天津大學環境科學與工程學院  鄭雪晶 孔德慧 由世俊 張歡 鄭萬冬

       【摘  要】本文基于圖像處理技術提出了空氣源熱泵機組除霜控制新方法,并對其應用效果進行環境小室測試。通過對空氣源熱泵機組室外換熱器翅片表面結霜圖像進行采集和處理，得到機組結霜和除霜過程中的灰度值表征函數及室外換熱器表面結霜程度系數P。實驗結果表明，室外換熱器表面結霜程度系數P在制熱循環和除霜循環中均可定量表征熱泵機組換熱器表面的結霜程度，且以P值為0.5和0.08分別作為除霜啟停的判定條件是可行的。最終證明基于圖像處理技術的空氣源熱泵除霜控制方法可確保機組實現按需除霜的目的，具有較強的實踐應用價值。

       【關鍵詞】除霜控制方法，圖像處理，空氣源熱泵

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 緒論

       空氣源熱泵系統因其高效能、安裝簡便及環境友好性廣泛被應用于區域供熱供冷系統中，但在冬季實際應用過程中不可避免出現室外換熱器表面結霜的情況。研究表明，結霜會導致空氣源熱泵機組換熱量降低30%~57%，COP下降35%~60%^[1]。因此，按需除霜對于保障空氣源熱泵機組在高效工況下運行和進一步推廣應用是至關重要的。國內外學者就除霜控制方法展開了深入研究，現有的空氣源熱泵除霜控制方法有溫度-時間法，空氣壓差除霜控制方法，模糊除霜控制方法，光電耦合控制方法等^[2-5]，其中應用最為廣泛的是溫度-時間法，但這種控制方法在實際應用中經常出現“有霜不除”或“無霜除霜”的誤除霜現象^[6]，為了實現空氣源熱泵按需除霜，有必要尋求更加合理準確的除霜控制方法。

       本文利用OpenCV平臺編寫圖像處理程序，在目前廣泛使用的RGB彩色圖像模型的基礎上，通過對室外換熱器結霜圖像進行預處理、多閾值分割和信息特征判別，得到換熱器表面結霜程度的量化指標，提出基于圖像處理技術的空氣源熱泵除霜控制方法，以下簡稱T-H-I除霜控制方法。

2 結霜圖像處理

       室外換熱器表面出現霜層時，非結霜區呈現深色的翅片顏色，結霜區呈現白色的霜層顏色，因此不同結霜程度圖像的像素值存在差異?？紤]非結霜區、輕度結霜區和重度結霜區圖像具有以上的色彩特性，引入空間各點的灰度值表征函數g(x,y)（見公式2-1）將結霜圖像處理為至多包含三種灰度值的灰度圖像以降低對計算機處理的要求。

     

       式中： k₁、k₂、k₃——非結霜區、輕度結霜區、重度結霜區的表征值；

       k₁——非結霜區和輕度結霜區圖像分割的灰度值閾值；

       k₂——輕度結霜區和重度結霜區圖像分割的灰度值閾值；

       f(x,y)——圖像在空間坐標(x,y)處的像素灰度值；

       根據上述灰度值表征函數g(x,y)，引入室外換熱器翅片表面結霜程度系數P作為翅片表面結霜程度的表征值，P值可定量反映翅片表面的結霜程度，可作為除霜開始及除霜停止的判定條件，其定義為每個像素點所對應的灰度表征值之和與圖像總像素數之比，如式2-2所示：

       P=Σg(x,y)/N          （2-2）

       式中：

       N——圖像的總像素數；P——室外換熱器翅片表面結霜程度系數。

       通過對文獻[7]中的結霜圖片進行處理，根據公式2-1,2-2計算得到除霜開始時刻的室外換熱器表面結霜程度系數P1為0.5，除霜結束時刻的室外換熱表面結霜程度系數P2為0.08，公式中各參數的取值如表1所示。

表1  P值計算公式參數的選取

3 T-H-I除霜控制方法

       T-H-I除霜控制方法的控制過程分為以下三個階段：

       （1）采集室外環境參數

       文獻[7]指出，空氣源熱泵機組制熱運行時，當室外空氣溫度高于6℃且相對濕度低于40%時，室外換熱器表面不會出現結霜現象，因此，設定室外空氣溫度低于6℃或相對濕度高于40%時開始進行圖像采集。

       （2）圖像采集和處理

       當達到環境結霜條件后，圖像傳感器拍攝室外換熱器表面翅片狀況，拍攝間隔為30s，將圖像信息傳輸給計算機，計算機對接收到的圖像進行預處理、閾值分割和信息特征判斷。判斷圖像處理后得到的室外換熱器翅片表面結霜程度系數P是否達到除霜開始條件P1。

       （3）除霜運行及退出階段

       當達到除霜開始條件后，空氣源熱泵機組切換至除霜狀態。圖像傳感器以5s作為采集間隔，傳輸至計算機進行圖像處理，判斷室外換熱器翅片表面結霜程度系數P是否達到除霜結束條件P2。當達到除霜結束條件后，機組進入制熱運行模式。

4 除霜控制實驗

       4.1 實驗系統描述

       為了驗證T-H-I除霜控制方法的應用效果，使用50mm厚的擠塑聚苯乙烯泡沫板搭建了實驗小室，并在泡沫板接口處使用聚氨酯發泡膠進行嚴密密封，以保證小室保溫、隔濕性能較好，可滿足空氣源熱泵機組的結霜及除霜實驗條件的要求。小室尺寸長×寬×高為：1.8m×1.8m×1.2m，布置情況如圖1所示。

1.超聲波加濕器 2.暖風機 3.四通換向閥 4.壓縮機 5.室內換熱器 6.毛細管 7.室外換熱器 8.CMOS攝像機
圖1 實驗布置圖

       整個測試系統包括室外換熱器、小室溫濕度控制系統和圖像采集、處理系統三部分。其中，室外換熱器是以分體式空調器改造而成，該空調器采用R22作為制冷劑，額定制熱量為4kW，制熱功率為1.35kW。小室溫濕度控制系統包括暖風機和加濕器。暖風機最大功率為3kW，加濕器最大的加濕量為800mL/h。使用型號為RER-USB500W05G-FV100的CMOS攝像機進行結霜圖像的連續采集，該攝像機最高有效像素為2592(H)×1944(V)，可滿足各方位角度拍攝需求，且能將實時拍攝到的圖像傳遞到計算機中，用于結霜圖像處理。

       為監測結霜、除霜過程中空氣源熱泵機組及小室環境參數的變化，在實驗小室中布置監測小室空氣溫濕度、室外換熱器風機進出口溫度及室外換熱器盤管進出口溫度的測點。

       4.2 實驗工況描述

       進行兩組實驗以驗證新型T-H-I控制方法的除霜效果，各工況環境參數見表2。

表2 實驗環境參數

       4.3 實驗結果分析

       從圖2中可以看出，隨著機組運行，空氣源熱泵機組的室外換熱器盤管溫度逐漸降低，換熱器表面霜層逐漸增厚，直到第45min時，機組開始逆循環除霜，除霜過程中，室外風機進出口溫度也有所提高。圖3為結霜除霜過程中翅片表面結霜程度系數，機組開始運行5min內，翅片表面沒有霜層生成，P值未發生變化維持在0.020左右，機組運行5~45min時，隨著表面霜層的逐漸生成，P值逐漸增大且變化速度加快，直至第45min時，P值增加到0.50004，達到除霜開始設置要求，空氣源熱泵機組進行除霜階段。除霜階段，P值迅速下降，運行至第48.1min時，P值下降為0.077.達到除霜結束設置要求，機組退出除霜循環，完成此次除霜過程后，P值穩定在0.020左右。圖4為機組運行過程中，采集到的部分室外換熱器表面結霜圖像，可以看出當機組運行至45min時，表面結霜程度最大，隨著除霜循環的運行，表面霜層基本除盡。

圖2 工況1實驗數據

       圖5為采用T-H-I除霜控制方法下工況二的室外換熱器表面結霜程度系數P的變化情況。與工況1變化趨勢相同，空氣源熱泵機組制熱運行前10min內，P值緩緩上升，10~30.5min內P值逐漸增加，直至30.5min時，P值增加到0.50036，達到除霜設置開始要求，機組進入除霜運行模式，室外換熱器盤管表面溫度迅速上升，P值急劇下降，至33.7min時，P值下降到0.079，達到了除霜結束的設置要求，除霜循環結束后，P值降為0.018左右。

圖3 工況1室外換熱器翅片表面結霜程度系數P     圖4 工況1室外換熱器翅片表面結霜圖像

圖5 工況2室外換熱器翅片表面結霜程度系數P

       經上述實驗數據分析，說明在空氣源熱泵機組制熱運行及除霜運行期間，室外換熱器翅片表面結霜程度系數P均可準確反映空氣源熱泵機組表面結霜的程度，將其作為除霜循環啟?？刂频呐袚强尚械?，實驗結果表明，新型T-H-I除霜控制方法可準確實現空氣源熱泵機組按需除霜，是一種可靠的除霜控制方法。

5 結論

       本文通過實驗小室測試，將圖像處理技術應用于空氣源熱泵除霜控制中，提出了基于圖像處理技術的T-H-I除霜控制方法。實驗結果表明，本文所提出的室外換熱器翅片表面結霜程度系數P可有效表征翅片表面結霜程度，以P值為0.5和0.08作為空氣源熱泵機組除霜啟停判據是可行的，同時驗證了新型T-H-I除霜控制方法應用于空氣源熱泵機組的可行性和準確性。

參考文獻

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       備注：本文收錄于第21屆暖通空調制冷學術年會（2018年10月23～27日，中國·三門峽）論文集。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。