在“双碳”战略推动下，中深层地源热泵供热技术逐渐成为我国北方城镇清洁供热的重要途径之一。然而，该技术投资成本较高、成本回收期较长，如何降低系统运行成本成为提升其生命周期经济效益的关键。此外，尽管中深层地埋管取热性能稳定，但热泵系统运行模式单一、灵活性不足，在应对建筑负荷动态变化时难以保持高效运行，其在电力系统中的需求响应能力也受到限制。针对上述问题，本文提出了一种耦合中低温相变储热的中深层地源热泵供热系统，探究了其动态运行性能与地下热响应特性，开展了系统“供给-储能-需求”协同匹配设计研究，并提出了相应的优化控制方法，实现了中深层地热供热系统在能源效率、生命周期经济性与运行柔性等方面的协同提升。论文主要研究内容如下： （1）建立了中深层地热耦合相变储热实验系统，分析了系统动态运行特性与技术经济性能，探究了相变储热耦合作用对系统运行性能的影响。结果表明，耦合相变储热使中深层地埋管运行方式由连续取热转变为间歇取热，有助于减缓管内流体温度的衰减速率并提升整体出口水温。与传统中深层地热系统相比，耦合储热有效提升了系统电力负荷转移能力，使系统日均运行成本降低21.8%。基于热力学分析，阐明了耦合相变储热场景下系统?效率的提升机制，明晰了不同储热温度下系统能效与?效率之间的权衡关系。 （2）为探明耦合相变储热对中深层地埋管运行特性的影响机制，建立了中深层地热耦合相变储热系统动态仿真模型，基于数值模拟对地埋管与岩土体的温度响应特性开展研究。首先，基于TRNSYS平台开发了考虑地温梯度与非均质地质条件的中深层地埋管模块、相变储热模块及中深层地源热泵模块，进而构建了系统动态仿真模型；随后，通过对系统地下热响应特性进行分析，揭示了中深层地埋管在相变储热耦合影响下的被动蓄热机理，阐明了相变储热参数对地埋管蓄热性能的影响规律。结果表明，通过调节相变储热功率与储热量，可有效提升地埋管的被动蓄热性能及热泵能源效率。 （3）提出了中深层地热耦合相变储热系统的协同匹配设计方法，从设计层面对系统性能提升开展研究。构建了涵盖能量、?、经济性与灵活性的综合评价体系，探究了相变温度、储热温度及存储容量对系统性能的耦合影响规律及参数间的交互作用。在此基础上，建立了集成动态模型、神经网络、遗传算法及多准则决策的多目标优化设计框架，并以寒冷和严寒地区的典型城市为案例对系统开展匹配优化设计研究，探明了最优设计参数的分布规律，量化了系统综合性能的协同提升潜力。 （4）为实现中深层地热耦合相变储热系统的能效最优运行，提出了基于自适应模型的在线优化控制方法。该方法集成系统自适应性能模型、分位数回归、在线参数辨识技术及遗传算法，针对不同模式下的流量与温度设定值进行精准、快速调节。首先，结合离散传递函数与逆Z变换，提出了以控制为导向的中深层地埋管自适应动态模型，并建立了相变储热与地源热泵的自适应性能模型；其次，开发了分位数回归模型耦合遗传算法的混合加速算法，通过动态收缩搜索边界有效提升传统算法的收敛速度；最后，构建了基于自适应模型的在线优化控制框架，并搭建联合仿真平台验证了该方法在系统节能与快速调控方面的显著优势。 （5）为进一步提升中深层地热耦合相变储热系统的经济效益，提出了基于自适应模型预测控制（MPC）的日内滚动优化调度方法。该方法针对不同模式的运行调度和能量分配进行动态优化，充分发挥相变储热在提升系统经济性与运行柔性中的潜力。首先，基于深度学习与自适应更新策略，构建了系统各部件的性能预测模型；其次，提出了考虑多模式运行约束的系统优化调度模型，并将系统调度问题转化为混合整数二次约束规划问题；最后，构建了基于自适应MPC的优化控制框架，并搭建联合仿真平台验证了该方法在经济性能提升与运行柔性增强等方面的有效性。 本文研究结果可为中深层地热耦合相变储热系统的设计与运行提供理论依据，为该技术的工程应用与规模化推广提供科学支撑，并助力“双碳”目标实现。 |
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