CN106524340A - 森林空调的节能方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料与能源领域和环保领域，是基于人工模拟森林小气候系统在空调应用下通过卡诺循环实现节能的方法和过程，引入水作为输配系统的介质，采用冷水冷量回收方法、降低冷凝器温度、发挥制冷剂的二次潜热、升高蒸发器温度工况及提高热量、冷量输出效率及通过洗涤空气去除室内二氧化碳、TVOC、空气粉尘微生物等污染物替代新风换气去除的方案，在空调的使用过程中节能10%～40%。

Description

森林空调的节能方法
技术领域
本发明涉及材料与能源领域和环保领域，森林空调是人工模拟森林小气候的简称，本发明是空气调节的一种新的节能方法，在空调的使用过程中节能10%～40%。
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，由于现代建筑中，空调用电属于能耗大户，在节能、舒适度、无尘空间发展到很高的水平高度，格力空调的18℃高温冷水系统制冷效率COP达到8.5以上，在节能方面，通过电子膨胀阀及电机变频，调节节流系数及不同特性的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10000、1000、100、10级的洁净空间技术；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，一线城市的室外空气二氧化碳含量大部分实际超过500ppm，深圳实测二氧化碳浓度为620ppm；中国大城市空气质量达标天数已经下降到少于每年周期的三分之一以下，严重雾霾天气已经不是新闻等，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。 本发明是基于人工模拟森林小气候系统简称为森林空调的节能方式方法，是洁净空调的节能方式，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。降膜冷凝器，因藻类、结垢等原因，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。
上世纪60年代中，曾经有几年期兴起低温水洗涤空气降温，在美国一个工厂发生数十人同时患有肺吸虫病，原因是长期运行的冷水中富含空气的灰尘滋生细菌造成，2015年也报道韩国某地冬天长期使用超声波加湿器，造成20多名肺吸虫病患者案例。水是生命之源，因水的杀菌消毒在旧的技术下无法实现实时在线，微生物致热交换器结垢、严重的致病因素等都是水作为输配介质慎用禁用的结果。
空气由干空气和水蒸汽、粉尘、有机气体、雾霾、二氧化碳、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 ，没有对有机气体等其他污染物去除的指标。
现有的空调系统除对温度湿度有对应的控制技术，空气品质主要采用换气的方法改善，其中新风换气去除的污染物有:二氧化碳、TVOC（甲醛、异味、有机气体）。目前属于控制难点，新风换气浪费了很大一部分能耗。
空调是利用设备和技术对室内空气（或人工混合气体）的温度、湿度、气流速度及清洁度进行调节，以满足人们对环境的舒适要求或生产对环境的工艺要求。温度、湿度和气流速度是满足人类对舒适感的要求，因此称舒适空调；清洁度是包含：粉尘、二氧化碳、有机气体（TVOC）、异味等指标要求。
空调是一门工程技术，在现代建筑中，是最大的能耗用户，在提出节能建筑的概念下，空调的节能，是关键，是最重要的环节。中国是人口大国，建筑耗能在城市化进程中，目前按照欧美国家的规范标准，意味着能耗倍增，高能耗会带来更严重的雾霾。目前的空调相关的规范与标准，都以室外空气为洁净空气作为前提，雾霾天气下，空调该怎么办。规范与标准都没有给出答案。
在《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736-2012)中的要求中，设计最小新风量应符合以下规定：
公共建筑主要房间每人所需最小新风量应符合表 3.0.6-1 规定。
表3.0.6-1 公共建筑主要房间每人所需最小新风量[m3/（h]
建筑房间类型 新风量
办公室 30
客房 30
大堂、四季厅 10
大多数空调技术人员只了解空调的目的是温度、湿度和洁净度，很少工程技术会对换气量的指标有深入的本质了解，能严格执行的极少；在雾霾天，忽略换气要求。这个换气量指标主要是针对室内二氧化碳含量指标做出的模糊要求。在日本，有法律规定，密闭的建筑里，强制机械通风要24小时运行，欧美国家也有相关规定，世卫组织WHO规定空调的二氧化碳含量必须低于1200PPM，欧美国家对应值是1000ppm，国内规范中没有强制执行标准，只有推荐性标准：室内二氧化碳卫生标准GB/T 170942-1997 ≤1000ppm[1]。该标准一旦强制标准执行，会有3～5倍的能耗增加。很多商业大厦、学校、大型超市都要数倍增加能耗，没有可执行性。
中央空调除二氧化碳含量难控制外，还有个难以解决的难题---空调病，“空调病”来源于蒸发器处在潮湿环境，极易滋养细菌，特别在周末双休日之后，周一启动空调后产生的霉菌气味，很多细菌病毒滋生，如军团杆菌，造成看不见的杀手。紫外光、臭氧、涂层触媒光催化、活性炭吸附都是有缺陷的解决方案：紫外产生臭氧和遮光产生盲区的弱点；臭氧若以空气做氧源，有严格控制指标，很难控制；涂层触媒光催化，也有效能累积衰减，粉尘污染后清洁困难等缺点；活性炭吸附，真实效果很差或完全无效，并会产生细菌二次污染。
中央空调还有个短板，对有机气体（VOC）没有去除能力，很多装修材料和家具都有甲醛缓慢释放现象，同时，在人群密集的场所，人体产生的异味，必须依靠新鲜风换气，其他方法对空气品质效果提升极不理想。
因为雾霾天气太多，空气净化的理念深入人心，空气净化器产品从采用的核心技术来分类，分为两大类：滤网式和静电式两种技术，其中高级别的滤网通常叫做HEPA，也有净化器是滤网和静电的结合。HEPA需要风压高，产生噪声和高能耗；静电除尘会产生臭氧、带电粉尘等二次污染问题，臭氧的毒性不高，但以空气作为氧源产生臭氧的过程中，会产生强致癌物溴酸根，所以被严格控制。美国标准是0.75PPM，中国标准是0.16mg/m3，换成PPM就是0.75PMM。
目前空调存在的技术问题：
1、空调技术是假设室外空气是洁净的前提下，无法解决当雾霾严重时，空调环境的空气品质无法解决，人们的生活品质追求不断提高，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，高品质的空气是绝大部分人的追求。
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、大型商场等，粉尘的累积，特别是PM2.5/PM0.5粉尘超标严重；调查结果，室内空气大部分比室外空气污染高。2003年，非典流行，提高了人们对空气消毒的要求，目前的空气净化技术主要是静电除尘和FFU,静电产生的臭氧会对人体伤害；FFU的高能耗与造价，也让很多企业无法承受，而且噪声及工艺要求高，实际很难满足条件。
4、一种不需要换气或低换气量，可以去除室内污染物的方法，能一次性解决空调的四度空间（温度、湿度、粉尘、二氧化碳）是空调技术人员努力追求的目标。
5、森林空调可以解决目前空调的三大难题:
难题1：湿度难控制，目前的中央空调技术，当湿度需要严格控制时，由空气处理机组完成，工艺设计：制冷-再加热-再加湿的循环过程，能耗白白浪费，获得诺贝尔物理学奖科学家朱棣文批评空调专家：瞎折腾，一定是哪错了【1】。
难题2：新风机除尘效率低，无法在雾霾天气下使用或静电除尘新风系统有剩余带电粉尘的缺陷。
难题3：难于有效控制室内二氧化碳含量和去除VOC、异味及消除因细菌导致的空调病根源。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对空调工程技术的不足，提供空气调节的一种新的节能方法，在空调的使用过程中节能10%～40%。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
森林空调的节能方法，其中的森林空调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；其中，还设置有热回收水箱，将冷凝器的热量进行回收以达到节能的效果；并且提高制冷效率COP，引入水作为输配系统的介质，在低温冷水降温作用，工况设为：室外温度为35℃时，室内温度为24℃，冷凝温度为40℃，蒸发温度为8℃；采用冷水冷量回收，当温差大于30℃时，水与翅片的表面热阻小，导热系数高，通常可以实现与翅片的温度在3～5℃的温差。
进一步的，使用冷水洗涤空气，所述冷水机组及冷冻水、热水循环系统需要冷源温度在0～15℃冷源，制取2～18℃冷水；所述空气洗涤处理系统的洗涤塔需要满足以下条件：洗涤塔必须满足塔内风速小于7.0m/s，气液接触时间大于0.1秒，水喷淋密度18～55m3/m2h；水气比为0.1～10.0L/m3的范围内；所述温度湿度智能控制系统需要PLC 模糊控制器实现；所述PLC 模糊控制器以ASHRAE标准的新有效温度 作为控制指标。
进一步的，所述系统实现的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；增加湿度的方法是提高空气洗涤塔水池的水温；温度控制的方法是通过水温温度、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％。
进一步的，所述[OH]- 羟基自由基负离子发生系统的产生[OH]- 羟基自由基负离子的方法一为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]- 羟基自由基负离子的空气；和/或者，方法二为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]- 羟基自由基负离子的空气。
进一步的，所述方法一由高压电场、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 ～ 18℃空气洗涤塔洗涤产生的[OH]- 羟基自由基负离子的空气应用到小气候环境中。
进一步的，所述方法二由水温2 ～ 18℃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]- 羟基自由基负离子的空气应用到小气候环境中。
进一步的，所述水质处理系统包括水粗过滤器、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。
进一步的，还包括特殊布风器，利用冷空气 2-18℃ 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爽极应激人体反应。
本发明的有益效果是：
经过森林空调的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，在制冷卡诺循环中提高制冷效率COP；在商业楼宇上，森林空调新风系统可以部分替代新风，实现空气消毒，减少新风漏冷，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；军事应用于潜艇空气品质的改善，除二氧化碳，空气除异味，空气消毒等比现有的氢氧化钾水溶液吸附二氧化碳效果好。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，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；综合上述的节能效果评价： ①在雾霾天气下，森林空调与家用分体空调比较，节能10～20%；②森林空调与商业大厦的中央空调比较，因新风能耗高企，可以实现节能≥40%。
在工业应用上，例1：广东某半导体公司，生产OLED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电机输入功率的空调机组，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；运用森林空调，排放废气可以转换为新风送入，除甲苯、二甲苯类有机废气冷量不能回收外，其余的粉尘废气、有机废气均可以回收，冷量实现80%以上回收；其经济效益与社会效益非常明显。
例2：某疫苗生产厂，新风采用静电除尘，因带电粉尘微粒积聚，部分时间段室内空气品质变差，100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，造成个别批次部分产品不合格，因此可能合格的同批次产品被销毁的损失，森林空调在去除小于0.5微米的粉尘效率最高，比静电除尘效率更高，不会产生带电粉尘微粒集聚，在微小空间单筒静电除尘+冷水水洗涤的测试中，测出PM2.5数值为0，这是消除漏风率的试验数据，将采用PM0.3检测仪进一步对数据实测。
根据发明专利号：201410394593.4 《人工模拟森林小气候系统及方法》原型验证机的测试数据表如下：
在室内或室外PM2.5低于300μg/m3，可以实现新风送风低于12μg/m3；符合新风的品质要求，并能满足去除二氧化碳，甲醛等污染物。对比目前采用静电除尘的新风系统，去除率增加，不会产生带电粉尘的不良后果。
附图说明
图1是本发明洗涤塔的结构示意图；
①空气洗涤塔
②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2是本发明的整体结构示意图。
②空气洗涤塔
③水处理系统
⑦远紫外光管
⑧盘管热交换器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明是基于发明专利号：201410394593.4《人工模拟森林小气候系统及方法》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。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，该环境下的节能效果实现节能10%以上。
人工模拟森林小气候系统作为新的空调方式，对新的空调方式应符合全部或部分如下的要求
①适应建筑室内热湿比不断变化的需求，同时满足室内热、湿参数的调节；
②从根本上避免降温、再热与除湿、加热抵消造成的能量损失；
③为自然冷源、低品位热能的利用提供条件；
④选择合适的输配媒介，尽可能降低输配系统能耗；
⑤减少室内送风量，部分采用与采暖系统共用末端系统；
⑥能通过热回收的方式，有效降低由于新风大增带来的能耗增大问题；
⑦能够实现各种空气工况顺利转换；
⑧解决空调系统长期使用后微生物污染问题。
森林空调的实施例，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。
森林空调的各个系统描述：
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2～18℃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2～18℃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如下表，
如图1所示，逆流式洗涤塔结构为例，新鲜空气（含臭氧）与空调回风在新风回风空气混合室⑦混合，经空气洗涤塔喷淋室，洗涤塔的水由冷源0～15℃经盘管热交换器⑥冷却成为2～18℃冷水，洗涤塔水池设有水处理系统③，空气在喷淋填料⑧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7.0m/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，喷头组⑨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，喷头组⑨采用螺旋式无堵塞喷淋头，并通过水泵②将冷水抽取至喷头组⑨进行喷淋；空气经除雾室④后消除空气中的过饱和水蒸汽；若有暖气要求的，需要经过加热盘管热交换器⑥；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进入送风恒压箱，送风进入森林小气候环境，回风循环进入空气与臭氧混合室。远紫外光管⑤在喷淋室下方对洗涤后的水进行杀菌。
洗涤塔的参数要求：
1、水池的水温由0～15℃冷源提供，控制水温在2～18℃，森林空调原型验证机的测试数据显示，由于有表冷器除湿，水温低于18度时，均可以满足相对湿度低于60%的要求；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。森林空调验证机的实验数据显示，水洗温度在15℃以下，经蒸发温度为5～8℃的表冷器除湿，室温在23～25℃时，可以实现相对湿度控制为45～62%，由于有水洗温度及表冷器温度双重控制，能精确控制相对湿度±1.0%。
2、洗涤塔必须满足塔内风速小于7.0m/s，气液接触时间大于0.1秒，水喷淋密度18～55m3/ m2·h的范围内；水气比为0.1～10.0L/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，由于该工艺符合有机废气氧化后洗涤的环保工艺，粉尘的疏水特性改变为亲水特性，提高了污染物的湿润性，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。结合筒型静电除尘器，在消除漏风率的设备上，可以实现粉尘去除率超过99.5%。
低温冷水水洗空气，同时可以实现去除二氧化碳、异味的功能。
如下表，二氧化碳在水中的溶解度。
平均每人每天呼出4升的二氧化碳气体，去除多余的二氧化碳，按照1摩尔二氧化碳气体为44g，气体体积22.4升计算，由上表可以知道，在气提作用下，水洗冷水温度在小于15℃时，二氧化碳的溶解度设50%计算，每升冷水溶解1g二氧化碳，满足去除每人的二氧化碳需用水量为7.8升。通过水洗水溢流的方式排除室内的二氧化碳及异味，对比新风换气的能耗，该方法是一种节能的方式。其冷水的冷量热回收，与冷凝器温差超过30℃，可以简易高效的通过流经冷凝器水盘实现80%冷量回收或结合提高制冷效率超过80%冷量回收。比气体的冷量热回收，成本低，高效、可靠。
该设备部分为森林空调提供了洁净的空气品质。及通过风量和水池水温的控制，为森林空调提供恰当的湿度（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，也同时实现空气消毒的过程。
该空气温度低，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；或通过文丘里射流结构的混风器实现布风器如同海尔天樽柜式空调送风。如果作为新风机，可以进入柜式空调器或空调末端进行混风使用，避免烟雾状送风。
在水池中含有[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。森林空调原型验证机的测试数据显示，水洗时间大于0.2秒，可以达到预定的效果。森林空调测试验证机，也可以采用文丘里水射器的无填料结构，降低洗涤体积和洗涤时间的方法实现空气洗涤作为新风系统应用。森林空调测试验证机对各种污染物的去除效果见表。
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；或采用文丘里结构的混合风送风。
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，[OH]-羟基自由基负离子是具有杀菌消毒的作用，运行状况下，能达到空气消毒，抑制热回收盘管产生藻类污染，以溢流热回收，自动换水为基本要求。水吸附二氧化碳会产生饱和状态，可以通过溢流排放的方式，或在冷凝器热回收装置回收冷量。
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；
森林空调的[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。
武汉大学吴岳俊教授测试：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秒左右的设计，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0.1秒），不会出现剩余的臭氧溢出到小气候环境。
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。
森林空调以新的有效温度（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 ×104 ions/ cm
2、尺寸大小：120mm（长） x 45mm（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～-5O℃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2O％～3O%；
(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，为森林空调提供了降低湿度的需要值。是森林空调在节能运行下，除湿能力不足时的梅雨季节里需要运用的附加配套的重要工具。
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（2-18℃）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。
森林空调实现节能的方式方法及途径：
如图2所示，新鲜空气环绕室内空气进入空气洗涤塔②，对空气洗涤后的水经水处理系统③进行处理并且循环到空气洗涤塔内，远紫外光管⑦同时对水进行杀菌，并且根据设定利用盘管热交换器⑧对水进行调温。
1）提高制冷效率COP。
由卡诺循环的理想制冷效率COP公式：COP理想=T室内温度/（T冷凝温度─T蒸发温度），对于家用空调，典型的制冷工况为：室外温度为35℃时，室内温度为24℃（297K），冷凝温度为50℃，蒸发温度为2℃；理想的制冷效率为6.18实际的制冷效率为2.5，是理想制冷效率的40%。由于引入水作为输配系统的介质下，冷凝器在高的湿度，散热翅片的表面热阻降低，高湿度在同等的风量下，可以带走更多的热量，在低温冷水降温作用，工况为：室外温度为35℃时，室内温度为24℃（297K），冷凝温度为40℃，蒸发温度为8℃；理想的制冷效率为9.28，实际的制冷效率为9.28*40%=3.7，制冷效率由2.5提高到3.7，节能实现（3.7-2.5）/2.5=48.5%；由于森林空调比家用空调增加了水泵、紫外光灯、静电除尘器等用电设备，实际的节能效果比计算结果要低一些。综合家用分体空调，在冷量输出端，为避免噪声，小风量输出产生更多的剩余冷量浪费，森林空调水洗水池，因水的热传导效率高，水洗水池具备同时利用蒸发器末端的冷量回收的功能，是满足利用制冷剂的二次潜热效率的效果，具有符合卡诺循环中更接近理想的状态。因测试条件限制，未能做出准确的节能测试，综合评估制冷效率COP提高10～20%。在我国局部地区极短时间的极端天气下，室外温度达到43℃，家用空调制冷效率下降严重，冷负荷急速上升，森林空调能实现稳定的制冷效率，可靠性提高，可以降低极端天气下的冷负荷的考虑因素，减小硬件配置，降低硬件投资。
2）在保证空气新鲜度的前提下，减小新风换气量。
在按照每人30m3/h的新风量要求的场所，空调设计标准比普通家用空调要求增加3倍的硬件配置，通常会增加1倍的耗电量。新风送入，空气冷量回收效率低，由于空气与翅片的表面热阻高，温差在低于15℃时，热交换效率通常低于30%；森林空调采用冷水冷量回收，当温差大于30℃时，水与翅片的表面热阻小，导热系数高，通常可以实现与翅片的温度在3～5℃的温差，实现热回收大于80%以上，若结合提高的制冷效率，可实现100%或超过100%的冷量回收。
3）提高空气品质及实现空气消毒，消除“空调病”的根源，改变人们在使用空调时开窗漏冷的坏习惯。
由于潮湿的蒸发器表面，潮湿环境引起细菌生长，特别在周六周日空调停用后的启动后，会有细菌产生的霉菌气味，中央空调已经发现多种可致病菌如军团杆菌等，流行在人们的观念空调会引起空调病，在商业大厦中办公的白领，靠窗的一侧，常有人开窗换气，大厦的新风量因开窗打破新风系统平衡造成局部大量漏冷现象。过分漏冷造成制冷量不足及湿度提高，舒适度下降，大厦管理者降低新风量造成空气品质不佳，恶性循环造成中国的空调能耗比国外高40%；森林空调具备空气消毒、除二氧化碳、除粉尘等功能，经森林空调洗涤后的空气，接近新风的空气品质，大幅降低新风量。水中的纳米二氧化钛+远紫外光管，水中的[OH]羟基自由基可以杀灭水中的微生物，阻止藻类生长，为通过水作为介质，使卡诺循环接近理想制冷效率的条件要求成为可能。
由于提高了空气品质，人们在空调环境下，会珍惜森林空调高品质空气，减少开窗漏冷的坏习惯，节能成为好习惯。
综合上述的节能效果评价：①在雾霾天气下，森林空调与家用分体空调比较，节能10～20%；②森林空调与商业大厦的中央空调比较，节能大于40%。
如图2所示，工艺过程：
1、空气混合室，调节新风量或封闭式独立运行，因系统可以除VOC及二氧化碳，新风属于补充氧，可以很低的风量要求或不用新风，有其他途径补充氧。由于新风量减小很大，因新风造成的漏冷大幅减小，达到节能的目的。也可作为新风处理机组用途。
2、筒式高压静电除尘器，高效集聚PM0.5、PM2.5、PM10等粉尘，同时产生臭氧，并在洗涤塔空气水洗内去除。
3、空气洗涤塔内去除包括二氧化碳、VOC、甲醛、异味，工艺原理是，低温水溶解二氧化碳能力高，有机物(TVOC)在臭氧及纳米二氧化钛光催化作用下，产生极性易溶于水而去除。同时具有对空气的消毒、杀菌。并根据水温的不同，具备增湿减湿的功能。臭氧在水洗作用下反应为[OH]羟基自由基-又称森林氧，满足高品质空气的要求。
4、水池的水温对应的蒸发温度，可以发挥卡诺循环的蒸发器制冷剂二次潜热的效率，对应实现5%以上的节能效果。
5、在空调系统启动初期，空气洗涤产生的含水量大，表冷除湿器发挥主要的除湿作用，在对应的相对湿度达到要求时，电子膨胀阀的开合动作，实现高精度独立控制湿度。
6、混合风除雾器是一种文丘里射流器结构，因水洗后的空气温度低，直接吹送会因空气的露点温度产生雾气，也可以实现风速变化制造有温度梯度的冷风，模拟森林送风状态。
7、外置的转轮除湿机，属于商品外购，它的作用是在南方每年有一个月的低温高湿的梅雨天气下使用。森林空调自身具备除湿能力，在低的风量下，森林空调除湿不足，转轮除湿机作为的附加设备。
人工模拟森林小气候系统作为新的空调方式，对新的空调方式的8条技术要求全部符合
①适应建筑室内热湿比不断变化的需求，同时满足室内热、湿参数的调节；
由于冷水洗涤的空气，表面热阻低，空气温度接近冷冻水温，带出的水分可以满足空调环境的湿度要求，但除湿能力不足，经表冷器除湿，表冷器根据室内湿度状况开启关闭，并调节冷冻水水温，可以实现除湿或加湿，除湿能力不足部分可以由转轮除湿机作为补充。
②从根本上避免降温、再热与除湿、加热抵消造成的能量损失；
由于温度湿度的控制由系统实现，不需要额外的再热、加湿装置，可以取消该功能的反复运行。
③为自然冷源、低品位热能的利用提供条件；
由于有低温水作为介质，室内的二氧化碳在水中的溶解度有限量，由新风排除二氧化碳的方式改为由排水实现，冷量回收变成简易，经排放到冷凝器回收冷量，可以降低冷凝器内制冷剂的温度，由制冷效率公式：COP=T室内/(T冷凝-T蒸发)冷凝器温度低，可以实现高效热回收，是一种可以实现热回收的空调装置。
④选择合适的输配媒介，尽可能降低输配系统能耗；
冷量输送过程中，由于蒸发器或冷凝器的翅片与空气的热交换热阻高，通常有15℃温差，经水或水蒸气作为媒介，提高热传导效率，降低输配系统能耗。
⑤减少室内送风量，部分采用与采暖系统共用末端系统；
森林空调，若采用二氧化碳作为制冷剂，制冷效率低一些，但作为卡诺循环制热机组，制热效率高，在没有集中供暖的地区，表冷器经电子阀切换，可以作为热风送风，并作为取暖器使用，也同时满足湿度要求的加湿器。
⑥能通过热回收的方式，有效降低由于新风大增带来的能耗增大问题；
第③条，介绍了森林空调设置简易热回收设备，由于森林空调替代新风的功能，消除新风带走的能耗问题。
⑦能够实现各种空气工况顺利转换；
中国部分地区的极端高温曾经达到44.3℃，目前的家用空调设计已经失效，设置热回收的森林空调，可以采用溢流部分冷冻水的方式使冷凝器温度降低，家用空调器能正常工作。2016年初，江浙一带的冷冻天气，在室外-15℃及高湿度的天气，卡诺循环制热失效。森林空调在室内热循环，虽然整体提高室内温度的效率差，但可以作为暖风机，实现局部位置的人体舒适温度。
⑧解决空调系统长期使用后微生物污染问题。
潮湿的空调器表面，很容易滋生细菌病毒，由于[OH]-羟基自由基负离子发生系统具有杀菌消毒的功能，不但可以使潮湿表面不会产生细菌生长，还可以对经洗涤的空气消毒杀菌，低品位冷源热回收难，主要原因是使冷凝器表面会产生藻类、结垢污染，流经[OH]-羟基自由基负离子发生系统后的循环后回收热，可以抑制藻类生长，水中加入二氧化碳，是冷水机组中防结垢除结垢的一种方法，使CaCO3转变为Ca(HCO3)2易溶于水。
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，利用人工模拟森林小气候系统与筒式静电除尘器组合，转换为具备新风功能的森林空调新风；1、冷水机组或冷冻水源；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、表冷除湿器；6、温度湿度智能控制系统及空气负离子监测。
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。
以上的实施例只是在于说明而不是限制本发明，故凡依本发明专利申请范围所述的方法所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
参考资料
【1】《温度湿度独立控制讲座（江亿）》江亿（清华大学建筑节能研究中心 北京100084）
【2】《我国二氧化碳室内空气质量标准建议值的探讨》梁宝生、刘建国(北京大学环境学院, 北京100871)
【3】《中国的建筑节能—--- 现状, 问题 & 解决途径》江亿（清华大学建筑节能研究中心 北京100084）
【4】《森林公园小气候空气负离子保健浓度分级评价》张清杉1 ,贺延梅2,赵建民1,李四虎2
( 1. 杨凌职业技术学院, 陕西杨陵712100; 2. 咸阳市农业气象研究所, 陕西咸阳712034)

Claims (8)

1.森林空调的节能方法，其中的森林空调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，其特征在于：引入水作为输配系统的介质，设置有热回收水箱，冷水输送到冷凝器出口，冷量通过降低冷凝器温度利用卡诺循环进行冷量回收以达到节能的效果；是提高制冷效率COP的节能方法，是低温冷水对冷凝器的降温作用，采用冷水冷量回收方法，其温差大于30℃时，水与冷量回收热交换翅片的表面热阻小，导热系数高，通常可以实现与翅片的温度在3～5℃的温差；对比回收24℃的冷空气，热回收效率大于100%；典型其中一个工况设为：室外温度为35℃时，室内温度为24℃，冷凝温度为50℃，热回收水池温度为40℃，蒸发温度为8℃；对比以空气作为输配系统介质的分体空调，室外温度为35℃时，室内温度为24℃，冷凝温度为50℃，蒸发温度为8℃；本方法冷凝器温度降低10℃，制冷效率提高10～30%。
2.根据权利要求1所述的森林空调的节能方法，其特征在于：引入水作为输配系统的介质，冷水水池中的蒸发器与水的热交换效率高，可以防止蒸发器过冷制冷剂的形成，发挥制冷剂的二次潜热、升高蒸发器温度工况及提高冷量输出效率达到节能目标，水池的水温对应的蒸发温度，可以发挥卡诺循环的蒸发器制冷剂二次潜热的效率，对应实现5%以上的节能效果；本方法升高蒸发器温度工况5℃以上，制冷效率提高10～20%；综合制冷效率提高10～25%。
3.根据权利要求1所述的森林空调的节能方法，其特征在于：利用水和水蒸汽作为空调系统的输配介质，降低热交换表面热阻，提高热交换效率，并能利用[OH]- 羟基自由基实时消毒杀菌及杀菌消毒无死角，防止微生物生长及在热交换使用过程中利用水中的二氧化碳阻止形成结垢现象。
4.根据权利要求1所述的森林空调的节能方法，其特征在于：使用冷水洗涤空气，所述冷水机组及冷冻水、热水循环系统需要冷源温度在0 ～ 15℃冷源，制取小于18℃冷水；所述空气洗涤处理系统的洗涤塔需要满足以下条件：洗涤塔必须满足塔内风速小于7.0m/s，气液接触时间大于0.1秒，水喷淋密度18～55m3/m2•h ；水气比为0.1～10.0L/m3 的范围内；所述温度湿度智能控制系统需要PLC 模糊控制器实现；所述PLC 模糊控制器以ASHRAE标准的新有效温度 作为控制指标；洗涤空气去除室内二氧化碳、TVOC、空气粉尘微生物等污染物，大幅度降低空调中的换气要求，达到节能的目的，替代新风的节能方法，对比新风换气的能耗，森林空调节能方法循环风，是新风换气的1/5～1/20。
5.根据权利要求1所述的森林空调的节能方法，其特征在于：所述系统实现的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；增加湿度的方法是提高空气洗涤塔水池的水温；温度控制的方法是通过水温温度、风量、表冷器开启控制冷量输出或加热控制；并根据ASHRAE 标准的新有效温度作为控制指标由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％；从根本上避免降温、再热与除湿、加热抵消造成的能量损失。
6.根据权利要求1所述的森林空调的节能方法，其特征在于：所述[OH]- 羟基自由基负离子发生系统的产生[OH]- 羟基自由基负离子的方法一为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]- 羟基自由基负离子的空气；和/或者，方法二为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]- 羟基自由基负离子的空气；可实现空气除臭、杀菌消毒，减少新风量节能。
7.根据权利要求6所述的森林空调的节能方法，其特征在于：所述方法一由高压电场、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，经水温小于18℃空气洗涤塔洗涤产生的[OH]- 羟基自由基负离子的空气应用到小气候环境中；快速降低空气粉尘粒子，在高要求洁净厂房、无菌车间、手术室等场所应用，减少停用停产时空载运行时间而节能。
8.根据权利要求1所述的森林空调的节能方法，其特征在于：所述水质处理系统包括水粗过滤器、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；高度自动控制，保证系统处于卡诺循环标准工况而节能。
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