一种基于蒙特卡罗法的地源热泵竖直地埋管的可靠性分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地源热栗系统的可靠性分析技术领域，涉及一种基于蒙特卡罗法的地 源热栗竖直地埋管的可靠性分析方法。
【背景技术】
[0002] 在地源热栗竖直地埋管的研究中，传热分析一直是许多学者研究的重点，也因此 产生了许多不同的传热模型。基于传热分析与传热模型的建立，地源热栗竖直地埋管的设 计也出现了相应的计算公式和方法。现有的地埋管计算公式和设计方法中，极少部分有考 虑相关参数的动态变化和随机性。Jeffrey D. Spitler等人提到地下导热率的不确定性和 分布范围，王勇做了建筑负荷的动态变化对地源热栗性能影响的相关研究，管昌生等人考 虑了岩土热阻的随机性，并做了相关研究，这些在进行地源热栗地埋管管长计算或可靠性 分析时，都没有全面考虑影响地源热栗的随机因素，只是在假定其他因素不变的前提下，某 一特定因素变化所导致的评价指标(本发明采用竖直地埋管管长这一评价指标）的变化程 度，无法反映各随机因素同时变化引起评价指标的变化程度。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种基于蒙特卡罗法的地源热 栗竖直地埋管的可靠性分析方法，在计算机环境下，借助EXCEL软件提供的函数功能，拟以 竖直地埋管管长计算为例，应用蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟法对随机因素影响下的竖直 地埋管管长进行成千上万次的模拟运算，最后利用SPSS软件对所得到的样本进行处理，对 地埋管的可靠性进行分析。
[0004] 其具体技术方案为：
[0005] -种基于蒙特卡罗法的地源热栗竖直地埋管的可靠性分析方法，包括以下步骤：
[0006] (1)分析评价参数的特性，确定随机变量的某些概率分布律；
[0007] (2)按照一定的统计分布规律，在计算机上产生随机数，在此基础上，建立相应的 数学模型；
[0008] (3)通过成千上万次计算机模拟运算，得到足够数量的参数样本值，根据这些参数 样本值，进行统计特征分析，求出地源热栗竖直地埋管管长的概率分布；
[0009] (4)根据上述所求的概率分布，分析评价预测管长的可靠性。
[0010] 优选地，在进行模拟运算时，主要采用的函数包括:RAND:是一个Excel随机数字发 生器，产生〇到1之间的一个随机数;N0RMINV:是一个返回给定概率、正态分布的均值和标准 差的区间点;AVERAGE:计算指标的平均值;STDEV:估算基于样本的标准偏差;MAX:计算样本 的最大值;MIN:计算样本的最小值。
[0011] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0012] (1)基于EXCEL环境下，采用蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟法，可以解决现行可靠性 计算中仅对特定因素变化引起评价指标变化的可靠性分析问题，解决了各随机因素同时变 化引起评价指标的变化的可靠性分析问题。
[0013] (2)本发明得到的固定样本是成千上万次实验模拟的结果，具有一定的物理意义 和数学意义，是可信的。
[0014] (3)根据系统不同的保证率，可以得到不同的计算管长。就本发明的实例而言，与 现有技术相比，根本无法保证其置信度达到95.44% ( "2〇"范围内）；若按照100m的井深计 算，要想保证地源热栗系统的可靠性在"2〇"范围内，则需要额外至少增加1 口井，不超过5口 井(否则会增加初投资）；要想保证地源热栗系统的可靠性在V'范围内，则需要额外至少增 加2 口井;不超过4 口井(否则会增加初投资）。
[0015] (4)本发明实例所涉及随机参数及其分布类型，是在假设的基础上提出来的，为工 程实际提供一定的参考。
【附图说明】
[0016] 图1是管长计算基本资料；
[0017] 图2是参数随机取数后一次计算的结果；
[0018] 图3是模拟运算5000次的部分数据；
[0019]图4是固定样本的统计参数计算；
[0020] 图5是5000个样本频率分布直方图。
【具体实施方式】
[0021]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合附图和具体实例，进一步阐述本发明。
[0022] 1蒙特卡罗模拟法原理及步骤
[0023] 1.1蒙特卡罗模拟法的基本原理
[0024]蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，是一种基于随机数的统计模拟方法。在一些统计问 题中，有时候很难给出完美的理论结果，这时可以通过随机模拟来给出近似的结果。一般需 要根据已知的概率分布构造出相应的模拟样本，用它们的样本频率代替相应的概率作统计 分析和推断。
[0025]蒙特卡罗分析是情景分析法中的一种，在该分析方法下，被分析的项目将面临大 量的情景。以竖直地埋管管长为评价指标，在每一种情景下，计算机为每个变量随机选择一 个数值，然后运用这些数据计算地埋管管长，并将这些管长值存储到计算机中。接下来，再 为输入变量随机选取第二组数据，并计算第二个管长值。通过成千上万次的模拟，可以获得 相应的概率分布，通过对大量实验样本进行统计规律分析，得到满足一定可信度的结果。通 过蒙特卡罗模拟，可以对地源热栗竖直地埋管管长计算中的多个不确定性因素进行有效分 析，克服常规可靠性分析中仅对单一随机因素分析的弊端。
[0026] 1.2蒙特卡罗模拟法的分析步骤
[0027]在工程技术问题中，常常很难获取实验数据，而且会耗费很多人力、物力。对此采 用计算机随机模拟的方法无疑显得简单、实用而经济。以地源热栗竖直地埋管管长计算为 例，蒙特卡罗模拟法的分析步骤如下：
[0028] (1)分析评价参数的特性，并根据历史资料或专家意见，确定随机变量的某些概率 分布律；
[0029] (2)按照一定的统计分布规律，在计算机上产生随机数，在此基础上，建立相应的 数学模型；
[0030] (3)通过成千上万次计算机模拟运算，得到足够数量的参数样本值，根据这些参数 样本值，进行统计特征分析，求出地源热栗竖直地埋管管长的概率分布；
[0031] (4)根据上述所求的概率分布，分析评价预测管长的可靠性。
[0032] 1.3基于Excel的蒙特卡罗模拟所需函数
[0033] Excel软件内含有大量的统计函数，可以实时反映各种变量之间的变化，获得各随 机因素下目标函数的变动规律。在进行蒙特卡罗模拟运算时，主要采用的函数包括:RAND: 是一个Excel随机数字发生器，产生0到1之间的一个随机数;N0RMINV:是一个返回给定概 率、正态分布的均值和标准差的区间点;AVERAGE:计算指标的平均值;STDEV:估算基于样本 的标准偏差;MAX:计算样本的最大值;MIN:计算样本的最小值。