天津大学环境科学与工程学院 郑雪晶 孔德慧 由世俊 张欢 郑万冬
【摘 要】本文基于图像处理技术提出了空气源热泵机组除霜控制新方法,并对其应用效果进行环境小室测试。通过对空气源热泵机组室外换热器翅片表面结霜图像进行采集和处理，得到机组结霜和除霜过程中的灰度值表征函数及室外换热器表面结霜程度系数P。实验结果表明，室外换热器表面结霜程度系数P在制热循环和除霜循环中均可定量表征热泵机组换热器表面的结霜程度，且以P值为0.5和0.08分别作为除霜启停的判定条件是可行的。最终证明基于图像处理技术的空气源热泵除霜控制方法可确保机组实现按需除霜的目的，具有较强的实践应用价值。
【关键词】除霜控制方法，图像处理，空气源热泵
Abstract: In this paper, a defrosting control method of air source heat pump unit based on image processing technology was developed and the application effect of the control method was tested in an environmental chamber. The gray value representation function and the coefficient P of frosting on fin surface of outdoor heat exchanger based on frosting images during frosting and defrosting were obtained. The test results reveal that the coefficient P of frosting on fin surface of outdoor heat exchanger can characterize the degree of frosting on fin surface effectively both in heating cycle and defrosting cycle. Moreover, the coefficient P of frosting on fin surface of outdoor heat exchanger setting at 0.5 and 0.08 as the judging start and termination of the defrosting cycle is applicable. Finally, the new control method based on image processing can realize the aim of defrosting on demand and has a strong practical application value.
Key Words: Defrosting control method, Image processing, Air source heat pump
1 绪论
空气源热泵系统因其高效能、安装简便及环境友好性广泛被应用于区域供热供冷系统中，但在冬季实际应用过程中不可避免出现室外换热器表面结霜的情况。研究表明，结霜会导致空气源热泵机组换热量降低30%~57%，COP下降35%~60%[1]。因此，按需除霜对于保障空气源热泵机组在高效工况下运行和进一步推广应用是至关重要的。国内外学者就除霜控制方法展开了深入研究，现有的空气源热泵除霜控制方法有温度-时间法，空气压差除霜控制方法，模糊除霜控制方法，光电耦合控制方法等[2-5]，其中应用最为广泛的是温度-时间法，但这种控制方法在实际应用中经常出现“有霜不除”或“无霜除霜”的误除霜现象[6]，为了实现空气源热泵按需除霜，有必要寻求更加合理准确的除霜控制方法。
本文利用OpenCV平台编写图像处理程序，在目前广泛使用的RGB彩色图像模型的基础上，通过对室外换热器结霜图像进行预处理、多阈值分割和信息特征判别，得到换热器表面结霜程度的量化指标，提出基于图像处理技术的空气源热泵除霜控制方法，以下简称T-H-I除霜控制方法。
2 结霜图像处理
室外换热器表面出现霜层时，非结霜区呈现深色的翅片颜色，结霜区呈现白色的霜层颜色，因此不同结霜程度图像的像素值存在差异。考虑非结霜区、轻度结霜区和重度结霜区图像具有以上的色彩特性，引入空间各点的灰度值表征函数g(x,y)（见公式2-1）将结霜图像处理为至多包含三种灰度值的灰度图像以降低对计算机处理的要求。
式中： k1、k2、k3——非结霜区、轻度结霜区、重度结霜区的表征值；
k1——非结霜区和轻度结霜区图像分割的灰度值阈值；
k2——轻度结霜区和重度结霜区图像分割的灰度值阈值；
f(x,y)——图像在空间坐标(x,y)处的像素灰度值；
根据上述灰度值表征函数g(x,y)，引入室外换热器翅片表面结霜程度系数P作为翅片表面结霜程度的表征值，P值可定量反映翅片表面的结霜程度，可作为除霜开始及除霜停止的判定条件，其定义为每个像素点所对应的灰度表征值之和与图像总像素数之比，如式2-2所示：
P=Σg(x,y)/N （2-2）
式中：
N——图像的总像素数；P——室外换热器翅片表面结霜程度系数。
通过对文献[7]中的结霜图片进行处理，根据公式2-1,2-2计算得到除霜开始时刻的室外换热器表面结霜程度系数P1为0.5，除霜结束时刻的室外换热表面结霜程度系数P2为0.08，公式中各参数的取值如表1所示。
表1 P值计算公式参数的选取
3 T-H-I除霜控制方法
T-H-I除霜控制方法的控制过程分为以下三个阶段：
（1）采集室外环境参数
文献[7]指出，空气源热泵机组制热运行时，当室外空气温度高于6℃且相对湿度低于40%时，室外换热器表面不会出现结霜现象，因此，设定室外空气温度低于6℃或相对湿度高于40%时开始进行图像采集。
（2）图像采集和处理
当达到环境结霜条件后，图像传感器拍摄室外换热器表面翅片状况，拍摄间隔为30s，将图像信息传输给计算机，计算机对接收到的图像进行预处理、阈值分割和信息特征判断。判断图像处理后得到的室外换热器翅片表面结霜程度系数P是否达到除霜开始条件P1。
（3）除霜运行及退出阶段
当达到除霜开始条件后，空气源热泵机组切换至除霜状态。图像传感器以5s作为采集间隔，传输至计算机进行图像处理，判断室外换热器翅片表面结霜程度系数P是否达到除霜结束条件P2。当达到除霜结束条件后，机组进入制热运行模式。
4 除霜控制实验
4.1 实验系统描述
为了验证T-H-I除霜控制方法的应用效果，使用50mm厚的挤塑聚苯乙烯泡沫板搭建了实验小室，并在泡沫板接口处使用聚氨酯发泡胶进行严密密封，以保证小室保温、隔湿性能较好，可满足空气源热泵机组的结霜及除霜实验条件的要求。小室尺寸长×宽×高为：1.8m×1.8m×1.2m，布置情况如图1所示。
1.超声波加湿器 2.暖风机 3.四通换向阀 4.压缩机 5.室内换热器 6.毛细管 7.室外换热器 8.CMOS摄像机
图1 实验布置图
整个测试系统包括室外换热器、小室温湿度控制系统和图像采集、处理系统三部分。其中，室外换热器是以分体式空调器改造而成，该空调器采用R22作为制冷剂，额定制热量为4kW，制热功率为1.35kW。小室温湿度控制系统包括暖风机和加湿器。暖风机最大功率为3kW，加湿器最大的加湿量为800mL/h。使用型号为RER-USB500W05G-FV100的CMOS摄像机进行结霜图像的连续采集，该摄像机最高有效像素为2592(H)×1944(V)，可满足各方位角度拍摄需求，且能将实时拍摄到的图像传递到计算机中，用于结霜图像处理。
为监测结霜、除霜过程中空气源热泵机组及小室环境参数的变化，在实验小室中布置监测小室空气温湿度、室外换热器风机进出口温度及室外换热器盘管进出口温度的测点。
4.2 实验工况描述
进行两组实验以验证新型T-H-I控制方法的除霜效果，各工况环境参数见表2。
表2 实验环境参数
4.3 实验结果分析
从图2中可以看出，随着机组运行，空气源热泵机组的室外换热器盘管温度逐渐降低，换热器表面霜层逐渐增厚，直到第45min时，机组开始逆循环除霜，除霜过程中，室外风机进出口温度也有所提高。图3为结霜除霜过程中翅片表面结霜程度系数，机组开始运行5min内，翅片表面没有霜层生成，P值未发生变化维持在0.020左右，机组运行5~45min时，随着表面霜层的逐渐生成，P值逐渐增大且变化速度加快，直至第45min时，P值增加到0.50004，达到除霜开始设置要求，空气源热泵机组进行除霜阶段。除霜阶段，P值迅速下降，运行至第48.1min时，P值下降为0.077.达到除霜结束设置要求，机组退出除霜循环，完成此次除霜过程后，P值稳定在0.020左右。图4为机组运行过程中，采集到的部分室外换热器表面结霜图像，可以看出当机组运行至45min时，表面结霜程度最大，随着除霜循环的运行，表面霜层基本除尽。
图2 工况1实验数据
图5为采用T-H-I除霜控制方法下工况二的室外换热器表面结霜程度系数P的变化情况。与工况1变化趋势相同，空气源热泵机组制热运行前10min内，P值缓缓上升，10~30.5min内P值逐渐增加，直至30.5min时，P值增加到0.50036，达到除霜设置开始要求，机组进入除霜运行模式，室外换热器盘管表面温度迅速上升，P值急剧下降，至33.7min时，P值下降到0.079，达到了除霜结束的设置要求，除霜循环结束后，P值降为0.018左右。
图3 工况1室外换热器翅片表面结霜程度系数P 图4 工况1室外换热器翅片表面结霜图像
图5 工况2室外换热器翅片表面结霜程度系数P
经上述实验数据分析，说明在空气源热泵机组制热运行及除霜运行期间，室外换热器翅片表面结霜程度系数P均可准确反映空气源热泵机组表面结霜的程度，将其作为除霜循环启停控制的判据是可行的，实验结果表明，新型T-H-I除霜控制方法可准确实现空气源热泵机组按需除霜，是一种可靠的除霜控制方法。
5 结论
本文通过实验小室测试，将图像处理技术应用于空气源热泵除霜控制中，提出了基于图像处理技术的T-H-I除霜控制方法。实验结果表明，本文所提出的室外换热器翅片表面结霜程度系数P可有效表征翅片表面结霜程度，以P值为0.5和0.08作为空气源热泵机组除霜启停判据是可行的，同时验证了新型T-H-I除霜控制方法应用于空气源热泵机组的可行性和准确性。
参考文献
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备注：本文收录于第21届暖通空调制冷学术年会（2018年10月23～27日，中国·三门峡）论文集。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
