李嶸, 鄭慶紅, 王曉瑜

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

0 引言

隨著人民物質(zhì)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(fā)展的主要趨勢,主要有太陽能、地?zé)崮艿取５責(zé)豳Y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(nèi)的中深層地?zé)崮茉粗?熱水是主要的能源,熱流密度高,穩(wěn)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?zé)崮艿暮侠砝煤驮黾訚崈艄┡谋戎?可以降低礦物能源的消耗量,優(yōu)化供暖的能量結(jié)構(gòu),從而達(dá)到改善大氣的效果。

馮波等[2]為充分認(rèn)識U形井式閉環(huán)地?zé)嵯到y(tǒng)的可持續(xù)使用能力,探討其在長時間工作條件下的生產(chǎn)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(fēng)力發(fā)電時不能與迅速變化的風(fēng)力發(fā)電能力相適應(yīng)等問題,對其進(jìn)行了可行性評價,提出了“源—網(wǎng)—荷—儲”工況下風(fēng)電消納經(jīng)濟(jì)性評價的數(shù)學(xué)模式,應(yīng)用 PSO方法進(jìn)行了數(shù)值模擬。KUMAR等[4]通過補(bǔ)充熱源和加裝散熱器的方式,集成相變材料、微型燃?xì)廨啓C(jī)和吸收式熱泵子系統(tǒng),以滿足供暖應(yīng)用要求,有效提升淺層地?zé)峋C合能源的應(yīng)用效果。

基于以上研究背景,本文利用改進(jìn)大數(shù)據(jù)頻繁項集挖掘算法,設(shè)計一種中深層地?zé)崮芄釢摿υu估方法,實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

1 中深層地?zé)崮芄釢摿υu估方法設(shè)計

1.1 挖掘中深層地?zé)崮芄釢摿?shù)據(jù)的頻繁項集

FG-growth算法可以將中深層地?zé)崮芄釢摿?shù)據(jù)儲存在具有較強(qiáng)壓縮能力的FG-tree數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中,減少供熱潛力數(shù)據(jù)的遍歷次數(shù)[5]。通過統(tǒng)計供熱潛力數(shù)據(jù)的元素項,構(gòu)建FG-tree,挖掘中深層地?zé)崮芄釢摿?shù)據(jù)的頻繁項集。

如果FG-tree數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是不存在根節(jié)點的樹,可以利用類間距離和準(zhǔn)則對供熱潛力數(shù)據(jù)的頻繁項集進(jìn)行挖掘,類間距離分為普通類Ja1和加權(quán)類Ja2,計算式為

(1)

(2)

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

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(gòu)造條件FG-tree,其中條件FG-tree是FG-tree的一部分[6]。在此基礎(chǔ)上,對供熱潛力數(shù)據(jù)頻繁項集進(jìn)行了挖掘,并將其視為一種遞推處理過程,實現(xiàn)流程如下:

將供熱潛力數(shù)據(jù)s的條件基設(shè)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(shù)據(jù)的頻繁項集,基于此可以得到{s,z}的條件模式基,并結(jié)合遞歸處理過程,得到供熱潛力數(shù)據(jù)的全部頻繁項集。

改進(jìn)大數(shù)據(jù)頻繁項集挖掘算法利用調(diào)節(jié)閾值確定供熱潛力數(shù)據(jù)的聚類數(shù)量[7],中深層地?zé)崮芄釢摿?shù)據(jù)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?zé)崮芄釢摿?shù)據(jù)的原始聚類質(zhì)心生成聚類數(shù)量。

Step 2:在大數(shù)據(jù)頻繁項集挖掘算法的基礎(chǔ)上,引入初始的聚類質(zhì)心和簇數(shù)目,對供熱潛力數(shù)據(jù)的頻繁項集進(jìn)行挖掘。

本文利用普通類間距離和準(zhǔn)則、加權(quán)類間距離和準(zhǔn)則挖掘中深層地?zé)崮芄釢摿?shù)據(jù)的頻繁項集。

1.2 評估中深層地?zé)崮芄釢摿?/h3>

1.2.1 能量分析

中深層地?zé)崮芄岬哪芰糠治鲋笜?biāo)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?zé)崮苄顭峁薜男顭釡囟仍谀M結(jié)束的時候升高,那么蓄熱罐內(nèi)的熱量主要來自地?zé)崮艿哪芰枯斎?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(nèi)儲熱能量變化的耗煤量,α表示地?zé)崮芘c煤的折算系數(shù),Una表示地?zé)崮芄┡斎胫衼碜缘叵聼崴哪芰?Uth表示地?zé)崮芄┡斎胫衼碜匀蹘r的能量,Utk表示蓄熱罐儲存的地?zé)崮?Qeh表示地?zé)崮芄┡臒崃枯斎肟偭俊?/p>

能量效率ηt是地?zé)崮苤杏行芰颗c總能量的比值,若在仿真啟動時,蓄熱罐內(nèi)的熱量存在降低的傾向,則表明供熱系統(tǒng)使用了貯存在蓄熱罐中的熱量,使地?zé)崮艿妮斎肓吭龃骩9],因此,需要校正輸入的地?zé)崮?即:

(5)

(6)

Ueh=Ua+Una+Uth

(7)

(8)

(9)

其中,T0,t表示大氣環(huán)境中的基準(zhǔn)溫度,Th表示室內(nèi)的供暖溫度,φ表示模擬步長,Weh,t表示地?zé)崮芄┡目偀嶝?fù)荷。

對于地?zé)崮芄嵯到y(tǒng)而言,輸入的能級為

(10)

式中,COPt表示地?zé)崮芄┡到y(tǒng)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(jù)式(10)和式(11),可以得到能級平衡系數(shù),即:

(12)

能級平衡系數(shù)越小,說明在地?zé)崮芄嵯到y(tǒng)中輸入的地?zé)崮芎洼敵龅牡責(zé)崮茉谄焚|(zhì)上越匹配[12]。

2 實驗分析

為了驗證本文方法在中深層地?zé)崮芄釢摿υu估中的可行性,以東北地區(qū)為研究對象,評估中深層地?zé)崮艿墓釢摿Α?/p>

2.1 選取參數(shù)

2.1.1 選取固定參數(shù)

固定參數(shù)包括地?zé)崮芄┡膿p耗參數(shù)和供熱設(shè)備的效率參數(shù),具體如下。

室內(nèi)溫度:17 ℃

電網(wǎng)損耗:7.14%

地?zé)峋艿罁p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(wǎng)損耗:9.84%

熱泵電機(jī)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(huán)境溫度

環(huán)境溫度參數(shù)的選取按照每天的最高溫度和最低溫度進(jìn)行間隔15 min的線性差值,假設(shè)每天的最高溫度出現(xiàn)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(jī)組的COP

熱泵機(jī)組的COP可以根據(jù)環(huán)境溫度參數(shù)計算,公式為

(13)

假設(shè)東北地區(qū)的環(huán)境溫度在-18 ℃以下,COP值為1。

2.2 中深層地?zé)崮芄釢摿υu估

根據(jù)以往的研究可知,當(dāng)中深層地?zé)崮芄崦娣e比例為1.5時,需要將火力發(fā)電供暖引入到地?zé)崮芄嵯到y(tǒng)中,這樣就違背了可再生能源供熱的節(jié)能環(huán)保理念。

(a)單位供熱量能耗

2.3 對比分析

為了避免實驗結(jié)果的單一性,引入基于T2WELL的評估方法和基于儲能協(xié)調(diào)的評估方法作對比,當(dāng)供暖面積比例為1.50倍時,通過改變室內(nèi)環(huán)境溫度,測試中深層地?zé)崮芄釢摿υu估耗時,結(jié)果如圖2所示。

圖2 中深層地?zé)崮芄釢摿υu估耗時

3 總結(jié)

本文研究提出一種基于改進(jìn)大數(shù)據(jù)頻繁項集挖掘算法的中深層地?zé)崮芄釢摿υu估方法,實驗結(jié)果顯示,該方法能夠評估中深層地?zé)崮芄釢摿?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?zé)崮芄釢摿Α?/p>