CN111120373A - 一种模拟自然风的风扇以及模拟自然风的方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的模拟自然风的风扇，包括风扇本体，具有摇头电机、扇叶转动电机以及喷壶装置；以及控制部，包括用户控制板、控制器、温湿度传感器及热释电红外传感器，其中，温湿度传感器、热释电红外传感器、喷壶装置分别与控制器通信连接，控制器存储有在不同地区、不同环境条件下采集的多个舒适自然风风速样本，当温湿度传感器测得的环境湿度低于控制器中设定值时，控制器控制喷壶装置喷雾，用于调节环境湿度，控制器通过对接收的当前的温湿度感应器的温湿度信号、热释电红外传感器的热源位置信号和热源温度信号进行处理后，从存储器内获取相应的自然风样本信号来控制摇头电机对着热源进行预定幅度的摆动，达到既模拟自然风又节能的效果。

Description

一种模拟自然风的风扇以及模拟自然风的方法

技术领域

本发明属于家电领域，具体涉及一种模拟自然风的风扇以及模拟自然风的方法。

背景技术

随着人们对舒适性要求的提高，越来越多不同种类的模拟自然风的电风扇涌入市场，最常见的即是利用温度传感器针对温度的变化进行风速调节来模拟自然风。然而，模拟自然风受多种因素的综合影响，例如空气温度、相对湿度、模拟风的湍流强度、作用时间等，单纯的根据某一影响因素的变化进行风速及运停的调节并不能成功地模拟自然风，满足人体舒适度。且有研究表明，不同环境、不同地区、不同风速的自然风都具有相近的频谱特性。

如在现有技术方案中，使用者仅通过环境温度或者人体热源温度变化控制电机转速带动风叶，以此控制风力的大小；通过自行设定风扇电机停止运转的温度限值来控制风扇的运停可能不满足人体的吹风需求。并且风扇的送风角度调节不够方便，摇头时：易造成风力浪费；固定时：易因为风力集中造成吹风不舒适感，因此需要进行合理的摇摆运动。

发明内容

由于不同的环境条件下，如温度、相对湿度不同，能满足人的舒适度的自然风都是不同的，其中体现在湍流强度(风速)。为了解决上述问题，本发明发明目的为旨在结合环境与其他影响因素(包括运行时间、自然风的湍流强度等)，提供一种模拟自然风的风扇，能准确地模拟满足人体舒适度的自然风，达到使人如同真实吹到自然风的舒适感。

本发明提供了一种模拟自然风的风扇，具有这样的特征，包括风扇本体，具有摇头电机、扇叶转动电机以及喷壶装置；以及控制部，包括用户控制板、控制器、温湿度传感器及热释电红外传感器，其中，所述温湿度传感器、所述热释电红外传感器、所述喷壶装置分别与控制器通信连接，所述控制器存储有在不同地区、不同环境条件下采集的多个舒适自然风样本。当所述温湿度传感器测得的环境湿度低于所述控制器中设定值时，所述控制器控制所述喷壶装置喷雾，用于调节环境湿度，所述控制器通过对接收的当前的所述温湿度感应器的温湿度信号、所述热释电红外传感器的热源位置信号和热源温度信号进行处理后，从所述存储器中获取相应的自然风样本信号来控制所述摇头电机对着热源进行预定幅度的摆动。

在本发明提供的模拟自然风的风扇中，还可以具有这样的特征：其中，所述喷壶装置设置在所述风扇本体的底座上。

另外，在本发明提供的模拟自然风的风扇中，还可以具有这样的特征：其中，所述控制器还存有在不同热源温度条件下的风扇摇摆范围值。

另外，在本发明提供的模拟自然风的风扇中，还可以具有这样的特征：其中，所述舒适自然风风速样本包括：山地风、湖泊风、草原风、森林风、公园风、草坪风。

一种根据上述的模拟自然风的风扇进行模拟自然风的方法，其特征在于，包括所述控制器内存储有模拟数学模型，所述控制器接收所述温湿度传感器获取的空气温度t、相对湿度φ，所述热释电红外传感器获取的热源温度t₀，通过数学模型进行计算后输出计算结果，将计算结果、影响因素数值：t、φ、Tu、t₀、吹风时间T的数据作为判断依据与所述控制器中存储的舒适自然风样本进行比较后，调取相应的自然风样本，所述控制器通过调取的自然风样本信号控制扇叶转动电机的扇叶转速进行自然风的模拟。

另外，在本发明提供的模拟自然风的方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述模拟数学模型的表达式为：

A为各影响因素(t、φ、Tu、t₀、吹风时间T)的权重集，R是以热感觉投票值TSV标尺为基础的评价矩阵，行向量为输入数据项，列向量为它的在不同热感觉条件下的隶属度，V^T为TSV标尺集V的转置矩阵。

另外，在本发明提供的模拟自然风的方法中，还可以具有这样的特征：其中，{-0.5,0.5}为平均热感觉投票值MTSV的理想区域。

另外，在本发明提供的模拟自然风的方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述模拟数学模型计算包括以下步骤：

1、将t、φ、t₀、T、Tui＝0.3(该数值仅作为处理运算中的湍流强度的自变量)，S＝0.3(S称为最佳平均热感觉值，它的值越接近0，则热感觉越好)数值代入M＝A·R·V^T中，计算M的数值，

2、若M的值属于{-0.5,0.5}区间，则继续判断S是否大于M的绝对值，若M的值不属于{-0.5,0.5}区间，则判断此时的Tui(自变量)是否大于0.5，若Tui小于0.5，将Tui加上0.01，继续返回第一步进行运算；

3、若在M的值属于{-0.5,0.5}区间的基础上，S大于M的绝对值，即此时用于计算M的湍流强度Tui可以使得计算结果更接近中性热感觉，满足更好地热舒适，因此，将此时的M赋值给S，Tui赋值给Tu；若S小于M的绝对值，则判断此时的Tui是否大于0.5，若Tui小于0.5，将Tui加上0.01，继续返回第一步进行运算；

4、在判断Tui是否大于0.5时，若Tui大于0.5，则判断此时是否存在Tu值，不存在即令Tu＝0.45，最后输出Tu值，若存在则直接输出Tu值。

另外，在本发明提供的模拟自然风的方法中，还可以具有这样的特征：其中，所述模拟数学模型中，R中属于Tu的行是未知项。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的模拟自然风的风扇，设有微摇头功能，通过安装在风扇支架上的热释电红外传感器，可以将热源位置信号及热源温度传递到控制器中，通过控制器的处理，对着热源有固定的左右摆动幅度，其幅度满足人体热舒适需求，可避免因风力集中造成的吹风不适感，同时也能避免大幅度的风量浪费。

利用温湿度、作用时间及人体热源温度的相关数据获取一个合理的湍流强度值(一般为0.3-0.5)，将湍流强度与温湿度及风扇运行时间结合起来，将它们作为判断依据与存储器的样本进行比较，判断出与之最接近的自然风样本，并到存储器中调取该自然风模拟信号，该模拟信号传输到电机，再由电机控制风扇的扇叶转动，使得风扇风速和被模拟的自然风波动规律一致，这样可以最大程度上模拟真实自然风。(存储器中存储着从不同地区采集的舒适自然风风速样本，包括草坪风、湖泊风、草原风、森林风、公园风等。采集样本包括当地环境温度、湿度及风的湍流强度和风速等。)

附图说明

图1是本发明的实施例中控制框图；

图2是本发明的实施例中控制器处理运算流程图；

图3为某山地实际自然风的波动曲线图；

图4为实施例中风扇模拟出来的较舒适的自然风的波动曲线图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的模拟自然风的风扇以及模拟方法作具体阐述。

实施例

模拟自然风的风扇包括风扇本体、控制部。

风扇本体包括机身、电机1(摇头电机)、电机2(扇叶转动电机)、摇头装置、支架、底座、喷壶装置。

机身设置在支架上，支架设置在底座上，机身包括前后网罩及单层扇叶。

控制部设置在支架上，包括用户控制板、控制器、温湿度传感器及热释电红外传感器。

温湿度传感器、热释电红外传感器分别设置在支架上，分别与控制器通信连接，喷壶装置与控制器通信连接。

风扇底座上设有一个小容量的喷壶装置，当环境湿度低于控制器中设定的限值时，控制器控制喷壶装置使其进行喷雾，以此可以适当调节环境湿度。

本实施例中的风扇设有微摇头功能，风扇的电机2一端与风扇机身相连，一端接有调节机构，调节机构与支架相连，支架下端为底座。通过安装在风扇支架上的热释电红外传感器，可以将当前的热源位置信号d及热源温度t₀传递到控制器中，通过控制器的处理，将信号输出到调节机构，使得风扇对热源进行定位，并在定位完成后，调节机构可以接收来自控制器调取的摇头信号(存储期内储存有不同热源温度条件下的摇摆范围值，且转动角度与热源温度成反比，即热源温度越高，转动角度越小，风力越集中)，对着热源有固定的左右摆动幅度，其幅度满足人体热舒适需求，可避免因风力集中造成的吹风不适感，同时也能避免大幅度的风量浪费。

如图1所示，控制器接收温湿度传感器、热释电红外传感器的信号，经控制器处理运算，将信号分别传输到电机1(用于调节风扇机身的转动幅度)、电机2(用于调节扇叶转速)、喷壶装置。

控制器中还包括存储器，存储器内存有在不同地区、各种不同环境条件下的采集的舒适自然风风速样本，包括：山地风、湖泊风、草原风、森林风、公园风、草坪风等；并且还存有在不同热源温度条件下的风扇摇摆范围值。

影响不同自然风热舒适性的显著特性是其具有的湍流强度。湍流强度是表征模拟自然风的核心的特征量。本实施例利用温湿度、作用时间及人体热源温度的相关数据获取一个合理的湍流强度值(一般为0.3-0.5)，将湍流强度与温湿度及风扇运行时间结合起来，将它们作为判断依据与存储器的样本进行比较，判断出与之最接近的自然风样本，并到存储器中调取该自然风模拟信号，该模拟信号传输到电机，再由电机控制风扇的扇叶转动，使得风扇风速和被模拟的自然风波动规律一致，这样可以最大程度上模拟真实自然风。

(风扇运行时间T：控制器一般是可以直接获取该数值的，本发明拟定在周围环境未发生改变的情况下，1分钟进行一次模拟自然风运算，若周围环境发生改变，则实时运算。)

用户可以通过控制面板控制风扇的摇头、加湿及模拟自然风功能。

当风扇开启时，热释电红外传感器检测人体热源所在，将位置d及热源温度t₀传输到控制器，控制器将定位及摇头信号传输到电机1，电机1控制摇头装置，使得风扇对热源进行转动定位，并对着人体处按照控制器的函数设定值进行左右摇头(此函数设定为：转动角度与热源温度成反比，即热源温度越高，转动角度越小，风力越集中)。

此时，温湿度感应器检测周围环境状态，并将相关数据传输到控制器内，控制器将所测得的温湿度、模拟自然风作用时间和人体热源温度进行结合运算，运算可获得一个较佳湍流强度值，利用运算结果及各影响因素值作为判断依据，与存储器中样本进行比较，判断出与之最接近的自然风样本，调取存储器中该自然风信号样本集(以能满足60s风扇运转的样本数量为宜)，将调取的该样本集随机传输到电机2，电机2控制扇叶转速进行自然风的模拟，60s后将会有新的运算结果调取新的样本集进行自然风模拟。

若所传输的相对湿度φ低于控制器内的设定下限值，风扇优先按照历史最近指令运转，同时由控制器输出湿度调节信号到喷壶装置，使其进行喷雾，如此可以增加周围空气含湿量，进而调节环境相对湿度，接着再由温湿度传感器重新获取相关数据，调取新的自然风模拟信号。喷壶中的水需要用户自行添加。

稳态机械风和真实自然风之间在湍流强度Tu、气流频率f等特征参数上存在一定的区别；适当湍流强度的模拟自然风对热舒适性有着至关重要的影响，过高或过低的湍流强度，都可能会给人“冷”的感受。湍流运动导致了气流运动具有脉动性，脉动风速是指在某时刻t，空间上某点的瞬时风速与平均风速之差。

一般认为最舒适的空气相对湿度应为50％～60％，如果相对湿度小于20％，人会感觉口干舌燥，人体的呼吸器官将会受到不良影响；在室内空气相对湿度较低环境下，吹风感会比较强烈；在合适的模拟自然风所用下，可接受较高的室内温度和室内相对湿度。

若对论域(研究的范围)U中的任一元素x，都有一个数A(x)∈[0，1]与之对应，则A(x)称为x对A的隶属度。这个名词多用于模糊数学。

如图2所示，风扇进行模拟自然风的方法包括如下步骤：

一、由温湿度传感器获取影响因素值空气温度t、相对湿度φ，由热释电红外传感器获取热源温度t₀。将t、φ、t₀传输到控制器内；

二、在控制器内有相关的数学模型：

其中A为各影响因素(t、φ、Tu、t₀、吹风时间T)的权重集，R是以热感觉投票值TSV标尺为基础的评价矩阵，行向量为输入数据项，列向量为它的在不同热感觉条件下的隶属度，如第一行第三列代表环境空气温度在热感觉为微凉时的隶属度，通过问卷统计处理可知：不同影响因素在不同热感觉下的隶属度都是接近固定的。V^T为TSV标尺集V的转置矩阵，{-0.5,0.5}为平均热感觉投票值MTSV的理想区域；

三、在控制器内，t、φ、t₀、T作为已知项代入数据处理模型中，则模型中，R中属于Tu的行是未知项；

四、此时，以湍流强度0.3作为Tu的初值，并以0.01为步长调取已知的湍流舒适区域(0.3-0.5)中数值，代入模型进行计算；详细计算如下：

1、将t、φ、t₀、T、Tui＝0.3(该数值仅作为处理运算中的湍流强度的自变量)，S＝0.3(S称为最佳平均热感觉值，它的值越接近0，则热感觉越好)数值代入M＝A·R·V^T中，计算M的数值，

2、若M的值属于{-0.5,0.5}区间，则继续判断S是否大于M的绝对值，若M的值不属于{-0.5,0.5}区间，则判断此时的Tui(自变量)是否大于0.5，若Tui小于0.5，将Tui加上0.01，继续返回第一步进行运算；

3、若在M的值属于{-0.5,0.5}区间的基础上，S大于M的绝对值，即此时用于计算M的湍流强度Tui可以使得计算结果更接近中性热感觉，满足更好地热舒适，因此，将此时的M赋值给S，Tui赋值给Tu；若S小于M的绝对值，则判断此时的Tui是否大于0.5，若Tui小于0.5，将Tui加上0.01，继续返回第一步进行运算；

4、在判断Tui是否大于0.5时，若Tui大于0.5，则判断此时是否存在Tu值，不存在即令Tu＝0.45，最后输出Tu值，若存在则直接输出Tu值。

五、将计算结果与影响因素数值：t、φ、Tu、t₀、运行时间T的数据，作为判断依据与存储器中样本进行比较，可判断出与之最接近的自然风样本，随机调取存储器中该样本的自然风信号，以60s为周期进行自然风的无序模拟；

六、将调取的模拟自然风信号传输到电机2，电机2控制扇叶转速进行自然风的模拟。

在自然环境中,当气流运动参数、环境温度、空气湿度等因素在适当范围时,距地面1.2～1.6m的近地表自然风大多认为是舒适性自然风。

当周围环境状态变化或者人体热源温度变化时，控制器从传感器处得到新的数据参数，经运算得到新的湍流强度值，重复之前所述过程，进行自然风的无序模拟。

图3为某山地实际自然风的波动曲线的截取；是本实施例中实际自然风(山地风)采样图(其湍流强度处于舒适区)；这个图主要是实际采样的风速波动图。

图4为本实施例风扇模拟出来的较舒适的自然风的波动曲线图截取，是实施例中风扇的模拟自然风示意图(部分截取)，是本实施例中风扇可以模拟出来的自然风波动曲线图。

当风扇运算处理结果与用户命令相悖时，用户命令享有最高优先权。

稳态机械风和真实自然风之间在湍流强度Tu、气流频率f等特征参数上存在一定的区别；适当湍流强度的模拟自然风对热舒适性有着至关重要的影响，过高或过低的湍流强度，都可能会给人“冷”的感受。湍流运动导致了气流运动具有脉动性，脉动风速是指在某时刻t，空间上某点的瞬时风速与平均风速之差。

一般认为最舒适的空气相对湿度应为50％～60％，如果相对湿度小于20％，人会感觉口干舌燥，人体的呼吸器官将会受到不良影响；在室内空气相对湿度较低环境下，吹风感会比较强烈；在合适的模拟自然风所用下，可接受较高的室内温度和室内相对湿度。

若对论域(研究的范围)U中的任一元素x，都有一个数A(x)∈[0，1]与之对应，则A(x)称为x对A的隶属度。这个名词多用于模糊数学。

实施例二

风扇的微摇头装置可被替换：风扇外罩做成导流罩，并且将摇头装置换成调节机构，通过控制器传达指令到电机1，电机1控制调节机构调节导流罩罩片的转动角度，进而调节气流方向，达到微摇头的效果，既可以避免吹风感也可以减少风量浪费。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的模拟自然风的风扇，设有微摇头功能，通过安装在风扇支架上的热释电红外传感器，可以将热源位置信号及热源温度传递到控制器中，通过控制器的处理，对着热源有固定的左右摆动幅度，其幅度满足人体热舒适需求，可避免因风力集中造成的吹风不适感，同时也能避免大幅度的风量浪费。

另外，本实施例利用温湿度、作用时间及人体热源温度的相关数据获取一个合理的湍流强度值(一般为0.3-0.5)，将湍流强度与温湿度及作用时间结合起来进行再运算，输出结果到存储器调取自然风模拟信号，该模拟信号传输到电机，再由电机控制风扇的扇叶转动，使得风扇风速和被模拟的自然风波动规律一致，这样可以最大程度上模拟真实自然风。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种模拟自然风的风扇，其特征在于，包括：

风扇本体，具有摇头电机、扇叶转动电机以及喷壶装置；以及

控制部，包括用户控制板、控制器、温湿度传感器及热释电红外传感器，

其中，所述温湿度传感器、所述热释电红外传感器、所述喷壶装置分别与控制器通信连接，

所述控制器存储有在不同地区、不同环境条件下采集的多个舒适自然风样本，

当所述温湿度传感器测得的环境湿度低于所述控制器中设定值时，所述控制器控制所述喷壶装置喷雾，用于调节环境湿度，

所述控制器通过对接收的当前的所述温湿度感应器的温湿度信号、所述热释电红外传感器的热源位置信号和热源温度信号进行处理后，从所述控制器中获取相应的自然风样本信号来控制所述摇头电机对着热源进行预定幅度的摆动。

2.根据权利要求1所述的模拟自然风的风扇，其特征在于：

其中，所述喷壶装置设置在所述风扇本体的底座上。

3.根据权利要求1所述的模拟自然风的风扇，其特征在于：

其中，所述控制器还存有在不同热源温度条件下的风扇摇摆范围值。

4.根据权利要求1所述的模拟自然风的风扇，其特征在于：

其中，所述舒适自然风风速样本包括：山地风、湖泊风、草原风、森林风、公园风、草坪风。

5.一种根据权利要求1所述的模拟自然风的风扇进行模拟自然风的方法，其特征在于，包括：

所述控制器内存储有模拟数学模型，

所述控制器接收所述温湿度传感器获取的空气温度t、相对湿度φ，所述热释电红外传感器获取的热源温度t₀，

通过数学模型进行计算后输出计算结果，

将计算结果、影响因素数值：t、φ、Tu、t₀、吹风时间T的数据作为判断依据与所述控制器中存储的舒适自然风样本进行比较后，调取相应的自然风样本，

所述控制器通过调取的自然风样本信号控制扇叶转动电机的扇叶转速进行自然风的模拟。

6.根据权利要求5所述的模拟自然风的方法，其特征在于：

其中，所述模拟数学模型的表达式为：

其中，A为各影响因素(t、φ、Tu、t₀、吹风时间T)的权重集，R是以热感觉投票值TSV(TCV)标尺为基础的评价矩阵，行向量为输入数据项，列向量为它的在不同热感觉条件下的隶属度，V^T为TSV标尺集V的转置矩阵。

7.根据权利要求6所述的模拟自然风的方法，其特征在于：

其中，{-0.5,0.5}为平均热感觉投票值MTSV(MTCV)的理想区域。

8.根据权利要求1所述的模拟自然风的方法，其特征在于：

其中，所述模拟数学模型计算包括以下步骤：

1、将t、φ、t₀、T、Tui＝0.3(该数值仅作为处理运算中的湍流强度的自变量)，S＝0.3(S称为最佳平均热感觉值，它的值越接近0，则热感觉越好)数值代入M＝A·R·V^T中，计算M的数值，

2、若M的值属于{-0.5,0.5}区间，则继续判断S是否大于M的绝对值，若M的值不属于{-0.5,0.5}区间，则判断此时的Tui(自变量)是否大于0.5，若Tui小于0.5，将Tui加上0.01，继续返回第一步进行运算；

3、若在M的值属于{-0.5,0.5}区间的基础上，S大于M的绝对值，即此时用于计算M的湍流强度Tui可以使得计算结果更接近中性热感觉，满足更好地热舒适，因此，将此时的M赋值给S，Tui赋值给Tu；若S小于M的绝对值，则判断此时的Tui是否大于0.5，若Tui小于0.5，将Tui加上0.01，继续返回第一步进行运算；

4、在判断Tui是否大于0.5时，若Tui大于0.5，则判断此时是否存在Tu值，不存在即令Tu＝0.45，最后输出Tu值，若存在则直接输出Tu值。

9.根据权利要求8所述的模拟自然风的方法，其特征在于：

其中，所述模拟数学模型中，R中属于Tu的行是未知项。

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