基于气候自适应的中深层密闭取热地热供热补偿调控方法与流程

本发明涉及地热能开发利用与智能供热调控，具体涉及基于气候自适应的中深层密闭取热地热供热补偿调控方法。

背景技术：

1、中深层地热能是指埋深一般大于200米、温度高于25℃的岩土体中所蕴含的热能。中深层地热具有储量大、分布广、稳定可靠、不受季节和天气影响等优点，是建筑供热的重要可再生能源。中深层密闭取热技术，又称中深层地埋管换热技术或同轴套管换热技术，其特点是“取热不取水”，即通过同轴套管换热器中的循环工质在封闭管路内与高温岩土体进行热交换，将地层热量提取至地面供热系统。该技术不抽取地下水，避免了对地下水资源和环境的影响，近年来在清洁供暖领域得到越来越多的应用。

2、在典型地质结构下，中深层地热换热孔的温度和换热量与地层岩性、地温梯度、导热系数、体积热容、地下水渗流条件等密切相关。例如，在华北平原沉积岩地区，2000m深度处原始地温约为65～80℃，单孔取热功率通常为300～400kw；在东北花岗岩地区，地温梯度较高，2500m深度处地温可达90～110℃，单孔取热能力更强；而在华南灰岩地区，地温梯度较低，中深层地热更适合作为低温热源与热泵联合使用。工程热利用分析表明，换热孔的取热功率不仅取决于地质条件，还受到运行方式、循环流量、取热温差和间歇恢复时间等因素的显著影响。

3、然而，现有中深层密闭取热地热供热系统在运行调控方面存在以下突出问题：

4、运行方式较为粗放。多数系统采用恒定流量、恒定取热功率运行，不能根据室外气候条件和建筑热负荷的变化及时调整取热量，导致部分时段取热过量、部分时段取热不足，系统综合能效较低。

5、地温衰减问题突出。中深层地热换热孔周围岩土体的温度恢复速度较慢，若长期连续过量取热，孔壁温度会逐年下降，换热孔出口温度降低，地热利用效率明显衰减。现有技术缺乏基于地温恢复状态的分区轮换和主动补热调控手段。

6、辅助热源与地热系统耦合调控不协调。中深层地热系统通常配置空气源热泵、燃气锅炉、电锅炉或太阳能集热等辅助热源，以应对极端天气和高峰负荷。但现有控制策略往往根据简单的温度阈值启停辅助热源，缺乏基于气候预报的前馈控制，容易造成辅助热源启停频繁、能耗增加或供热不足。

7、缺乏对气候变化的适应性。室外气温、太阳辐射、风速等气象因素的短期波动和中长期变化对建筑热负荷有显著影响，现有中深层地热供热系统很少将气候预报数据纳入运行调控，不能充分利用气候信息进行日前调度和日内修正，导致系统运行经济性和可靠性差。

8、地质条件的差异性未在调控中充分考虑。不同地质结构下换热孔的热响应特性差异很大，现有调控方法往往采用统一的运行参数，未能根据实际地质分层、地下水渗流情况和地温恢复特性进行个性化调控。

9、因此，亟需基于气候自适应的中深层密闭取热地热供热补偿调控方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于气候自适应的中深层密闭取热地热供热补偿调控方法，该方法能够根据气候预报数据、建筑负荷预测数据和地质条件，动态优化中深层地热取热功率与补偿热源出力，实施分区轮换和地温恢复补偿，提高地热利用效率，降低系统运行成本，缓解地温衰减。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、基于气候自适应的中深层密闭取热地热供热补偿调控方法，包括以下步骤：

4、s1、获取目标供热区域未来预测时段的气候预报数据和建筑热负荷预测数据，以及中深层密闭取热换热孔群的地质参数和运行参数；

5、s2、建立中深层密闭取热换热孔群的非稳态传热模型，计算不同取热功率和间歇运行条件下的岩土温度场、孔壁温度和循环工质出口温度；

6、s3、依据地质参数和地温恢复特征确定地热可持续取热阈值，并基于气候预报数据确定预测时段内各时刻的补偿热负荷；其中，所述地热可持续取热阈值按照下式确定：

7、

8、式中，为第i个地质分层岩土导热系数，单位为；,i为第i层原始地温，单位为℃；t_min,i为第i层允许最低孔壁温度，单位为℃；为第i层等效热阻，定义为第i个地质分层沿径向单位长度传热热阻，单位为m·k/w，根据该层径向传热方程和孔筒热阻计算获得；sf为安全系数，取值范围为1.2～1.5；

9、s4、以预测时段内系统运行总成本最低为目标，以地热取热功率、补偿热源功率和蓄热装置功率为优化变量，满足热负荷平衡约束、地热取热能力约束、地温恢复约束和补偿热源容量约束，求解得到日前调度计划；其中，所述系统运行总成本包括分时电价下的用电成本、燃料成本和碳排放成本；

10、s5、实时采集室外温度、循环工质回水温度、用户侧供回水温度和地热换热孔群各孔温度，对循环泵频率、地热侧电动调节阀、补偿热源及蓄热装置进行前馈-反馈复合调控；

11、s6、将换热孔群划分为运行区、恢复区和待命区，根据各孔壁温度恢复度进行分区轮换，并在低负荷时段利用补偿热源或可再生能源向地层进行热量回灌以加速地温恢复；其中，所述恢复度γ定义为：

12、

13、式中，为恢复后孔壁温度，t_min为运行期最低孔壁温度，为原始孔壁温度；

14、所述分区轮换的条件为：恢复区孔壁温度恢复度γ达到0.9时转入待命区；运行区孔壁温度低于该层允许最低孔壁温度t_min,i时切出至恢复区；待命区在运行区取热能力不足时投入运行；

15、所述热量回灌的介质为太阳能集热、空气源热泵或工业余热加热后的循环工质，补充温度为35～60℃；

16、s7、利用历史运行数据和实时监测数据对非稳态传热模型及负荷预测模型进行在线参数更新；

17、所述补偿热源为与地热系统耦合的辅助热源，选自燃气锅炉、电锅炉、空气源热泵、太阳能集热器或工业余热换热器中的至少。

18、进一步地，步骤s1中，所述气候预报数据包括室外干球温度、相对湿度、太阳辐射、风速和云量；所述建筑热负荷预测数据通过物理模型与数据驱动模型加权获得，其中物理模型采用等效满负荷小时数法，数据驱动模型采用基于历史气象数据和热负荷数据的多元回归或神经网络模型，加权系数根据预测提前时间和模型历史预测误差动态调整。

19、进一步地，步骤s2中，所述非稳态传热模型采用有限差分法离散同轴套管换热器，将地层径向划分为近孔区、过渡区和远孔区，轴向按地质分层离散，考虑地下水渗流和地层热物性随温度变化；同轴套管换热器内外管及环腔内的循环工质采用一维对流换热方程描述，通过孔筒热阻与地层传热方程耦合求解。

20、所述地层热物性随温度变化采用以下线性修正关系：

21、

22、

23、式中，,ref和,ref分别为第i层参考温度,i下的导热系数和体积热容；为导热系数温度修正系数，取值范围为-0.002～0.003/℃；为体积热容温度修正系数，取值范围为-0.001～0.002/℃。

24、进一步地，步骤s3中，所述补偿热负荷为预测时段内建筑热负荷与地热可持续取热功率之差：

25、

26、式中，,为t时刻预测建筑热负荷，为系统热利用效率。

27、进一步地，步骤s4中，所述约束条件中地温恢复约束为：在一个恢复周期内，换热孔壁平均温度恢复度不低于85%；所述优化目标中系统总用电功率和燃料消耗功率与优化变量的映射关系为：

28、

29、

30、式中，为循环泵电耗，与地热循环流量三次方成正比；为空气源热泵电耗，等于热泵制热量除以热泵性能系数；为电锅炉电耗，等于电锅炉制热量除以电锅炉效率；为燃气锅炉出力，为燃气锅炉效率，lhv为燃气低位热值。

31、进一步地，步骤s5中，所述前馈-反馈复合调控具体为：根据未来24小时气候预报和负荷预测生成前馈控制曲线；根据实时回水温度偏差进行pi反馈修正；当室外温度预测偏差超过设定阈值时触发模型预测控制滚动优化，滚动优化时域为4～8小时，控制步长为10～30分钟。

32、进一步地，步骤s6中，所述热量回灌的热功率不超过该孔正常取热功率的50%～80%。

33、进一步地，步骤s7中，所述在线参数更新采用扩展卡尔曼滤波或粒子滤波，以循环工质出口温度误差为观测值，更新地层等效导热系数、体积热容和孔筒热阻，更新周期为24小时或当预测误差连续超过阈值的2倍时触发。

34、所述扩展卡尔曼滤波中，过程噪声协方差取参数初值的1%～5%构成对角矩阵；测量噪声协方差取循环工质出口温度测量标准差的平方；初始误差协方差矩阵取参数初值标准差的平方构成对角矩阵。

35、本发明还提供基于气候自适应的中深层密闭取热地热供热补偿调控系统，包括：

36、气象数据获取模块，用于获取目标供热区域未来预测时段的气候预报数据；

37、负荷预测模块，用于根据气候预报数据、建筑热工参数和历史用热数据生成建筑热负荷预测数据；

38、地热传热模型模块，用于建立中深层密闭取热换热孔群的非稳态传热模型，计算岩土温度场、孔壁温度和循环工质出口温度；

39、优化调度模块，用于以预测时段内系统运行总成本最低为目标，求解地热取热功率、补偿热源功率和蓄热装置功率的日前调度计划；所述系统运行总成本包括分时电价下的用电成本、燃料成本和碳排放成本；

40、实时控制模块，用于实时采集室外温度、循环工质回水温度、用户侧供回水温度和地热换热孔群各孔温度，对循环泵频率、地热侧电动调节阀、补偿热源及蓄热装置进行前馈-反馈复合调控；

41、分区轮换管理模块，用于将换热孔群划分为运行区、恢复区和待命区，根据各孔壁温度恢复度进行分区轮换，并控制低负荷时段的热量回灌；所述恢复度γ定义为，其中为恢复后孔壁温度，为运行期最低孔壁温度，为原始孔壁温度；分区轮换的条件为恢复区孔壁温度恢复度γ达到0.9时转入待命区，运行区孔壁温度低于允许最低孔壁温度时切出至恢复区，待命区在运行区取热能力不足时投入运行；热量回灌介质为太阳能集热、空气源热泵或工业余热加热后的循环工质，补充温度为35～60℃；

42、数据存储与模型更新模块，用于存储历史运行数据和实时监测数据，并对非稳态传热模型及负荷预测模型进行在线参数更新。

43、本发明还提供计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法。

44、有益效果

45、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

46、本发明利用气候预报数据进行日前调度和日内前馈-反馈复合调控，能够提前感知室外气温和太阳辐射变化，自适应调整地热取热功率和补偿热源出力，避免辅助热源频繁启停和过量取热，提高系统供热可靠性和经济性。

47、本发明通过建立中深层密闭取热换热孔群的非稳态传热模型，并结合地质分层、地下水渗流和地温恢复特性，能够准确预测不同运行工况下的孔壁温度和出口温度，为优化调控提供可靠依据。

48、本发明引入地温恢复度指标和分区轮换策略，使换热孔群交替运行和恢复，并在低负荷时段利用太阳能、空气源热泵或工业余热向地层补充热量，有效缓解地温衰减，延长中深层地热系统的使用寿命。

49、本发明采用模型预测控制和在线参数更新，能够根据实际运行数据不断修正传热模型和负荷预测模型，提高调控精度，适应地质条件的不确定性和气候变化的长周期影响。