基于热源塔热泵系统的浅层地热埋管设计方法与流程

本发明涉及地源热泵，具体涉及一种基于热源塔热泵系统的浅层地热埋管设计方法。

背景技术：

1、地热能利用可分为发电利用和直接利用两类：地热发电至今已有100多年的历史。1904年，意大利人在拉德瑞罗(larderello)地热田建成了世界上第一台试验性地热发电机组，开了地热发电之先河。19i3年，他们建成了第一座商业性地热电站。此后，新西兰、美国和日本等国家相继建成了商业性地热电站。

2、对温度不同的地热资源，有四种基本的地热发电方式，分别为干蒸汽发电、闪蒸发电、双工质发电和全流发电。干蒸汽发电主要用于高温蒸汽型地热田。闪蒸发电是采用降压扩容的方法从地热水中产生蒸汽，推动汽轮机发电。双工质发电一般用于中低温地热流体，间接加热低沸点工质推动透平发电。全流发电可以允许气液两相流体直接进入膨胀机进行发电。

3、20世纪70年代，我国各地掀起开发利用地热的热潮，先后在西藏羊八井、广东丰顺等地建成了试验性地热电站，目前除西藏羊八井、广东丰顺地热电站外，其他均已停运。我国地热发电经历了近20年的停滞，近年来，地热发电有所起色，2009年在西藏羊八井新增2mw，2010年华北油田新增400kw，2011年西藏羊易分别新增400kw和500kw，2014年青海共和新增160kw。截至2014年底，我国地热发电总装机容量为27.28mw，世界排名第18位。西藏羊易地热田有望成为我国第二个规模化地热电站，目前16mw地热发电项目已进人工程实施阶段，未来电站规模将达32mw。

4、我国自20世纪90年代以来，在北京、天津、保定(雄县)等城市开展中低温地热供暖等直接利用工作。目前，我国的浅层和水热型地热能供暖/制冷技术已基本成熟。

5、我国地热供暖遍布天津、北京、河北、陕西，山东等华北地区，在东北和两南、两北地区也有规模应用。2015年底天津市地热供暖面积达到2500万平方米，约占全市集中供暖总面积的6％，是全国利用地热供暖规模最大的城市。河北雄县依托地热供暖打造了“雄县模式”，建成了我囤首座“无烟城”。截止2015年底我国地热供暖面积达到1.02亿平方米。

6、2005年以来开发浅层地热的地源热泵技术得到了迅速发展，2009年底我国地源热泵装机容量已位列第二，全国推广应用面积突破1亿平方米，后我国地源热泵进入高速发展期，2016年底全国推广应用面积已达4.78亿平方米，地源热泵年均增长速度达到27％,极大带动了世界地源热泵的快速发展。

7、近年来，国家颁布多项政策支持地热发展，有效指导和促进了地热开发利用，尤其是浅层地热能供暖/制冷的“热泵技术”等已经成熟，综合指标位列世界先进水平，利用规模快速增长。

8、

9、我国大型沉积盆地中蕴含丰富的中低温地热资源，主要热储类型有砂岩孔隙型热储和基岩裂隙一岩溶型热储，其中裂隙一岩溶型地热储的开发利用条件更加优越。我国碳酸盐岩的分布总面积占陆地面积的三分之一，裸露面积约为90万平方公里，隐伏面积达250万平方公里以上。雄安新区和北京市均在岩溶型热储覆盖的渤海湾盆地内，且热背景较好，未来在雄安新区和北京市副中心的建没中，地热能将大有作为。

10、在高温地热发电方面，我国西南地区属于喜马拉雅高温地热资源分布区，资源品质优越。目前西南地区已成为我国地热发电的主战场，除了西藏羊易外，西藏古堆和当雄、云南瑞丽以及四川康定等地均有望实现地热规模化发电，高温地热发电产业的发展也迫切需要我国自主地热发电技术的支撑。

11、浅层地热资源是一种清洁、可再生的资源，具有分布广、储量大的特点。在倡导“美丽中国”的时代背景下，以其自身的优势顺应着时代的潮流。在集中供暖不可及的可以大力推广地源热泵系统以实现供暖需求；在农村等偏远地区可进行整村或多户联合修建，既解决了供暖制冷问题又节约了造价成本；在特殊行业，如花卉苗木基地等对温度有一定要求的行业可修建地源热泵系统以实现四季恒温。

12、西南地区(例如贵州省)特殊的喀斯特地貌以及当地大高差、宽半径的民用建筑地理特征，浅层地热能供暖技术的推广使用还面临解决如下问题：传统的地热埋管道布局设计缺少信息化的手段，单纯靠人为进行布局，导致地热埋管道布局之初并未考虑到地形高差和覆盖面积等因素，导致施工后的地热埋管道的热交换效率不高。

技术实现思路

1、本技术提供了一种基于热源塔热泵系统的浅层地热埋管设计方法，用于解决现有技术中缺少信息化手段导致地热埋管道的热交换效率不高的问题。

2、鉴于上述问题，本技术提供了一种基于热源塔热泵系统的浅层地热埋管设计方法。

3、本技术实施例提供一种基于热源塔热泵系统的浅层地热埋管设计方法，包括：

4、收集第一地区的地理、气象、地形、土壤和地下水的数据信息，所述第一地区为喀斯特地貌的地区；

5、将所述数据信息导入地理信息系统gis软件，以生成地形和地貌的数字模型；

6、根据所述数字模型，设计一个初步的地热埋管道布局；

7、在计算流体动力学cfd软件中导入所述初步的地热埋管道布局，以建立一个流体流动模型；

8、使用所述cfd软件模拟流体在所述地热埋管道中的流动；

9、根据cfd模拟的结果，调整所述gis软件中的地热埋管道布局，以优化流体流动效率。

10、可选地，根据所述数字模型，设计一个初步的地热埋管道布局，包括：

11、确定供暖或冷却的需求，了解需要覆盖的区域和预期的服务对象；

12、基于数字地理模型dtm，确定所述第一地区的高差、坡度和障碍物，并确定地热埋管道路径；

13、确定工程因素，确定所述地热埋管道的埋深和材料，所述工程因素包括土壤类型、地下水位、地震活跃度；

14、基于所述地热埋管道路径和所述地热埋管道的埋深，通过gis软件自动化设计初步的地热埋管道布局图。

15、可选地，通过gis软件自动化设计初步的地热埋管道布局图，包括：

16、使用语义分析技术，对所述第一地区的数据信息进行预处理，将其转换为供机器学习算法使用的格式；

17、定义所述地热埋管道布局的目标和约束，包括最大高差、最长管道长度和预算限制；

18、使用混合语义分析，确保所述目标和约束与地理工程数据相一致；

19、利用蚁群优化算法，生成多个初步的地热埋管道布局方案；

20、使用深度学习算法，对生成的所述多个初步的地热埋管道布局方案进行优化，直至满足所述目标和约束；

21、基于用户反馈，对优化后的所述多个初步的地热埋管道布局方案进行迭代，并确认一个最终的地热埋管道布局方案，所述最终的地热埋管道布局方案为所述初步的地热埋管道布局图。

22、可选地，利用蚁群优化算法，生成多个初步的地热埋管道布局方案，包括：

23、在所述第一地区内划分多个节点，每个节点表示一个管道连接点；

24、确定每两点之间的距离或成本，且每两点之间的连线构成一条路径；

25、在所有路径上初始化相同的信息素浓度，设置信息素的挥发系数和信息素强度；

26、在起始节点放置一定数量的蚂蚁，所述蚂蚁为数学模型中的模拟真实蚂蚁的数据集合；

27、蚂蚁寻路：每只蚂蚁根据当前节点上的信息素浓度和到其他节点的距离，选择下一个节点，且每走过一个路径，每只蚂蚁在该路径上留下信息素；

28、信息素更新：当所有蚂蚁都完成其路径后，更新所有路径上的信息素；

29、重复上述蚂蚁寻路和信息素更新的过程，直至达到预设的迭代次数；

30、从所有的蚂蚁路径中，选择成本或长度最小的路径作为最佳解，所述最佳解为一个管道布局方案；

31、多次运行所述蚁群优化算法，以生成多个初步的地热埋管道布局方案。

32、可选地，使用深度学习算法，对生成的所述多个初步的地热埋管道布局方案进行优化，直至满足所述目标和约束，包括：

33、将每个初步的地热埋管道布局方案表示为一个图像，其中每个像素表示地形上的一个区域，其值表示该区域是否有地埋管道；

34、定义损失函数来评估每个初步的地热埋管道布局方案的质量；

35、构建卷积神经网络cnn模型；

36、将历史的布局方案和对应的优化结果作为训练数据，对所述cnn模型进行训练；

37、将每个初步的地热埋管道布局方案输入至训练后的所述cnn模型中，得到优化后的布局方案。

38、可选地，使用所述cfd软件模拟流体在所述地热埋管道中的流动，包括：

39、使用所述cfd软件预估流体在所述地热埋管道中的流速、压力和流量，包括：

40、收集流体的性质和管道的信息；

41、应用伯努利方程估算流体在所述地热埋管道中的压力和速度的关系；

42、应用连续性方程描述在不可压缩流体的情况下，流速和所述地热埋管道截面的关系；

43、使用darcy-weisbach方程描述所述地热埋管道中的摩擦损失；

44、基于流速和所述地热埋管道截面面积，计算流量。

45、可选地，使用所述cfd软件模拟流体在所述地热埋管道中的流动，包括：

46、基于历史数据，使用长短时记忆模型lstm预估所述流体在所述地热埋管道中的流动，包括：

47、收集历史数据，所述历史数据包括历史的流量、流速、压力，并将所述历史数据进行预处理；

48、将所述预处理后的历史数据划分为多个时间序列窗口；

49、创建一个lstm模型，并定义所述lstm的输入层、lstm层和输出层；

50、使用所述多个时间序列窗口和对应的标签来训练模型；

51、利用训练后的lstm模型预估所述流体在所述地热埋管道中的流动。

52、可选地，建立一个流体流动模型，包括：

53、根据工程需求，设置流体的入口和出口条件；

54、在所述地热埋管道内部划分网格；

55、根据流体的性质，选择合适的流体流动模型；

56、在所述流体流动模型中设置初始的流速、压力和温度分布。

57、可选地，在所述地热埋管道内部划分网格，包括：

58、使用混合语义分析识别关键的几何特征和流动特性；

59、根据混合语义分析后的结果，对原始几何数据进行预处理，并使用cnn模型来识别复杂区域；

60、使用网格生成工具生成在所述地热埋管道内部生成第一网格；

61、在所述使用cnn模型识别出复杂区域后，针对所述复杂区域，优化生成的第一网格，以生成第二网格，所述第二网格为最终的所述地热埋管道内部划分的网格。

62、可选地，使用所述cfd软件模拟流体在所述地热埋管道中的流动，包括：

63、选择求解器和算法，设置迭代次数和收敛标准；

64、启动cfd软件，进行流体流动的模拟；

65、监控模拟的过程，确保模拟过程中的收敛性；

66、其中，监控模拟的过程，确保模拟过程中的收敛性，包括：

67、定义收敛标准；

68、在每次迭代后，计算每个物理量的残差，并绘制每次迭代的残差图；

69、选择几个关键的监控点，并在所述监控点中监视主要的流动参数的时间历史；

70、监控总阻力和总热通量的收敛性；

71、进行网格独立性测试；

72、对于不稳定或瞬态的流动，确保在预设时间周期内进行模拟，直到达到周期稳态或观察到重复的行为。

73、本技术中提供的一个或多个技术发明，至少具有如下技术效果或优点：

74、本技术实施例提供的一种基于热源塔热泵系统的浅层地热埋管设计方法，通过利用地理信息系统(gis)和计算流体动力学(cfd)模拟管网布局和流体流动，根据地形和地貌条件选择最优管道布局，充分考虑了地形高差和覆盖面积等因素，优化流体流动效率，从而使得地热埋管的热交换效率更高。