本發(fā)明涉及地源熱泵能源利用，具體涉及冷熱源系統(tǒng)儲熱協(xié)同優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、地源熱泵技術(shù)是近年來受到廣泛關(guān)注的可再生能源利用技術(shù)。其工作原理是利用地下的恒定溫度作為冷熱源，為建筑提供冷暖。與傳統(tǒng)空調(diào)和供暖系統(tǒng)相比，地源熱泵具有更高的能效和更低的運行成本，因為它不直接產(chǎn)生熱量，而是通過熱泵循環(huán)從地下轉(zhuǎn)移熱量。然而，隨著時間的推移，這種系統(tǒng)的運行效率可能會受到影響，導(dǎo)致性能下降。其中一個關(guān)鍵問題是連續(xù)運行時，地下土壤的溫度變化導(dǎo)致熱失衡，從而影響熱泵的效率。例如，在寒冷地區(qū)，由于熱負(fù)荷往往高于冷負(fù)荷，長時間運行可能導(dǎo)致土壤溫度逐漸下降。此外，能源成本也是設(shè)計和運行地源熱泵系統(tǒng)時需要考慮的關(guān)鍵因素。為了解決這一問題，許多研究和實踐嘗試引入儲熱技術(shù)與地源熱泵系統(tǒng)相結(jié)合。儲熱技術(shù)允許在需求低和能源價格低時存儲熱能，然后在需求高和能源價格高時釋放熱能。這不僅可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，而且可以平衡地下的溫度變化，進(jìn)一步提高地源熱泵系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和效率。

2、現(xiàn)有技術(shù)存在以下不足：現(xiàn)有公開號為cn206669942u?“一種儲能式地源熱泵系統(tǒng)”的發(fā)明提出了一種儲能式地源熱泵系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有地源熱泵系統(tǒng)消耗的能源大，不具有儲能的效果問題。其包括儲水罐、熱換器、豎直埋管、熱泵機(jī)房、熱回收熱換器和半環(huán)形夾片，所述儲水罐的一端通過熱水管連接有熱回收熱換器，所述熱回收熱換器的一端連接有壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)的一端通過導(dǎo)管卡接有冷凝器，所述冷凝器的另一端通過導(dǎo)管套接有蒸發(fā)器，所述熱回收熱換器的另一端通過冷水管卡接在熱換器的一端，所述熱換器的一端連接有熱水箱，所述冷凝器的一端通過出水管連接有熱泵機(jī)房，所述熱泵機(jī)房的另一端通過導(dǎo)管連接有豎直埋管，所述豎直埋管的內(nèi)層包覆有埋管套籠，所述豎直埋管的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有阻浮冒，所述豎直埋管的底端卡接有豎直柱體，所述阻浮冒的內(nèi)部設(shè)有半環(huán)形夾片，所述半環(huán)形夾片的外層包覆有保護(hù)層。該發(fā)明能夠很好的進(jìn)行熱量的存儲，提高地源熱泵系統(tǒng)的功能性。

3、然而，該發(fā)明只是從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了研究，并沒有從系統(tǒng)運行性能和經(jīng)濟(jì)性角度對儲能協(xié)同的地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計選型?，F(xiàn)有地源熱泵系統(tǒng)和儲熱技術(shù)通常是獨立設(shè)計和安裝的。這意味著它們的操作可能不是完全協(xié)調(diào)的，從而導(dǎo)致了系統(tǒng)不必要的能源和經(jīng)濟(jì)浪費以及不穩(wěn)定的性能。此外，商業(yè)園區(qū)具有多負(fù)荷特征，目前地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計未綜合考慮應(yīng)用場景下用戶負(fù)荷變化特性對系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與容量匹配結(jié)果的影響。

4、在所述背景技術(shù)部分公開的上述信息僅用于加強(qiáng)對本公開的背景的理解，因此它可以包括不構(gòu)成對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供冷熱源系統(tǒng)儲熱協(xié)同優(yōu)化方法，以解決上述背景技術(shù)中的問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：冷熱源系統(tǒng)儲熱協(xié)同優(yōu)化方法，

3、s1、收集測量數(shù)據(jù)；

4、s2、進(jìn)行負(fù)荷計算與參數(shù)范圍的計算；

5、s3、對土壤的吸放熱量進(jìn)行計算；

6、s4、對儲熱體位置進(jìn)行優(yōu)化；

7、s5、確定最優(yōu)鉆孔深度和最優(yōu)的儲熱體容積。

8、優(yōu)選的，在s1中，收集數(shù)據(jù)具體步驟如下：

9、收集土壤的性質(zhì)：土壤的類型、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、密度和比熱容；用于測量土壤的類型、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、密度和比熱容，設(shè)備包括傳感器、數(shù)據(jù)記錄儀和分析模塊，用于基于土壤特性計算儲熱體的物理參數(shù)表達(dá)式為：，其中，為儲熱體所儲存和釋放的熱量，為土壤的熱導(dǎo)率，為傳熱面積，為溫度差，為儲熱體厚度，為時間；

10、計算儲熱體的物理特性；土壤特性測量設(shè)備的熱導(dǎo)率測量基于下述公式：，其中，為傳遞的熱量，為傳熱面積，為溫度差，為傳熱時間，通過測量已知條件下的熱量傳遞量確定土壤的熱導(dǎo)率；

11、收集園區(qū)內(nèi)不同業(yè)態(tài)用戶的歷史用冷熱數(shù)據(jù)；用戶冷熱使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括流量計和溫度傳感器，流量計用于測量通過冷熱交換器的流體體積，溫度傳感器用于測量流體進(jìn)出口的溫度差，基于以下公式計算冷熱消耗：，其中，為用戶的熱量消耗，為流體質(zhì)量流量，為流體比熱容，為流體進(jìn)出口溫度差；

12、收集不同儲熱體位置下系統(tǒng)效率和能耗數(shù)據(jù)；系統(tǒng)能耗分析單元基于不同儲熱體位置下測得的功率消耗數(shù)據(jù)，并通過以下公式計算總能耗：，為總能耗，為系統(tǒng)功率，為運行時間，結(jié)合各儲熱體位置下的能耗數(shù)據(jù)優(yōu)化儲熱體的布局；

13、收集氣象數(shù)據(jù)、節(jié)假日信息、園區(qū)活動和事件；氣象數(shù)據(jù)收集設(shè)備通過氣象傳感器實時記錄溫度、濕度、風(fēng)速及日照強(qiáng)度，數(shù)據(jù)用于預(yù)測園區(qū)的冷熱需求波動，并根據(jù)以下公式估算系統(tǒng)所需的熱負(fù)荷；，為系統(tǒng)負(fù)荷，為建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，為圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，為室內(nèi)外溫度差，為時間。

14、優(yōu)選的，在s2中，負(fù)荷計算和參數(shù)范圍計算具體步驟如下：基于初始設(shè)計部分收集的數(shù)據(jù)，考慮到用熱數(shù)據(jù)具有季節(jié)性和趨勢性，選擇時間序列模型arima預(yù)測負(fù)荷，生成代表性的負(fù)荷曲線：

15、數(shù)據(jù)預(yù)處理：清洗數(shù)據(jù)，刪除和修復(fù)缺失、異常和錯誤的數(shù)據(jù)點；數(shù)據(jù)歸一化；

16、數(shù)據(jù)集劃分：使用70%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，30%的數(shù)據(jù)作為測試集；模型訓(xùn)練：

17、應(yīng)用arima模型對訓(xùn)練集進(jìn)行訓(xùn)練，調(diào)整學(xué)習(xí)率、迭代次數(shù)、正則化參數(shù)模型參數(shù)；模型驗證：使用測試集對訓(xùn)練好的arima模型進(jìn)行驗證，計算方誤差：mse、均方根誤差：rmse、決定系數(shù)：r2；

18、輸出結(jié)果：使用整個數(shù)據(jù)集對最佳模型進(jìn)行再次訓(xùn)練，得到最終的負(fù)荷曲線；

19、根據(jù)得到的負(fù)荷曲線，將逐時熱負(fù)荷按照數(shù)值分為m個區(qū)間，將逐時冷負(fù)荷按照數(shù)值分為n個區(qū)間，每個區(qū)間的負(fù)荷變化率不超過200kj/h2；用每個區(qū)間中逐時冷熱負(fù)荷的最大值做為該區(qū)間的熱負(fù)荷和冷負(fù)荷，并統(tǒng)計每個區(qū)間的冷熱負(fù)荷，對應(yīng)的時間頻數(shù)和，其中i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n；末端用戶最大熱負(fù)荷為m個熱負(fù)荷區(qū)間中熱負(fù)荷中的最大值；末端用戶的最大冷負(fù)荷為n個冷負(fù)荷區(qū)間中冷負(fù)荷中的最大值。

20、優(yōu)選的，在s3中，土壤的吸放熱量計算具體步驟如下：根據(jù)初始設(shè)計部分收集的儲熱材料的物性、土壤的熱傳導(dǎo)特性，負(fù)荷曲線計算地埋管換熱器的鉆孔深度l的取值范圍[hmin，hmax]和儲熱體容量v的取值范圍[0，vmax]；儲熱協(xié)同地源熱泵系統(tǒng)為并聯(lián)系統(tǒng)，鉆孔深度l的取值范圍[hmin，hmax]：

21、；

22、儲熱體容量v的取值范圍[0，vmax]：

23、

24、；式中，為末端用戶的最大熱負(fù)荷；為末端用戶的最大冷負(fù)荷；為埋管區(qū)域巖土體的初始溫度；為地埋管換熱器中傳熱介質(zhì)的設(shè)計平均溫度；為u形管的管壁熱阻；為傳熱介質(zhì)與u型管內(nèi)壁的對流換熱熱阻；為鉆孔灌漿回填材料的熱阻；為土壤熱阻；為短期連續(xù)脈沖負(fù)荷引起的附加熱阻；為供熱運行份額；為制冷運行份額；cop為熱泵機(jī)組制熱性能系數(shù)；eer為熱泵機(jī)組制冷性能系數(shù)；a為儲熱體運行安全系數(shù)；為儲熱介質(zhì)的密度(kg/m3)；為儲熱體最大容積(m3)；為儲熱介質(zhì)的比熱容(j/kg·°c)；為溫度變化(°c)；地埋管換熱器全年對土壤的吸熱量和放熱量計算公式為：

25、；

26、式中，為冬季地埋管換熱器從土壤的設(shè)計吸熱量，為夏季地埋管換熱器向土壤的設(shè)計放熱量，為地埋管換熱器全年從土壤的總吸熱量，為地埋管換熱器全年向土壤的總放熱量；為末端用戶的最大熱負(fù)荷；為末端用戶的最大冷負(fù)荷；

27、冬季地埋管換熱器從土壤的單位時間設(shè)計吸熱量和夏季地埋管換熱器向土壤的單位時間設(shè)計放熱量得出公式為；。

28、優(yōu)選的，在s4中，具體步驟如下：提取儲熱體與地面及儲熱體與熱泵的相對位置作為輸入特征，分別表示為儲熱體與地面的距離和儲熱體與熱泵的相對距離；這些特征直接影響儲熱體的能耗和傳熱效率，后續(xù)用于優(yōu)化算法中的輸入變量，根據(jù)系統(tǒng)的能耗和傳熱效率確定優(yōu)化目標(biāo)：。

29、優(yōu)選的，在s5中，具體步驟如下：確定最優(yōu)鉆孔深度h和最優(yōu)的儲熱體容積v，選取最小和能源成本最低作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，如下公式：

30、

31、；

32、式中，w為儲熱協(xié)同地源熱泵系統(tǒng)總耗電量；p為單位電價，優(yōu)化變量為鉆孔深度h和儲熱體容積v；

33、約束條件為：

34、；

35、把上述目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為具體可求解的優(yōu)化方程，利用鯨魚算法進(jìn)行求解，最終輸出最優(yōu)解即為在滿足系統(tǒng)可靠性前提下考慮儲熱協(xié)同的地源熱泵系統(tǒng)最優(yōu)地埋管鉆孔深度h和儲熱體容量v，具體求解實施步驟如下：

36、采用二進(jìn)制編碼隨機(jī)產(chǎn)生一個初始鯨魚群體，該群體中包含若n個鯨魚，其中每個鯨魚由設(shè)定的優(yōu)化變量來表示其特征；定義適應(yīng)度函數(shù)：基于步驟六的目標(biāo)函數(shù)，即最小和能源成本最低，構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)；將每個鯨魚代入適應(yīng)性函數(shù)計算出其適應(yīng)度，并判斷是否符合優(yōu)化準(zhǔn)則；確定領(lǐng)頭鯨魚：在當(dāng)前鯨魚群體中，選擇適應(yīng)度最高的鯨魚作為領(lǐng)頭鯨魚；更新鯨魚位置：模擬鯨魚的搜索和追捕行為，模擬鯨魚追蹤領(lǐng)頭鯨魚和獵物捕食行為：計算每個鯨魚與領(lǐng)頭鯨魚的相對距離，更新解的位置替代與淘汰：若新位置的鯨魚有更高的適應(yīng)度，則替代原位置的鯨魚；如果適應(yīng)度較低，保持原位置；判斷停止條件：若達(dá)到預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)和適應(yīng)度變化小于閾值，則停止算法；通過幾輪迭代，提取適應(yīng)度最高的鯨魚，即得到滿足系統(tǒng)可靠性前提下最優(yōu)的儲熱體容積v和鉆孔深度h。

37、在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明提供的技術(shù)效果和優(yōu)點：通過整合車載高清攝像頭、gps測量儀、陀螺儀、車速傳感器和海拔測量儀設(shè)備，系統(tǒng)能夠從多個角度采集高頻次的道路圖像、位置信息及車輛姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過時間標(biāo)簽匹配技術(shù)確保數(shù)據(jù)同步。該系統(tǒng)還通過數(shù)據(jù)清洗去除冗余信息，并通過樁號標(biāo)定準(zhǔn)確定位圖像數(shù)據(jù)的地理位置，確保排查信息的精確性。在隱患排查方面，本發(fā)明依據(jù)鐵路道口的看守方式（有人看守與無人看守），系統(tǒng)化分析了交通標(biāo)志、標(biāo)線、科技設(shè)施、安全設(shè)施、照明設(shè)施可能存在的隱患類型，并提供了隱患的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)、位置描述和整改建議。這不僅提高了隱患排查的全面性和準(zhǔn)確性，還顯著提升了安全管理的效率，減少了人工排查過程中的遺漏。

38、在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明提供的技術(shù)效果和優(yōu)點：

39、通過綜合考慮用戶負(fù)荷變化特性、土壤熱平衡和系統(tǒng)能耗，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中未充分協(xié)調(diào)儲熱技術(shù)與地源熱泵系統(tǒng)匹配的問題。現(xiàn)有技術(shù)在優(yōu)化設(shè)計中，往往忽略了用戶負(fù)荷在不同應(yīng)用場景下的變化，導(dǎo)致儲熱體和地源熱泵系統(tǒng)在運行時不協(xié)調(diào)，進(jìn)而引發(fā)能源浪費和系統(tǒng)性能不穩(wěn)定。本發(fā)明通過優(yōu)化儲熱體位置、容量設(shè)計和儲熱體與地源熱泵系統(tǒng)的協(xié)同運作，克服了這些不足。

40、首先，本發(fā)明通過精確計算和優(yōu)化，確保了土壤熱平衡。傳統(tǒng)系統(tǒng)中，由于未充分考慮土壤的熱平衡，長期運行容易導(dǎo)致土壤溫度過熱和過冷，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明通過合理設(shè)計儲熱體和地源熱泵之間的熱量交換方式，避免了這種極端情況，保證系統(tǒng)在運行過程中土壤的溫度穩(wěn)定，提升了系統(tǒng)的長期運行效果。

41、其次，本發(fā)明顯著降低了能源成本。通過優(yōu)化儲熱體的布局和容量設(shè)計，結(jié)合隨機(jī)森林算法的智能化模型，系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶負(fù)荷的動態(tài)變化自動調(diào)整儲熱體與熱泵之間的能量分配，避免了不必要的能源消耗。傳統(tǒng)系統(tǒng)因負(fù)荷變化未能及時匹配，導(dǎo)致能耗增加，而本發(fā)明通過協(xié)調(diào)儲熱體和地源熱泵的協(xié)作，實現(xiàn)了能效最大化，大大降低了運行成本。

42、最后，本發(fā)明通過儲熱體與地源熱泵系統(tǒng)的協(xié)同工作，保證了能源的穩(wěn)定供應(yīng)。儲熱體作為系統(tǒng)中的核心組件，能夠在負(fù)荷低時存儲多余熱量，在負(fù)荷高時釋放儲存的熱量，確保系統(tǒng)在高峰需求時仍能持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)能源。這一設(shè)計提高了地源熱泵系統(tǒng)的響應(yīng)能力，避免了傳統(tǒng)系統(tǒng)在高峰負(fù)荷時可能出現(xiàn)的供應(yīng)不足和性能波動問題，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

43、總體而言，本發(fā)明通過解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的能耗高、土壤熱失衡和能源供應(yīng)不穩(wěn)定的問題，提供了一種高效、智能的地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，不僅能夠降低能源成本，還能提升系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和運行效率。