一种能量桩群分级流量调控与热力耦合安全预警方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及能量桩控制，尤其涉及一种能量桩群分级流量调控与热力耦合安全预警方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、能量桩是将建筑基础承载功能与地源热泵换热功能相结合的地下结构形式，通过在桩体内埋设换热管道，使循环介质与桩周浅层土体进行热量交换。在实际工程中，通常由多个能量桩组成桩群系统，共同承担建筑运行过程中的冷热负荷。

2、现有能量桩群多采用统一流量、平均流量或按照预设比例分配流量的运行方式，并通过中央机组或循环泵对桩群总流量进行整体调节。该类方式通常将桩群视为整体，难以根据各能量桩的实际换热状态和运行能力进行差异化控制。当需要获取或判断单桩运行特性时，相关运行调整还可能引起桩群总换热能力波动，进而影响建筑侧冷热负荷的稳定承担。

3、受到桩周土体热物性、地下水条件、桩间热干扰、埋管形式、施工偏差及建筑负荷变化等因素影响，不同能量桩的换热能力、响应速度及运行状态通常存在差异，并可能随运行时间发生变化。固定流量或静态分配参数难以及时反映上述差异，容易造成桩群内部负荷分布不合理，使部分能量桩运行负荷偏大，而其他能量桩的换热能力未得到充分利用。

4、此外，能量桩在持续换热及冷热循环作用下会产生温度变形、附加应变、位移等热力耦合响应。现有运行控制通常侧重于换热量、进出口温度和系统能耗，对单桩换热状态与结构响应之间动态关系的识别不足，难以根据各桩结构安全状况合理调整运行负荷。当部分能量桩出现较大结构响应或运行风险时，现有技术也难以在维持建筑侧换热需求的同时，评估并协调桩群内其他能量桩的负荷承接能力，容易导致承接能量桩的结构响应增大、流量超限或局部运行负担进一步集中。

技术实现思路

1、（一）要解决的技术问题

2、鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种能量桩群分级流量调控与热力耦合安全预警方法、系统、设备及介质，其解决了现有技术难以在维持桩群换热负荷稳定的同时，识别不同能量桩的热力响应差异，并兼顾换热需求与结构安全实施流量分配、风险调控和负荷协调的技术问题。

3、（二）技术方案

4、为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

5、第一方面，本发明实施例提供一种能量桩群分级流量调控与热力耦合安全预警方法，包括：

6、获取目标换热负荷、各能量桩的换热状态和结构响应状态；

7、逐个对能量桩施加流量扰动，并在流量扰动时由未被扰动的能量桩进行负荷补偿，以使桩群总换热负荷满足预设约束；

8、根据各次流量扰动引起的换热状态变化量和结构响应状态变化量，确定各能量桩的热力耦合响应参数；

9、根据热力耦合响应参数和结构响应状态确定各能量桩的流量调控边界，并在流量调控边界内分配目标换热负荷，以获得各能量桩的单桩分配流量；

10、在任一能量桩的结构响应状态或热力耦合响应参数达到对应的预设预警阈值时执行分级预警，按照分级预警结果调整对应能量桩的单桩分配流量，并确定流量调整所产生的待转移换热负荷；

11、根据热力耦合响应参数和待转移换热负荷，确定各待承接能量桩的结构响应增量和承接后单桩分配流量，以叠加结构响应增量后的结构响应状态未超出预设安全阈值、且承接后单桩分配流量未超出流量调控边界为约束，确定待转移换热负荷的分配结果，并更新对应能量桩的单桩分配流量。

12、可选地，获取目标换热负荷、各能量桩的换热状态和结构响应状态，包括：

13、获取建筑侧在当前运行周期内的冷热负荷，并结合建筑侧与能量桩群之间的能量传递关系，确定能量桩群需要承担的目标换热负荷；

14、获取各能量桩的入口温度、出口温度以及循环流量，根据入口温度与出口温度之间的温差及循环流量，确定对应能量桩的瞬时换热负荷，并对瞬时换热负荷在预设时间段内进行积分，得到对应能量桩的换热量；

15、从入口温度、出口温度、循环流量、瞬时换热负荷及换热量中选取换热状态表征参数，以换热状态表征参数表征各能量桩的换热状态；

16、获取各能量桩在预设监测位置处的应变和位移，并从获取的结构响应参数中选取结构响应表征参数，以结构响应表征参数表征各能量桩的结构响应状态；

17、对换热状态和结构响应状态进行时间同步、异常值剔除、平滑处理，并附上对应的能量桩标识和采样时刻。

18、可选地，逐个对能量桩施加流量扰动，并在流量扰动时由未被扰动的能量桩进行负荷补偿，以使桩群总换热负荷满足预设约束，包括：

19、按照预设扰动次序选取一能量桩作为被扰动能量桩，并以被扰动能量桩的当前循环流量为基准，分别施加预设流量增加扰动和预设流量减小扰动；

20、根据被扰动能量桩与各未被扰动能量桩之间的桩间距，确定被扰动能量桩的热影响范围，并从位于热影响范围外且分处被扰动能量桩不同侧的未被扰动能量桩中选取负荷补偿桩；

21、在流量扰动期间，实时获取桩群总换热负荷，根据桩群总换热负荷与目标换热负荷之间的负荷偏差确定待补偿换热负荷；

22、将待补偿换热负荷分配至负荷补偿桩，并限制位于任一侧的负荷补偿桩承担的补偿换热负荷之和不超过待补偿换热负荷的预设比例；其中，预设比例大于或等于50%且小于100%；

23、根据分配至各负荷补偿桩的补偿换热负荷，确定各负荷补偿桩的流量调节量，并按照流量调节量调节对应负荷补偿桩的循环流量，使桩群总换热负荷与目标换热负荷之间的负荷偏差不超过预设负荷偏差阈值；

24、完成当前流量扰动后，选取下一能量桩实施流量扰动，直至遍历所有能量桩。

25、可选地，根据各次流量扰动引起的换热状态变化量和结构响应状态变化量，确定各能量桩的热力耦合响应参数，包括：

26、获取每次流量扰动过程中被扰动能量桩的换热状态变化序列和结构响应状态变化序列；

27、计算换热状态变化序列与结构响应状态变化序列之间的互相关函数，并将互相关函数的绝对值达到峰值时对应的滞后时间确定为当前流量扰动对应的响应时延；

28、根据响应时延对换热状态变化序列和结构响应状态变化序列进行时间对齐，并确定时间对齐后的共同响应时间段；

29、分别计算共同响应时间段内换热状态变化量的累计值和结构响应状态变化量的累计值，计算结构响应状态变化量累计值与换热状态变化量累计值之间的比值，并将比值确定为当前流量扰动对应的热力耦合增量系数；

30、按照绝对值大小对同一能量桩在各次流量扰动下对应的热力耦合增量系数进行排序，并将预设分位数对应的热力耦合增量系数绝对值确定为耦合强度参数；

31、计算同一能量桩在各次流量扰动下对应的响应时延的统计特征值，得到对应能量桩的传递时延参数；

32、将耦合强度参数和传递时延参数组合为对应能量桩的热力耦合响应参数。

33、可选地，根据热力耦合响应参数和结构响应状态确定各能量桩的流量调控边界，并在流量调控边界内分配目标换热负荷，以获得各能量桩的单桩分配流量，包括：

34、根据各能量桩的当前结构响应状态沿结构安全的不利方向至对应预设安全阈值的距离，确定对应能量桩的结构安全裕量；

35、计算结构安全裕量与耦合强度参数之间的比值，得到对应能量桩在不超过预设安全阈值条件下的换热状态允许变化限值；

36、将同一能量桩在各次流量扰动中的循环流量增加量与对应换热状态变化量形成上向配对数据，并将循环流量减小量与对应换热状态变化量形成下向配对数据，分别根据上向配对数据和下向配对数据进行分段插值，确定换热状态允许变化限值对应的上向流量变化限值和下向流量变化限值；

37、根据对应能量桩的当前循环流量与上向流量变化限值之和，确定对应能量桩的流量调控上边界，并根据对应能量桩的当前循环流量与下向流量变化限值之差，确定对应能量桩的流量调控下边界；

38、以各能量桩的单桩分配流量位于对应的流量调控下边界与流量调控上边界之间，且各能量桩在单桩分配流量下形成的桩群总换热负荷满足目标换热负荷为约束，确定各能量桩的单桩分配流量。

39、可选地，在任一能量桩的结构响应状态或热力耦合响应参数达到对应的预设预警阈值时执行分级预警，按照分级预警结果调整对应能量桩的单桩分配流量，并确定流量调整所产生的待转移换热负荷，包括：

40、根据各能量桩的传递时延参数，确定换热状态发生变化后的结构响应观测时段；

41、获取结构响应观测时段内各能量桩的结构响应状态，并分别确定结构响应状态与预设结构预警阈值之间的第一比较结果，以及耦合强度参数与预设强度预警阈值之间的第二比较结果；

42、在第一比较结果或第二比较结果达到对应的预警条件时，根据结构响应状态相对于预设结构预警阈值的偏离程度与耦合强度参数相对于预设强度预警阈值的偏离程度，确定对应能量桩的预警等级；

43、根据预警等级与预设流量调整比例之间的对应关系，确定对应能量桩的流量调整量，以降低对应能量桩的单桩分配流量或者停止对应能量桩运行；

44、根据对应能量桩流量调整前后的单桩分配流量，采用换热负荷求取规则确定流量调整产生的瞬时换热负荷变化量，并将瞬时换热负荷变化量确定为待转移换热负荷；其中，换热负荷求取规则为以下任一种：流量扰动过程中建立的循环流量变化量与瞬时换热负荷变化量之间的对应关系；基于入口温度与出口温度之差及循环流量分别计算调整前瞬时换热负荷和调整后瞬时换热负荷，并计算调整前瞬时换热负荷与调整后瞬时换热负荷之差；或者预先在线辨识得到的换热模型。

45、可选地，根据热力耦合响应参数和待转移换热负荷，确定各待承接能量桩的结构响应增量和承接后单桩分配流量，以叠加结构响应增量后的结构响应状态未超出预设安全阈值、且承接后单桩分配流量未超出流量调控边界为约束，确定待转移换热负荷的分配结果，并更新对应能量桩的单桩分配流量，包括：

46、将除产生待转移换热负荷的能量桩以外的能量桩确定为候选能量桩，并将分配至各候选能量桩的换热负荷作为待求分配量；

47、根据流量扰动过程中建立的循环流量变化量与瞬时换热负荷变化量之间的对应关系，确定待求分配量对应的流量增加量，并根据流量增加量和上向配对数据确定对应的承接换热状态增量；

48、根据各候选能量桩的耦合强度参数和承接换热状态增量，确定结构响应增量幅值，并按照结构安全的不利方向确定对应的结构响应增量；

49、将各候选能量桩的当前单桩分配流量与对应的流量增加量之和确定为承接后的单桩分配流量；

50、将各候选能量桩当前的结构响应状态与对应的结构响应增量叠加，得到承接后的叠加结构响应状态；

51、以分配至各候选能量桩的换热负荷之和等于待转移换热负荷、叠加结构响应状态未超出预设安全阈值且承接后的单桩分配流量未超出流量调控上边界为约束，确定待转移换热负荷的分配结果，并将分配结果对应的承接后单桩分配流量确定为对应能量桩更新后的单桩分配流量。

52、第二方面，本发明实施例提供一种能量桩群分级流量调控与热力耦合安全预警系统，包括：

53、状态获取模块，用于获取目标换热负荷、各能量桩的换热状态和结构响应状态；

54、扰动补偿模块，用于逐个对能量桩施加流量扰动，并在流量扰动时由未被扰动的能量桩进行负荷补偿，以使桩群总换热负荷满足预设约束；

55、参数确定模块，用于根据各次流量扰动引起的换热状态变化量和结构响应状态变化量，确定各能量桩的热力耦合响应参数；

56、流量分配模块，用于根据热力耦合响应参数和结构响应状态确定各能量桩的流量调控边界，并在流量调控边界内分配目标换热负荷，以获得各能量桩的单桩分配流量；

57、预警调控模块，用于在任一能量桩的结构响应状态或热力耦合响应参数达到对应的预设预警阈值时执行分级预警，按照分级预警结果调整对应能量桩的单桩分配流量，并确定流量调整所产生的待转移换热负荷；

58、负荷转移模块，用于根据热力耦合响应参数和待转移换热负荷，确定各待承接能量桩的结构响应增量和承接后单桩分配流量，以叠加结构响应增量后的结构响应状态未超出预设安全阈值、且承接后单桩分配流量未超出流量调控边界为约束，确定待转移换热负荷的分配结果，并更新对应能量桩的单桩分配流量。

59、第三方面，本发明实施例提供一种能量桩群分级流量调控与热力耦合安全预警设备，包括：

60、至少一个控制器；以及

61、与至少一个控制器通信连接的存储器；

62、其中，存储器存储有可由至少一个控制器执行的指令，指令被至少一个控制器执行时，使至少一个控制器执行如上所述的能量桩群分级流量调控与热力耦合安全预警方法。

63、第四方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令被控制器执行时，实现如上所述的能量桩群分级流量调控与热力耦合安全预警方法。

64、（三）有益效果

65、本发明的有益效果是：

66、首先，本发明通过获取目标换热负荷以及各能量桩的换热状态和结构响应状态，能够为各能量桩的差异化流量调控提供运行状态依据。

67、其次，通过逐个对能量桩施加流量扰动，并在流量扰动过程中由未被扰动的能量桩进行负荷补偿，使桩群总换热负荷满足预设约束，能够降低单桩流量扰动对桩群目标换热负荷的影响，并获得各能量桩在流量变化作用下的换热状态变化和结构响应状态变化。根据上述变化确定各能量桩的热力耦合响应参数，能够反映不同能量桩的热力响应特性差异。

68、在此基础上，根据热力耦合响应参数和结构响应状态确定各能量桩的流量调控边界，并在相应边界内分配目标换热负荷，能够将单桩结构安全状态纳入桩群流量分配过程，在满足目标换热负荷的同时，有利于降低单桩结构响应超出安全范围的风险。

69、此外，当任一能量桩达到预设预警条件时，通过执行分级预警并调整其单桩分配流量，能够根据风险程度降低对应能量桩的运行负担，并确定由流量调整产生的待转移换热负荷。进一步在待承接能量桩的结构响应状态和流量调控边界约束下分配待转移换热负荷，能够降低负荷转移后其他能量桩出现结构风险或流量超限的可能性。

70、由此，本发明能够在流量扰动期间使桩群总换热负荷维持于预设约束范围内，辨识不同能量桩各自的热力响应特性差异，并基于辨识结果实现兼顾目标换热负荷和结构安全的流量分配、分级预警及风险负荷协调。