基于图像处理及热气旁通的空气源热泵除霜系统及方法与流程

本发明涉及空气源热泵应用领域，具体是涉及一种基于数字图像处理技术，并结合热气旁通的空气源热泵除霜系统及其控制方法。

背景技术：

空气源热泵以空气作为低温热源，且空气源热泵装置的安装和使用具有节能减排，因此在冬季供暖中得到越来越多的应用。但由于冬季运行时，室外换热器翅片较容易结霜，直接影响了空气源热泵的运行。室外换热器结霜主要从两个方面对热泵机组的运行造成不良影响：一、翅片霜层的形成增大了室外换热器表面导热热阻，降低了室外换热器的传热系数；二、翅片霜层的存在增大了空气流过室外换热器阻力，减少了空气流量，从而降低了机组供热性能。随着室外换热器壁面霜层的增长，室外换热器蒸发温度下降、机组制热量降低、风机性能衰减和输入电流增大、供热性能系数降低，严重时出现压缩机停机，从而导致机组不能正常工作。由此可见，空气源热泵的除霜问题对其运行具有重要意义。

目前，用于风冷空气源热泵及其它低温制冷设备的除霜控制方法主要有以下几种：

1)定时除霜法；

2)时间-温度法；

3)空气压差除霜控制法；

4)蒸发温度与大气温度差除霜控制法；

5)最佳除霜时间控制法；

6)最大平均供热量法；

7)模糊除霜控制法等等。

虽然现有空气源热泵除霜控制方法很多，但仍有部分除霜在翅片表面结霜不严重、不需要除霜的情况下进行，无益的消耗能量，并且误除霜的频繁发生会增大系统高压侧部件的损坏概率，进而严重影响热泵工作寿命。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明提供一种基于图像处理及热气旁通的空气源热泵除霜系统，能够更加真实反应室外换热器翅片的结霜状况，以实现空气源热泵高效可靠的“按需除霜”，并结合热气旁通阀的作用，减小了除霜能耗，从而保证机组较高的运行效率，延长机组使用寿命，提高能源利用率。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于图像处理及热气旁通的空气源热泵除霜系统，包括压缩机、四通换向阀、室内换热器、电子膨胀阀、室外换热器、气液分离器、热气旁通阀和室外风机；所述压缩机的排气口与四通换向阀的进气口连接，所述四通换向阀的回气口与所述气液分离器的入口连接，所述气液分离器的出口与所述压缩机的吸气口连接，所述四通换向阀的另外两个端口分别与所述室内换热器的第一端口及所述室外换热器的第一端口连接，所述电子膨胀阀的一端与所述室内换热器的第二端口连接，所述电子膨胀阀的另一端与所述室外换热器的第二端口连接，所述热气旁通阀的进气口与所述压缩机的排气口连接，所述热气旁通阀的排气口与所述室外换热器的第二端口连接；该空气源热泵除霜系统还包括室外空气温湿度探头，图像采集仪、采集卡和处理控制器，所述图像采集仪位于所述室外换热器外部的中间部位，所述图像采集仪用于拍摄室外换热器的翅片表面霜层分布状况；所述图像采集仪通过所述采集卡与处理控制器连接，所述压缩机、四通换向阀、电子膨胀阀、热气旁通阀和室外风机均与所述处理控制器相连，所述处理控制器用于控制所述压缩机、四通换向阀、电子膨胀阀、热气旁通阀和室外风机的启停。

进一步讲，本发明中，所述图像采集仪是摄像机或红外摄像头。所述室内换热器是风机盘管、地面辐射采暖装置和直接冷凝式散热器中的一种。

利用上述基于图像处理及热气旁通的空气源热泵除霜系统进行除霜的方法，首先，设定除霜开始时的室外换热器的翅片表面结霜程度系数p1和除霜结束时的室外换热器的翅片表面结霜程度系数p2，p1＝0.4,p2＝0.05；然后，按照以下步骤进行：

步骤一、所述处理控制器发出指令控制空气源热泵机组切换至制热模式运行，与此同时，所述压缩机开启、热气旁通阀关闭、四通换向阀开启、室外风机开启，电子膨胀阀开启；

步骤二、所述室外空气温湿度探头开始采集室外空气温度ta、室外空气相对湿度rh，直到室外空气温度ta≤6℃且室外空气相对湿度rh≥40％时，顺序执行步骤三；

步骤三、所述图像采集仪按时间间隔δt1＝30s，对室外换热器的翅片表面进行拍摄，并将图像信号通过采集卡传输给处理控制器，所述处理控制器对接收到的图像信号进行图像滤波、图像边缘检测及灰度化处理；

步骤四、对处理后的图像进行多阈值分割，用每个阈值的像素点所对应的表征值之和与图像总像素数之比为室外换热器的翅片表面结霜程度系数p，当p大于或等于设定值p1时，顺序执行步骤五；否则，返回步骤三；

步骤五、将空气源热泵机组切换至除霜模式，关闭所述压缩机、关闭所述四通换向阀、开启所述热气旁通阀、关闭所述室外风机，持续30s后，重新关闭所述热气旁通阀、开启所述压缩机，使空气源热泵机组进入逆循环运行除霜；

步骤六、所述图像采集仪按时间间隔δt2＝20s，对室外换热器的翅片表面进行拍摄，并将图像信号通过采集卡传输给处理控制器，所述处理控制器对接收到的图像信号进行图像滤波、图像边缘检测及灰度化处理；

步骤七、对处理后的图像进行多阈值分割，用每个阈值的像素点所对应的表征值之和与图像总像素数之比为室外换热器的翅片表面结霜程度系数p，当p小于或等于设定值p2时，执行顺序步骤八，否则，返回步骤六；

步骤八、重新关闭所述压缩机、开启所述四通换向阀、开启所述热气旁通阀，并持续120s后，完成此次的除霜过程，返回步骤一，重新进入制热模式运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的一种基于数字图像处理技术的空气源热泵除霜系统及控制方法，解决了冬季空气源热泵运行时除霜的问题，不仅能够按照机组运行要求按时除霜，而且结合热气旁通阀的使用，节约了部分除霜的能耗，使得空气源热泵运行更可靠、节能。

附图说明

图1是本发明基于图像处理及热气旁通的空气源热泵除霜系统结构示意图；

图2是利用图1所示空气源热泵除霜系统进行除霜控制的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明提出的一种基于图像处理及热气旁通的空气源热泵除霜系统，包括压缩机1、四通换向阀2、室内换热器3、电子膨胀阀4、室外换热器5、气液分离器6、热气旁通阀7、室外风机8、室外空气温湿度探头12、图像采集仪9、采集卡10和处理控制器11。其中，所述室内换热器3是风机盘管、地面辐射采暖装置和直接冷凝式散热器中的一种，所述图像采集仪9是摄像机或红外摄像头。室外空气温湿度探头12设置在室外风机8附近即可。

所述压缩机1的排气口与四通换向阀2的进气口连接，所述四通换向阀2的回气口与所述气液分离器6的入口连接，所述气液分离器6的出口与所述压缩机1的吸气口连接，所述四通换向阀2的另外两个端口分别与所述室内换热器3的第一端口及所述室外换热器5的第一端口连接，所述电子膨胀阀4的一端与所述室内换热器3的第二端口连接，所述电子膨胀阀4的另一端与所述室外换热器5的第二端口连接，所述热气旁通阀7的进气口与所述压缩机1的排气口连接，所述热气旁通阀7的排气口与所述室外换热器5的第二端口连接；所述图像采集仪9位于所述室外换热器5外部的中间部位，所述图像采集仪9用于拍摄室外换热器5的翅片表面霜层分布状况；所述图像采集仪9通过所述采集卡10与处理控制器11连接，所述压缩机1、四通换向阀2、电子膨胀阀4、热气旁通阀7和室外风机8均与所述处理控制器11相连，所述处理控制器11用于控制所述压缩机1、四通换向阀2、电子膨胀阀4、热气旁通阀7和室外风机8的启停。

图2是本发明基于图像处理及热气旁通的空气源热泵除霜系统流程图，主要包括除霜开始(即由制热模式切换至除霜模式)的判定、除霜结束(即有除霜模式返回至制热模型)的判定。其方法是，设定除霜开始时的室外换热器翅片表面结霜程度系数p1和除霜结束时的室外换热器翅片表面结霜程度系数p2，p1＝0.4,p2＝0.05；然后按照以下步骤进行：

步骤一、所述处理控制器11发出指令控制空气源热泵机组切换至制热模式运行，与此同时，所述压缩机1开启、热气旁通阀7关闭、四通换向阀2开启、室外风机8开启，电子膨胀阀4开启。

步骤二、所述室外空气温湿度探头12开始采集室外空气温度ta、室外空气相对湿度rh，当室外空气温度ta≤6℃且室外空气相对湿度rh≥40％时，顺序执行步骤三；否则，所述室外空气温湿度探头12继续采集室外空气温度ta和室外空气相对湿度rh。

步骤三、所述图像采集仪9按时间间隔δt1＝30s，对室外换热器5的翅片表面进行拍摄，并将图像信号通过采集卡10传输给处理控制器11，所述处理控制器11对接收到的图像信号进行图像滤波、图像边缘检测及灰度化处理。

步骤四、对处理后的图像进行多阈值分割，因为，室外换热器5的翅片表面结霜程度不同的区域所对应的灰度值也不同，因此，用每个阈值的像素点所对应的表征值来表示结霜程度的不同，将每个阈值的像素点所对应的表征值求和后与图像总像素数之比计算得到此时室外换热器翅片表面结霜程度系数p，根据室外换热器表面结霜程度系数p控制空气源热泵机组的除霜运行，当p大于或等于事先设定的p1数值，即p≥0.4时，顺序执行步骤五，运行除霜模式；否则，返回步骤三。

步骤五、将空气源热泵机组切换至除霜模式，关闭所述压缩机1、关闭所述四通换向阀2、开启所述热气旁通阀7、关闭所述室外风机5，持续30s后，重新关闭所述热气旁通阀7、开启所述压缩机1，使空气源热泵机组进入逆循环运行除霜。

步骤六、在逆循环运行除霜过程中，所述图像采集仪9按时间间隔δt2＝20s，对室外换热器5的翅片表面进行拍摄，并将图像信号通过采集卡10传输给处理控制器11，所述处理控制器11对接收到的图像信号进行图像滤波、图像边缘检测及灰度化处理。

步骤七、对处理后的图像进行多阈值分割，用每个阈值的像素点所对应的表征值之和与图像总像素数之比计算得到此时室外换热器翅片表面结霜程度系数p，用每个阈值的像素点所对应的表征值之和与图像总像素数之比作为室外换热器5的翅片表面结霜程度系数p，根据室外换热器表面结霜程度系数p控制空气源热泵机组的运行状态，当p小于或等于事先设定的p2数值时，即p≤0.02时，执行顺序步骤八，否则，返回步骤六，继续逆循环运行除霜。

步骤八、重新关闭所述压缩机1、开启所述四通换向阀2、开启所述热气旁通阀7，并持续120s后，完成此次的除霜过程，返回步骤一，重新进入制热模式运行，进入下一个除霜开始-除霜结束的循环过程。

本发明除霜方法的步骤四和步骤七中对处理后的图像进行多阈值分割及其求取室外换热器翅片表面结霜程度系数p的方法相同，其过程是：用f(x,y)表示图像在空间坐标为(x,y)处的像素灰度值，灰度化处理之后图像的灰度值集为g＝{0,1,2,...,254,255}。根据结霜程度不同，采集得到的图像可分为无霜区、轻度结霜区、重度结霜区，并以灰度值t1和t2为阈值进行多阈值分割，灰度值表征函数如下：

其中，t1、t2、t3分别代表无霜区、轻度结霜区、重度结霜区的表征值。将每个阈值的像素点所对应的表征值之和与图像总像素数之比得到室外换热器翅片表面结霜程度系数n为图像的总像素数。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。