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．

The theory and results were compiled in the numerical simulation to reproduce the thermal behavior of soil due to the use of geothermal heat exchangers in the use of geothermal heat, and the method of modifying and estimating model parameters such as soil effective thermal conductivity and predicted states whenever observational data is obtained, which were carried out up until the previous year, using the ensemble Kalman filter, a type of data assimilation method, and for which可以纠正和估计观察数据。这些理论和结果在日本和国外的学术会议上介绍，并在国际期刊上发表了学术论文。上一年3月，他因在空调卫生工程学会的第56届学术演讲中获得了卓越演讲鼓励奖。此外，在接地热交换器的数值模拟中，我们开发了一个具有出色地下水流量的多层地面热交换器模型，该模型使用了ANN开发的机器学习替代模型，直到上一年我们已经开发了。该模型显示了很好地重现相应的CFD分析的结果，从而可以对埋在地下水流中的多层地面上的地面热交换器进行简单且高度准确的模拟。 Furthermore, we proposed a method to estimate the depth distribution of groundwater flow velocity and soil thermal property values at the site buried in the ground heat exchanger using previous data assimilation and multi-layered ground models with groundwater flow, and estimate the depth distribution of groundwater flow velocity and soil thermal property values at the site of the ground heat exchanger buried from observation data.尚无建立的方法来估计地下水流速和土壤热特性的深度分布，并且该方法允许对更广泛的地面热交换器条件进行高度准确的预测计算。计划在研究项目开头的研究概述开发一种模型预测控制方法，但是随着研究的进展，希望对开发地热热交换器模型参数估计方法做出了更大的学术贡献，尤其是建立地下水流量估计方法，因此无法进行控制方法，因此无法对其进行研究，但介绍了对研究的研究。本研究论文总结了这些研究结果，并描述了理论，验证和讨论。