基于改进大数据频繁项集挖掘算法的中深层地热能供热潜力评估方法

李嵘, 郑庆红, 王晓瑜

(1.西安安居筑城建筑科技集团有限公司,陕西,西安 710000;2.西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院,陕西,西安 710055;3.西安航空学院,电子工程学院,陕西,西安 710077)

0 引言

随着人民物质生活条件的改善,城市供暖的需求也在逐年增长。目前,可再生能源供暖是洁净供暖发展的主要趋势,主要有太阳能、地热能等。地热资源在中深层的储量较大,且分布广泛,作为一种可再生能源适用于建筑取暖。在国内的中深层地热能源中,热水是主要的能源,热流密度高,稳定性好,其热能等级符合供暖要求,是一个比较好的集热源[1]。因此,对中、下层地热能的合理利用和增加洁净供暖的比重,可以降低矿物能源的消耗量,优化供暖的能量结构,从而达到改善大气的效果。

冯波等[2]为充分认识U形井式闭环地热系统的可持续使用能力,探讨其在长时间工作条件下的生产能力状况及其各种影响因子的作用,从而制定出合适的采矿计划。王锋等[3]为了解决蓄热型电锅炉在风力发电时不能与迅速变化的风力发电能力相适应等问题,对其进行了可行性评价,提出了“源—网—荷—储”工况下风电消纳经济性评价的数学模式,应用 PSO方法进行了数值模拟。KUMAR等[4]通过补充热源和加装散热器的方式,集成相变材料、微型燃气轮机和吸收式热泵子系统,以满足供暖应用要求,有效提升浅层地热综合能源的应用效果。

基于以上研究背景,本文利用改进大数据频繁项集挖掘算法,设计一种中深层地热能供热潜力评估方法,实现节能减排的目的。

1 中深层地热能供热潜力评估方法设计

1.1 挖掘中深层地热能供热潜力数据的频繁项集

FG-growth算法可以将中深层地热能供热潜力数据储存在具有较强压缩能力的FG-tree数据结构中,减少供热潜力数据的遍历次数[5]。通过统计供热潜力数据的元素项,构建FG-tree,挖掘中深层地热能供热潜力数据的频繁项集。

如果FG-tree数据结构是不存在根节点的树,可以利用类间距离和准则对供热潜力数据的频繁项集进行挖掘,类间距离分为普通类Ja1和加权类Ja2,计算式为

(1)

(2)

其中,di表示第i个供热潜力数据样本,d表示所有供热潜力数据样本的平均值,Pi表示第i个供热潜力数据样本的先验概率。Ja的值越大,供热潜力数据样本之间的差异性特征越强。

在FG-tree算法中,挖掘出了用于供暖潜能评估的频繁项集条件模式基,并将其用于构造条件FG-tree,其中条件FG-tree是FG-tree的一部分[6]。在此基础上,对供热潜力数据频繁项集进行了挖掘,并将其视为一种递推处理过程,实现流程如下:

将供热潜力数据s的条件基设置为{z,x,y,b},{z,x,y,e}。x、y、b、e、z表示频繁项集条件。其中,b和e都符合最小支持度的条件,由于集合{s,b}和{s,e}不符合最小支持度的条件,也不被看作频繁项集。{s,z}、{s,x}和{s,y}属于供热潜力数据的频繁项集,基于此可以得到{s,z}的条件模式基,并结合递归处理过程,得到供热潜力数据的全部频繁项集。

改进大数据频繁项集挖掘算法利用调节阈值确定供热潜力数据的聚类数量[7],中深层地热能供热潜力数据的频繁项集挖掘步骤如下。

Step 1:利用FG-growth算法定义中深层地热能供热潜力数据的原始聚类质心生成聚类数量。

Step 2:在大数据频繁项集挖掘算法的基础上,引入初始的聚类质心和簇数目,对供热潜力数据的频繁项集进行挖掘。

本文利用普通类间距离和准则、加权类间距离和准则挖掘中深层地热能供热潜力数据的频繁项集。

1.2 评估中深层地热能供热潜力

1.2.1 能量分析

中深层地热能供热的能量分析指标由单位供热量能量消耗Rs和能量效率ηt组成,其中单位供热量能量消耗是获取1 GJ热量所花的能量消耗。

单位供热量能量消耗是指在供热过程中每提供一定热量所需的能量消耗,如果地热能蓄热罐的蓄热温度在模拟结束的时候升高,那么蓄热罐内的热量主要来自地热能的能量输入,不将其列入单位供热量的能量消耗中[8]。修正后的单位供热量能耗可以通过下式计算:

rs=α(Una+Uth)

(3)

(4)

式中,rs表示忽略蓄热罐内储热能量变化的耗煤量,α表示地热能与煤的折算系数,Una表示地热能供暖输入中来自地下热水的能量,Uth表示地热能供暖输入中来自熔岩的能量,Utk表示蓄热罐储存的地热能,Qeh表示地热能供暖的热量输入总量。

能量效率ηt是地热能中有效能量与总能量的比值,若在仿真启动时,蓄热罐内的热量存在降低的倾向,则表明供热系统使用了贮存在蓄热罐中的热量,使地热能的输入量增大[9],因此,需要校正输入的地热能,即:

(5)

(6)

Ueh=Ua+Una+Uth

(7)

(8)

(9)

其中,T0,t表示大气环境中的基准温度,Th表示室内的供暖温度,φ表示模拟步长,Weh,t表示地热能供暖的总热负荷。

对于地热能供热系统而言,输入的能级为

(10)

式中,COPt表示地热能供暖系统中热泵的综合能效比,Pcp,t表示集中式热泵供暖的热功率,Pdp,t表示分散式热泵供暖的热功率。

输出的能级通过式(11)计算:

(11)

根据式(10)和式(11),可以得到能级平衡系数,即:

(12)

能级平衡系数越小,说明在地热能供热系统中输入的地热能和输出的地热能在品质上越匹配[12]。

2 实验分析

为了验证本文方法在中深层地热能供热潜力评估中的可行性,以东北地区为研究对象,评估中深层地热能的供热潜力。

2.1 选取参数

2.1.1 选取固定参数

固定参数包括地热能供暖的损耗参数和供热设备的效率参数,具体如下。

室内温度:17 ℃

电网损耗:7.14%

地热井管道损耗:5%

暖气片散热损耗:10%

地源热泵效率:4.0COP

空气源热泵效率:2.5COP

热网损耗:9.84%

热泵电机效率:86%

蓄热罐的最高和最低蓄热温度:90 ℃和50 ℃

初始蓄热温度:50 ℃

2.1.2 环境温度

环境温度参数的选取按照每天的最高温度和最低温度进行间隔15 min的线性差值,假设每天的最高温度出现在下午两点,最低温度是每天太阳升起的时刻。

2.1.3 热泵机组的COP

热泵机组的COP可以根据环境温度参数计算,公式为

(13)

假设东北地区的环境温度在-18 ℃以下,COP值为1。

2.2 中深层地热能供热潜力评估

根据以往的研究可知,当中深层地热能供热面积比例为1.5时,需要将火力发电供暖引入到地热能供热系统中,这样就违背了可再生能源供热的节能环保理念。

(a)单位供热量能耗

2.3 对比分析

为了避免实验结果的单一性,引入基于T2WELL的评估方法和基于储能协调的评估方法作对比,当供暖面积比例为1.50倍时,通过改变室内环境温度,测试中深层地热能供热潜力评估耗时,结果如图2所示。

图2 中深层地热能供热潜力评估耗时

3 总结

本文研究提出一种基于改进大数据频繁项集挖掘算法的中深层地热能供热潜力评估方法,实验结果显示,该方法能够评估中深层地热能供热潜力,具有更高的评估效率。今后的研究可以考虑到中深层地下水温的变化情况,通过对地下水温的恒定控制,提升中深层地热能供热潜力。