地能建筑供暖制冷三维可视化综合信息管理系统的制作方法

本发明涉及中深层无干扰地能建筑供暖或制冷技术，特别是一种地能建筑供暖制冷三维可视化综合信息管理系统。

背景技术：

在中深层地热能中，无干扰地热能（又称“干热岩”）是一种非常稳定的高温地热资源，是通过钻机向地下2000至4000米深度高温岩层钻孔并安装密闭的高效换热器，将地下深层的热岩体的热能导出并加以利用的技术。无干扰地热有着诸多优点：首先突破用地制约，在用热建筑附近向地下钻孔，无须建设市政配套管网；其次不抽取地下水进行热交换，不产生地下水污染；而且在使用过程中绿色环保，无废气、废液、废渣等任何污染物排放；另外，无干扰地热储量丰富，并可循环利用，可满足人类的长期使用的需要。自进入二十一世纪以来，美国、英国、日本等发达国家在实验的基础上逐步开展了无干扰地热能发电和供暖利用。德国在2009年率先在卡琳娜循环发电成功，并在2012年又在该地区的兰道和印希姆发电成功，法国也在2011年成功建立世界首个兆瓦级无干扰地能发电项目。

然而，现有使用的无干扰地能供暖系统的运行参数、能源节约指标、环境效益指标、项目投资回报率等无法得到真实可靠的原始数据的支持，这在一定程度上也制约了无干扰地热能的推广应用。

因此，根据无干扰地热能的特点，因地制宜的建立客观合理的评价指标体系，并通过高效稳定的监测技术获得实时监测数据，不仅有助于客观评价系统的运行性能，而且有助于优化控制策略指导系统高效运行，更有助于无干扰地能系统的全面推广应用。

无干扰地能（又称“干热岩”，英文为“hotdryrock”）是一种没有水或蒸汽的热岩体，主要是各种变质岩或结晶岩等类岩体，埋藏于距地表2～6公里的深处，其温度范围在150～350℃之间。无干扰地能的热能赋存于岩石中，较常见的岩石有黑云母片麻岩、花岗岩、花岗闪长岩等，一般无干扰地能上覆盖有沉积岩等隔热层。随着地表深度的增加，地热温度逐渐提高，从理论上讲任何地区达到一定深度都可以开发出无干扰地能，因此无干扰地能又被称为是无处不在的资源。

但受制于目前开发技术的限制，无干扰地能资源专指埋深较浅、温度较高、有开发经济价值的热岩体。无干扰地能既可以用来发电，也可用于供暖。无干扰地能供暖技术是通过钻机向地下2000~4000m深度高温岩层钻孔，在孔中安装一种密闭的金属换热器，将地下深层的热能导出，并通过地源热泵系统向地面供暖的新技术。

目前国外对无干扰地能的开发利用，主要是发电。美国、法国、德国、日本、意大利和英国等科技发达国家已经掌握了无干扰地能发电的基本原理和基本技术。无干扰地能发电的基本原理是：通过深井将高压水注入地下2000～6000米的岩层，使其渗透进入岩层的缝隙并吸收地热能量；再通过另一个专用深井（相距约200～600米左右）将岩石裂隙中的高温水、汽提取到地面；取出的水、汽温度可达150～200℃，通过热交换及地面循环装置用于发电；冷却后的水再次通过高压泵注入地下热交换系统循环使用。整个过程都是在一个封闭的系统内进行。

试验中，国内外常用的地下热交换系统的模式主要有三种。最早

的模式是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出的“人工高压裂隙模式”，即通过人工高压注水到井底，干热的岩石受水冷缩作用形成很多裂隙，水在这些裂隙间穿过，即可完成进水井和出水井所组成的水循环系统热交换过程。第二种模式是英国卡门波矿产学校（camborneschoolofmines）提出的“天然裂隙模式”，即较充分的利用地下已有的裂隙网络。已有的裂隙虽然一方面阻止了人工高压注水裂隙的发育，但另一方面当人工注水时，原先的裂隙会变宽或错位更大，增强了裂隙间的透水性。在这种模式下，可进行热交换的水量更大，而且热量交换的更充分。

最新的模式，即第三种模式是在欧洲soultz无干扰地能工程中由研究人员提出来的“天然裂隙－断层模式”。这种模式除了利用地下天然的裂隙，而且还利用天然的断层系统，这两者的叠加使得热交换系统的渗透性更好。该模式的最大优势也是最大的挑战，即不需通过人工高压裂隙的方式连接进水井和出水井，而是通过已经存在的断层来连接位于进水井和出水井之间的裂隙系统。

在我国大力转变发展模式、发展低碳循环经济的新形势下，除了无干扰地能供暖系统的原理和特点无干扰地能供热技术是指通过钻机向地下一定深处无干扰地能层钻孔，在钻孔中安装一种密闭的金属换热器（地下换热器采用耐高压、耐腐蚀、耐高温的j55特种钢材制造）在内充满换热介质，通过换热器传导将地下深处的热能导出，并通过专用设备系统向地面建筑物供热的新技术。该技术无污染，不受地面气候等条件的影响，能有效保护地下水资源，实现地热能资源的清洁、高效、持续利用，是一种更加优质的地热能利用技术。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能客观了解实际运行效率、符合实际需求、稳定可靠、三维数据可视化的地能建筑供暖制冷三维可视化综合信息管理系统。

本发明的目的是这样实现的，一种地能建筑供暖制冷三维可视化综合信息管理系统，其特征是：至少包括：

地热能换能交换单元，安装固定在地下，用于通过地能处理单元控制提取地下地热能；

地能处理单元，安装在地面，用于向地下地热能换能交换单元提供换能的介质，通过地热能换能交换单元获取地下地热能；

用于通过电能将获取地下地热能进行处理，向用户供暖或制冷单元提供地热能的提升热能；

用户供暖或制冷单元，分布在地面空间，与地能处理单元通过管网连接，用于通过地能处理单元将提取的地热能进行控制，提供给用户供暖或制冷单元的每一个受控空间；

检测传感单元，固定在管网和建筑体内，获取管网和建筑体内的受控空间温度，和检测向地能处理单元提供的电能；

用于实时获取供给的总地热能；

信息监测处理单元，用于户外气象数据、地能处理单元和地能处理单元的辅助能源、地热能换能交换单元、用户侧的用户供暖或制冷单元的实时监测管理、告警事件联动、数据统计分析和远程运行控制，通过向信息监测处理单元输入地能处理单元和地能处理单元的辅助能源、地热能换能交换单元、用户侧的用户供暖或制冷单元阀值，依据监测数据的异动，能由信息监测处理单元直接客观反映系统运行中存在的问题，同时直观展示在地能用户供暖或制冷3d显示单元中，提高供暖系统的智能化程度，保障干热岩供暖系统正常稳定运行；

用于对检测传感单元提供的信号进行处理，用于向地能用户供暖或制冷的优化单元提供处理的结果，将获取的信息按编码进行处理和存贮；

用于向地能建筑供暖或制冷的3d显示单元输出处理的结果，将按编码处理的信息按相应的位置进行3d显示；

地能用户供暖或制冷3d显示单元，

用于建立地能用户供暖或制冷单元的3d模形；

用于建立地能建筑供暖或制冷检测传感单元的3d位置模形；

用于通过3d显示地能建筑供暖或制冷的3d实体和检测传感单元的3d位置实体；

用于实时在显示器上以3d显示模式显示：地热能换能交换单元、地能处理单元、用户供暖或制冷单元、检测传感单元的实时状态，在显示器上显示检测传感单元所在位置的实时检测信息；用指标显示条显示地热能指标和地能处理单元消耗电能功率；

地能用户供暖或制冷的优化单元，用于获取信息监测处理单元获取处理的地热能信息，依据设计的地热能输出与用户供暖或制冷单元实时结果进行比较，当比较结果接近设计指标的阀值时，给出满意的输出结果；当比较结果远离设计指标的阀值时，给出不满意的输出结果，并进行优化输出。

所述地热能换能交换单元是将地热能换能交换管道安装在2000米的干热岩层，由地能处理单元的干热岩热机组通过控制地能侧循环泵提取干热岩地下地热能；干热岩热机组、热源侧水循环泵和换能设备构成回路，由换能设备将干热岩地下地热能提升后再通过用户侧热水循环泵，向用户侧的用户供暖或制冷单元提供供暖或制冷；地能处理单元的输入能源由辅助能源提供，辅助能源或是电能、热转换能、水能、气能或综合能源。

所述辅助能源通过辅助能传感器给出地能处理单元的电能消耗，和与最大值和平均值的比较，当在所记录的范围之内时，说明系统运行正常；当长时间在所记录的范围之外时，说明系统的运行效率降低，或设备局部有故障，需要进行维护。

所述地热能换能交换单元接口处有温度传感器和流量传感器，通过地热能换能交换单元的温度传感器获取深地层温度，通过流量传感器获取深地层管道输出地热水量，地热水量和地热水进入地能处理单元的输入口温度给出系统的实时地热能；实时地热能进入地能处理单元的输入口，经地能处理单元的能量提升，然后通过管网输送到用户供暖或制冷单元。

所述用户供暖或制冷单元用于通过风机盘管向用户提供风能；用于通过散热器向用户提供供暖制冷水能；用于通过地板辐射向用户提供供暖制冷水能；通过水管向用户提供洗用热水。

所述地热能换能交换单元由群状的“u”字管组成，通过将地面层常温水注入干热岩层，通过热交换吸收地层热量后，由地能侧循环泵提取干热岩井群地热能；获取干热岩温度层温度或干热岩层地热热交换水的温度，及”u”字管水流温度信息，在”u”字管内有浮球测温体，在”u”字管线路上或管线接口处有无线读取电路，浮球测温体用于按时间间隔记录运动过程中的介质温度，通过无线方式向无线读取电路输出“u”字管水流温度状态信息。

所述的浮球测温体在”u”字管内随液体流动，记录液体流动过程中的温度，温度最高值在”u”字管的底部获取，通过浮球测温体的温度一记录过程获取其流速，浮球测温体从管口进入，第一时间t1与无线读取电路感应信息是启始时间；浮球测温体的从管口排出，第二时间t2与无线读取电路感应信息是结束时间；t2-t1=t的时间记录的温度,是浮球测温体沿”u”字管的温度记录，建立时间t和温度记录曲线。

所述的用户供暖或制冷单元，分布在地面空间，与地能处理单元通过管网连接，地能处理单元通过管网控制用户供暖或制冷单元的每一个受控空间的供暖或制冷温度；在受控空间的进口或出口管网有温度传感器和流量传感器；通过温度传感器和流量传感器的信号被传回信息监测处理单元；

获取受控空间温度值、流过受控空间管网的液体流量和温度值及气象温度，通过信息监测处理单元和地能用户供暖或制冷的优化单元，进行室内温度控制。

所述受控空间有相应的坐标位置，坐标位置和对应的传感器与之相对应，对对应的温度传感器和流量传感器进行编码，通过地能用户供暖或制冷3d显示单元直接通过界面或输入设备键盘确定受控空间的位置，显示所选受控空间环境温度的状态、能量损耗是否正常。

所述地能用户供暖或制冷3d显示单元，至少包括输入单元，通过输入单元获取地热能换能交换单元、地能处理单元、用户供暖或制冷单元、检测传感单元的3d实时状态；输入单元或通过输入编码直接查询对应编码对应的温度、设定状态；或通过光标搜索需要的位置，搜索的可显示轨迹的受控空间的温度实时进行显示。

本发明的优点是：

（1）本发明通过构建适宜无干扰地能系统的分析模型和评价指标，有助于客观了解实际运行效率。

（2本发明通过梳理并优化用户业务流程，构建符合实际需求并建立监测体系的长效运行机制。

（3）本发明通过根据无干扰地热的特点，选择最优的在线监测技术，实现稳定、高效、低成本的在线采集地能侧、用户侧、输配侧等的环境监测数据、设备运行数据和能源消耗数据。

（4）本发明除实现数据传输中的断点续传、数据校验和分析功能，能对断点数据进行拟合，也能识别伪造数据，并具备数据分析和预测功能。

（5）三维数据可视化技术。综合运用gis、bim、vr、ar技术，将信息系统的环境监测数据、设备运行数据和能源消耗。数据与虚拟系统相结合，实现用户层以3d方式从任意时间、任意地点、任意角度查看任意对象的任意信息。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

图1本发明实施例结构示意图；

图2地热能换能交换单元示意图和地能处理单元示意图；

图3用户供暖或制冷单元；

图4检测传感单元原理图

图5地能建筑供暖或制冷的3d显示单元示意图；

图6地能用户供暖或制冷的优化单元示意图。

图中，1、地热能换能交换单元；2、地能处理单元；3、用户供暖或制冷单元；4、检测传感单元；5、信息监测处理单元；6、地能建筑供暖或制冷的3d显示单元；7、地能用户供暖或制冷的优化单元；8、显示器；9、指标显示条；10、温度传感器；11、流量传感器；12、辅助能传感器；13、管网；14、建筑体；15、受控空间；16、辅助能源；17、浮球测温体；18、无线读取电路；19、“u”字管。

具体实施方式

如图1所示，一种地能建筑供暖制冷三维可视化综合信息管理系统，其特征是：至少包括：

地热能换能交换单元1，安装固定在地下，用于通过地能处理单元2控制提取地下地热能；

地能处理单元2，安装在地面，用于向地下地热能换能交换单元1提供换能的介质，通过地热能换能交换单元1获取地下地热能；

用于通过电能将获取地下地热能进行处理，向用户供暖或制冷单元3提供地热能的提升热能；

用户供暖或制冷单元3，分布在地面空间，与地能处理单元2通过管网13连接，用于通过地能处理单元将提取的地热能进行控制，提供给用户供暖或制冷单元的每一个受控空间15；

检测传感单元4，固定在管网和建筑体内，获取管网和建筑体内的受控空间15温度，和检测向地能处理单元2提供的电能；

用于实时获取供给的总地热能；

信息监测处理单元5，用于户外气象数据、地能处理单元2和地能处理单元2的辅助能源16、地热能换能交换单元1、用户侧的用户供暖或制冷单元3的实时监测管理、告警事件联动、数据统计分析和远程运行控制，通过向信息监测处理单元输入地能处理单元2和地能处理单元2的辅助能源16、地热能换能交换单元1、用户侧的用户供暖或制冷单元3阀值，依据监测数据的异动，能由信息监测处理单元5直接客观反映系统运行中存在的问题，同时直观展示在地能用户供暖或制冷3d显示单元6中，提高供暖系统的智能化程度，保障干热岩供暖系统正常稳定运行；

用于对检测传感单元提供的信号进行处理，用于向地能用户供暖或制冷的优化单元提供处理的结果，将获取的信息按编码进行处理和存贮；

用于向地能建筑供暖或制冷的3d显示单元输出处理的结果，将按编码处理的信息按相应的位置进行3d显示；

地能用户供暖或制冷3d显示单元6，

用于建立地能用户供暖或制冷单元的3d模形；

用于建立地能建筑供暖或制冷检测传感单元的3d位置模形；

用于通过3d显示地能建筑供暖或制冷的3d实体和检测传感单元的3d位置实体；

用于实时在显示器8上以3d显示模式显示：地热能换能交换单元1、地能处理单元2、用户供暖或制冷单元3、检测传感单元4的实时状态，在显示器8上显示检测传感单元4所在位置的实时检测信息；用指标显示条9显示地热能指标和地能处理单元2消耗电能功率；

地能用户供暖或制冷的优化单元7，用于获取信息监测处理单元5获取处理的地热能信息，依据设计的地热能输出与用户供暖或制冷单元实时结果进行比较，当比较结果接近设计指标的阀值时，给出满意的输出结果；当比较结果远离设计指标的阀值时，给出不满意的输出结果，并进行优化输出。

如图2所示，地热能换能交换单元1是将地热能换能交换管道安装在2000米的干热岩层，由地能处理单元2的干热岩热机组202通过控制地能侧循环泵201提取干热岩地下地热能；干热岩热机组202、热源侧水循环泵203和换能设备204构成回路，由换能设备204将干热岩地下地热能提升后再通过用户侧热水循环泵205，向用户侧的用户供暖或制冷单元3提供供暖或制冷。

地能处理单元2的输入能源由辅助能源16提供，辅助能源16或是电能、热转换能、水能、气能或综合能源。辅助能源16根据具体情况选择，达到合理的能源配置。

辅助能源16通过辅助能传感器12给出地能处理单元2的电能消耗，和与最大值和平均值的比较，当在所记录的范围之内时，说明系统运行正常；当长时间在所记录的范围之外时，说明系统的运行效率降低，或设备局部有故障，需要进行维护。

地热能换能交换单元1是由干热岩井群构成，通过地能侧循环泵201提取干热岩井群地热能。

如图3所示，地热能换能交换单元1接口处有温度传感器10和流量传感器11，通过地热能换能交换单元1的温度传感器10获取深地层温度，通过流量传感器11获取深地层管道输出地热水量，地热水量和地热水进入地能处理单元2的输入口温度给出系统的实时地热能。实时地热能进入地能处理单元2的输入口，经地能处理单元2的能量提升，然后通过管网13输送到用户供暖或制冷单元3。用户供暖或制冷单元3可使用于风机盘管301、散热器302、地板辐射303、洗用热水304。通过风机盘管301向用户提供风能；通过散热器302向用户提供供暖制冷水能；通过地板辐射303向用户提供供暖制冷水能；通过水管向用户提供洗用热水304。

地能处理单元2的输入地热能和地能处理单元2的辅助能源16之和与管网13输入口提升地热能比值，是地能处理单元2的转换效率。

从地热能换能交换单元1、地能处理单元2、用户供暖或制冷单元3形成的记录信息（实际运行经验和存在的问题），建立信息分析模型，能形成科学的能效和经济评价指标体系，为科学管理带来依据。

地热能换能交换单元1在干热岩井群地热能应用中是由干热岩井群构成，干热岩井群由井网压裂和群状的“u”字管组成，通过将地面层常温水注入干热岩层，通过热交换吸收地层热量后，由地能侧循环泵201提取干热岩井群地热能。

由地能侧循环泵201提取干热岩井群地热热交换水的温度与注入水量、注入水温度、干热岩温度有关，也与”u”字管19长度和”u”字管19分布的吸热状态有关，为了获取干热岩温度层温度或干热岩层地热热交换水的温度，及”u”字管19水流温度信息，本发明还提供了一种浮球测温体17，浮球测温体17用于按时间间隔记录运动过程中的介质温度，通过无线方式向无线读取电路18输出“u”字管水流温度状态信息，无线读取电路18在”u”字管19线路上或管线接口处，无线读取电路18通过无线读取信息。

浮球测温体17在”u”字管19内随液体流动，记录液体流动过程中的温度，温度最高值在”u”字管19的底部获取，通过浮球测温体17的温度一记录过程也可以获取其流速。其方法是，浮球测温体17的从管口进入，第一时间t1与无线读取电路18感应信息是启始时间；浮球测温体17的从管口排出，第二时间t2与无线读取电路18感应信息是结束时间。t2-t1=t的时间记录的温度,是浮球测温体17沿”u”字管19的温度记录，建立时间t和温度记录曲线，可以根我们提供大量有用的信息，以便准确分析和利用干热岩层温度和”u”字管19设计。

通过建立时间t和温度记录曲线能实现地能侧的科学评价指标：表现在数据表征：

（1）流量：进水量大于出水量，地下有泄漏；

出水量大于进水量，抽取了地下水；（数据有误）

进水/出水流量的逐时变化曲线；

（2）温度：出水/进水温度的逐时变化曲线；

出水/进水温度差的逐时变化曲线；

冬季，出水温度大于进水温度，正常；

出水温度小于进水温度，故障；

夏季，不运行；

（3）取热量指标状况：

取热量的逐时变化曲线；

取热量与温差的叠加变化曲线；

取热量与流量的叠加变化曲线；

逐日取热量与室外温度的变化曲线。

如图4所示，用户供暖或制冷单元3，分布在地面空间，与地能处理单元2通过管网13连接，地能处理单元2通过管网13控制用户供暖或制冷单元3的每一个受控空间15的供暖或制冷温度；受控空间15以风机盘管301、散热器302、地板辐射303、洗用热水304的不同形式获取能源。

在受控空间15的进口或出口管网同样有温度传感器10、流量传感器11；通过温度传感器10和流量传感器11的信号被传回信息监测处理单元5。

如图5所示，受控空间15的温度与户外温度、房间保暖状态、供热面积、供热时间、供水流量有关，每一个受控空间15有相应的坐标位置，检测传感单元4中对应的传感器与之相对应；传感器给出的信息长时间记录在地能用户供暖或制冷的优化单元7的数据库内，通过长时间记录不同受控空间15的给出相同条件下温度的最大值和平均值，通过系统运行状态下的当前值与历史值中的最大值和平均值的比较，以确定受控空间15的当前状态，如房间保暖状态（关窗或开窗）。也可能通过系统运行状态下的当前值与历史值中的最大值和平均值的比较，3d显示受控空间15的管网状态，如是否漏水。

获取受控空间15温度值、流过受控空间15管网的液体流量和温度值及气象温度，通过信息监测处理单元5和地能用户供暖或制冷的优化单元7，能为实现科学的室内温度控制和管理提供依据。通过温度传感器10和流量传感器11获取受控空间15温度值也能通过地能用户供暖或制冷3d显示单元6实现真实环境的温度状态。

为了使受控空间15相应的坐标位置和对应的传感器与之相对应，需要对对应的温度传感器10和流量传感器11进行编码，使用者通过地能用户供暖或制冷3d显示单元6直接通过界面或输入设备键盘确定受控空间15的位置，显示所选受控空间15环境温度的状态、能量损耗是否正常。

受控空间15有建筑体14相同的结构，有建筑体14不相同的结构。当同样的受控空间15，其建筑体14相同，大小和形状相同，在流量和输入口温度相同时，其输出口管网温度明显不一样，则能间接说明，此受控空间15或在开窗户或管道有问题，以便维护人员有效管理。

如图6所示，地能用户供暖或制冷3d显示单元6，至少包括输入单元，通过输入单元获取地热能换能交换单元1、地能处理单元2、用户供暖或制冷单元3、检测传感单元4的3d实时状态；输入单元或通过输入编码直接查询对应编码对应的温度、设定状态；也可通过光标搜索需要的位置，搜索的可显示轨迹的受控空间15的温度实时进行显示。

将信息系统的环境监测数据、设备运行数据和能源消耗数据与虚拟系统相结合，实现用户层以3d方式从任意时间、任意地点、任意角度查看任意对象的任意信息。

本发明通过构建适宜无干扰地能的系统分析模型和评价指标及构建监测管理体系，实现良好交互体验的三维供热或制冷监测管理系统，通过人工智能的智能控制算法，优化控制指导系统高效运行。

本发明的具有如下特点：

1）普遍适用。钻孔位置的选定比较灵活，一般不受场地条件制约，每个建筑物下都有地热能，开发地热能在地面上具有普遍性。

2）绿色环保。无废气、废液、废渣等任何排放，能量来自地热，治污减霾成效显著。

3）保护水资源。系统与地下水隔离，仅通过换热器管壁与高温

岩层换热，不抽取地下热水，也不使用地下水。

4）高效节能。专用的吸热导热装置与新材料的使用提高了地下吸热导热效率;一个换热孔可以解决1-1.3万平米建筑的供暖。

5）系统寿命长。地下换热器采用特种钢材制造，耐腐蚀、耐高温、耐高压，设计寿命50年，与建筑寿命相当。

6）安全可靠。孔径小（200毫米），深度在2000米以下，对建筑地基无任何影响，地下无运动部件；利用地下高温热源供热，系统

稳定。

7）投资与运行经济。向地下中、深层取热，增加单孔取热量，

扩大供热面积，可减少钻孔数，降低开发成本。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。