CN111457629B - 一种基于图像识别测霜的模块化空气源热泵机组群除霜控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于图像识别测霜的模块化空气源热泵机组群除霜控制系统及方法，属于空气源热泵除霜控制领域。针对冬季模块化空气源热泵供暖机组群，通过对选定的机组采用有效的图像识别测霜技术进行除霜控制，采用局域网与大数据分析手段，以点带面的控制整个机组群的除霜操作，从而有效的降低图像识别控霜技术的应用成本，提高每个机组除霜效率，保障空气源热泵机组群的高效应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型群控除霜系统及方法，具体地说，涉及一种基于图像识别测霜技术的模块化空气源热泵机组群除霜控制系统及方法，属于空气源热泵除霜控制领域。
背景技术
空气源热泵作为节能高效的可再生能源利用技术，已在我国大部分地区广泛应用并在建筑空间供暖中规模化推广。目前，针对商业建筑、工业厂房等大型公共建筑，常采用模块化空气源热泵机组群作为系统热源进行集中供暖。而当空气源热泵在冬季运行时，结霜是制约其高效稳定运行的关键问题。
霜层的存在与生长，增加了空气源热泵室外换热器的传热热阻，降低了传热系数，增大了空气流动阻力，造成机组制热量衰减，因此必须对其进行周期性的除霜操作。现有的空气源热泵除霜控制技术按照除霜判断依据的不同，大致可分为三大类：
1)基于“软测量”思想间接判断结霜程度的控霜方法：温度-时间除霜控制法、定时除霜控制法、空气压差除霜控制法、自修正除霜控制法等；
2)基于“直接测量”思想直接测量霜层厚度的控霜方法：激光技术测量霜层厚度、显微成像技术观测霜层厚度、千分尺技术测量霜层厚度等；
3)基于“人工智能”思想智能判断结霜程度的控霜方法：模糊智能除霜控制技术、综合结霜指数(FI)进行判断的除霜控制技术、模糊自修正除霜控制技术等。
其中，基于“软测量”思想的控霜方法尚不能对结霜过程进行全面认知与监测，基于“人工智能”思想的控霜方法由于对结霜过程的理论研究尚不充分、工作量大且准确的样本不易获得等问题，使得控制精度不高，以上方法将导致空气源热泵“误除霜”事故频发。目前，基于“直接测量”思想的控霜方法，是解决“误除霜”事故最有效的途径。通过图像识别技术判断机组结霜程度并进行除霜控制，是近年来出现的新型控霜方法，具有可靠、准确、便捷等优势，应用前景广阔。然而，针对模块化空气源热泵机组群，图像识别控霜方法受造价因素影响，难以在多台机组上同时使用，制约了图像识别控霜方法的推广应用，造成模块化空气源热泵机组群除霜效率偏低，运行能效衰减。
因此，为降低图像识别控霜方法应用成本，推广其在模块化空气源热泵机组群的高效应用，提高模块化空气源热泵机组群的运行能效，需提出合理可行的图像识别群控除霜新方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于图像识别测霜技术的模块化空气源热泵机组群除霜控制系统及方法，针对冬季模块化空气源热泵供暖机组群，通过对选定的机组采用有效的图像识别测霜技术进行除霜控制，采用局域网与大数据分析手段，以点带面的控制整个机组群的除霜操作，从而有效的降低图像识别控霜技术的应用成本，提高每个机组除霜效率，保障空气源热泵机组群的高效应用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于图像识别测霜技术的模块化空气源热泵机组群除霜控制系统，包括空气源热泵机组群(1)、图像采集器(2)、图像处理器(3)、局域网数据库(4)以及机组控制器(5)；所述图像采集器可为摄像探头、广角摄像头或红外成像装置等可拍摄的装置，用于拍摄选定的空气源热泵机组换热器表面结霜情况；所述图像采集器(2)与所述图像处理器(3)相连，用于传输、识别图像信号；所述局域网数据库(4)与空气源热泵机组群(1)对应的机组控制器(5)连接，即局域网数据库(4)与空气源热泵机组群(1)中的每一台空气源热泵机组的控制器连接，同时局域网数据库(4)还与图像处理器(3)相连，局域网数据库(4)用于监测存储机组群运行过程中环境工况、机组运行参数、供热运行时间、控制除霜操作的除霜信号等信息，并能够进行数据分析处理，如比较对比、计算等；所述机组控制器(5)与空气源热泵机组群(1)中每台空气源热泵机组相连，用于控制机组压缩机、四通换向阀、节流装置和室外风机的起停；
本发明所提出的一种基于图像识别测霜技术的模块化空气源热泵机组群除霜控制方法，可按照如下步骤实现对空气源热泵机组群的高效除霜控制：
(1)对空气源热泵机组群建立局域网，通过局域网数据库实时监测环境温湿度、每台机组运行参数、供热运行时间等信息；
(2)在空气源热泵机组群中选定一台优先运行的机组作为“簇头”，在簇头机组制热模式运行时，通过图像采集器对其室外换热器表面进行图像采集；
(3)图像采集器然后每间隔60s对簇头机组进行拍摄，并将图像信号传输到图像处理器中，图像处理器对接收的图像进行滤波、锐化以及灰度处理；
(4)图像处理器进行图像识别，并记录识别结果，当图像识别结果达到设定的除霜阈值时，顺序执行步骤5)；否则，返回步骤3)；
(5)图像处理器向局域网数据库上传除霜信号，局域网数据库记录该除霜循环下环境温湿度、簇头机组运行参数、供热运行时间信息，并向该机组控制器发送除霜指令，机组控制器控制簇头机组进行除霜操作(除霜操作：机组控制器控制四通换向阀换向和室外风机停机，或还进一步再控制机组压缩机和/或节流装置进入除霜状态)；
(6)通过簇头机组多次的除霜操作信息，逐渐丰富局域网数据库；
(7)通过局域网数据库(4)数据监测与分析，当机组群中某机组的运行参数、供热运行时间以及环境温湿度等信息与局域网数据库中簇头机组除霜记录信息匹配时，认为该机组可进行除霜操作，局域网数据库向该机组控制器发送除霜指令，机组控制器控制该机组进行除霜。
进一步的，本发明所述步骤(1)(5)(6)中所述机组运行参数，是指空气源热泵关键部件配比系数R，可通过以下公式计算：
其中，F为室外换热器换热面积，V0为压缩机排量，n为压缩机转速，G为风机风量，A0为偏差修正系数，取值范围为0.1～1。
本发明所述步骤(4)中，图像识别输出结果记为Q，可按以下技术路线进行计算：
Q＝S·ρ
S＝n/N
其中，S为结霜图像中结霜面积占比，ρ为结霜图像中结霜区域灰度程度，n为结霜像素点个数，N为结霜图像总像素点个数，为结霜像素点灰度平均值，图像中某个像素点灰度大于等于结霜像素点灰度，则认为此像素点为结霜像素点；
本发明所述步骤(5)中所记录的除霜循环下环境温湿度，为机组供热运行期间，环境温度Ta的平均值和环境湿度RH的平均值。
本发明的有益效果是：(1)通过图像识别技术对结霜过程进行准确监测，能够准确有效的识别霜量；(2)可指导空气源热泵机组群进行除霜操作，避免“误除霜”事故的发生；(3)图像识别传感器信号输出灵敏、可重复性强；(4)降低了图像传感器的应用成本，操作简单、适用性较强。
附图说明
图1是本发明所提出的一种基于图像识别测霜技术的模块化空气源热泵机组群除霜控制系统原理图；
图2是本发明所提出的一种基于图像识别测霜技术的模块化空气源热泵机组群除霜控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图针对本发明进一步实例描述：
结合图1，本发明提出的一种基于图像识别测霜技术的模块化空气源热泵机组群除霜控制系统，包括空气源热泵机组群1、图像采集器2、图像处理器3、局域网数据库4以及机组控制器5；
其中，图像采集器2拍摄空气源热泵机组群1中选定的簇头机组换热器表面结霜情况；图像采集器2与图像处理器3相连；局域网数据库4与图像处理器3、机组控制器5相连；机组控制器5安装于空气源热泵机组群1中。
结合图2，本发明所提出的一种基于图像识别测霜技术的模块化空气源热泵机组群除霜控制方法，可按照如下步骤实施：
(1)针对空气源热泵机组群1，建立局域网数据库4，通过局域网数据库4实时监测环境温Ta、环境湿度RH，各台机组运行参数R、供热运行时间t等信息；
(2)在空气源热泵机组群1中选定一台优先运行的机组作为“簇头”，在簇头机组制热模式运行时，通过图像采集器2对其室外换热器表面进行图像采集；
(3)图像采集器2每间隔60s对簇头机组进行拍摄，并将图像信号传输到图像处理器3中，图像处理器3对接收的图像进行滤波、锐化以及灰度处理；
(4)图像处理器进行图像识别，并记录识别结果，当图像识别结果达到设定的除霜阈值时，顺序执行步骤5)；否则，返回步骤3)；
或者进一步：图像处理器3进行图像识别，并采用照度参考物修正不同光照强度下的识别结果，记录识别结果为Q。当图像识别结果Q达到除霜阈值时，顺序执行步骤5)；否则，返回步骤3)；
其中关于采用照度参考物修正不同光照强度下的识别结果，如采用一特定材质的实体结构，其表面颜色均匀且唯一，安装于簇头机组换热器表面边缘处，此特定材质的实体结构在一种标准光的光照下有对应的灰度，在另一种实际的光照条件下也有对应的灰度，通过对比不同光照条件下拍摄的此特定材质的实体图像的灰度差异，矫正或修正实际光照条件下簇头机组换热器表面结霜像素点灰度(如乘以修正系数)，进而准确识别结霜图像。
(5)图像处理器3向局域网数据库4上传除霜信号，局域网数据库4记录该除霜循环下环境温湿度Ta、RH的平均值、簇头机组运行参数R、供热运行时间t等信息，并向该机组控制器5发送除霜指令，机组控制器5控制簇头机组进行除霜操作；
(6)通过簇头机组数次的除霜操作信息，逐渐丰富局域网数据库4；
(7)通过局域网数据库4数据监测与分析，当机组群中某机组的运行参数R、供热运行时间t以及环境温湿度Ta、RH等信息与局域网数据库4中簇头机组除霜记录信息匹配时，认为该机组可进行除霜操作，局域网数据库4向该机组控制器5发送除霜指令，机组控制器5控制该机组进行除霜。
Claims (5)
1.一种基于图像识别测霜技术的模块化空气源热泵机组群除霜控制系统，其特征在于，包括空气源热泵机组群(1)、图像采集器(2)、图像处理器(3)、局域网数据库(4)以及机组控制器(5)；所述图像采集器用于拍摄选定的空气源热泵机组群(1)换热器表面结霜情况；所述图像采集器(2)与所述图像处理器(3)相连；所述局域网数据库(4)与空气源热泵机组群(1)对应的机组控制器(5)连接，即局域网数据库(4)与空气源热泵机组群(1)中的每一台空气源热泵机组的控制器连接，同时局域网数据库(4)还与图像处理器(3)相连；
局域网数据库(4)用于监测存储机组群运行过程中环境工况、机组运行参数、供热运行时间、控制除霜操作的除霜信号，并能够进行数据分析处理，数据分析处理包括比较对比、计算；
所述机组控制器与空气源热泵机组群(1)中每台空气源热泵机组相连，用于控制机组压缩机、四通换向阀、节流装置和室外风机的起停；
所述系统按照如下步骤实现对空气源热泵机组群的高效除霜控制：
1)对空气源热泵机组群建立局域网，通过局域网数据库实时监测环境温湿度、每台机组运行参数、供热运行时间信息；
2)在空气源热泵机组群中选定一台优先运行的机组作为“簇头”，在簇头机组制热模式运行时，通过图像采集器对其室外换热器表面进行图像采集；
3)图像采集器然后每间隔60s对簇头机组进行拍摄，并将图像信号传输到图像处理器中，图像处理器对接收的图像进行滤波、锐化以及灰度处理；
4)图像处理器进行图像识别，并记录识别结果，当图像识别结果达到设定的除霜阈值时，顺序执行步骤5)；否则，返回步骤3)；
5)图像处理器向局域网数据库上传除霜信号，局域网数据库记录该除霜循环下环境温湿度、簇头机组运行参数、供热运行时间信息，并向该机组控制器发送除霜指令，机组控制器控制簇头机组进行除霜操作；
6)通过簇头机组多次的除霜操作信息，逐渐丰富局域网数据库；
7)通过局域网数据库(4)数据监测与分析，当机组群中某机组的运行参数、供热运行时间以及环境温湿度的信息与局域网数据库中簇头机组除霜记录信息匹配时，认为该机组可进行除霜操作，局域网数据库向该机组控制器发送除霜指令，机组控制器控制该机组进行除霜。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机组运行参数，是指空气源热泵关键部件配比系数R，通过以下公式计算：
其中，F为室外换热器换热面积，V0为压缩机排量，n为压缩机转速，G为风机风量，A0为偏差修正系数，取值范围为0.1～1。
3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，步骤4)中，图像识别输出结果记为Q，按以下技术路线进行计算：
Q＝S·ρ
S＝n/N
其中，S为结霜图像中结霜面积占比，ρ为结霜图像中结霜区域灰度程度，n为结霜像素点个数，N为结霜图像总像素点个数，为结霜像素点灰度平均值，图像中某个像素点灰度大于等于结霜像素点灰度，则认为此像素点为结霜像素点。
4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，步骤5)中所记录的除霜循环下环境温湿度，为机组供热运行期间，环境温度Ta的平均值和环境湿度RH的平均值。
5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于，步骤4)中图像处理器(3)进行图像识别，并采用照度参考物修正不同光照强度下的识别结果，记录识别结果为Q；当图像识别结果Q达到除霜阈值时，顺序执行步骤5)；否则，返回步骤3)；
其中关于采用照度参考物修正不同光照强度下的识别结果，采用一特定材质的实体，安装于簇头机组换热器表面边缘处，此特定材质的实体表面颜色均匀且唯一，在一种标准光的光照下有对应的灰度，在另一种实际的光照条件下也有对应的灰度，通过对比不同光照条件下拍摄的此特定材质的实体图像的灰度差异，矫正或修正实际光照条件下簇头机组换热器表面结霜像素点灰度，乘以修正系数，进而准确识别结霜图像。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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