（机械工程专业论文）太阳能热水器控制面板中的人机工程学分析与研究.pdf

摘要 摘要 随着社会的进步，人本主义思想深入人心，并且这种趋势日益深入到各行各业 中。随着世界能源危机的出现，太阳能热水器作为一种有效利用可再生能源的节 能绿色产品，逐渐被更多的消费者所青睐，太阳能行业迅速发展。但同时也出现 了各种各样的问题，其很重要的一方面是忽视了太阳能热水器的人机系统分析与 研究。因此本文对太阳能热水器及控制面板进行人机工程学分析与研究，特别是 控制面板是用户与太阳能热水器互相交流的部件，对其运用人机工程学和工业设 计理念进行详细设计，至关重要。本文主要包括以下几个方面内容：一、运用人 机工程学基本理论，对太阳能热水器进行应用分析，并提出太阳能热水器的发展 方向：二、结合人机工程学理论和工业设计理论对控制面板的机壳、人机信息界 面、展台和包装进行详细设计；三、研究人体测量尺寸和应用设计方法，得出人 需要操作的产品的合理安装高度。本论文在有关太阳能热水器及控制面板人性化 设计的思路上可以给同行提供一点参考，同时吸引更多的专业设计师对这方面的 设计进行更深入的研究。 关键词：人机工程学、太阳能热水器、控制面板、三维建模、人体测量尺寸 山东大学工程硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to fm es o c i e t y ，t h eh u m a n i s mt h o u 曲tw a sd e e p l yr o o t e d ， w h i c hw a sat r e n dm a th a di n f l u e n c eo ne v e r yl i n eo fi n d u s t r y a l o n gw i t ht h e e m e r g e n c eo ft h ew o r l de n e r g yc r i s i s ，s o l a rw a t e rh e a t e ra r ep a i dm o r ea t t e n t i o na sa g r e e np r o d u c t i o n o fe n e r g ys a v i n g ， e n v i r o i n e n t a lp r o t e c t i o na n du t i l i z a t i o no f r e n e w a b l ee n e 唱y t h es o l a ri n d u s t 巧i sd e v e l o p i n gf a s t h o w e v e r ，k i n d so fp r o b l e m a p p e a r e dw h i c hv e r yi m p o r t a n to n ea s p e c t i st oh a v ei g n o r e dt h em a n 。m a c h i n e s y s t e ma n a l y s i sa n ds t u d y s oi nt h i st h e s i s ，t h ea u t h o rc a 玎i e do u te 玛o n o m i c s a n a l y s i sa n ds t u d yo nt h es o l a r w a t e rh e a t e ra 1 1 dt h ec o n t r o l l e r i ti sv e r yi m p o r t a n tt h a t w ea p p l ye r g o n o m i c sa 1 1 di n d u s t r yd e s i g ni d e at od e s i g nt h es o l a rw a t e rh e a t e ra n dt h e c o n t r o l l e r b e c a u s et h ec o n t r o l l e ri st h ec o m p o n e n tt h a tc o n s u m e rc o m m u 盎c a t e 、i m t h es o l a rw a t e rh e a t e re a c ho t h e l t h em a i ns t u d yc o n t e n t sa r ef o l l o w e d ： 1 b a s e do nb a s i cm e o r i e so fe r g o n o m i c s ，t h es o l a rw a t e rh e a t e rw e r ea n a l y z e d a n ds t u d i e d a n dt h ed e v e l o pd i r e c t i o no fs o l a rw a t e rh e a t e rw a sb r o u 曲tf o n a r d 2 c o m b i n i n ge 略o n o m i c st h e o r yw i t l li n d u s t r i a ld e s i g n 也e o r y c a r 巧o u td e t a i l d e s i g no nt l l es h e no fc o n t r o l l e r ，h w n a n m a c m n ei n f o m l a t i o ni n t e d a c e ，s h o w i n g p l a t f o n na n dp a c k a g i n g 3 s t u d yt h eb o d ym e a s u r i n gd i m e n s i o na n da p p l yd e s i g np r o c e d u r e s ，c a l c u l a t e o u tt h ea p p r o p r i a t ei n s t a l l a t i o na l t i t u d eo ft h ep r o d u c tu s e db yh u m a n t h ep a p e ri sd e s i g n e df o rg i v i n gs o m eu s e f u ls u g g e s t i o n sa n dm e t h o d sa b o u t d e s i g no ft h es 0 1 a rw a t e rh e a t e ra j l dt h ec o n t r o l l e ri nah u m a nw a y m o r ea i l dm o r e p r o f e s s i o n a ld e s i g n e ra r e a t t r a c t e dt or e s e a r c ht h ef i e l dt h o r o u g h l y k e yw o r d s ：e r g o n o m i c s ，s o l a rw a t e rh e a t e r ，c o n t r 0 1 1 e r 3 dm o d e l i n g ， b o d ym e a s u r i n gd i m e n s i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：二! 避 日 期：望画业 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：2 逊导师签名乏：缘日期：釜尊! ：! 兰 第l 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题提出的背景 传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还 有2 0 亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能 源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。 这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是 重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能 源f l j 。 太阳能热水器又是太阳能利用中技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快 的领域。国际上，以色列、德国、澳大利亚、希腊、西班牙都出现了新兴的太阳 能热利用技术和热利用产业。 经过十几年的培育，我国太阳能热水器行业已形成了蓬勃旺盛的发展势头。 我国太阳能热水器销售量在2 0 0 4 年已经达到1 2 0 0 万平方米，在世界各国排名首 位，整个太阳能热水器行业产值超过1 3 0 亿元人民币，行业正以每年2 0 3 0 的 高增长率迅猛发展。作为一种有效的节能绿色产品，太阳能光热产品将在建筑供 热系统中发挥越来越重要的作用。随着中华人民共和国可再生能源法正式实 施日期的临近，中国的太阳能热利用取得了长足的发展，中国可再生能源协会秘 书长孟宪淦在接受本报记者采访时表示，未来5 年，我国太阳能热水器市场规模 将达到3 0 0 0 亿元【2 l 。太阳能热水器与燃气热水器、电热水器并列为三大家用热 水器之一，凭借其节能、环保、耐用、安全性高的特点，已脱颖而出逐渐被更多 的消费者所青睐。特剐是真空管太阳能热水器在中国的推广量已成为世界第一 位。2 0 0 6 年太阳能热水器产值超过亿元的企业有1 7 家，年销售额最大的企业皇 明公司达l o 亿元以上。 但是，太阳能阳能热水器主机部分技术含量较低，造成太阳能热水器行业门 槛较低，而目前太阳能热水器市场还很大，有利可图，因此不仅像海尔等些大 的家电厂家争相进入太阳能行业，一些小厂更是比比皆是据不完全统计，目前 全国太阳能热水器制造企业多达5 0 0 0 家，但其中真正称得上有规模、有生产能 山东大学工程硕士论文 力的品牌企业不足1 0 家。很多小企业为谋求眼前利益，在产品设计和制造上偷 工减料、以次充好，售后服务更像一张“空头支票”。据本报联合多家媒体的调 查显示：目前太阳能热水器行业前几位品牌的市场占有率不足1 7 ，只有1 6 的用户对太阳能热水器的使用情况表示非常满意或满意，3 5 2 的用户表示一 般，还有4 8 7 的用户表示不满意。可以说，是大量生产劣质产品的作坊式企业 拖累了整个行业，透支了行业的未来。 1 2 课题研究的目的和意义 太阳能热水器渐渐成为一种家电产品走进千家万户，太阳能热水器行业蓬勃 发展，前景广阔，但是产品存在诸多问题。而消费者的需求越来越高，现有的太 阳能热水器并不能很好的满足消费者需求。随着社会生产的发展、科学技术的进 步、生活水平的提高，人们早已不再满足于造型呆板、颜色单调、只有使用功能 的产品，人们在关注产品保证一定物质功能的同时，越来越注重在使用过程中的 舒适性即宜人性，既能达到舒适、高效、安全的操作，又能满足精神功能的需求 吼对太阳能热水器的使用方便性、安全性、控制面板的外观造型及界面的人机 友好性等进行研究和分析迫在眉睫。控制面板是使用太阳能热水器的重要部分， 控制面板设计的优劣直接关系到太阳能热水器使用的方便性和宜人性。为此我们 提出太阳能热水器控制面板中的人机工程学分析与研究，并最终设计出一款产品 应用在太阳能热水器上。在太阳能行业尚未见有运用人机理论对太阳能热水器进 行应用分析和研究，因此本课题的研究具有重要意义。 1 3 本课题主要研究内容 1 、运用人机工程学理论对太阳能热水器进行应用分析。 2 、综合运用人机工程学设计理论、工业设计程序、计算机辅助设计手段， 针对太阳能热水器的关键部件一控制面板及关联产品一展台和包装进行详细设 计。 3 、应用人体结构尺寸，设计太阳能热水器各部件的安装高度。 第2 章人机工程学在太阳能热水器中的应用分析 第2 章人机工程学在太阳能热水器中的应用分析 2 1 人机工程学概述 人机工程学( m a n - m a c h i n ee n g i n c e 由g ) 是研究人、机械及其工作环境之间 相互作用的学科。该学科在其自身的发展过程中，逐步打破了各学科之间的界限， 并有机地融合了各相关学科的理论，不断地完善自身地基本概念、理论体系、研 究方法以及技术标准和规范，从而形成了一门研究和应用范围极为广泛地综合性 边缘学利4 】。 人机工程学，在美国称之为人类工程学( h 啪a i le n g i n e 耐n g ) 、人因工程学 ( h 啪a 1 1f a c t o r se n g i n e e r i n 曲，在欧洲有人称之为功效学( e r g o n o m i c s ) ，日本称之 为“人间工学”。而我国目前除使用上述名称外，还译成宜人学、人体工程学等。 人机工程学的命名已经充分体现了该学科是“人体科学”与“工程技术”的结合， 实际上，这一学科就是人体科学、环境科学不断向工程科学渗透和交叉的文化产 物。人机工程学就是研究人在一定的工作环境中所涉及的解剖学、生理学、心理 学等诸方面因素，研究人一机( 物) 一环境系统中的交互作用的各组成部分( 效率、 健康、安全、舒适等) ，在具体的工作条件下。在家庭中和在休假的环境里如何 达到最优化的问题1 5 】。 人机工程学应用人体测量学、人体力学、生理学和心理学等学科的研究方法， 对人体结构和特征进行研究，提供人体机能特征参数，为产品设计提供必要的设 计参数，是设计师进行产品人性化设计所必须考虑和解决的因素。产品设计的对 象是人，因此，无论任何产品的设计都应考虑人机工程学。就产品的造型而言， 我们可以将它描述为：以人的心理因素为圆心，生理因素为半径，建立人与产品 之问的和谐关系，最大限度地挖掘人的潜能，在平衡使用者的肌能和保护人体健 康的前提下，提高生产效率。 随着社会生产的发展、科学技术的进步、生活水平的提高，人们早已不再满 足于造型呆板、颜色单调、只有使用功能的产品，人们在关注产品保证一定物质 功能的同时，越来越注重在使用过程中的舒适性即宜人性，既能达到舒适、高效、 安全的操作，又能满足人们精神功能的需求。把人机工程学原理引入到工业产品 山东大学工稃硕士论文 设计中，目的就是为了优化用户和产品之间的界面，力求使人机环境系统达 到最佳组合，从而发挥出最好的作用。 2 2 人机工程学与工业设计 2 2 1 工业设计概念 工业设计( ( i n d u s t r i a ld e s i g l l ) 是现代社会工业产品竞争力的核心要素，是实现 高新技术产业化的重要手段，是科技创新不可或缺的另一翼。它不仅指产品外观 的美化，更包括对人的因素、环境生态、技术前景、社会变革等高层次的理解， 并因此被誉为“2 l 世纪最有前途的科学”嘲。 1 9 8 0 年国际工业设计协会举行的第十一次年会上给工业设计下了如下定 义：就批量生产的产品而言，凭借训练、技术知识、经验及视觉感受赋予材料、 结构、形态、色彩、表面加工以及装饰的品质和资格，叫做工业设计。换言之， 工业设计就是为人设计产品川。 工业设计是一项综合性的规划活动，是一门技术与艺术相结合的学科，同时 受环境、社会形态、文化观念以及经济等多方面的制约和影响，即工业设计是功 能与形式、技术与艺术的统一，工业设计的出发点是人，设计的目的是为人而不 是产品，工业设计必须遵循自然与客观的法则来进行。这三项明确地体现了现代 工业设计强调“用”与“美”的高度统一，“物”与“人”的完美结合，把先进 的科学技术和广泛的社会需求作为设计风格的基础，简而言之，工业设计的主导 思想是以人为中心，着重研究“物”与“人”之间的协调关系嘲。 2 2 2 人机工程学与工业设计的关系 人机工程学和工业设计都是以人为核心，以人类社会的健康发展为最终目 的，二者是相辅相成的关系 。工业设计的核心是“以人为中心”( h u m a l l c e n t e r d e s i g n ) ，而人机工程学是实现“以人为中心”设计思想的重要理论基础，是衡 量当代产品设计水平的最重要指标。随着科学技术的发展，以人为中心的理念己 成为设计产品系统的主要目标，人机工程学也因此成为设计学科领域中的主要研 究方问，成为工业设计的主要理论基础和设计理念，是工业设计研究和实践中的 第2 章人机工程学在太阳能热水器中的应用分析 一个重要内容。它不仅能为工业设计提供设计依据，还能对工业设计提供指导性 效用。而且，工业设计的“以人为中心”，在很大程度上是依靠人机工程学的理 论和方法来实施和体现的，二者之间有非常紧密的关系。 由于工业设计在相关发展中更多的溶入了美的探求等因素，其中还包括视觉 传达设计等相关内容，而人机工程学则偏重于劳动与管理科学中的重点研究，这 是二者主要的区别。 2 2 3 人机工程学在工业设计中的作用 人机工程学为工业设计中考虑“人的因素”提供人体尺度参数【4 】；应用人体 测量学，人体力学、生理学、心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和肌能 特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、体重、体表面积、比重、重心以及人体 各部分在活动时相互关系，可及范围等人体结构特征参数提供人体各部分的发力 范围、活动范围、动作速度、频率、重心变化，以及动作时惯性等动态参数，分 析人的视觉、听觉、触觉、嗅觉以及肢体感觉器官的肌能特征，分析人在劳动时 的生理变化、能量消耗、疲劳程度以及对各种劳动负荷的适应能力，探讨人在工 作中影响心理状态的因素，及心理因素对工作效率的影响等。人体工程学的研究， 为工业设计全面考虑“人的因素”提供了人体结构尺度，人体生理尺度和人的心 理尺度等数据，这些数据可有效地运用到工业设计中去。 人机工程学为工业设计中“物”的功能合理性提供科学依据1 4 】：现代工业设 计中，如搞纯物质功能的创作活动，不考虑人机工程学的需求，那将是创作活动 的失败。因此，如何解决“物”与人相关的各种功能的最优化，创造出与人的生 理和心理肌能相协调的“物”，这将是当今工业设计中，在功能问题上的新课题。 人机工程学为工业设计中考虑环境因素提供设计准则h ：通过研究人体对环 境中各种物理因素的反应和适应能力，分析声、光、热、振动、尘埃和有毒气体 等环境因素对人体的生理、心理以及工作效率的影响程序，确定了人在生产和生 活活动中所处的各种环境的舒适范围和安全限度，从保证入体的健康、安全、合 适和高效出发，为工业设计方法中考虑环境因素提供了设计方法和设计准则。 人机工程学为进行人一机一环境系统设计提供理论依据：在“人一机一环境” 山东大学工程硕士论文 系统中，人、机、环境三个要素之间相互作用、相互依存的关系决定着系统总体 的性能。人机系统设计理论就是科学地利用三个要素之间地有机联系来寻求系统 地最佳参数。 人机工程学为坚持以“人”为核心的设计思想提供工作程序4 】：以“入”为 核心的主导思想具体表现在各项设计均以人为主线，将人机工程学理论贯穿于设 计的全过程。 人机工程学对工业设计的指导意义，最终体现在人机系统的设计，人和机是 构成人机系统的两个组成部分。工业设计师在掌握人体主要尺寸的基础上，根据 各种作业的不同特点进行人性化设计，使其能最大程度地满足操作的舒适性，方 便性，安全性。同时，也不能忽略对环境的考虑，如照明环境，温度气候小环境， 噪声环境，震动等。只有在人机工程学的指导下，才能创造出入一机一环境相互 协调而舒适高效的工作环境，从而将工业设计提升到一个新的高度。由此可见， 现代工业设计中，运用人体工程学进行技术分析，包括系统分析、参数选择及运 算，是非常必要的。随着社会的发展人们将会更加注重生活“方便”、“舒适”、 “可靠”、“价值”、“安全”、和“效率”等方面的评价，人机工程学的研究，将 会大大推动工业设计水准的提高。 2 3 太阳能热水器 2 3 1 太阳能热水器概述 太阳能热水器是利用太阳辐射能将水加热的装置。它是目前在太阳能利用领 域中技术发展最成熟、经济上也已具有竞争力的绿色能源技术。当前在全世界范 围内，各种太阳能热水装置的生产已经发展成为一个新兴的产业，并在生活和某 些生产领域中得到了普遍的推广、应用。太阳能热水器以其安全、节能、环保、 方便的突出特点，日益备受瞩目。随着我国全玻璃真空管和超导热管等关键技术 的不断突破，屠世界领先水平的太阳能热水器取得了前所未有的高速发展，其市 场发展潜力也日益巨大。据中国五金制品协会统计，目前中国城市家庭中，5 7 4 拥有燃气热水器，3 1 3 拥有电热水器，拥有的太阳能热水器只有7 6 但在 城市家庭的购买预期调查中，三者的比例将演变为3 5 8 、3 0 2 、2 3 2 ，形 第2 章人机工程学在太阳能热水器中的应用分析 成三足鼎立之势，太阳能热水器的比例将获得大幅增长【9 l 。 太阳能热水器的发展，经历了四个阶段：闷晒式、平板式、玻璃真空管式、 热管真空管式【l o l 。 第一代：闷晒式。美国马里兰州的肯普于1 8 9 1 年发明世界上第一台太阳热 水器，将其命名为：“顶峰”热水器，从肯普发明第一个太阳热水器，到第二次 世界大战结束，大约经历半个世纪，是人类自觉利用太阳热水的初始阶段，在这 期间人们创造了各式各样的闷晒式太阳热水器。2 0 年前在我国曰照时间长的西 北等地区有使用，现已遭淘汰。 第二代：平板式( 如图2 1 所示) 。因抗冻效果差、热损耗大，易积水垢、 热效率低及使用寿命短等问题已逐渐淘汰。但其制造成本低，目前仍在工程项目 中有一定的市场。 第二次世界大战结束，各种简易的平板太阳集热器设计已开始在市场和专利 中出现。2 0 世纪7 0 年代，世界能源危机日趋严重，太阳能利用重新重视起来， 平板集热器的设计得到不断发展，结构上从最早的管板式，到扁盒式、铝翼式、 铜铝复合翅片式。表面涂层从最早的非选择性涂层黑板漆，发展到各种选择性吸 收涂层，如铝阳极氧化、镀黑镍等。透明盖板从普通平板玻璃也发展到钢化玻璃。 我国太阳能热水器的开发研究，从6 0 年代开始，在平板太阳能热水器的开 发上，也做出过不少贡献，到9 0 年代全国已形成若干以科技型企业为龙头的太 阳能热水器产业，达4 0 0 0 余家之多。1 9 9 5 年销售量超过1 0 0 万平方米。 第三代：全玻璃真空管式。美国欧文斯一伊利诺依公司发明并于1 9 7 5 年率 先推向市场。当时，集热管的选择性吸收涂层的平均阳光吸收率约为8 3 我国 清华大学于1 9 7 9 年初开始研制全玻璃真空管太阳集热器，最后由殷志强教授研 制成功。保温性能好，可抗直径为2 5 毫米冰雹的袭击，适合于气温为2 5 以上 地区使用，成本适中，是现在市场上应用最广的一种( 本课题将对其进行详细说 明) 。 第四代：熟管真空管式( 如图2 2 所示) 。我国采用美国应用于航天、人造 卫星上的先进导热科技，将超级导热管与全玻璃真空集热管相结合，研制开发出 山东大学工程硕士论文 的新一代热管真空管式太阳能热水器，导热快，热效率高，特别适用于阳光不足 或每天日照时间短的地区。真空管不通水，不结垢，抗冻能力强，保温性能好， 使用寿命长，乃市场新宠。 据各种资料分析：国内市场三种不同类型热水器的市场份额见表2 1 ，目前 在市场上占主导地位的是平板型和真空管型两种。 表2 1 我国家用热水器的市场份额 我国的太阳能热水器工业逐步走向成熟，除了技术不断改进、产品质量不断 提高外，几种热水器的国家标准已经颁布并开始实施：如 “平板热水器热性能评价实验方法” c g b4 2 7 1 8 4 ) “平板热水器产品技术指标” ( g b6 4 2 4 8 6 ) “家用热水器热性能实验方法” ( g b1 2 9 1 5 9 1 ) “全玻璃真空管集热器” ( g b 厂r1 7 0 4 9 1 9 9 7 ) 等1 1 1 】。 图2 1平板太阳能热水器图2 2 全玻璃真空管太阳能热水器 第2 章人机工程学在太阳能热水器中的应用分析 2 3 2 太阳能热水器主要部件构成 l 、太阳能热水器主机 家用太阳能热水器主机包括；集 热管、水箱和支架( 如图2 3 所示) 。 集热管是吸收太阳光转换成热能 的器件，现在应用最广泛的是真空集 热管。 水箱是内外为金属材料，中间填 充保温材料的盛水容器，现多设计成 截面为圆形的圆柱体形状。 支架是支撑水箱和集热管的金属 架构，其倾角各厂家多设计为3 0 。、 4 5 。、5 0 。三个规格。图2 3 太阳能热水器主机 2 、控制面板 控制面板主要由控制主机、水温水位传感器、电磁阀、辅助电加热器、防冻 传感器等部分组成。是太阳能热水器系统的大脑，控制整个系统的运行。显示太 阳能热水器的运行状态，用户通过控制面板获悉太阳能热水器的水箱温度值和水 量值，并可进行控制面板所具备的各项功能操作。 3 、其它各配件 太阳能热水器除了主机和控制面板外，还有混水阀、淋浴喷头等其它各配件。 混水阀是用户洗浴时控制出冷热水的配件。 山东大学工程硕士论文 2 4 人机工程学在太阳能热水器中的应用分析 2 4 1 人机工程学在太阳能热水器各配件中的应用分析 在进入2 1 世纪，面临经济全球化的今天，企业的产品将面临更广泛、更严 厉、多层次的消费者审视。在一个高度竞争的市场上，使用者的需求与喜好将在 产品开发过程中得到更大关注。结合人机工程学的理论，改进太阳能热水器的设 计，使其外观部件的尺度比例及部件位置的安装，符合产品的功能和操作方便： 使其更为人性化，不仅满足其功能要求、美学要求，更满足使用者的安全，舒适 性要求，有利于健康和操作的得心应手，与环境保护一致，最大限度的发挥产品 的效用。 1 、太阳能热水器主机 对于太阳能热水器主机的设计，主要从三个方面考虑：怎样提高集热管的集 热效率，怎样使水箱保温效果更好，怎样使支架结构设计更合理，适用于各类建 筑。 太阳能热水器的进步，关键是集热管的变革发展。随着集热管真空渡膜技术 的提高，集热管的形状较原来长度加长，直径加大。长度由1 2 米、1 5 米，增 加到1 8 米、2 1 米；直径由谚4 5 m m ，增加到让5 8 m m 。 现在市场上销售的太阳能热水器水箱的形状多为圆柱体，截面是圆形。最初 水箱的形状曾被设计为其它形状，如长方体，截面为正方形。但经实践证实，同 样容积的情况下，圆柱体散热面积最小。而且从加工工艺上考虑，金属板折弯成 圆筒形后，只有一个连接缝，而其它形状则需要多次连接。从美学角度考虑，圆 柱体较长方体圆滑，美观。水箱保温层的尺寸也由薄变厚，现在生产的厚度多在 6 0 m m 以上，保温效果非常好。由于现在太阳能热水器主机多安装在房顶上，水 箱封头和水箱体上设计醒目的公司标志或产品名称，可以起到很好的宣传效果。 支架设计要符合安装建筑的要求，平顶房用普通支架就可以，坡顶房则要用 坡顶专用支架。支架设计要符合力学原理，确保水箱不会变形，集热管安装拆卸 方便。根据南北方地理的差异和太阳辐射角度、强度的不同，要求太阳能热水器 第2 章人机工程学在太阳能热水器中的应用分析 有最佳黄金倾角，根据中国大陆的纬度情况看，3 3 。5 5 。为最佳设计角度，支 架如设计成在此角度范围内可调节，将会大大提高太阳能集热管的吸热效率。 2 、控制面板 控制面板是用户和太阳能热水器交流的桥梁，是人机信息传递和交换的枢 纽，其设计一方面要求适于人的操作，另一方面又要满足人们的审美和认知精神 需要。机壳笨重，尺寸比例不协调；显示界面不容易辨识；按键操作不舒适；声 音不悦耳；安全没保障，都将不能被用户所接受，最终被市场所淘汰。 对于仪表造型设计，外形要具备和谐的比例尺度，使其具有形式和功能的统 一，比例和尺度的统一，功能、材料、结构、工艺等因素有机组合的格调的统一。 既要满足造型的整体感，使造型简洁、大方、美观，又要便于操作。因此，对面 板的艺术设计就要求构图匀称、清晰、具有时代感，字迹图形简明易懂，色彩对 比鲜明和谐；对面板的构成可选择既赋动感又具安静舒适的视觉效果的曲线分 割；面板材质的选择可选用注塑成型的工程塑料，并做喷塑处理；色彩的选择可 采用刺激性小、对比度稍强、易于其它部件和主体色协调的颜色。总之，仪表造 型设计既要求在造型变化中的协调，又要求在造型统一中求变化。 在下面第三章中作者将应用人机工程学和工业设计与机械设计、计算机技术 等一起针对控制面板的外形尺寸、色彩、按键，显示屏和安装方式等进行详细设 计。 3 、混水阀和淋浴喷头 单手柄陶瓷密封冷热水混合水阀，其密封件采用更为新型的冷热水混合陶瓷 片阀芯，使用时，由单一手柄控制出水量和水温，操作方便舒适。单柄龙头结构 较复杂、技术含量较高，现己在家庭卫浴中得到普及。但当水压高时难以进行细 微的温度调节，存在浪费水的问题。因此出现了更为人性化恒温式水龙头，此方 式通过龙头内装设的感温体的伸缩，自动调节冷热水的比例，使水温达到温度调 节旋钮所指示的温度，从而确保温度的稳定性和舒适性。此外，最新设计的恒温 龙头都设有安全钮，需要4 0 以上的温度时必须按下安全钮才会出水，可防老 人、幼儿乱拧造成的烫伤事故。 山东大学工程硕士论文 随着人们对沐浴质量的逐渐重视，淋浴喷头已经告别简单的喷水功能，不论 在造型还是性能上均获极大完善，并被赋予一个好听的名字一花洒【1 2 l 。紧贴墙 壁的设计，让它毫不占据空间。花洒面积不大，只要对出水孔大小进行科学设计， 就能提供给人更多的沐浴享受。花洒除了出水方式外，还具有节能、自洁、恒定 水温等多样化功能。为了避免因水质不良而造成出水口的堵塞，许多花洒设置了 自动清除水垢的功能，使花洒始终处于良好的出水状态。 4 、电磁阀 电磁阀是实现太阳能热水器自动上水功能的 配件，当用户要给太阳能热水器上水，按下控制 面板上的上水键后，控制面板将开启电磁阎上水。 由于长时间使用后，水中的杂质很容易存留在电 磁阀内，造成电池阀出现故障，无法工作。因此 对电磁阀结构进行改进，增加了过滤网结构( 如 图2 4 所示) ，用户可用手拧下来，方便的清洗过 滤网，充分考虑了用户使用的方便性。 2 4 2 太阳能热水器与建筑一体化的研究 图2 4 带过滤网设计的电磁阀 太阳能热水器的优越性早为人们认同，并有多年的使用经验，但在住宅建筑 中往往将其作为一种设备，支架或挂附在建筑物的墙面，屋面上( 如图2 5 所示) ， 其特立独行的模样影响了建筑的观瞻，以至于许多地区从整顿市容的角度出发要 求拆除群众自发安装的太阳能热水器。怎样解决好上述闯题，既有效利用太阳能 又美化建筑环境，已成为更好的推广太阳能热水器的关键问题，也是太阳能热水 器未来发展的方向之一。 建筑外观是建筑总体形象的外部体现，是一幢建筑或一组建筑群体的外部形 象，是建筑给予人们的第一感受。建筑设计将太阳集热器作为建筑的重要组成元 素，将其有机地结合到建筑的整体形象中，既不能破坏建筑的总体形象与风格， 又要精心设计，使太阳集热器的加入为建筑风貌添光彩，创造出装置有太阳热水 系统的新型的建筑形式i b l 。较为常见的是将太阳集热器设置在建筑的屋面( 平、 第2 章人机工程学在太阳能热水器中的应用分析 坡) 上，建筑的外墙面上、阳台上、女儿墙、建筑坡檐上，或者用在建筑遮阳板 的位置，以及庭院花架，建筑物屋顶飘板等能充分接受阳光、建筑又允许的位置， 而容水箱放置在室内( 如图2 6 所示) ，这种太阳能热水器需设计成分体承压式 的。由于太阳集热器与建筑结合设计，会有崭新的充分表达太阳热水系统科技内 容的新颖的建筑形式出现。 建筑的体型及空间组合应与太阳热水系统紧密又结合，安置太阳集热器的部 位需能充分接受阳光的照射，避免受建筑自身凹凸及周围景观设施、绿化树木的 遮挡，保证太阳集热器获得不少于6 h 的日照时数。设置安装的太阳集热器设置 应与建筑有机结合，和谐统一，并注意与周围环境相协调。同时应对设置太阳集 热船的部位采取安全防护措施，避免集热器损坏造成对人的伤害。采取设置挑檐、 雨蓬等遮挡的防护措施。 图2 5 普通的太阳能热水器工程图2 - 6 与建筑结合的太阳能热水器 山东大学工程硕士论文 2 5 本章小结 本章介绍了人机工程学概念，及与工业设计的关系。对太阳能热水器和发展 阶段简单介绍，转入人机工程学在太阳能热水器中的应用分析。并阐明太阳能热 水器与建筑相结合是未来发展的方向之一。 第3 章太阳能热水器控制面板的设计 第3 章太阳能热水器控制面板的设计 3 1 控制面板设计任务书 3 1 1 新产品市场定位 l 、同类产品：杭州西子、广东顺德天鸿五金电器厂、清华阳光等。 2 、面向的市场面及客户群体： ( 1 ) 主要与我公司太阳能热水器配套使用，同时也面向其他太阳能热水器 厂家及代理商。 ( 2 ) 客户群体主要是中、高层消费者。 3 1 2 产品的功能及用途 l 、使用环境：家庭浴室，相对湿度 9 0 r h ( 4 5 ) 。 2 、该产品是与太阳能热水器配套使用的智能控制仪表，主要功能如下： ( 1 ) 微电脑控制，采用图形点阵式液晶与段码式液晶显示混合使用。 ( 2 ) 实时显示太阳能热水器水箱中的水温、水位状况，及当前日期和时间， 预约上水和电热时间、桑乐标志。 ( 3 ) 上水功能：可循环设定水量，定量上水，并可自动上水、自动停水。 ( 4 ) 电热功能：辅助电加热作为太阳能的有效补充，且可设定电加热所要 达到的温度。 ( 5 ) 防冻功能：自动和强制防冻。低于4 自动防冻，高于1 4 自动关， 可手动强制开启。 ( 6 ) 预约时间：可预约自动上水、辅助电加热的时间。 ( 7 ) 音乐提示音：缺水、水满，上水到设定水量、加热到设定温度，按键 按下等有音乐提示。 山东大学工程硕士论文 刁k o ( 8 ) 安全自检：对太阳能及仪表的工作状态进行安全检查，并在液晶上显 ( 9 ) 满水保护时间设定功能：设定上水到三格后，继续上水的时间长度。 防止因传感器出现故障，不能检测到水满导致楼顶漏水的问题出现。 3 1 3 控制面板设计项目内容 l 、概念设计创意构思草图 ( 1 ) 液晶显示画面：各功能字样及图画在液晶上合理布局。 ( 2 ) 按键区：按键造型及布局设计。 ( 3 ) 主机机壳：符合人机工程学要求和功能使用要求的造型设计。 2 、外观设计建模及渲染，提供三维效果图。 3 、结构设计及建模，提供全套图纸。 4 、样机模型制作。 5 、模具监制，结构、外观设计效果达到符合模具生产的设计要求。 3 1 4 设计要求 l 、液晶画面设计时，段码显示内容区域与点阵式显示内容区域分块隔离， 段码显示区不能再作为点阵式显示区。而且，在能明确表达意思的前提下，文字 字数尽量少。 2 、造型设计应新颖、美观大方，在满足内部元件空间要求的情况下，产品 尽可能显得薄一些。体现时代感，并具有独特风格，符合人机工程学要求，保证 设计达到国家现行规定的各项安全与技术标准，及有关设计目标的要求。且该款 产品设计应考虑使之可形成系列。 3 、造型及结构设计满足家庭浴室的使用环境，达到防水、防潮、耐热、耐 燃、内部器件及部线合理、安装方便，明装暗装均可等要求。 附：该型机接线较多，包括：外接线( 4 o 3 舢2 、2 o 3 m m 2 、4 l m m 2 、 1 6 第3 章太阳能热水器控制面板的设计 2 1 m m 2 、) ，电源线( 3 1 m m 2 ) ，请考虑出线位置，及接线外观。 4 、造型及结构设计符合大批量生产的要求。 5 、三维效果图应具有真实感，以便客观正确评价和审定设计方案。 6 、造型设计图应符合制图标准。 7 、样机应可试操作。 3 1 5 设计完成形式 1 、不同风格的创意方案三幅。 2 、三维实体参数建模及三维彩色效果图( 彩色打印及电子文件) 。 3 、造型设计机械制图( 打印图及电子文件) 。 4 、色彩设计( 电脑彩色方案) 。 5 、样机一件。 3 2 控制面板创意方案设计 3 2 1 三种创意方案三维效果图 方案一： 图3 1 方案l 效果图 山东大学工程硕士论文 方案二： 方案三： 图3 - 2 方案2 效果图 图3 3 方案3 效果图 3 2 2 对控制面板的三种创意方案进行分析比较 首先排除了第三种方案，第三种方案外形为长方体，给人感觉较笨重，从造 型上考虑，方案一和方案二使用了曲面和大的圆角，产生了舒缓的流线型美感， 使控制面板安装在用户家里时，不单单起到了电子产品的控制功能，同时又起到 第3 章太阳能热水器控制面板的设计 装饰作用，给人以美的享受。但从按键的设计上，方案一的按键排列在显示屏两 侧，主要经常使用的按键设计在右侧，方便用户操作；方案二按键紧密排列在一 行，排列密集，重要按键不突出。从色彩设计上，方案一不同零部件使用不同颜 色，容易喷塑加工；方案二在上盖中使用两种颜色，增加了加工工艺的难度。从 显示屏设计上，方案一可以把显示屏做的较宽，用户可以很清晰的识别控制面板 上的操作信息。因此最后选定方案一为最佳方案，并进行下一步详细设计。 3 3 选定方案详细设计 3 3 1 控制面板机壳设计 3 3 1 1 机壳尺寸比例设计 工业产品设计不仅是功能、性能等技术设计，还融合了外观造型设计。而产 品外观部件的位置、尺度比例、色彩、材质、装饰等都会在使用者心中产生不同 感受，或明朗、愉快，或沉闷、压抑，影响人的情绪，产生冷暖感、兴奋感、平 静感、轻重感、大小感与疲劳感等，进而影响产品功能的发挥和使用积极性。产 品外观部件的尺度比例及部件位置的布置，应符合产品的功能和操作方便1 1 4 】。 适当的比例是产品完美造型的基础。运用适当的比例可以合理确定产品部分 与部分之间、部分与整体之间的相关尺寸，合理构成产品的形态。 本课题研制的控制面板采用对称造型，给人以端庄、规整的视觉效果【1 5 l 。 控制面板的尺寸，多按照比例美原则进行设计，各尺寸比例为：机壳长宽比 m 1 ：m 2 = 2 2 2 ，采用了5 矩形比例，按键和显示屏在整个控制面板水平方向上的 比m 7 ：m 1 - o 5 9 ，按键和显示屏在整个控制面板垂直方向上的比m 6 ：m 2 = o 5 ，按 键和显示屏占据整个控制面板的一半，突出大显示屏的感觉( 如图3 - 4 所示) 。 山东大学工程硕士论文 3 3 1 2 机壳色彩设计与分析 图3 4 控制面板尺寸图 色彩在工业产品的艺术设计中发挥着重要作用，运用色彩可以实现形态的表 面分割、产品注视的中心、改变令人不满意的比例等。色彩可以形成一种视觉语 言【1 6 1 。其总的原则是： l 、突出重点( 形成注意的中心) ：通过给产品或产品的某个部位涂色，使其 突出于背景或其它部位的方式，将注意力引向产品或产品的某个部位。 2 、分隔与联系：产品不相连的独立部分可以通过使用恰当的色彩在视觉上 实现互相分隔或互相联系，使产品在视觉上表现得更为一致或分离，更为简洁或 复杂。 3 、比例与方向性：一件产品的视觉比例能通过将其表面分割成不同色块而 得到加强或改变。 4 、厚薄感：由于深浅色使人对物体有不同的厚薄感，统一物体深色显薄， 浅色显厚。因此，可以用深浅不同的色彩来调整产品的厚薄感。 根据以上原则，本课题控制面板的色彩设计采取了下述方案：采用二套色， 即白色配蓝色，上部用白色，显得洁净典雅；活动盖和底部用蓝色，上轻下重， 上明下暗，给人稳定感、均衡感、庄重感。增加了整体明度，降低了纯度，使人 具有冷暖感，上下色彩采用对比处理，显得整体明快，庄重。按键膜使用灰背景， 手操作部位用蓝色，重点突出，与底色对比鲜明。 第3 章太阳能热水器控制面板的设计 白色象征着洁净、明亮，蓝色乃海洋之色，典雅大方，灰色是万能色，可与 任一色彩搭配，从色彩的时代要求来看，这几种主色都是时代的流行色，符合现 代人普遍的色彩审美观念，既迎合了消费者的心理，又能体现出产品高科技的韵 昧。 3 3 2 控制面板视觉显示界面设计 产品与人的信息传递，有视觉显示、听觉传递和触觉传递等形式，其中视觉 信息最主要，产品操纵过程就是操作者对产品中的信息进行传递和处理的过程， 信息传递与处理的速度、质量直接影响工作效率和效果。操作者从信息显示装置 得到信息应当是准确和及时的。 卡西尔说：“正是符号思维克服了人的自然惰性，并赋予人以一种新的能力， 一种善于不断更新人类世界的能力”f 埘。对产品视觉符号语言进行研究，不断 创造出符合人机关系的产品，使用户通过外形理解产品的功能，产品应当自己会 “说话”，告诉用户它有什么功能、怎么操作，使使用者更加方便、准确、安全、 健康地使用产品，这样才能使符号元素代表地观念、意义、信息有效快速得到传 递。 设计民用产品，特别是家电产品，很重要的一点就是其功能和操作方法容易 被用户所掌握。太阳能热水器是民用产品，因此在设计其控制面板时，应考虑使 其显示界面人性化，可以通过符号和色彩来表达或区分，使其自身就能解释功能 和操作方法，让用户一看就明白，而不是像现在许多家电产品，要翻阅厚厚的说 明书才能掌握如何使用， 本课题开发了两种显示方式，液晶( l c d ) 显示和数码管( l e d ) 显示。液 晶( l c d ) 显示的控制面板命名为“数码王”，数码管( l e d ) 显示的命名为“彩 屏王”，在设计中，均使用了符号和色彩来表达产品的功能和工作状态。 3 3 2 1 液晶显示设计 数码王液晶屏采用蓝底白背光点阵式液晶，档次高，优点是：体积小，形状 薄，重量轻，视域宽，显示信息量大，无闪烁。但是l c d 显示屏存在视角问题。 原因是其物理结构特点决定会对用户眼睛产生不同程度的反射和眩光。 山东大学工程硕士论文 数码王提供了强大的个人定制功能，用户可以根据自己喜好定制符合个人习 惯或适应自己家庭情况的功能设置，充分体现了以人为本的产品设计原则。 1 、通过菜单可以完成各项功能及设置，菜单结构框图( 如图3 5 所示) ： 单次e 水返回 水位耀广启动黝上水预纽脉姐卜一钢上水j 匾回 温宣耀j l 划耻水删 返回厂单次上水返回 黝理”卜启动泐电热一黝e 水谴卜钢上水返回 l 关闭叼约返回 l 一关闭昕有预约返回 r 确定并返回 时钟设置时钟设置一l 取消 # 返回 返回 启动强制