基于改進大數據頻繁項集挖掘算法的中深層地熱能供熱潛力評估方法

李嶸, 鄭慶紅, 王曉瑜

(1.西安安居筑城建筑科技集團有限公司,陜西,西安 710000;2.西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院,陜西,西安 710055;3.西安航空學院,電子工程學院,陜西,西安 710077)

0 引言

隨著人民物質生活條件的改善,城市供暖的需求也在逐年增長。目前,可再生能源供暖是潔凈供暖發展的主要趨勢,主要有太陽能、地熱能等。地熱資源在中深層的儲量較大,且分布廣泛,作為一種可再生能源適用于建筑取暖。在國內的中深層地熱能源中,熱水是主要的能源,熱流密度高,穩定性好,其熱能等級符合供暖要求,是一個比較好的集熱源[1]。因此,對中、下層地熱能的合理利用和增加潔凈供暖的比重,可以降低礦物能源的消耗量,優化供暖的能量結構,從而達到改善大氣的效果。

馮波等[2]為充分認識U形井式閉環地熱系統的可持續使用能力,探討其在長時間工作條件下的生產能力狀況及其各種影響因子的作用,從而制定出合適的采礦計劃。王鋒等[3]為了解決蓄熱型電鍋爐在風力發電時不能與迅速變化的風力發電能力相適應等問題,對其進行了可行性評價,提出了“源—網—荷—儲”工況下風電消納經濟性評價的數學模式,應用 PSO方法進行了數值模擬。KUMAR等[4]通過補充熱源和加裝散熱器的方式,集成相變材料、微型燃氣輪機和吸收式熱泵子系統,以滿足供暖應用要求,有效提升淺層地熱綜合能源的應用效果。

基于以上研究背景,本文利用改進大數據頻繁項集挖掘算法,設計一種中深層地熱能供熱潛力評估方法,實現節能減排的目的。

1 中深層地熱能供熱潛力評估方法設計

1.1 挖掘中深層地熱能供熱潛力數據的頻繁項集

FG-growth算法可以將中深層地熱能供熱潛力數據儲存在具有較強壓縮能力的FG-tree數據結構中,減少供熱潛力數據的遍歷次數[5]。通過統計供熱潛力數據的元素項,構建FG-tree,挖掘中深層地熱能供熱潛力數據的頻繁項集。

如果FG-tree數據結構是不存在根節點的樹,可以利用類間距離和準則對供熱潛力數據的頻繁項集進行挖掘,類間距離分為普通類Ja1和加權類Ja2,計算式為

(1)

(2)

其中,di表示第i個供熱潛力數據樣本,d表示所有供熱潛力數據樣本的平均值,Pi表示第i個供熱潛力數據樣本的先驗概率。Ja的值越大,供熱潛力數據樣本之間的差異性特征越強。

在FG-tree算法中,挖掘出了用于供暖潛能評估的頻繁項集條件模式基,并將其用于構造條件FG-tree,其中條件FG-tree是FG-tree的一部分[6]。在此基礎上,對供熱潛力數據頻繁項集進行了挖掘,并將其視為一種遞推處理過程,實現流程如下:

將供熱潛力數據s的條件基設置為{z,x,y,b},{z,x,y,e}。x、y、b、e、z表示頻繁項集條件。其中,b和e都符合最小支持度的條件,由于集合{s,b}和{s,e}不符合最小支持度的條件,也不被看作頻繁項集。{s,z}、{s,x}和{s,y}屬于供熱潛力數據的頻繁項集,基于此可以得到{s,z}的條件模式基,并結合遞歸處理過程,得到供熱潛力數據的全部頻繁項集。

改進大數據頻繁項集挖掘算法利用調節閾值確定供熱潛力數據的聚類數量[7],中深層地熱能供熱潛力數據的頻繁項集挖掘步驟如下。

Step 1:利用FG-growth算法定義中深層地熱能供熱潛力數據的原始聚類質心生成聚類數量。

Step 2:在大數據頻繁項集挖掘算法的基礎上,引入初始的聚類質心和簇數目,對供熱潛力數據的頻繁項集進行挖掘。

本文利用普通類間距離和準則、加權類間距離和準則挖掘中深層地熱能供熱潛力數據的頻繁項集。

1.2 評估中深層地熱能供熱潛力

1.2.1 能量分析

中深層地熱能供熱的能量分析指標由單位供熱量能量消耗Rs和能量效率ηt組成,其中單位供熱量能量消耗是獲取1 GJ熱量所花的能量消耗。

單位供熱量能量消耗是指在供熱過程中每提供一定熱量所需的能量消耗,如果地熱能蓄熱罐的蓄熱溫度在模擬結束的時候升高,那么蓄熱罐內的熱量主要來自地熱能的能量輸入,不將其列入單位供熱量的能量消耗中[8]。修正后的單位供熱量能耗可以通過下式計算:

rs=α(Una+Uth)

(3)

(4)

式中,rs表示忽略蓄熱罐內儲熱能量變化的耗煤量,α表示地熱能與煤的折算系數,Una表示地熱能供暖輸入中來自地下熱水的能量,Uth表示地熱能供暖輸入中來自熔巖的能量,Utk表示蓄熱罐儲存的地熱能,Qeh表示地熱能供暖的熱量輸入總量。

能量效率ηt是地熱能中有效能量與總能量的比值,若在仿真啟動時,蓄熱罐內的熱量存在降低的傾向,則表明供熱系統使用了貯存在蓄熱罐中的熱量,使地熱能的輸入量增大[9],因此,需要校正輸入的地熱能,即:

(5)

(6)

Ueh=Ua+Una+Uth

(7)

(8)

(9)

其中,T0,t表示大氣環境中的基準溫度,Th表示室內的供暖溫度,φ表示模擬步長,Weh,t表示地熱能供暖的總熱負荷。

對于地熱能供熱系統而言,輸入的能級為

(10)

式中,COPt表示地熱能供暖系統中熱泵的綜合能效比,Pcp,t表示集中式熱泵供暖的熱功率,Pdp,t表示分散式熱泵供暖的熱功率。

輸出的能級通過式(11)計算:

(11)

根據式(10)和式(11),可以得到能級平衡系數,即:

(12)

能級平衡系數越小,說明在地熱能供熱系統中輸入的地熱能和輸出的地熱能在品質上越匹配[12]。

2 實驗分析

為了驗證本文方法在中深層地熱能供熱潛力評估中的可行性,以東北地區為研究對象,評估中深層地熱能的供熱潛力。

2.1 選取參數

2.1.1 選取固定參數

固定參數包括地熱能供暖的損耗參數和供熱設備的效率參數,具體如下。

室內溫度:17 ℃

電網損耗:7.14%

地熱井管道損耗:5%

暖氣片散熱損耗:10%

地源熱泵效率:4.0COP

空氣源熱泵效率:2.5COP

熱網損耗:9.84%

熱泵電機效率:86%

蓄熱罐的最高和最低蓄熱溫度:90 ℃和50 ℃

初始蓄熱溫度:50 ℃

2.1.2 環境溫度

環境溫度參數的選取按照每天的最高溫度和最低溫度進行間隔15 min的線性差值,假設每天的最高溫度出現在下午兩點,最低溫度是每天太陽升起的時刻。

2.1.3 熱泵機組的COP

熱泵機組的COP可以根據環境溫度參數計算,公式為

(13)

假設東北地區的環境溫度在-18 ℃以下,COP值為1。

2.2 中深層地熱能供熱潛力評估

根據以往的研究可知,當中深層地熱能供熱面積比例為1.5時,需要將火力發電供暖引入到地熱能供熱系統中,這樣就違背了可再生能源供熱的節能環保理念。

(a)單位供熱量能耗

2.3 對比分析

為了避免實驗結果的單一性,引入基于T2WELL的評估方法和基于儲能協調的評估方法作對比,當供暖面積比例為1.50倍時,通過改變室內環境溫度,測試中深層地熱能供熱潛力評估耗時,結果如圖2所示。

圖2 中深層地熱能供熱潛力評估耗時

3 總結

本文研究提出一種基于改進大數據頻繁項集挖掘算法的中深層地熱能供熱潛力評估方法,實驗結果顯示,該方法能夠評估中深層地熱能供熱潛力,具有更高的評估效率。今后的研究可以考慮到中深層地下水溫的變化情況,通過對地下水溫的恒定控制,提升中深層地熱能供熱潛力。