CN114199603B - 一种家用电器舒适性模拟自然风测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种家用电器舒适性模拟自然风测试装置及测试方法，可以考核被测样品的出风是否达到舒适性模拟自然风效果。该家用电器舒适性模拟自然风测试方法首先采集家用电器(例如空调器、电风扇、空气净化器、换气扇、新风系统、暖风机等)出风的风速‑时间曲线，然后对曲线进行分析计算得出其功率谱密度指数和相图宽长比，通过功率谱密度指数、相图宽长比来考核出风是否达到自然风效果。该家用电器舒适性模拟自然风测试方法通过多实验室中垂直空气温差、吹风感指数、预计平均热感觉指数、预计不满意率、温度均匀度、暖体假人等效温度等项目的考核，来评价被测样品的使用舒适性，从而引导行业发展，合理发展产品品种，以更好的满足社会需求。
Description
技术领域
本发明涉及电器测试技术领域，尤其涉及一种家用电器舒适性模拟自然风测试装置及测试方法。
背景技术
俗话说，越自然越生动，风也不例外。传统的电风扇吹出来的风很生硬，令人感觉反而不舒服，可是大家在大自然吹来的阵阵风会觉得舒适。问题就是在这里，自然风和电风扇吹出来的风是不一样的，也让很多人选择了空调而不开风扇。
目前在室内环境中所使用的空调器、风扇、新风机、暖风机等送风家用电器大多是仅有定向、摆动送风和风速选择变化的机械风送风模式，它的出风或风扇位置固定、气流的断面积相对较小，所形成的大多是近似线型的单向气流与地表出自然风的主风速向的气流断面很大、且气流的瞬时方向随机变化相差很大。这种机械送风末端的设计缺少对自然风的气流运动特性和气流对人体热舒适性影响研究的理论支撑，气流交换降温效果和吹风感受较差，难以带来自然风吹拂时的舒适感，舒适清新更是难以达到要求。
现有方法仅通过简化PMV评价模型评价空调夏季使用过程的热舒适性，无法考核空调的制热模式的使用舒适性。无法考核空调器、风扇、新风机、暖风机等送风家用电器的出风是否真正达到模拟自然风效果。而模拟自然风受多种因素的综合影响，如空气温度、相对湿度、模拟风的湍流强度、作用时间等，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。据调研，目前没有针对通风电器的舒适性模拟自然风的测试装置，也没有统一的测试方法。
发明内容
本发明针对上述问题，为家用和类似用途电器提出一种家用电器舒适性模拟自然风测试装置及测试方法，通过对送风器具功率谱密度指数、相图宽长比、垂直空气温差、吹风感指数、预计平均热感觉指数、预计不满意率等项目的考核。来评价通风器具使用舒适性，评价出风是否到达自然风效果。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先提供一种家用电器舒适性模拟自然风测试方法，采用家用电器舒适性模拟自然风测试装置并采用以下步骤实现：
采集电器出风的风速-时间曲线，然后对曲线进行分析计算得出其功率谱密度指数和相图宽长比，通过功率谱密度指数、相图宽长比来考核出风是否达到自然风效果；如果被测家用电器出风的风速曲线的功率谱密度指数大于1.1，且相空间重构图的宽长比小于0.25，该被测电器的出风可判定为模拟自然风；同时在该挡位下进行垂直空气温差试验、吹风感指数试验、预计平均热感觉指数试验、温度均匀度试验、预计不满意率试验、温度均匀度试验、暖体假人等效温度试验，如果满足舒适性参数要求，被测电器即被认为满足舒适性模拟自然风要求；
其中，家用电器舒适性模拟自然风测试装置，包括：
气候实验室，包括相邻设置的内室和外室；
温度均匀性采集装置，包含温度采集传感器和数据采集器，设置于气候实验室内，用于采集气候实验室的温度数据，并传递给测试计算机；
舒适性测试装置，包括空气湿度变速器、万向风速计和黑体平均辐射温度传感器；空气湿度变送器，设置于气候实验室内，用于采集气候实验室的湿度数据，并传递给测试计算机；
万向风速计，设置于气候实验室内室的中央，用于采集内室被测电器的风速；
黑体平均辐射温度传感器，设置于气候实验室内，用于采集气候实验室的辐射温度，并传递给测试计算机；
测试计算机，分别与温度均匀性采集装置、舒适性测试装置和暖体假人电性连接，用于处理并储存采集的数据；
暖体假人，设置于气候实验室内，用于采集和计算加权平均等效空间温度。
进一步地，所述气候实验室是由一个模拟内室温度的内室和一个模拟室外温度的外室构成，通过改变外室温度而产生内室所要求的温度；内室和外室之间设有外墙，在外墙有一个至少为3m×1.5m，导热系数不大于 3W/(m2K)的玻璃窗，窗下护墙高度至少为0.8m，导热系数不大于 0.53W/(m2K)，外墙剩余部分导热系数不大于1.0W/(m2K)，实验室其他壁板、地板和天花板，导热系数不大于0.6W/(m2K)；来自外室的空气通过玻璃窗之上的两个对称出气口提供给内室，空气通过置于墙上方角落的管子回流到外室，内室排气孔定位于距离地面不超过0.4m的外墙对面的墙壁上；外室和内室之间空气交换每小时一个内室之容积。
进一步地，自然风试验的具体过程为：
S101、将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上，风速计放置在距离被测样机1.5m处；
S102、将室内环境温度调整到18℃(空调器制热模式、电暖器和暖风机等取暖类家用电器)或28℃(空调器制冷模式、电风扇、新风机、空气净化器等送风家用电器)，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风挡，直吹万向风速计；
S103、室内热环境稳定后，测量采集电器出风的风速-时间曲线；
S104、对风速曲线平滑处理，再进行傅里叶变换，计算变换后曲线的斜率得出功率谱密度指数；
S105、对风速曲线进行相空间重构，得出曲线的相图宽长比；
S106、通过风速曲线的功率谱密度指数和相图宽长比判断是否为自然风，如果测挡位输出风的风速曲线的功率谱密度指数大于1.1，且相空间重构图的宽长比小于0.25，该挡位出风达到自然风效果。
进一步地，垂直空气温差的考核方法为：
S201、将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上，黑球平均辐射温度传感器放置在距离被测样机1.5m处；
S202、将室内环境温度调整到18℃(空调器制热模式、电暖器和暖风机等取暖类家用电器)或28℃(空调器制冷模式、电风扇、新风机、空气净化器等送风家用电器)，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风测试挡位；
S203、室内热环境稳定后，测量采集1h内人员坐姿状态下的头部 (1.10m)和脚踝(0.10m)位置处检测点的辐射温度值；
S204、头部和脚踝位置处垂直空气温差导致室内人员的不满意百分率 PD用公式(1)计算；
式中：
PD为头和脚踝部垂直空气温差导致的不满意率；
Δta,v为头和脚踝位置处在采集时间内的平均垂直空气温差，如公式(2) 所示，单位为摄氏度；
式中：
Ni为在规定时间内测点记录的温度个数；
thead,i为第i时刻的头部测点温度，单位为摄氏度；
tfoot,i为第i时刻的脚踝测点温度，单位为摄氏度；
按公式(3)计算所有时刻上头和脚踝位置测点的不满意率的平均值，得到室内环境的垂直空气温差导致的不满意率；
进一步地，吹风感指数的考核方法为：
S301、将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上，舒适性测试装置放置在距离被测样机1.5m处；
S302、将室内环境温度调整到18℃(空调器制热模式、电暖器和暖风机等取暖类家用电器)或28℃(空调器制冷模式、电风扇、新风机、空气净化器等送风家用电器)，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风测试挡位，直吹舒适性测试装置；
S303、室内热环境稳定后，采集1h内各检测点的温度值和风速；
S304、按照公式(4)计算该检测点在采集时间内的局部吹风感指数；
DRj＝(34-ta)(va-0.05)0.62(3.37×va×Tu+3.14) (4)
式中：
DRj为第j检测点的吹风感指数，若DRj＞100％，则取DRj＝100％；
ta为局部平均空气温度，单位为摄氏度；
va为局部平均空气流速，单位为米每秒；若va≤0.05m/s，则取 Va＝0.05m/s；
Tu为局部紊流强度，％，即为局部空气流速的标准差与局部平均空气流速之比，见公式(5)，在10％～60％之间，若未知，取40％。
式中：
Nv为在规定时间内测点记录的风速个数；
vai为第i时刻的局部瞬时空气流速，单位为米每秒；
S305、按照公式(6)计算所有检测点的局部吹风感指数的平均值 (DRwhole)，得到室内环境的吹风感指数：
式中：
DRwhole为室内环境的吹风感指数，％；
Mi为室内吹风感指数检测点总数。
进一步地，预计平均热感觉指数的考核方法为：
S401、将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上，舒适性测试装置放置在距离被测样机1.5m处；
S402、将室内环境温度调整到18℃(空调器制热模式、电暖器和暖风机等取暖类家用电器)或28℃(空调器制冷模式、电风扇、新风机、空气净化器等送风家用电器)，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风测试挡位，直吹舒适性测试装置；
S403、室内热环境稳定后，选取日常着装为典型夏装作为送风家用电器舒适性评价时的典型日常着装组合；选取日常着装为典型冬装作为取暖家用电器舒适性评价时的典型日常着装组合；
S404、测量采集时间内各检测点的温度、湿度和风速；
S405、根据公式(7)计算出检测点的PMV：
式中：
PMV为预计平均热感觉指数；
M为代谢率，单位为瓦每平方米；
W为外部做功消耗的热量，单位为瓦每平方米；
Pa为水蒸气分压，单位为帕斯卡；
ta为空气温度，单位为摄氏度；
fcl为着装时人的体表面积与裸露时人的体表面积之比；
tcl为服装表面温度，单位为摄氏度；
为平均辐射温度，单位为摄氏度；
hc为对流换热系统，单位为瓦每平方米摄氏度；
Icl为服装热阻，单位为平方米摄氏度每瓦；
var为空气流速，单位为米每秒；
S406、PMV指数是从静止状态下得到的，当一个或多个参数有微小变动时，计算PMV前1h期间的时间加权平均数值；
S407、估算代谢率前1h期间的时间加权平均值；
S408、计算所有检测点PMV的平均值，得到室内环境的PMV；
S409、当PMV值处于-2～+2时，使用PMV指数。
进一步地，预计不满意率的考核方法为：当PMV值确定后，使用公式 (7)计算室内人员对该热环境的预计不满意率PPD：
PPD＝100-95×exp(-0.03353×PMV4-0.2179×PMV2) (7)
PPD不大于15％。进一步的，暖体假人等效温度考核方法为：
S501、将被测电器按照使用说明规定安装或放置在气候实验室内室地面上；
S502、将室内环境温度调整到18℃(空调器制热模式、电暖器和暖风机等取暖类家用电器)或28℃(空调器制冷模式、电风扇、新风机、空气净化器等送风家用电器)，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风测试挡位
S503、将暖体假人放置在内室中央或出现极端热参数的人员活动区域的中心附近，这样的区域包括窗户附近、室内出口扩散处、角落、门口；
S504、暖体假人分别在站姿和坐姿下测试；
S505、测试假人头、左右上臂、左右手、背部、胸部、臀部、左右大腿、左右小腿、左右足部位温度和加热热流，待实验室达到热稳定状态后，记录采集时间内的测试数据；
S506、等效空间温度和人体热感觉的关系取决于人体活动水平及着装状况，室内活动时，代谢率取70W/m2，着装热阻取0.50clo和1.00clo两种状态；
S507、暖体假人的等效空间温度teqw使用公式(8)计算：
式中：
teqw为暖体假人面积加权平均等效空间温度，单位为摄氏度(℃)；
Qw为暖体假人的面积加权加热热流，单位为瓦每平方米(W/m2)；
hcalw为暖体假人表面与环境间的换热系数，在标准允许热环境中测定，单位为瓦每平方米摄氏度[(W/(m2·℃)]；
i为暖体假人分段后，n＝16；
tsk，i为暖体假人分段i的表面温度，单位为摄氏度(℃)；
Qi为暖体假人分段i的加热热流，单位为瓦每平方米(W/m2)；
Ai为暖体假人分段i的表面积，单位为平方米(m2)。
进一步地，温度均匀度考核方法为：
S601、将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上；
S602、采用布置在气候实验室内室的100个热电偶采集环境温度稳定后的室内温度，温度场每个平面测点数量为5*5，水平方向间隔0.50m，垂直方向模拟人的站姿头部(1.70m)、坐姿头部和站姿腰部(1.10m)、坐姿腰部(0.60m)以及脚踝(0.10m)位置布置4个测温点，计算内室的温度均匀度，考核空调器、暖风机等家用电器的使用舒适性和温度均匀性；打开测试工况，开始数据采集，采样时间应至少10s采集一次数据，待实验室达到热稳定状态后；
S603、将室内环境温度调整到18℃(空调器制热模式、电暖器和暖风机等取暖类家用电器)，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风测试挡位；
S604、当房间内温度达到热稳定状态后，采集各测点的实测温度；
S605、用最高温度点和最低温度点计算实验室内室的温差。
本发明还提供了一种家用电器舒适性模拟自然风测试装置，包括：
气候实验室，所述气候实验室是由一个模拟内室温度的内室和一个模拟室外温度的外室构成；内室和外室之间设有外墙，在外墙有一个至少为 3m×1.5m，导热系数不大于3W/(m2K)的玻璃窗，窗下护墙高度至少为0.8m，导热系数不大于0.53W/(m2K)，外墙剩余部分导热系数不大于1.0W/(m2K)，实验室其他壁板、地板和天花板，导热系数不大于0.6W/(m2K)；来自外室的空气通过玻璃窗之上的两个对称出气口提供给内室，空气通过置于墙上方角落的管子回流到外室，内室排气孔定位于距离地面不超过0.4m的外墙对面的墙壁上；
温度均匀性采集装置，包含温度采集传感器和数据采集器，设置于气候实验室内，用于采集气候实验室的温度数据，并传递给测试计算机；
舒适性测试装置，包括空气湿度变速器、万向风速计和黑体平均辐射温度传感器；
空气湿度变送器，设置于气候实验室内，用于采集气候实验室的湿度数据，并传递给测试计算机；
万向风速计，设置于气候实验室内室的中央，用于采集内室被测电器的风速；
黑体平均辐射温度传感器，设置于气候实验室内，用于采集气候实验室的辐射温度，并传递给测试计算机；
测试计算机，分别与温度均匀性采集装置、舒适性测试装置和暖体假人电性连接，用于处理并储存采集的数据；
暖体假人，设置于气候实验室内，用于采集和计算加权平均等效空间温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出的家用电器舒适性模拟自然风测试装置和测试方法，可以考核被测样品的出风是否达到舒适性模拟自然风效果。该家用电器舒适性模拟自然风测试方法首先采集家用电器(例如空调器、电风扇、空气净化器、换气扇、新风系统、暖风机等)出风的风速-时间曲线，然后对曲线进行分析计算得出其功率谱密度指数和相图宽长比，通过功率谱密度指数、相图宽长比来考核出风是否达到自然风效果。该家用电器舒适性模拟自然风测试方法通过多实验室中垂直空气温差、吹风感指数、预计平均热感觉指数、预计不满意率、温度均匀度、暖体假人等效温度等项目的考核，来评价被测样品的使用舒适性，从而引导行业发展，合理发展产品品种，提高企业应变能力，以更好的满足社会需求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的家用电器舒适性模拟自然风测试装置的结构示意图。图1中，1为内室，2为外室，3为调温设备，4为空调，5为舒适性测试装置，6为外墙，7为玻璃窗，8为出气口，9为管子，10为内室排气孔。
图2为本发明实施例提供的家用电器舒适性模拟自然风测试布置俯视图。
图3为本发明实施例提供的舒适性测试装置的分布结构示意图。图3 中，1为支架，2为黑体平均辐射温度传感器，3为空气湿度变送器，4为万向风速计。
图4、图5、图6为本发明实施例提供的温度均匀性采集热电偶布置示意图。图中，1为移动导轨(铝合金材质，长度L为3000mm，设5组)， 2为固定热电偶拉杆(长度L为2750mm，直径为6mm，共设25根)，3 为热电偶，4为固定导轨(铝合金材质，长度L为3000mm，设2组)。
图7为本发明实施例提供的暖体假人及其加热控制分段划分示意图。图7中：1—头，2—胸部，3—背部，4—左上臂，5—右上臂，6—左前臂， 7—右前臂，8—左手，9—右手，10—臀部，11——左大腿，12—右大腿， 13—左小腿，14—右小腿，15—左足，16—右足。
具体实施方式
本发明提供的家用电器舒适性模拟自然风测试装置，如图1-7所示，包括：
1)气候实验室(包括外室和内室)，2)测试计算机，3)温度均匀性采集装置(包含温度采集传感器、数据采集器GM10-1)，4)舒适性测试装置(包含万向风速计、黑体平均辐射温度传感器和空气湿度变送器)。
气候实验室，如图1所示，是由一个模拟内室温度的内室和一个模拟室外温度的外室构成，通过改变外室温度而产生内室所要求的温度。实验室长4m，宽4m，高2.4m，体积40m3。在外墙有一个至少为3m×1.5m，导热系数不大于3W/(m2K)的玻璃窗，窗下护墙高度至少为0.8m，导热系数不大于0.53W/(m2K)，外墙剩余部分导热系数不大于1.0W/(m2K)，对于其他壁板、地板和天花板，导热系数不大于0.6W/(m2K)。来自外室的空气通过玻璃窗之上两个对称出气口提供给内室，空气通过置于墙上方角落的管子回流到外室，内室排气孔定位于距离地面不超过0.4m的外墙对面的墙壁上。外室和内室之间空气交换大约每小时一个内室之容积。
本发明的舒适性测试装置，包含万向风速计、黑体平均辐射温度传感器和空气湿度变送器。
本发明的风速采集装置，选用Swema的03+型万向微风速计，它对风的方向不敏感，风温测量范围是10-40℃，测量精度为±0.3℃；风速测量范围是0.05-5m/s，测量精度为0.03m/s；响应时间小于0.2s，符合ISO 7726 《热环境的人类工效学物理量测量仪器》要求，可以保证测试装置的测试精度。
空气湿度变送器，选用Swema的HygroClip型相对湿度及温度探头，防护等级可达IP65，采用ROTRONIC Hygromer IN1湿度传感器，空气相对湿度测量范围是0-100％RH，测量精度为±1.0％RH，重复性为0.3％RH，长期稳定性小于1.0％RH/年。
平均辐射温度采集装置，选用Swema的T52型黑体温度探头，温度测量范围是-20-50℃，测量精度为±0.3℃。黑体温度探头可以测量四周一切辐射源发出的投射到某处的辐射强度，它采用0.5mm厚铜皮制成的直径为 150mm的空心铜球，球面涂以烟炱胶水的混合物，使得球面获得尽可能大的黑度。铜球侧部有孔，温度计从孔插入到球心，由于铜球的导热系数大，内壁薄，所以铜球表面温度和球中心点的空气几乎相等。
温度均匀性采集传感器，选用T型热电偶。T型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，温度近似线性和复制性好，传热快，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点,特别在-200-150℃温区内使用，稳定性更好，年稳定性可小于±3μV，经低温检定可作为二等标准进行低温量值传递。采集热电偶布置在内室可移动的导轨(见图4、图5)上，进行其他测试时，可将热电偶移动到实验室一侧，不会影响其他试验的进行。
数据采集器，布置在内室，选用横河GM10-1型无纸温度记录仪。 GM10-1无纸温度记录仪是数据采集和控制的一种全新方式，以人性化、简便的操作为设计重点。通过智能架构，GM10实现了数据采集系统的可扩展化。该采集系统来用PID控制，可实现100通道温度高速测量，带有 500MB内存，可以通过以太网(10BASE-T/100BASE-TX)与测试计算机相连。
暖体假人(见图7)，布置在内室，按第50百分位中国成年男性人体尺寸制造，分为16个独立温度控制分段，具有髋、膝、肘等活动关节，包括坐姿和立姿。暖体假人每个分段均采用低压电源进行单独加热控制，并布置温度传感器测量表面温度，对于换热条件差别较大的分段(腿部、躯干、臀部)布置多个温度传感器。假人夏季着装：短内衣、长袖衬衣、长裤、薄短袜及薄鞋(0.50clo)，冬季着装：内衣裤、衬衫、裤子、夹克、袜子、鞋(1.00clo)；测量温度范围(0℃～50℃)，回复时间小于30min，表面温度测试精度小于±1.0℃，表面温度测量分辨率小于0.2℃，测试重复性小于±0.5℃。
此外，该家用电器舒适性模拟自然风测试装置的内室还装有一个空调器，可以在试验准备阶段使气候实验室的内室快速达到试验所需温度，缩短试验准备时间，提高试验效率。
该家用电器舒适性模拟自然风测试装置为了保证舒适性测试精度，对于空调器、暖风机、塔扇、新风机等出风口较长的产品，应设置多个万向风速计、平均辐射温度传感器来进行测试，最终确多个测试点的平均值。
该家用电器舒适性模拟自然风测试装置软件基于WINDOWS视窗系统，中文界面，具有完善的测试功能及良好的稳定性。
本发明提供的家用电器舒适性模拟自然风测试方法，采用以下步骤实现：
采集电器出风的风速-时间曲线，然后对曲线进行分析计算得出其功率谱密度指数和相图宽长比，通过功率谱密度指数、相图宽长比来考核出风是否达到自然风效果；如果被测家用电器出风的风速曲线的功率谱密度指数大于1.1，且相空间重构图的宽长比小于0.25，该被测电器的出风可判定为模拟自然风；同时在该挡位下进行垂直空气温差试验、吹风感指数试验、预计平均热感觉指数试验、温度均匀度试验、预计不满意率试验、温度均匀度试验，如果满足舒适性参数要求，被测电器即被认为满足舒适性模拟自然风要求。
为了更好地理解本技术方案，下面结合附图对本发明的方法做详细的说明。
(一)自然风试验
第一步，将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上，风速计放置在距离被测样机1.5m处。
第二步，将室内环境温度调整到18℃(空调器制热模式、电暖器和暖风机等取暖类家用电器)或28℃(空调器制冷模式、电风扇、新风机、空气净化器等送风家用电器)，，开启被测家用电器，额定电压、额定频率供电。设定为自然风挡或使用说明中规定的类似挡位，直吹万向风速计。
第三步，室内热环境稳定后，测量采集1h内的风速曲线。
第四步，对风速曲线平滑处理，再进行傅里叶变换，计算变换后曲线的斜率得出功率谱密度指数。
第五步，然后对曲线进行相空间重构，得出曲线的相图宽长比。
第六步，通过风速曲线的功率谱密度指数和相图宽长比判断是否为自然风，如果测挡位输出风的风速曲线的功率谱密度指数大于1.1，且相空间重构图的宽长比小于0.25，该挡位出风达到自然风效果。
(二)垂直空气温差试验
第一步，将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上，黑球平均辐射温度传感器放置在距离被测样机1.5m处。
第二步，将室内环境温度调整到18℃(空调器制热模式、电暖器和暖风机等取暖类家用电器)或28℃(空调器制冷模式、电风扇、新风机、空气净化器等送风家用电器)，开启被测家用电器，额定电压、额定频率供电。设定为自然风测试挡位。
第三步，室内热环境稳定后，测量采集1h内人员坐姿状态下的头部 (1.10m)和脚踝(0.10m)位置处检测点的辐射温度值。
第四步，由于头部和脚踝位置处垂直空气温差导致室内人员的不满意百分率(PD)用公式(1)计算；
式中：
PD为头和脚踝部垂直空气温差导致的不满意率，％；
Δta.v为头和脚踝位置处在采集时间内的平均垂直空气温差[见公式 (2)]，单位为摄氏度(℃)，式(4)仅适用于Δta，v＜8℃时。
式中：
Ni为在规定时间内测点记录的温度个数；
thead，i为第i时刻的头部测点温度，单位为摄氏度(℃)；
tfoot，i为第i时刻的脚踝测点温度，单位为摄氏度(℃)；
室内环境的垂直空气温差导致的不满意率(PD)为所有时刻上头和脚踝位置测点的不满意率的平均值，见公式(3)。
式中：
PD为室内环境的垂直空气温差导致的不满意率，％；
该家用电器舒适性模拟自然风测试方法计算垂直空气温差时，检测点距地面垂直高度布置应考虑室内人员的不同活动姿势和人体尺寸。坐姿状况下温度和风速的测量高度应至少包括距地面垂直距离0.10m(脚踝高度)和1.10m(坐姿头部)处；而立姿状况下测量高度应至少包括距地面垂直距离0.10m(脚踝)和1.10m(站姿腰部)处。
(三)吹风感指数试验
第一步，将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上，舒适性测试装置放置在距离被测样机1.5m处。
第二步，将室内环境温度调整到18℃(空调器制热模式、电暖器和暖风机等取暖类家用电器)或28℃(空调器制冷模式、电风扇、新风机、空气净化器等送风家用电器)，开启被测家用电器，额定电压、额定频率供电。设定为自然风测试挡位，直吹舒适性测试装置。
第三步，室内热环境稳定后，测量采集1h内各检测点的温度值和风速。
第四步，按照公式(4)计算检测点j在采集时间内的局部吹风感指数(DR)。
DRj＝(34-ta)(va-0.05)0.62(3.37×va×Tu+3.14) (4)
式中：
DRj为第j检测点的吹风感指数，若DRj＞100％，则取DRj＝100％；
ta为局部平均空气温度，单位为摄氏度(℃)；
va为局部平均空气流速，单位为米每秒(m/s)；若va≤0.05m/s，则取va＝0.05m/s；
Tu为局部紊流强度，％，即为局部空气流速的标准差与局部平均空气流速之比，见公式(5)，在10％～60％之间，若未知，可取40％。
式中：
Nv为在规定时间内测点记录的风速个数；
vai为第i时刻的局部瞬时空气流速，单位为米每秒(m/s)；
第五步，室内环境的吹风感指数取所有检测点的局部吹风感指数的平均值(DRwhole)，见公式(6)。
式中：
DRwhole为室内环境的吹风感指数，％；
Mi为室内吹风感指数检测点总数。
(四)预计平均热感觉指数试验
第一步，将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上，舒适性测试装置放置在距离被测样机1.5m处。
第二步，将室内环境温度调整到18℃(空调器制热模式、电暖器和暖风机等取暖类家用电器)或28℃(空调器制冷模式、电风扇、新风机、空气净化器等送风家用电器)，开启被测家用电器，额定电压、额定频率供电。设定为自然风测试挡位，直吹舒适性测试装置。
第三步，选取日常着装为典型夏装(衬裤、短袖衬衫、轻便裤子、薄短裤、鞋)作为空调器(制冷模式)、电风扇、新风系统等送风家用电器舒适性评价时的典型日常着装组合；选取日常着装为典型冬装(有长袖及长腿的内衣、衬衫、裤、V型领毛衣、夹克、袜、鞋)作为空调器(制热模式)和暖风机等取暖类家用电器舒适性评价时的典型日常着装组合。
第四步，测量采集时间内各检测点的温度、湿度和风速等参数值。
第五步，考虑中国人体热舒适特性，计算出检测点的PMV。
式中：
PMV为预计平均热感觉指数；
M为代谢率，单位为瓦每平方米(W/m2)；
W为外部做功消耗的热量(对于大多数活动课忽略不计)，单位为瓦每平方米(W/m2)；
Pa为水蒸气分压，单位为帕斯卡(Pa)；
ta为空气温度，单位为摄氏度(℃)；
fcl为着装时人的体表面积与裸露时人的体表面积之比；
tcl为服装表面温度，单位为摄氏度(℃)；
为平均辐射温度，单位为摄氏度(℃)；
hc为对流换热系统，单位为瓦每平方米摄氏度[W/(m2·℃)]；
Icl为服装热阻，单位为平方米摄氏度每瓦(m2·℃/W)；
var为空气流速，单位为米每秒(m/s)。
第六步，PMV指数是从静止状态下得到的。在应用中，当一个或多个参数有微小变动时，可用参数的前1h的时间加权平均数值，也能取得很好的近似结果。
第七步，考虑到不同的工作类型，可参考ISO 8996：2004标准估算代谢率。对于不同的代谢率，建议估算前1h期间的时间加权平均值。
第八步，室内环境的PMV取所有检测点PMV的平均值。
第九步，建议只有当PMV值处于-2～+2时，使用PMV指数。
此外，当下列6种主要参数在以下范围时，可推荐使用PMV指数。
M＝46.25W/m2～232.60W/m2(0.8met～4met)
Icl＝0m2·℃/W～0.31m2·℃/W(0clo～2clo)
ta＝10℃～30℃
var＝0m/s～1m/s
Pa＝0Pa～2700Pa
(五)预计不满意率试验
当PMV值确定后，使用公式(7)计算室内人员对该热环境的预计不满意率(PPD)：
PPD＝100-95×exp(-0.03353×PMV4-0.2179×PMV2) (7)
PPD一般不大于15％。
(六)暖体假人等效温度试验
第一步，将被测电器按照使用说明规定安装或放置在气候实验室内室地面上；
第二步，将室内环境温度调整到18℃(空调器制热模式、电暖器和暖风机等取暖类家用电器)或28℃(空调器制冷模式、电风扇、新风机、空气净化器等送风家用电器)，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风测试挡位；
第三步，将暖体假人放置在内室中央或出现极端热参数的人员活动区域的中心附近，这样的区域可包括窗户附近、室内出口扩散处、角落、门口；
第四步，暖体假人分别在站姿和坐姿下测试；
第五步，测试假人头、左右上臂、左右手、背部、胸部、臀部、左右大腿、左右小腿、左右足部位温度和加热热流，待实验室达到热稳定状态后，记录采集时间内的测试数据；
第六步，等效空间温度和人体热感觉的关系取决于人体活动水平及着装状况，室内活动时，代谢率取70W/m2，着装热阻取0.50clo和1.00clo两种状态；
第七步，暖体假人的等效空间温度teqw使用公式(8)计算：
式中：
teqw为暖体假人面积加权平均等效空间温度，单位为摄氏度(℃)；
Qw为暖体假人的面积加权加热热流，单位为瓦每平方米(W/m2)；
hcalw为暖体假人表面与环境间的换热系数，在标准允许热环境中测定，单位为瓦每平方米摄氏度[(W/(m2·℃)]；
i为暖体假人分段后，n＝16；
tsk，i为暖体假人分段i的表面温度，单位为摄氏度(℃)；
Qi为暖体假人分段i的加热热流，单位为瓦每平方米(W/m2)；
Ai为暖体假人分段i的表面积，单位为平方米(m2)。
(七)温度均匀度试验
第一步，将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上。
第二步，采用布置在气候实验室内室的100个热电偶采集环境温度稳定后的室内温度，如图4-6所示，温度场每个平面测点数量为5*5，水平方向间隔0.50m，垂直方向模拟人的站姿头部(1.70m)、坐姿头部和站姿腰部 (1.10m)、坐姿腰部(0.60m)以及脚踝(0.10m)位置布置4个测温点。计算内室的温度均匀度，考核空调器、暖风机等家用电器的使用舒适性和温度均匀性。打开测试工况，开始数据采集，采样时间应至少10s采集一次数据，待实验室达到热稳定状态后。
第三步，将室内环境温度调整到18℃(空调器制热模式、电暖器和暖风机等取暖类家用电器)，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风测试挡位。
第四步，当房间内温度达到热稳定状态后，采集各测点的实测温度。
第五步，用最高温度点和最低温度点计算实验室内室的温差。
温度均匀性可以考核空调器制热模式、暖风机等取暖类家用电器的使用舒适性。
(八)舒适性模拟自然风的判定
如果被测家用电器出风的风速曲线的功率谱密度指数大于1.1，且相空间重构图的宽长比小于0.25，该被测电器的出风可判定为模拟自然风。同时在该挡位下进行垂直空气温差试验、吹风感指数试验、预计平均热感觉指数试验、温度均匀度试验(需要时)、预计不满意率试验、暖体假人试验等舒适性试验，满足舒适性相关参数要求，被测家用电器即被认为满足舒适性模拟自然风要求。
该家用电器舒适性模拟自然风测试方法参考ISO 7730：2005标准，通过考核被测样品的预计平均热感觉指数(PMV)、预计不满意率(PPD)等指标来考核使用舒适性效果。PMV指数是根据人体热平衡预计群体对7个等级热感觉评价的平均值。当人体内部产生的热量等于向环境中散失的热量时，人处于热平衡。在中等环境中，人体热平衡调节系统将自动通过调整皮肤温度和出汗量以维持热平衡。
该家用电器舒适性模拟自然风测试装置通过代谢率、服装热阻、空气温度、平均辐射温度、风速及空气湿度的不同组合计算预计平均热感觉指数(PMV)，来评价被测样品的使用舒适性。该家用电器舒适性模拟自然风测试方法计算预计平均热感觉指数(PMV)使用的服装热阻参考ISO 9920：2004标准，是目前环境舒适性评价普遍采用和认可的。
(九)分级评价
该家用电器舒适性模拟自然风测试装置及测试方法还可用于家用电器的舒适性模拟自然风分级评价，通过对各舒适性试验中的相关参数进行分级，可以实现对不同家用电器模拟自然风的舒适性分级评价。
1、空调器产品模拟自然风的舒适分级评价举例：
2、电风扇产品模拟自然风的舒适分级评价举例：
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种家用电器舒适性模拟自然风测试方法，其特征在于，采用家用电器舒适性模拟自然风测试装置并采用以下步骤实现：
采集电器出风的风速-时间曲线，然后对曲线进行分析计算得出其功率谱密度指数和相图宽长比，通过功率谱密度指数、相图宽长比来考核出风是否达到自然风效果；如果被测家用电器出风的风速曲线的功率谱密度指数大于1.1，且相空间重构图的宽长比小于0.25，被测电器的出风达到自然风效果；同时在挡位下进行垂直空气温差试验、吹风感指数试验、预计平均热感觉指数试验、温度均匀度试验、预计不满意率试验、暖体假人等效温度试验，如果满足舒适性参数要求，被测电器即被认为满足舒适性模拟自然风要求；
其中，家用电器舒适性模拟自然风测试装置，包括：
气候实验室，包括相邻设置的内室和外室；
温度均匀性采集装置，包含温度采集传感器和数据采集器，设置于气候实验室内，用于采集气候实验室的温度数据，并传递给测试计算机；
舒适性测试装置，包括空气湿度变速器、万向风速计和黑体平均辐射温度传感器；
空气湿度变送器，设置于气候实验室内，用于采集气候实验室的湿度数据，并传递给测试计算机；
万向风速计，设置于气候实验室内室的中央，用于采集内室被测电器的风速；
黑体平均辐射温度传感器，设置于气候实验室内，用于采集气候实验室的辐射温度，并传递给测试计算机；
测试计算机，分别与温度均匀性采集装置、舒适性测试装置和暖体假人电性连接，用于处理并储存采集的数据；
暖体假人，设置于气候实验室内，用于采集和计算加权平均等效空间温度；
垂直空气温差的考核方法为：
S201、将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上，黑球平均辐射温度传感器放置在距离被测样机1.5m处；
S202、将室内环境温度调整到18℃或28℃，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风测试挡位；
S203、室内热环境稳定后，测量采集1h内人员坐姿状态下的头部和脚踝位置处检测点的辐射温度值；
S204、头部和脚踝位置处垂直空气温差导致室内人员的不满意百分率PD用公式(1)计算；
式中：
PD为头和脚踝部垂直空气温差导致的不满意率；
Δta,v为头和脚踝位置处在采集时间内的平均垂直空气温差，如公式(2)所示，单位为摄氏度；
式中：
Ni为在规定时间内测点记录的温度个数；
thead,i为第i时刻的头部测点温度，单位为摄氏度；
tfoot,i为第i时刻的脚踝测点温度，单位为摄氏度；
按公式(3)计算所有时刻上头和脚踝位置测点的不满意率的平均值，得到室内环境的垂直空气温差导致的不满意率；
2.根据权利要求1所述的家用电器舒适性模拟自然风测试方法，其特征在于，所述气候实验室是由一个模拟内室温度的内室和一个模拟室外温度的外室构成，通过改变外室温度而产生内室所要求的温度；内室和外室之间设有外墙，在外墙有一个至少为3m×1.5m，导热系数不大于3W/(m2K)的玻璃窗，窗下护墙高度至少为0.8m，导热系数不大于0.53W/(m2K)，外墙剩余部分导热系数不大于1.0W/(m2K)，实验室其他壁板、地板和天花板，导热系数不大于0.6W/(m2K)；来自外室的空气通过玻璃窗之上的两个对称出气口提供给内室，空气通过置于墙上方角落的管子回流到外室，内室排气孔定位于距离地面不超过0.4m的外墙对面的墙壁上；外室和内室之间空气交换每小时一个内室之容积。
3.根据权利要求1所述的家用电器舒适性模拟自然风测试方法，其特征在于，自然风试验的具体过程为：
S101、将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上，风速计放置在距离被测样机1.5m处；
S102、将室内环境温度调整到18℃或28℃，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风挡，直吹万向风速计；
S103、室内热环境稳定后，测量采集电器出风的风速-时间曲线；
S104、对风速曲线平滑处理，再进行傅里叶变换，计算变换后曲线的斜率得出功率谱密度指数；
S105、对风速曲线进行相空间重构，得出曲线的相图宽长比；
S106、通过风速曲线的功率谱密度指数和相图宽长比判断是否为自然风，如果测挡位输出风的风速曲线的功率谱密度指数大于1.1，且相空间重构图的宽长比小于0.25，该挡位出风达到自然风效果。
4.根据权利要求1所述的家用电器舒适性模拟自然风测试方法，其特征在于，吹风感指数的考核方法为：
S301、将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上，舒适性测试装置放置在距离被测样机1.5m处；
S302、将室内环境温度调整到18℃或28℃，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风测试挡位，直吹舒适性测试装置；
S303、室内热环境稳定后，采集1h内各检测点的温度值和风速；
S304、按照公式(4)计算该检测点在采集时间内的局部吹风感指数；
DRj＝(34-ta)(va-0.05)0.62(3.37×va×Tu+3.14) (4)
式中：
DRj为第j检测点的吹风感指数，若DRj＞100％，则取DRj＝100％；
ta为局部平均空气温度，单位为摄氏度；
va为局部平均空气流速，单位为米每秒；若va≤0.05m/s，则取va＝0.05m/s；
Tu为局部紊流强度，％，即为局部空气流速的标准差与局部平均空气流速之比，见公式(5)，在10％～60％之间，若未知，取40％；
式中：
Nv为在规定时间内测点记录的风速个数；
vai为第i时刻的局部瞬时空气流速，单位为米每秒；
S305、按照公式(6)计算所有检测点的局部吹风感指数的平均值(DRwhole)，得到室内环境的吹风感指数：
式中：
DRwhole为室内环境的吹风感指数，％；
Mi为室内吹风感指数检测点总数。
5.根据权利要求1所述的家用电器舒适性模拟自然风测试方法，其特征在于，预计平均热感觉指数的考核方法为：
S401、将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上，舒适性测试装置放置在距离被测样机1.5m处；
S402、将室内环境温度调整到18℃或28℃，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风测试挡位，直吹舒适性测试装置；
S403、室内热环境稳定后，选取日常着装为典型夏装作为送风家用电器舒适性评价时的典型日常着装组合；选取日常着装为典型冬装作为取暖家用电器舒适性评价时的典型日常着装组合；
S404、测量采集时间内各检测点的温度、湿度和风速；
S405、根据公式(7)计算出检测点的PMV：
式中：
PMV为预计平均热感觉指数；
M为代谢率，单位为瓦每平方米；
W为外部做功消耗的热量，单位为瓦每平方米；
Pa为水蒸气分压，单位为帕斯卡；
ta为空气温度，单位为摄氏度；
fcl为着装时人的体表面积与裸露时人的体表面积之比；
tcl为服装表面温度，单位为摄氏度；
为平均辐射温度，单位为摄氏度；
hc为对流换热系统，单位为瓦每平方米摄氏度；
Icl为服装热阻，单位为平方米摄氏度每瓦；
var为空气流速，单位为米每秒；
S406、PMV指数是从静止状态下得到的，当一个或多个参数有微小变动时，计算PMV前1h期间的时间加权平均数值；
S407、估算代谢率前1h期间的时间加权平均值；
S408、计算所有检测点PMV的平均值，得到室内环境的PMV；
S409、当PMV值处于-2～+2时，使用PMV指数。
6.根据权利要求1所述的家用电器舒适性模拟自然风测试方法，其特征在于，预计不满意率的考核方法为：当PMV值确定后，使用公式(7)计算室内人员对该热环境的预计不满意率PPD：
PPD＝100-95×exp(-0.03353×PMV4-0.2179×PMV2) (7)
PPD不大于15％。
7.根据权利要求1所述的家用电器舒适性模拟自然风测试方法，其特征在于，暖体假人等效温度考核方法为：
S501、将被测电器按照使用说明规定安装或放置在气候实验室内室地面上；
S502、将室内环境温度调整到18℃或28℃，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风测试挡位；
S503、将暖体假人放置在内室中央或出现极端热参数的人员活动区域的中心附近，这样的区域包括窗户附近、室内出口扩散处、角落、门口；
S504、暖体假人分别在站姿和坐姿下测试；
S505、测试假人头、左右上臂、左右手、背部、胸部、臀部、左右大腿、左右小腿、左右足部位温度和加热热流，待实验室达到热稳定状态后，记录采集时间内的测试数据；
S506、等效空间温度和人体热感觉的关系取决于人体活动水平及着装状况，室内活动时，代谢率取70W/m2，着装热阻取0.50clo和1.00clo两种状态；
S507、暖体假人的等效空间温度teqw使用公式(8)计算：
式中：
tskw为暖体假人面积加权平均等效空间温度，单位为摄氏度(℃)；
Qw为暖体假人的面积加权加热热流，单位为瓦每平方米(W/m2)；
hcalw为暖体假人表面与环境间的换热系数，在标准允许热环境中测定，单位为瓦每平方米摄氏度[(W/(m2·℃)]；
i为暖体假人分段后，n＝16；
tsk，i为暖体假人分段i的表面温度，单位为摄氏度(℃)；
Qi为暖体假人分段i的加热热流，单位为瓦每平方米(W/m2)；
Ai为暖体假人分段i的表面积，单位为平方米(m2)。
8.根据权利要求1所述的家用电器舒适性模拟自然风测试方法，其特征在于，温度均匀度考核方法为：
S601、将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上；
S602、采用布置在气候实验室内室的100个热电偶采集环境温度稳定后的室内温度，温度场每个平面测点数量为5*5，水平方向间隔0.50m，垂直方向模拟人的站姿头部、坐姿头部和站姿腰部、坐姿腰部以及脚踝位置布置4个测温点，计算内室的温度均匀度，考核空调器、暖风机等家用电器的使用舒适性和温度均匀性；打开测试工况，开始数据采集，采样时间应至少10s采集一次数据，待实验室达到热稳定状态后；
S603、将室内环境温度调整到18℃，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风测试挡位；
S604、当房间内温度达到热稳定状态后，采集各测点的实测温度；
S605、用最高温度点和最低温度点计算实验室内室的温差。
9.一种家用电器舒适性模拟自然风测试装置，其特征在于，包括：
气候实验室，所述气候实验室是由一个模拟内室温度的内室和一个模拟室外温度的外室构成；在内室和外室之间设置有外墙，外墙有一个至少为3m×1.5m，导热系数不大于3W/(m2K)的玻璃窗，窗下护墙高度至少为0.8m，导热系数不大于0.53W/(m2K)，外墙剩余部分导热系数不大于1.0W/(m2K)，实验室的其他壁板、地板和天花板的导热系数不大于0.6W/(m2K)；来自外室的空气通过玻璃窗之上的两个对称出气口提供给内室，空气通过置于墙上方角落的管子回流到外室，内室排气孔定位于距离地面不超过0.4m的外墙对面的墙壁上；
温度均匀性采集装置，包含温度采集传感器和数据采集器，设置于气候实验室内，用于采集气候实验室的温度数据，并传递给测试计算机；
舒适性测试装置，包括空气湿度变速器、万向风速计和黑体平均辐射温度传感器；
空气湿度变送器，设置于气候实验室内，用于采集气候实验室的湿度数据，并传递给测试计算机；
万向风速计，设置于气候实验室内室的中央，用于采集内室被测电器的风速；
黑体平均辐射温度传感器，设置于气候实验室内，用于采集气候实验室的辐射温度，并传递给测试计算机；
测试计算机，分别与温度均匀性采集装置、舒适性测试装置和暖体假人电性连接，用于处理并储存采集的数据；
暖体假人，设置于气候实验室内，用于采集和计算加权平均等效空间温度；
所述家用电器舒适性模拟自然风测试装置采用以下步骤实现权利要求1所述的家用电器舒适性模拟自然风测试方法：
采集电器出风的风速-时间曲线，然后对曲线进行分析计算得出其功率谱密度指数和相图宽长比，通过功率谱密度指数、相图宽长比来考核出风是否达到自然风效果；如果被测家用电器出风的风速曲线的功率谱密度指数大于1.1，且相空间重构图的宽长比小于0.25，该被测电器的出风达到自然风效果；同时在该挡位下进行垂直空气温差试验、吹风感指数试验、预计平均热感觉指数试验、温度均匀度试验、预计不满意率试验、暖体假人等效温度试验，如果满足舒适性参数要求，被测电器即被认为满足舒适性模拟自然风要求；
垂直空气温差的考核方法为：
S201、将被测电器按使用说明规定安装或放置到气候实验室内室中地面上，黑球平均辐射温度传感器放置在距离被测样机1.5m处；
S202、将室内环境温度调整到18℃或28℃，开启被测电器，额定电压、额定频率供电，设定为自然风测试挡位；
S203、室内热环境稳定后，测量采集1h内人员坐姿状态下的头部和脚踝位置处检测点的辐射温度值；
S204、头部和脚踝位置处垂直空气温差导致室内人员的不满意百分率PD用公式(1)计算；
式中：
PD为头和脚踝部垂直空气温差导致的不满意率；
Δta,v为头和脚踝位置处在采集时间内的平均垂直空气温差，如公式(2)所示，单位为摄氏度；
式中：
Ni为在规定时间内测点记录的温度个数；
thead，i为第i时刻的头部测点温度，单位为摄氏度；
tfooti为第i时刻的脚踝测点温度，单位为摄氏度；
按公式(3)计算所有时刻上头和脚踝位置测点的不满意率的平均值，得到室内环境的垂直空气温差导致的不满意率；
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