H+→HO₂·                    (8) 

2H₂O·→O₂+H₂O₂                 (9) 

H₂O₂+O₂→·OH+H⁺+O₂             (10) 

·OH+dye→···→CO₂+H₂O      (11) 

H⁺+dye→···→CO₂+H₂O        (12) 

由机理反应可知，TiO₂光催化降解有机物，实质上是一种自由基反应。 

TiO₂主要有两种晶型一锐钛矿型和金红石型，锐钦矿型和金红石型均属四方晶系， 

两种晶型都是由相互连接的TiO₆八面体组成的，每个Ti原子都位于八面体的中心，且被6个O原子围绕。两者的差别主要是八面体的畸变程度和相互连接方式不同。 

金红石型的八面体不规则，微现斜方晶，其中每个八面体与周围10个八面体相连(其中两个共边，八个共顶角)；而锐钛矿型的八面体呈明显的斜方晶畸变，其对称性低于前者，每个八面体与周围8个八面体相连(四个共边，四个共顶角)。这种晶型结构确定了它们的键距：锐钛矿型的Ti-Ti键距(3.79，3.04)，Ti-O键(1.934，1.980)；金红石型的Ti-Ti键距(3.57，.396)，Ti-O键距(1.949，1.980)。比较Ti-Ti键距，锐钛矿型比金红石型大，而Ti-O键距，锐钛矿型比金红石型小。这些结构上的差异使得两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。锐钛矿型TiO₂的质量密度(3.894g·cm^-3)略小于金红石型TiO₂(4.250g·cm^-3)，锐钛矿型TiO₂的禁带宽度Eg为3.3ev，大于金红石型TiO₂的(Eg为3.1Ve)。锐钛矿型的TiO₂较负的导带对O₂的吸附能力较强，比表面较大，光生电子和空穴容易分离，这些因素使得锐钛矿型TiO₂光催化活性高于金红石型TiO₂光催化活性^[11，12]。 

在不同程度不规则分布，实际的晶体都是近似的空间点阵式结构，总有一种或几种结构上缺陷。当有微量杂质元素掺入晶体中时，也可能形成杂质置换缺陷。这些缺陷存在对催化活性起着重要作用。Salvador等研究了金红石型TiO₂(001)单晶上水的光解过程，发现氧空位形成的Ti³⁺-Vo-Ti³⁺缺陷是反应中将H₂O氧化为H₂O₂过程的活性中心，其原因是Ti³⁺-Ti³⁺键间距(2.59)比无缺陷的金红石型中Ti⁴⁺-Ti⁴⁺键间距(4.59)小得多，因而使吸附的活性羟基反 应活性增加，反应速率常数比无缺陷的金红石型上的大5倍。但是有的缺陷也可能成为电子-空穴的复合中心而低反应活性。 

掺杂改性TiO₂提高光催化效率的机理 

半导体光催化机理是：它们在一定波长的光激发后，价带上的电子(e^-)被激发，越过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴(h⁺)。这些光生电子和空穴带有一定能量可以自由迁移，当它们迁移到催化剂表面时就可以和吸附在催化剂表面的化学物质发生化学反应，并产生大量的高活性自由基[·OH]，这些自由基就能将有机化合物氧化分解。 

根据以上的实验结论：纳米二氧化钛光催化产生[·OH]^-羟基自由基，其节能效率可以通过渗入半导体等方法会有很多潜力可挖。本发明大部分图例中列举的是以其中之一的方法：纳米二氧化钛光催化产生[·OH]^-羟基自由基为例。完全人工模拟森林小气候的方法是采用臭氧曝气获得的活性氧[·OH]^-羟基自由基。 

5、温度湿度智能控制系统及空气负离子监测。 

模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。 

本发明以新的有效温度(ET*)作为控制指标，其对应的定值控制只有模糊控制器符合要求，加减湿空气量可以通洗涤水温控制，空间的湿度降低有转轮除湿机完成；开启停用森林空调必须按逻辑系统顺序，与当前的空调系统，洁净空间系统有巨大的区别。 

模糊控制器是一台工业电脑，同时也提供自诊断系统，判断系统是否正常和故障点，给维修人员提供便利的标准维修指引。 

负离子监测是评估当前使用中的森林空调负离子系统处于何种状态，为使用者提供一个参考值，森林空调是否需要保养或维修； 

此控制系统较复杂，同时有2个变量的定值自动控制：温度与湿度，并按照新的有效温度对应的经验值(由ASHRAE美国采暖、制冷与空调工程师学会提供)控制，以满足及方便各类人群所需要的舒适小气候状态。 

简易型的负离子监测仪具体参数 

基本参数： 

1、测试范围：1000～9999×10⁴ions/cm 

2、尺寸大小：120mm(长)x45mm(宽)x20mm(高) 

3、工作电压：2X3V 

4、电池规格：使用CR2032纽扣电池2个 

5、正负离子显示：测得正离子时，显示正数据，测得负离子时，数据前显示负号“-” 

6、转轮除湿机 

(1)转轮除湿机从发明到目前，已经是第四代产品，转轮除湿机是市场产品，可以轻易地获得0～-50℃的空气露点，除湿效率高，转轮除湿机不产生腐蚀，不造成污染，不需补充吸湿剂。 

(2)设备体积小，安装简便；可以在环境内独立安装，也可以装在风道中。 

(3)转轮除湿机可采用电、蒸汽及燃气能源进行再生，总体用电量小，与冷却法除湿系统相比，节约用电量达20％～30％； 

(4)可根据再生能量的控制，稳定和调节处理空气湿度，可与系统自动控制一体化，也可单独控制； 

转轮除湿设备从六十年代投入市场以来.其核心部件——吸湿转轮芯，已经发展到第四代了，转轮材料更加牢固耐用，不会析出污染物，除湿后的空气不会造成腐蚀和污染；而且从原来的单一氯化锂转轮扩展为应用更为广泛的多种类型的转轮(如高效硅胶转轮、分子筛转轮、复合型转轮)，可根据用户处理湿度参数的不同要求，选择不同类型和规格的转轮。再生加热的能源可选用：电、蒸汽、燃气，而除湿性能不变。设备操作方式有手控、自控、异地遥控，还可与DDC、PLC相连，因此可适用于大多数除湿场合。尤其当转轮除湿机与空调系统一起使用时，既提高了除湿效果，又节约了能量，为空调的发展做出了贡献。 

转轮除湿机是市场的商业化产品，为本发明提供了降低湿度的需要值。是本发明需要运用的重要工具之一。 

6+1、特殊布风器 

森林环境中，偶尔一阵冷风，使人体产生对环境的应激反应，身体毛孔产生一开一合的反应中，有一种爽极的身心愉悦，该状态使人们对森林的热爱有一种难忘的回忆；利用特殊布风器，利用冷空气(2-8℃)的密度比小气候环境温度(20-24℃)密度高，吐出的冷气圈，在气体混合过程中，产生的温度梯度，使人们的身体产生的应激反应，本发明称这种应激反应为爽极状态，该种状态能人工模拟这种森林里的一阵一阵凉风吹送的状态。 

有益的效果：经过以上本发明的6+1个系统的组合，可以按照新的有效温度对应的经验值(由ASHRAE美国采暖、制冷与空调工程师学会提供)简易使用及控制，在商业楼宇上，人们珍惜优质 森林空气的品质下，形成良好的空调使用习惯，减少开窗漏冷等不良习惯，达到节能目的，评估可节能10％以上；在家用空调使用上，森林空调床大幅减低使用空间获得高品质的森林小气候环境，虽然单位体积需要的功率增加50％，但使用空间只有三分之一或更低；节能效果突出，并创造更加健康的空气品质和身体感受；在工业应用上，例一广东某半导体公司，生产显示屏，为了满足切割、钻孔、腐蚀、雕刻、印刷、显影、黑化等工艺的一致性，在1800平米内使用2000KW的空调机组，提供恒温恒湿的空调环境及提供低温废气排放漏冷，年浪费制冷电能超过500万元；运用本发明，可以回收冷量80％以上；其经济效益与社会效益非常明显。例2某疫苗生产厂，因室外空气品质变差，10级的无菌包装车间因0.5微米以下的粉尘积聚，部分时间不达标，造成不同批次部分产品不合格，因此大批产品被销毁的损失，本发明在去除小于0.5微米的粉尘效率最高，比静电除尘效率更高。 

附图说明

图1：新有效温度(ET*)曲线 

图2：空气洗涤处理系统结构示意图 

①空气洗涤塔②图例水泵③水处理系统④除雾室⑤远紫外光管 

⑥盘管热交换器⑦新风回风空气混合室⑧喷淋填料⑨喷头组 

图3：本发明应用之一-----森林空调床 

1、室内温度不控制，由转轮除湿机降低室内相对湿度在40％以下，按照新的有效温度(ET*)，可获得较满意的舒适度； 

2、室外的新风，经过冷水(2～8℃)洗涤，产生森林活性氧和气候条件，由于只有很小的空间(8m3)内实现小气候环境，是通常房间的空间25m3的三分之一以下，达到高效节能的目的。 

①新风风机及臭氧发生器②室外空调机组③水泵④除雾器⑤布风器⑥森林空调床 

⑦自来水补水⑧地漏⑨热交换盘管⑩喷头组喷淋填料转轮除湿机 

图4：全风量单冷式森林空调室实施案例(小于50平方) 

①风机②空气洗涤塔③风冷式空调室外机组④消声入风风道⑤可调风向出风风道⑥蒸发器⑦远紫外光管⑧PLC程序控制器⑨喷淋填料 

图5：半风量单冷式森林空调实施案例(小于100平方) 

①风机②空气洗涤塔③风冷式空调室外机组④消声入风风道⑤可调风向出风风道⑥蒸发器⑦远紫外光管⑧PLC程序控制器⑨喷淋填料⑩吊顶FFU单元图例水泵新鲜风机 

图6：全风量单冷式森林空调吸烟室实施案例(小于50平方) 

①风机②空气洗涤塔③风冷式空调室外机组④消声入风风道⑤可调风向出风风道⑥蒸发器⑦远紫外光管⑧PLC程序控制器⑨喷淋填料⑩吊顶及顶送风布风器架空透风地板地回风 

图7：中央森林空调空气处理机组 

①空气与臭氧混合室②空气洗涤塔喷淋室③水处理系统④加热热交换器⑤除湿表冷器⑥送风恒压箱⑦远紫外光管⑧盘管热交换器⑨冷冻水循环⑩洗涤填料喷头组除雾室风机 

图8：本发明应用于商业大厦中央空调的实施方案总图 

①冷却塔②空气洗涤塔③水处理系统④加热热交换器⑤除湿表冷器⑥送风恒压箱⑦远紫外光管⑧盘管热交换器⑨冷冻水循环⑩洗涤填料水喷淋组除雾室风机FFU单元压缩机节流阀冷凝器蒸发器 

具体实施方式：本发明是即使在恶劣的室外空气下，满足ASHRAE标准的空调环境的舒适度，同时做到温度湿度分别控制及空气的洁净度高，并能人工模拟森林小气候高浓度负离子的空气环境。由6个独立的小系统有机组合而成；1、冷水机组及冷冻水、热水循环系统；2、空气洗涤处理系统；3、水质处理系统；4、[OH]^-羟基自由基负离子发生系统；5、转轮除湿机；6、温度湿度智能控制系统及空气负离子监测；以图2作为具体实施技术解决案例说明： 

图2是逆流式洗涤塔结构示意图，新鲜空气(含臭氧)与空调回风在①空气与臭氧混合室混合，经空气洗涤塔喷淋室②，洗涤塔的水由冷源0～5℃经热交换器⑧冷却成为2～8℃冷水，洗涤塔水池设有水处理系统③，空气在填料⑩内与水充分混合，搅拌、碰撞、气泡液膜的分子间交换和物理化学反应，填料高度50厘米，设计要求混合的空气风速小于2.5m/s，通过设计要求的风速和洗涤塔高度，气液接触时间大于1.0秒，水喷淋头11水喷淋密度18～ 45m3/m2·h的范围内，空气经热交换与喷淋水的水温一致，风速偏高，会使洗涤后的空气形成过饱和水蒸汽，水喷淋头组11采用螺旋式无堵塞喷淋头；空气经除雾器12后消除空气中的过饱和水蒸汽；若有暖气要求的，需要经过加热热交换器④；在刚开动空调初段，水温的温度高，为了防止空气中的水分带入空调环境中，除湿表冷器⑤这时发挥可靠性的作用，其自动电磁阀开关由空调环境湿度控制；洁净空气经空调离心式风机13进入送风恒压箱⑥，送风进入森林小气候环境，回风循环进入①空气与臭氧混合室。 

洗涤塔的参数要求： 

①水池的水温由0～5℃冷源提供，控制水温在2～8℃，洗涤后的空气以对应水温度的饱和水蒸汽带来水份，例如8℃的水温，饱和水蒸汽为8.35克水/立方米，在20℃的室温，对应的相对湿度是55％，湿度控制主要由水池的水温相关，通过调整精确控制水池水温，可以精确控制本发明的室内湿度，理论上精度到达1％，比现有的恒温恒湿空调，湿度控制精度是10％；控制精度有大幅度提高。 

②洗涤塔必须满足塔内风速小于2.5m/s，气液接触时间大于1.0秒，水喷淋密度18～45m3/m2·h的范围内；水气比为0.5～1.0L/m3；兼顾除尘和气体净化双重作用，通常水洗涤的空气的去除效率在55％以下，原因在于0.5微米以下的灰尘颗粒，由于细菌附着，细菌的绒毛产生疏水性难以洗涤去除，本发明可以实现空气除尘效率在85％以上，空气中的有机气体净化效率75％以上；原因是水池中含有[OH]^-羟基自由基，对粉尘有湿润作用，对细菌有杀菌消毒作用，对有机气体发生断链反应或醇类、醛类的亲水化合物质等溶于水的键能结合，使废气的去除效率大幅提高。 

该设备部分为本发明提供了洁净的空气环境。及通过风量和水池水温的控制，为本发明提供恰当的湿度(增湿或减湿)与室内小气候需要的温度，也因水池的含有丰富的[OH]^-羟基自由基，它是一种重要的活性氧，经气提作用，在空气中的水分也包含有大量的活性氧，为人工模拟森林小气候系统创造条件。 

Claims (12)

1.人工模拟森林小气候系统及方法是由冷水机组及冷冻水、热水循环系统；空气洗涤处理系统；水质处理系统；[OH]^-羟基自由基负离子发生系统；转轮除湿机；温度湿度智能控制系统及空气负离子监测有机结合组成，其特征是具有高度相似的森林环境，即使在恶劣的室外空气下，在满足ASHRAE标准的空调环境的舒适度的同时做到温度湿度分别控制，空气的洁净度高，并能人工模拟森林小气候高浓度负离子的空气环境，可以使一部分人群在当下雾霾严重的城市里，享受森林里的洁净空气，也可以在加入富氧功能下为需要氧疗的人群提供一个纯净高氧的森林空气的舒适环境，给人们得到身体健康的保障。 

2.根据权利要求1所述的人工模拟森林小气候系统及方法，其特征之一是需要冷源温度在0～5℃冷源，制取2～8℃冷水；其特征之二是需要空气洗涤处理系统的洗涤塔满足以下条件：洗涤塔必须满足塔内风速小于2.5m/s，气液接触时间大于1.0秒，水喷淋密度18～45m3/m2·h；水气比为0.5～1.0L/m3的范围内；其特征之三是温度湿度智能控制系统需要PLC模糊控制器实现。 

3.根据权利要求1所述的人工模拟森林小气候系统及方法，其特征是以ASHRAE标准的新有效温度(ET*)作为控制指标；方便使用者快速、简易、傻瓜式设定参数。 

4.根据权利要求1所述的人工模拟森林小气候系统及方法，其特征是降低湿度有两种方法，一是降低空气洗涤塔水池水温，二是启动转轮除湿机；其特征是增加湿度的方法是提高空气洗涤塔水池的水温；其特征是温度控制是通过水温温度、风量、表冷器启动控制冷量输出或加热控制；并根据ASHRAE标准的新有效温度(ET*)作为控制指标由PLC模糊控制器定值智能自动控制实现，并能实现湿度控制精度为1％。 

5.人工模拟森林小气候系统及方法，其特征是[OH]-羟基自由基负离子发生系统的方法之一由臭氧经空气洗涤系统发生臭氧水解而成，并经洗涤、气提、曝气产生含有[OH]-羟基自由基负离子(又称活性氧)的空气；其特征是[OH]-羟基自由基负离子发生系统方法之二由水溶液的纳米二氧化钛在远紫外光的催化直接获取，并经空气气提产生含有[OH]-羟基自由基负离子(又称活性氧)的空气；本发明使用该两种方法之一或两种同时使用。 

6.根据权利要求5所述的人工模拟森林小气候系统及方法，其特征是由高压电场、高压放电电极、臭氧发生器运用在新风入口、新风管道及回风风道中，经水温2～8℃空气洗涤塔洗涤产生的[OH]-羟基自由基负离子(又称活性氧)的空气应用到小气候环境中。 

7.根据权利要求5所述的人工模拟森林小气候系统及方法，其特征是由水温2～8℃的水溶液中，纳米二氧化钛在远紫外光的催化直接获取，并经空气气提产生含有[OH]-羟基自由基负离子(又称活性氧)的空气应用到小气候环境中。 

8.人工模拟森林小气候系统及方法，其特征是在森林空调床的实施例中，在最需要的小空 间里(森林空调床)实现森林空调环境，节约小气候空间为家庭空调节能20％以上并提供高品质的空气环境。 

9.根据权利要求8所述的森林空调床的实施例，其特征是森林空调床由新风风机及臭氧发生器、室外空调机组(蒸发器设定温度0～5℃)、水泵、除雾器、布风器、森林空调床、自来水补水、地漏、热交换盘管、无堵塞水喷淋、洗涤填料、转轮除湿机组成，该组成的森林空调床也能消除因露点温度形成雾气及床周边产生的凝露，也通过分体安装、隔震、动设备静设备的规范，防止噪声、震动传递到睡眠用床。 

10.人工模拟森林小气候系统及方法，其特征是：在商业空调应用实施例中，提供高品质的空气及舒适的小气候环境，并符合PMV：-0.5～+0.5(不超过5％的人不满意)PPD：＜+10％(不超过10％的不满意)，避免空调使用者因空气品质不高，开窗漏冷的错误做法，达到节能目的。 

11.根据权利要求10所述的人工模拟森林小气候系统及方法，其特征是由森林空调空气处理机组替代传统的空调机组，或传统的空调机组并联使用森林空调空气处理机组净化新鲜风，提高空气品质并按照新的有效温度(ET*)作为定值控制指标。 

12.人工模拟森林小气候系统及方法，其特征是采用特殊布风器，利用冷空气(2-8℃)的密度比小气候环境温度(20-24℃)的密度高，吐出的冷气圈，在气体混合过程中，产生的温度梯度，使人们的身体产生毛孔一张一合的应激反应，本发明称这种应激反应为爽极状态，该种状态能人工模拟这种森林里的一阵一阵凉风吹送的状态，实现人体应激反应下的爽极状态。