以地热为核心的综合能源系统生成式设计研究

研究背景

• 政策与能源转型：全球能源转型加速，可再生能源占比提升；中国“双碳”目标下，建筑与供热领域减排压力大，热泵等清洁供热技术迎来机遇。建筑供暖制冷能耗占全社会终端能耗比重高，传统化石能源供热方式碳排放强度大，需以高效热泵地热利用等技术实现绿色替代。园区能源系统正转向以可再生能源为基础的多能协同综合能源系统，地热能稳定、清洁、可连续供能，是低碳园区综合能源系统的重要基础能源。
• 建筑设计领域AI技术趋势：AI技术从形态生成走向性能驱动决策，与建筑性能分析、BIM数据、规范校核、碳排评估和智能体工作流深度融合。在行业应用中，AI已支撑场地强度测算、体量生成、平面布局、日照风环境分析、早期能耗预测、规范检索和方案表达等前期设计工作。建筑设计正在从“先画方案、后做校核”转向“概念阶段多方案生成、实时性能分析和快速迭代”，为综合能源系统设计提供了方法启发。

园区能源系统现状与痛点

• 背景情况：双碳目标与新型电力系统建设推动建筑与园区能源系统由单一供能方式转向可再生能源优先、多能互补、源网荷储协同和柔性互动运行。
• 核心痛点：
  • 资源约束耦合复杂：地热能力边界难以快速识别，涉及地质条件、并深井距、热物性参数、长期热平衡等因素耦合。
  • 多方案生成与参数联动效率低：地热、热泵、蓄能、光优、储能、电网互动等多元组合复杂，人工难以高效枚举。
  • 设计与运行脱节：方案阶段难以前瞻考全年逐时运行、电价、碳因子、需求响应和柔性调节能力。

研究目标与总体思路

• 研究目标：构建以标准库/项目库为基础、以专业模型为核心，以生成式智能体为引擎的综合能源系统智能设计方法，从人工经验设计转向模型驱动生成，支撑低碳园区综合能源系统高效设计与科学决策。
• 总体思路：以地热资源为核心约束，融合负荷预测、系统生成、仿真优化与标准校核，构建从项目输入到方案输出的智能化设计闭环。

关键技术

• 关键技术一：从地勘报告到可计算的地埋管系统模型：
  • 地质条件由勘查与资料库确定，融合单管换热、井群协同算法模型，由智能体进行初步计算支撑后续阶段。
  • 模型输出参数：单井取热能力、热干扰程度、井场热阻、长期热平衡与地温恢复。
  • 设计支撑：并数、井距与布置方式推荐、系统构型生成、设备容量匹配、运行策略优化。
• 关键技术二：负荷预测与逐时仿真驱动的方案比选：
  • 负荷预测算法：融合循环神经网络、随机森林算法、长短期记忆网络等多种算法，预测误差小于10%，解决运行数据缺失问题。
  • 基于迁移学习的离线在线结合建筑负荷预测精度验证：相较于不使用离线模型的方法，预测精度提高20%。
  • 电网协同的配置优化方法：通过耦合分时电价、碳因子与动态仿真，实现地热-热泵系统由日“静态配置”向“热电协同优化配置”升级。
• 关键技术三：参数迭代和结果解释：智能体模型调用，实现参数迭代和结果解释。
• 现有AI计算设计平台基础：
  • 建筑负荷云计算与AI分析：快速计算建筑全年冷热负荷，输出最大采暖负荷、最大制冷负荷、全年采暖/制冷总量及月度负荷构成，结合AI助手生成参数分析、负荷特性分析等。
  • 热电智能协同策略生成：面向“光伏+电池+冷机/热泵+蓄冷蓄热+动态电价”系统，自动优化运行日程，输出电力来源、光伏消纳、蓄能状态、电池状态及24小时成本曲线。
  • 地埋管地源热泵专业计算：集成权威算法，开展地埋管系统配置设计计算，支持影响因素分析。
  • 日前负荷智能预测：基于全国5大气候区30+典型城市、180+建筑类型的8760小时逐时动态负荷模拟数据库，实现冷热电气负荷的精准预测。
• 后续开发内容：形成“地质参数-地热算法-系统生成-仿真优化-报告出图”的一体化平台能力，支撑地热综合能源系统快速设计、科学比选与工程交付。

总结与展望

• 成果：
  • 形成面向工程应用的，以地热为核心的综合能源系统生成式设计工具。
  • 一套专业模型库：包括地埋管换热、井群响应、热泵机组、风光系统、蓄能系统及热泵-电网互动等模型。
  • 一套优化工具链：支持全年8760小时动态仿真、能耗费用碳排多目标优化、日前一日内运行策略生成。
  • 一个方案生成器：可根据项目边界条件，快速组合井数、井距、设备配置、蓄能规模和运行策略，自动生成多套可行系统方案并开展比选。