CN101929755A - 一种基于图像识别技术的空气源热泵除霜系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像识别技术的空气源热泵除霜控制方法及系统，属于空调热泵技术应用领域。本发明在空气源热泵原有系统结构基础上，在室外侧换热器[3]的外部中间部位设置拍摄室外侧换热器[3]表面霜层分布的摄像头[7]，实时拍摄热泵机组制热运行时室外换热器表面的结霜情况，通过图像识别技术获取室外换热器表面的结霜面积，并以此控制热泵机组的除霜运行。本发明与传统空气源热泵除霜控制技术相比，有效避免了热泵机组室外换热器有霜除不尽、无霜除霜及换热器表面积灰造成误除霜的不足，降低了热泵机组的除霜损失，提高了机组的制热性能，在空气源热泵机组室外换热器结霜较严重地区应用效果尤为突出。

Description

一种基于图像识别技术的空气源热泵除霜系统及其控制方法

技术领域

本发明属于空调热泵应用领域，特别是一种基于图像识别技术的空气源热泵除霜系统及其控制方法。

背景技术

空气源热泵机组是目前建筑物空调供暖及热水供应系统中应用较多的一种热源设备，而空气源热泵机组冬季制热运行时遇到的最大问题是室外换热器表面结霜，由于霜的形成与增长，加大了换热器表面与空气间的传热热阻，增加了气流通过换热器的流动阻力，使通过换热器的空气流量下降，导致热泵机组室外换热器从空气的吸热量降低，使热泵机组的工作状况恶化，以致不能正常工作。因此，空气源热泵机组的除霜控制是保证机组可靠、高效运行的基础。目前国内外对空气源热泵机组的除霜控制方法进行了大量的研究，并取得了一定的研究成果。用于风冷热泵及其它低温制冷设备的除霜控制方法主要有：

定时除霜法：机组设定固定的热泵制热循环时间，无论室外环境条件如何均按设定的时间间隔周期性除霜，该方法虽除霜控制简单，但易造成有霜除不尽及无霜除霜的误除霜操作，影响热泵机组的运行效率。

时间-温度(压力)法：随着霜层的增加，机组工作的蒸发温度(压力)会相应下降，蒸发器翅片管的温度也会下降，因此，设定一个蒸发温度(压力)或蒸发器翅片管的温度值及一个同上次除霜的时间间隔值，当传感器感受的温度(压力)及机组制热工作时间均达到设定值时，开始进行除霜循环。机组的制热工作时间可根据具体条件改变。这种方法较定时除霜法有所进步，但仍未克服除霜控制对机组工作条件适应性差的缺点，仍会产生不必要的除霜。

空气压差控制除霜法：由于结霜及霜层增长，加大了流过蒸发器的气流阻力，蒸发器两侧空气压力差增大，通过测量蒸发器两侧空气压差，在压差达到一个预定值时开始进行除霜。这种方法可实现根据需要除霜，但在蒸发器表现有异物遮挡或严重积灰时会出现误动作。

霜层传感器控制除霜法：蒸发器上的霜层情况可由光电或电容探测器直接监测。用一个光源配套探测器或将一对电容装在盘管上，当霜层挡住光源或改变了介电常数时，电路将此信号变化为除霜触发信号；但该方法易受外界环境干扰且传感器价格偏高，在实际机组上难以推广应用。

声音振荡器控制除霜法：由于共鸣频率与质量有关，随着霜层的积累，共鸣频率就发生显著的变化，通过监测安装在蒸发器内的声音振荡器的共鸣频率来推知霜层厚度，以控制除霜动作，这种装置的造价高，容易受到外界环境的干扰而不能用于实际的热泵机组上。

最大平均供热量控制除霜法：当空调器运行在结霜工况时，其每一个制热周期由制热时间和除霜时间组成，累积制热量和耗电量都与热泵和环境参数及制热，除霜时间有关，存在一个最佳供热点，在平均制热能力最大时开始进行除霜的时刻。但是这种方法也有几点不足之处：低温低湿环境下，除霜次数的增加及系统高低压频繁变化，影响热泵系统的可靠性；增加换热器出口空气参数，增加了融霜控制系统的费用；不考虑室外侧换热器盘管的温度，提高了平均制热能力，也减少了制热工作时间，增加了除霜次数和损失；空调器出风温度的频繁变化会造成室内人员不舒适度感。

最佳除霜时间控制法：除霜时间与结霜量之间存在一定关系，若确定一个优化的除霜时间，则可控制热泵机组的结霜量。这种除霜控制方法可以自动调节热泵机组的运行状况以适应不同的气候条件，但也有一些有待进一步解决的问题，首先是最佳除霜时间如何确定，为适应最佳除霜时间而造成频繁除霜时，应有相应的解决措施；其次，在天气突然变化时，这种控制的适应性欠佳，如在温度低而相对湿度也较低时，除霜时间会变得很长，一旦突遇雨雪，除霜控制难以迅速适应天气变化，使得蒸发器严重结霜。

模糊除霜控制：该系统由数据采集与A/D转换、输入量模糊化、模糊推理、除霜控制、除霜监控与控制规则调整等功能模块组成。系统的工作过程如下：以一定的时间周期对大气温度、翅片温度、风机电流进行数据采集，并进行A/D转换；根据输入论域及隶属函数对各输入量进行模糊化，基于一组控制规则的推理结果查询除霜控制规则，确定是否需要除霜；若需要，则发出除霜控制信号，启动除霜循环。除霜监控模块对除霜过程进行监控，分析除霜控制是否达到要求；若满足要求，则保持现有除霜控制规则，否则修改除霜控制规则。这一过程按一定周期不断循环，从而保证除霜系统根据运行状况进行适时除霜。

该方法的工作过程需要不断的进行监控，分析，修改等程序，耗时耗能，大大提高了造价和增加了实际应用的推广难度。尽管目前模糊控制技术已经开始在制冷空调中运用，但是解决这一智能控制技术的关键问题之一即以什么样的标准去获得模糊控制的规则，怎么样获得模糊控制规则和怎样进行模糊控制的自适用修改问题还没有得到很好的解决。

现有除霜控制方法虽然很多，但均难以解决空气源热泵机组供暖运行时的有霜除不尽及无霜除霜的误除霜动作，以及换热器表面积灰对除霜控制的影响等不足。

发明内容

本发明的目的和任务在于提供一种基于图像识别技术的空气源热泵除霜控制方法，以解决现有空气源热泵机组除霜控制方法中有霜除不尽、无霜除霜及换热器表面积灰造成机组误除霜的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于图像识别技术除霜的空气源热泵系统，包括压缩机、四通换向阀、室外侧换热器、节流机构、室内侧换热器、气液分离器，气液分离器的出口与压缩机的吸气口连接，压缩机的排气口与四通换向阀的进气端连接，四通换向阀的回气口与气液分离器的入口连接，四通换向阀的另外两个接口分别与室外侧换热器的第一接口及室内侧换热器的第一接口连接，节流机构的一端与室外侧换热器的第二接口连接，另一端与室内侧换热器的第二接口连接；在室外侧换热器的外部中间部位设置拍摄室外侧换热器表面霜层分布的摄像头，该摄像头与机组控制器连接。

一种基于图像识别技术的空气源热泵除霜控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)机组控制器发出指令控制机组切换至制热运行模式，判断摄像头时间继电器接收的机组控制器的时间间隔Δt，当时间间隔大于等于非除霜过程摄像头扫描时间间隔Δt₁，执行步骤2)；若时间继电器接收的机组控制器的时间间隔小于Δt₁，摄像头不工作；

2)摄像头按时间间隔Δt₁对室外侧换热器的表面进行摄像，并将信号传输给机组控制器，机组控制器对接收到的图像信号进行滤波、锐化及图像边缘提取处理；

3)对图像边缘提取后的图像进行二值化分割，得到灰度值小于阈值p的像素点数n，并计算室外换热器表面结霜面积比例系数x，该面积比例系数x为像素点数n与摄像头在固定物距处拍摄图像的总像素数N的比值；

4)根据室外换热器表面结霜面积比例系数x控制机组的除霜运行；当x大于或等于设定阈值X_set时，执行步骤5)，否则返回步骤1)；

5)运行除霜模式，系统进行除霜；

6)判断摄像头时间继电器接收的机组控制器的时间间隔Δt，当Δt大于等于除霜过程摄像头扫描时间间隔Δt₂，摄像头按时间间隔Δt₂对室外侧换热器的表面进行摄像，并将信号传输给机组控制器，机组控制器对接收到的图像信号进行滤波、锐化及图像边缘提取处理；对图像边缘提取后的图像进行二值化分割，得到灰度小于阈值p的像素点数n，并计算室外换热器表面结霜面积比例系数x；当Δt小于Δt₂时，返回步骤5)；

7)判断表面结霜面积比例系数x是否等于0，当不为0时，返回步骤5；否则结束除霜，并经Δt₃时间延迟后返回步骤1)。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)采用图像识别技术实时检测热泵机组室外换热器表面霜层分布，能准确、有效判断室外换热器表面的结霜情况；(2)通过对室外换热器表面霜层图像的识别处理进行除霜控制，能有效避免热泵机组供暖运行时有霜除不尽及无霜除霜的误除霜动作，减小热泵机组的除霜损失及提高机组的制热性能；(3)通过对拍摄图像的二值化分割处理，避免了换热器表面积灰对除霜控制的影响，减小热泵机组的误除霜动作及除霜损失，提高机组的性能。适用于应用风冷热泵机组进行冬季供暖及热水提供的场合，尤其是在冬季室外低温潮湿、热泵机组室外换热器结霜较严重地区。

附图说明

图1为本发明的一种基于图像识别技术除霜的空气源热泵系统原理图。

图2为本发明的一种基于图像识别技术的空气源热泵系统除霜控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。结合图1，本发明的一种基于图像识别技术除霜的空气源热泵系统，包括压缩机1、四通换向阀2、室外侧换热器3、节流机构4、室内侧换热器5、气液分离器6，气液分离器6的出口与压缩机1的吸气口连接，压缩机1的排气口与四通换向阀2的进气端连接，四通换向阀2的回气口与气液分离器6的入口连接，四通换向阀2的另外两个接口分别与室外侧换热器3的第一接口及室内侧换热器5的第一接口连接，节流机构4的一端与室外侧换热器3的第二接口连接，另一端与室内侧换热器5的第二接口连接；室外侧换热器3的外部中间部位设置拍摄室外侧换热器3表面霜层分布的摄像头7，该摄像头7与机组控制器8连接。上述摄像头7为CCD摄像机或CMOS摄像机或红外摄像头。

结合图2，本发明的一种基于图像识别技术的空气源热泵系统除霜控制方法，包括以下步骤：

1)机组控制器8发出指令控制机组切换至制热运行模式，判断摄像头时间继电器接收的机组控制器的时间间隔Δt，当时间间隔大于等于非除霜过程摄像头扫描时间间隔Δt₁，执行步骤2)；若时间继电器接收的机组控制器的时间间隔小于Δt₁，摄像头7不工作；

2)摄像头7按时间间隔Δt₁对室外侧换热器3的表面进行摄像，并将信号传输给机组控制器8，机组控制器8对接收到的图像信号进行滤波、锐化及图像边缘提取处理，旨在消除图像的噪音干扰并得到清晰的图像轮廓；

3)对图像边缘提取后的图像进行二值化分割：

图像的像素灰度值表示为f(x，y)，(x，y)为数字图象的空间坐标，G＝{0，1，2，...，255}，是图像灰度级集，即f(x，y)为空间点(x，y)的像素灰度级。以p为阈值的二值化处理方法为：

$f_p(x,y)=\left\{\begin{array}{c}1,f(x,y)<p\\ 0,f(x,y)\&GreaterEqual;p\end{array}\right.$

$n=\underset{x,y}{\mathrm{\&Sigma;}}{f}_p(x,y)$

得到灰度值小于阈值p的像素点数n，并计算室外换热器3表面结霜面积比例系数x，该面积比例系数x为像素点数n与摄像头7在固定物距处拍摄图像的总像素数N的比值；

4)根据室外换热器3表面结霜面积比例系数x控制机组的除霜运行；当x大于或等于设定阈值X_set时，执行步骤5)，否则返回步骤1)；

5)运行除霜模式，系统进行除霜；

6)判断摄像头时间继电器接收的机组控制器的时间间隔Δt，当Δt大于等于除霜过程摄像头扫描时间间隔Δt₂，摄像头7按时间间隔Δt₂对室外侧换热器3的表面进行摄像，并将信号传输给机组控制器8，机组控制器8对接收到的图像信号进行滤波、锐化及图像边缘提取处理；对图像边缘提取后的图像进行二值化分割，得到灰度小于阈值p的像素点数n，并计算室外换热器3表面结霜面积比例系数x；当Δt小于Δt₂时，返回步骤5)；

7)判断表面结霜面积比例系数x是否等于0，当不为0时，返回步骤5；否则结束除霜，并经Δt₃时间延迟后返回步骤1)。

Δt₁是指热泵机组在制热运行(非除霜阶段)时摄像头的扫描时间间隔；Δt₂是指热泵机组进入除霜运行模式后摄像头的扫描时间间隔。

下面结合具体实施例，对本发明做进一步详细的说明。

实施例：

摄像头7安装于室外侧换热器3外部的中间部位，拍摄室外侧换热器3表面中间部位霜层分布，具体控制方法如下：

1)机组控制器8发出指令控制机组切换至制热运行模式，判断摄像头时间继电器接收的机组控制器的时间间隔Δt，当时间间隔大于等于非除霜过程摄像头扫描时间间隔Δt₁＝300s，执行步骤2)；若时间继电器接收的机组控制器的时间间隔小于Δt₁，摄像头7不工作；

2)摄像头7按时间间隔Δt₁对室外侧换热器3的表面进行摄像，并将信号传输给机组控制器8，机组控制器8对接收到的图像信号进行滤波、锐化及图像边缘提取处理；

3)对图像边缘提取后的图像进行二值化分割，得到灰度值小于阈值p的像素点数n，并计算室外换热器3表面结霜面积比例系数x，该面积比例系数x为像素点数n与摄像头7在固定物距处拍摄图像的总像素数N的比值；

4)根据室外换热器3表面结霜面积比例系数x控制机组的除霜运行；当x大于或等于设定阈值X_set＝0.3时，执行步骤5)，否则返回步骤1)；

5)运行除霜模式，系统进行除霜；

6)判断摄像头时间继电器接收的机组控制器的时间间隔Δt，当Δt大于等于除霜过程摄像头扫描时间间隔Δt₂＝150s，摄像头7按时间间隔Δt₂对室外侧换热器3的表面进行摄像，并将信号传输给机组控制器8，机组控制器8对接收到的图像信号进行滤波、锐化及图像边缘提取处理；对图像边缘提取后的图像进行二值化分割，得到灰度小于阈值p的像素点数n，并计算室外换热器3表面结霜面积比例系数x；当Δt小于Δt₂时，返回步骤5)；

7)判断表面结霜面积比例系数x是否等于0，当不为0时，返回步骤5；否则结束除霜，并经Δt₃＝120s时间延迟后返回步骤1)。

通过本实施例的实现，本发明采用图形识别技术进行空气源热泵的除霜，解决了现有的各种除霜技术的除霜不尽和误除霜等缺陷，在短期内除霜完全。

Claims (3)

1.一种基于图像识别技术除霜的空气源热泵系统，包括压缩机[1]、四通换向阀[2]、室外侧换热器[3]、节流机构[4]、室内侧换热器[5]、气液分离器[6]，气液分离器[6]的出口与压缩机[1]的吸气口连接，压缩机[1]的排气口与四通换向阀[2]的进气端连接，四通换向阀[2]的回气口与气液分离器[6]的入口连接，四通换向阀[2]的另外两个接口分别与室外侧换热器[3]的第一接口及室内侧换热器[5]的第一接口连接，节流机构[4]的一端与室外侧换热器[3]的第二接口连接，另一端与室内侧换热器[5]的第二接口连接；其特征在于，在室外侧换热器[3]的外部中间部位设置拍摄室外侧换热器[3]表面霜层分布的摄像头[7]，该摄像头[7]与机组控制器[8]连接。

2.根据权利要求1所述的基于图像识别技术除霜的空气源热泵系统，其特征在于，摄像头[7]为CCD摄像机或CMOS摄像机或红外摄像头。

3.一种根据权利要求1所述的基于图像识别技术的空气源热泵除霜控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)机组控制器[8]发出指令控制机组切换至制热运行模式，判断摄像头时间继电器接收的机组控制器的时间间隔Δt，当时间间隔大于等于非除霜过程摄像头扫描时间间隔Δt₁，执行步骤2)；否则，摄像头[7]不工作；

2)摄像头[7]按时间间隔Δt₁对室外侧换热器[3]的表面进行摄像，并将信号传输给机组控制器[8]，机组控制器[8]对接收到的图像信号进行滤波、锐化及图像边缘提取处理；

3)对图像边缘提取后的图像进行二值化分割，得到灰度值小于阈值p的像素点数n，并计算室外换热器[3]表面结霜面积比例系数x，该面积比例系数x为像素点数n与摄像头[7]在固定物距处拍摄图像的总像素数N的比值；

4)根据室外换热器[3]表面结霜面积比例系数x控制机组的除霜运行；当x大于或等于设定阈值X_set时，执行步骤5)，否则返回步骤1)；

5)运行除霜模式，系统进行除霜；

6)判断摄像头时间继电器接收的机组控制器的时间间隔Δt，当Δt大于等于除霜过程摄像头扫描时间间隔Δt₂，摄像头[7]按时间间隔Δt₂对室外侧换热器[3]的表面进行摄像，并将信号传输给机组控制器[8]，机组控制器[8]对接收到的图像信号进行滤波、锐化及图像边缘提取处理；对图像边缘提取后的图像进行二值化分割，得到灰度小于阈值p的像素点数n，并计算室外换热器[3]表面结霜面积比例系数x；当Δt小于Δt₂时，返回步骤5)；

7)判断表面结霜面积比例系数x是否等于0，当不为0时，返回步骤5)；否则结束除霜，并经Δt₃时间延迟后返回步骤1)。

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