Development of simulation and control model for shallow geothermal system with arbitrary-condition ground heat exchanger

任意条件地下换热器浅层地热系统仿真与控制模型的建立

基本信息

批准号：
21J11799
负责人：
小司優陸
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

地中熱利用における地中熱交換器採放熱による土壌の熱的挙動を再現する数値シミュレーションについて，前年度までに実施した，データ同化手法の一種であるアンサンブルカルマンフィルタを応用した土壌有効熱伝導率などのモデルパラメータおよび予測状態を観測データが得られる毎に修正・推定する手法について，その理論と成果をまとめ国内外の学会において発表し，また学術論文が国際誌に掲載された．また前年度3月に同内容について空気調和衛生工学会北海道支部第56回学術講演会で発表した講演に対して優秀発表奨励賞を受賞した．また地中熱交換器数値シミュレーションにおいて，前年度までに開発したANNによる機械学習サロゲートモデルを応用した，卓越した地下水流れを伴う複層地盤地中熱交換器モデルを開発した．本モデルは対応するCFD解析をよく再現する結果を示し，地下水流れを伴う複層地盤に埋設された地中熱交換器の簡便かつ高精度なシミュレーションを実施することが可能となった．さらにこれまでのデータ同化によるモデルパラメータ推定と地下水流れを伴う複層地盤モデルをそれぞれ応用し，観測データから地中熱交換器埋設地点における地下水流速および土壌熱物性値の深度分布を推定する手法を提案した．地下水流速および土壌熱物性値の深度分布の推定手法はこれまでに確立されておらず，本手法によってより広範な地中熱交換器条件に対して高精度の予測計算を行うことができるものである．研究開始時の研究概要ではモデル予測制御手法の開発までを計画していたが，研究の進展に伴い地中熱交換器モデルパラメータ推定手法の開発，特に地下水流速推定手法の確立に対してより学術的貢献が期待されたため，制御手法の開発については実施せず上述の内容についての研究を重点的に行うとした．本研究代表者の学位論文にこれらの研究成果についてまとめ，その理論と検証，議論について記した．

截至去年，已经进行了数值模拟，再现了地热利用中地下热交换器的吸热和辐射引起的土壤热行为，包括使用集合卡尔曼滤波器（一种数据同化）的土壤有效导热系数该方法的理论和结果在国内外会议上进行了总结和展示，并在国际期刊上发表了学术论文。另外，去年3月，我在第56届日本空调卫生学会北海道分会学术会议上，因同一主题的演讲而获得了优秀演讲鼓励奖。此外，在地下换热器的数值模拟中，我们通过应用使用前一年开发的ANN的机器学习代理模型，开发了具有良好地下水流的多层地下换热器模型。该模型显示的结果很好地再现了相应的 CFD 分析，使得对埋在多层地面中的地下水流下的地下热交换器进行简单且高精度的模拟成为可能。此外，我们应用传统数据同化和地下水流多层地面模型的模型参数估计，开发了一种根据观测数据估计地下热交换器埋藏位置地下水流速深度分布和土壤热物理性质的方法。我提议。迄今为止尚未建立估计地下水流速和土壤热性质的深度分布的方法，并且该方法可以对更广泛的地下换热器条件进行高精度的预测计算。在研究之初的研究大纲中，我们计划开发一种模型预测控制方法，但随着研究的进展，我们更多地参与开发一种估算地下换热器模型参数的方法，特别是，建立一种估计地下水流速的方法，因为这项研究预计会做出重大贡献，所以我们决定不开发控制方法，而是将重点放在上述主题的研究上。主要研究者的论文总结了这些研究成果并描述了理论、验证和讨论。