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智能风扇

所属类别:产品研发 点击次数:464227076次 发布时间:2015-05-08

本产品将智能控制技术、CFD(计算流体力学)技术、机电一体化技术有机结合,研制了一款智能节能风扇。采用创新设计的三层锯齿扇叶和智能交互控制系统,提高了风扇能效值、降低噪声,同时提高智能化程度,达到节能减排的目的。作品内容主要体现在以下三个方面:1)采用CFD技术仿真模拟并通过实验验证,提出了一种新型扇叶结构,提高了扇叶的动力性能,达到了节能降噪的目的;2)利用红外传感器实时检测人体信号,实现智能摆角控制,减少风扇摆头空程,提高降温效果,进而降低风速;3)通过温度传感器检测环境温度,并结合PMV(人因工程微气候)公式及用户个性化设置,实现风扇的智能调速,提高用户体验的同时减少能耗。 作品制作完成后,在武汉产品质量监督检验所进行了节能鉴定(见附件二:检验报告),检验报告表明:三层锯齿扇叶使风扇能效值提高26.7%,噪声降低3.3dB。智能模式下作品根据用户需求自动调节风扇摆角、风速,提高了用户体验的同时,较大幅度的减少了用电量。作品将智能家居带给大众,将节能减排理念融于生活,吸引了新浪网、中国科技网、中新网等多家新闻媒体的关注,同时武汉电视台、武汉教育电视台对本作品进行了专题报道,并对送检过程进行了现场采访。
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电风扇主要用于清凉解暑和流通空气,以其低成本、低能耗的优势广泛用于家庭、办公室、商店等场所2014年家用电风扇销量达到了3.9亿台,其中摆头式风扇以其风速大、送风范围广等优点,应用尤为广泛。目前,90%以上的家庭使用交流电机驱动的摆头式风扇,其在功耗、噪声、用户体验等方面仍具有较大优化空间。而现有的直流变频风扇,其功耗虽低,但成本较高,以美的FS40-12HR直流变频风扇为例,其售价近千元,多数用户难以接受。

摆头式风扇有直风和扫风两种工作模式。在直风模式下,风扇朝固定方向送风,但风扇长时间对人直吹易带来不适感;在扫风模式下,风扇以固定摆角送风,难以切合用户实际需求,存在一定的空程浪费。此外,夜间睡眠时,特别是气温变化较大地区,若普通风扇整晚工作,则易导致“夜间冻醒”,并且造成了电能浪费。若使用风扇定时功能,则又易出现“早晨热醒”的尴尬,降低了用户体验。

基于现有风扇存在的问题、用户对智能家居产品的需求以及绿色节能的生活理念,研制了一款具有自主知识产权智能节能风扇,采用创新设计的三层锯齿扇叶及智能交互式控制系统提高了风扇能效值、降低噪声,同时提高智能化程度,达到节能减排的目的。

1 研制背景及意义

电风扇主要用于清凉解暑和流通空气,以其低成本、低能耗的优势广泛用于家庭、办公室、商店等场所2014年家用电风扇销量达到了3.9亿台,其中摆头式风扇以其风速大、送风范围广等优点,应用尤为广泛。目前,90%以上的家庭使用交流电机驱动的摆头式风扇,其在功耗、噪声、用户体验等方面仍具有较大优化空间。而现有的直流变频风扇,其功耗虽低,但成本较高,以美的FS40-12HR直流变频风扇为例,其售价近千元,多数用户难以接受。

摆头式风扇有直风和扫风两种工作模式。在直风模式下,风扇朝固定方向送风,但风扇长时间对人直吹易带来不适感;在扫风模式下,风扇以固定摆角送风,难以切合用户实际需求,存在一定的空程浪费。此外,夜间睡眠时,特别是气温变化较大地区,若普通风扇整晚工作,则易导致“夜间冻醒”,并且造成了电能浪费。若使用风扇定时功能,则又易出现“早晨热醒”的尴尬,降低了用户体验。

基于现有风扇存在的问题、用户对智能家居产品的需求以及绿色节能的生活理念,研制了一款具有自主知识产权智能节能风扇,采用创新设计的三层锯齿扇叶及智能交互式控制系统提高了风扇能效值、降低噪声,同时提高智能化程度,达到节能减排的目的。

2 方案设计

本作品针对上述问题,从扇叶结构和智能控制两方面对风扇进行改进设计,设计的作品如图1所示,设计内容主要体现在以下四个方面:

1设计制作三层锯齿扇叶取代现有扇叶,提高风扇的能效值,减小了扇叶的运行噪声; 

2基于红外热释电传感器设计的单、双、多人模式,改进现有风扇直风、扫风模式的不足,根据人的位置实时调整风扇摆角,避免空程浪费,如图2所示;

3通过温度传感器检测环境温度,并结合PMV(人因工程微气候)公式及用户个性化设置,实现风扇的智能调速

4采用无刷直流电机,结合SPWM(正弦脉宽调制)技术实现风扇的无级调速,简单有效。 

 

3机械结构

3.1扇叶的优化设计

查阅资料发现,风扇运行的噪声、出风量等主要受扇叶结构影响。而现有风扇研究主要集中在对扇叶倾角、翼型的探究和优化。本作品基于经典的扇叶设计理论,提出了一种三层锯齿扇叶结构(设计过程见附件一:基于CFD的新型多层锯齿扇叶的设计与分析)。

扇叶轴向分三层,半径依次缩进,如图3所示。本作品采用等缩进量ΔR1=ΔR2,三层扇叶间间距相等均为H。由于叶片边缘涡轮脱落造成升力脉动是产生涡流噪声的主要原因。为此,作品在扇叶翼缘部分采用类似于鸟翼缘(4)的锯齿形结构,如图5所示。实验证明,此结构有利于减小扇叶转动过程中与空气的摩擦,从而降低了噪音和紊流,可提高扇叶的动力性能。



          

项目初期采用CFD技术对扇叶结构流场进行仿真,优化扇叶动力性能;通过反求法获得普通5叶片扇叶的模型参数,在此基础上利用Inventor建立三层锯齿扇叶模型;采用Gambit进行网格划分,将仿真模型分为旋转流体、通道区、入口区出风口区4部分;利用目前广泛应用的流体分析软件Fluent,选用k-ε湍流模型,并结合动量守恒方程连续性方程对两组模型进行流场分析

对市面上常见普通扇叶(图6)进行ANSYS分析发现,普通扇叶出口整体风速较小,且出口附近存在一定的紊流,如图7所示。对本作品所采用的三层锯齿扇叶(图8)进行ANSYS分析发现,扇叶出风口附件紊流明显消失,相较于普通扇叶其整体风速得到提升,且风量更为集中有力,如图8所示。



   

对比三层锯齿扇叶与普通扇叶的性能特点,采用3D打印制作了1:1三层锯齿扇叶,在武汉产品质量监督检验所进行了与普通扇叶的风速及风量对比检测。检测数据如图1011所示。

   

实验结果表明,三层锯齿扇叶相较于普通风扇,心部风速明显提高,如图10所示;三层锯齿扇叶的心部风量较普通扇叶有明显提高,如图11所示。

3.2摆头模块

如图12所示,现有摆头式风扇采用曲柄摇杆机构实现风扇的周期性摆头,其摆角固定、不可调整。如图13所示,本作品采用步进电机控制的齿轮啮合式摆头结构,工作时42步进电机带动小齿轮与1/3圆弧大齿轮啮合,推动风扇头绕轴旋转,实现了对摆角的精确控制调节,简单有效。

   

4控制部分

4.1整体控制方案设计

控制部分以STC89C52单片机为核心,主要由摆角智能调节模块、风速智能调节模块以及人机交互模块组成,如图14所示。摆角智能调节模块通过红外热释电传感器检测人体所在的范围,单片机处理检测信号并控制步进电机转动使风扇头产生对应摆角;风速智能调节模块通过温度传感器检测环境温度,实现直流电机转速智能调节,得到适宜风速;人机交互模块可实现工作模式切换工作状态设置以及相关参数显示的功能,以满足用户个性化需求

4.2摆角智能调节模块

摆角智能调节模块由红外热释电传感器、信号处理电路、步进电机等组成,如图15所示。风扇开始工作时,系统控制风扇以最大幅角摆头,同时红外传感器搜索人体信号,当传感器检测到人体红外信号时,单片机控制步进电机,使风扇头在有信号范围内摆动。若一分钟内传感器未检测到信号,则判定此时无人,风扇进入休眠状态。为保证传感器检测信号的准确、有效,采用了两组共四个传感器弧形对称的排布方式。为防止风扇头摆动超程,扇形齿轮左右安装有限位开关

4.3风速智能调节模块

如图16所示,风速智能模块由温度传感器、信号处理电路、无刷直流电机组成,温度传感器实时检测环境温度,结合微气候环境PMV公式,得到不同环境温度下适宜的风速值,并通过调节直流电机转速,实现风速调节。此外,本作品设置有人机交互模块,用户可根据自身需求设置各温度下风速的修正系数,提高舒适度。

自动模式下,风速随环境温度自动调节,在保证人体舒适度,尤其是夜间睡眠舒适度的同时,有效降低能耗。

4.4人机交互模块

人机交互模块由显示屏、按键及遥控器组成,通过显示屏了解当前温度以及对应的后,用户可结合自身需求,使用键盘以及遥控器设置手动或自动工作模式、风扇风速以及用户修正系数,以此实现人机交互功能(具体使用说明,见附件七:智能节能风扇使用说明书)。

5节能效益分析

5.1三层锯齿扇叶性能测试

为验证三层锯齿扇叶的实际效果,采用3D打印制作了1:1扇叶,在武汉产品质量监督检验所进行了三层锯齿扇叶与普通扇叶的对比实验,检验所出具的检验报告如图18所示。

        

检验报告显示:三层锯齿扇叶相较于普通单层扇叶,能效值由1.01提高到了1.28(能效值=总风量/输入功率),风扇功耗同比减少约26.7%,能耗等级由三级提高到一级(根据GB12021.9-200X交流电风扇能效等级及功耗限定值);相较于普通单层扇叶,三层锯齿扇叶使风扇工作噪音由60.6dB降低至57.3dB降低3.3dB(根据GB19606-2004Φ400扇叶噪声限值为67dB,如图19所示。

5.2风速智能调节模块性能测试

在武汉产品质量监督检验所的专家指导下,自行设计并完成了风速智能调节部分的对比实验。如图20所示,采用功率表、温度计、风速仪等,进行了夜间模式下作品与普通风扇的功耗对比实验,实验条件见表一。

 

如图21所示,实验过程中,风扇从夜间九点工作到次日早晨七点,期间普通风扇恒功率工作,耗电约为0.42kw.h,而本作品在夜间工作时,风速随环境温度适时调整,功耗得到明显降低,消耗的电能仅为0.087kw.h,节能效果显著。

5.3摆角智能调节测试

在摆头模式下,作品依靠红外热释电传感器检测到的人体红外信号,确定风扇摆角及启停切换。传感器有效检测信号距离为5米,风扇头最小摆角为20°,最大摆角120°。作品采用摆角智能调节设计,相较于普通风扇,风扇的舒适性及降温效果有进一步的提升,可在一定程度上降低所需风速,从而降低风扇工作功率,达到智能降耗的效果。

5.4综合效益分析

作品基于现有风扇进行改进设计,相较于普通风扇,其成本提升主要体现在步进电机等方面,如表二所示。

    以
2014年武汉市气象统计数据为例进行分析,若家庭采用本作品取代现有风扇,在气温达到29摄氏度时,用户开始使用风扇,其日均使用时间为4小时,其中在789三月间温度达到32摄氏度时,用户整夜使用风扇。因此本作品:作品成本提升了123元。经过市场调查发现:85%以上用户可以接受售价提升一百块左右的智能节能风扇(见附件六:问卷调查)。

全年日间节电量:W=42.3w×4h×89d×26.7%=4kw.h

全年夜间节电量W=(0.42-0.087)65d=21.645kw.h

综上:若居民使用本作品代替现有普通风扇,年均节电量25.6kw.h左右。如本作品批量生产,成本会进一步降低。由于电风扇的需求量巨大,推广使用必将产生可观的节能效益。

 

7应用前景

作品综合运用了智能控制、CFD、机电一体化等技术,研究设计了一款智能节能风扇,通过武汉产品质量监督检验所对本作品进行的能耗及噪声检测,结果显示其功耗、风量、噪声等性能参数良好,达到了节能降噪的目的。作品在苏宁电器、居民小区等场所进行了市场调研,市民对本作品期望值较高,存在购买意向。作为一款家用型风扇,其能够在提升用户体验的同时节约电能,具有良好的应用前景和经济效益。图22为市场调研情况。




 


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