文摘

作为一个新兴的地热结构,能量隧道地热工程的一个重要组成部分。然而,传统的方法设计能源隧道主要依靠复杂的数值模型。此外,宏观的多畴的协同设计方法,考虑多个领域和设计指标不可用。本研究结合本体和语义网规则语言建立能源领域知识的传统隧道是一个浓缩的地源热泵领域知识和开发一个全面的决策工具叫OntoETS energy-tunnel系统的设计。工具可以促进最优设计方案的最佳组合多个索引,通过经济分析,热通量和系统的可行性从macroperspective energy-tunnel系统通过结合多个域。此外,一个案例研究来演示开发整体决策系统的有效性和实用性。

1。介绍

全球对清洁能源的需求在最近几年一直在增加。因此,越来越多的国家和地区已经开始开发和利用地热结构作为热交换器来提取清洁和可再生的地热能源(1- - - - - -5),如深基础、浅基础防渗墙,隧道衬砌,地脚螺栓,桩基础。其中,能量隧道(见图1)是最近开发的地热结构(发达国家在过去20年)。它第一次被应用于建筑的冷却和加热Brandl [6]。系统的热交换管是嵌入在隧道衬砌提取常数地热能。虽然发展时间短,能量隧道已成为一个重要的地热能源结构和正在被越来越多的国家和地区(7,8]。

隧道作为一种重要的地热结构,能量比其他系统具有特殊的优势。首先,它具有较高的传热效率由于大体积和额外的热量产生的热量交换的汽车。此外,它拥有更长的使用寿命,因为被埋在一个稳定的地层传热和压力更稳定。最重要的优势是,它的热交换器可以在工厂预制和优化,所以其施工和安装更加方便和节省成本。上述优点使能源隧道研究热点与许多学者进行了大量研究。最先进的地热提取结构、能源通道有两个主要的设计和施工方法。等传统隧道建造的新奥地利隧道法、热交换管可以安装在非织造土工合成材料,把中小学衬里之间的隧道。这也是第一个方法来构造能量隧道和潜在的建设和推广。另一种方法构建能源隧道盾构隧道变得可行的发展。的热交换管,隧道可以优化并放置在工厂预制段提前。 Many scholars have conducted substantial research on its feasibility and construction methods [9,10]。一般来说,每段环分为六十七段。每一段的换热管连接相邻段,和每组的两个或两个以上的部分环形成一个循环并连接到主要的管道。

一些学者已经进行了大量研究能源热力性能的隧道。分析模型而言,伊斯兰教等。11小屋系统)提出了一个简化的传热模型。然后,亚当和Markiewicz [12)提出了一个优化的模型energy-tunnel设计考虑经济。Zhang et al。13)提出了一种新的线源模型。他们认为这两种复合媒体和时变边界条件,可以提供有关能源通道的设计指南。

在数值模拟和田间试验,伊斯兰教et al。14]Nanaori-Toge隧道进行了现场试验。结果验证了使用能源的可行性隧道道路除冰。·巴拉和佩里诺(15)模拟能源隧道数值模拟的热力学性能。研究结果可以为能源通道的设计提供指导。此外,杨et al。16]和Bidarmaghz Narsilio [17),结合例子,全面评估各种因素影响能源通道的换热并分析了其经济可行性。因为能源隧道在浅埋地层相对恒定的温度,它的机械转换引起的温度可以省略隧道设计标准。即换热的温度应力影响不需要考虑能源通道的设计。

尽管能源隧道有很多优势,有一定的局限性由于短的开发时间。首先,它的缺点是传统的地源热泵(GSHP)技术。,有一些方法和标准复杂的步骤,这严重限制GSHP系统的设计与应用(18]。第二,目前的设计方法不能满足工程设计的要求(19]。方法主要依赖于复杂的有限元模型由于其技术的复杂性。这需要大量的劳动力和计算能力。第三,传统的能源隧道设计方法没有方法来连接和综合考虑多个域的能量从macroperspective隧道。这可以防止的成就与成本等多个性能参数的最佳匹配,热,和环境影响。最后,没有全面和深入统一共识关于能源通道20.]。合理的设计和操作的能量隧道需要一系列subtechnologies和不同学科之间的协作。此外,信息失真发生在不同阶段和传输过程,导致不必要的损失。

作为一个新的语义web技术,本体是先进的信息社会的基本框架和人工智能的研究热点。它提供了许多工程社区的概念和方法来解决问题。它可以建立领域知识,形成一个统一的共识,以防止信息失真,可以广泛应用于跨多个领域知识的共享和交换(21]。这提供了实质性的优势解决multifield和多目标问题[22]。Ugwu et al。23协同设计本体)开发的跨部门的架构。它有效地促进了不同部门之间的信息交互,提高了设计效率。侯et al。24)开发了一个工具,整体建筑设计考虑建造安全、基于本体的碳排放。张和伊萨(25)使用国际金融公司基于标准的本体来解决在原子能委员会领域多团队协作的问题。Anumba [26]研究了集成技术方法以本体论为核心的项目交付期间防止信息丢失和分歧。它大大促进项目互操作性。此外,本体工程方法用于促进计算机辅助设计(CAD)之间的信息集成文档和地理信息系统(GIS)的文档。一个基于本体的方法还用于从BIM[提取信息27,28]。

根据上述情况,有必要使用领域知识本体建立能源隧道(这是传统的浓缩地源热泵),以确保准确的传输不同学科和单位之间的相关信息。提供准确的领域知识和数据关联,它也是很有必要开发一个决策工具整体设计能量从macroperspective隧道考虑多个指标。本研究提出了一个本体energy-tunnel框架设计和开发了一个全面的决策工具OntoETS energy-tunnel系统(本体)考虑成本等多个指标,热,和系统可行性,促进最佳的设计方案。进行了一个案例研究来说明设计应该利用这个开发工具和验证OntoETS的有效性和可行性。

2。设计和开发的OntoETS Energy-Tunnel系统

2.1。主要测定指标Energy-Tunnel系统的整体设计

本节涉及的经济性能、热传导性能和可行性评估一个energy-tunnel系统。它的安全性能是不考虑。因为它是埋在地层稳定地热条件下,其力学性能相对稳定和温度应力小于设计压力要求的隧道,可以省略。

2.1.1。成本核算

成本计算包括热交换管成本,主要渠道成本、费用之间的连接管室内系统和地源系统,热泵成本和总成本。

热交换管的成本在能源隧道可以被计算 在哪里代表了预制段的隧道,的价格是热交换管埋在吗预制段隧道环,热交换管的长度是埋在吗预制段隧道环。表示的数预制段戒指,的热交换管成本能源隧道。上标“TP”价格是隧道的缩写。

然后,主要渠道成本可以被计算 在哪里代表了类型的主要渠道。和价格和长度分别的类型的主要渠道。的成本是energy-tunnel系统的主要渠道。上标“议员”的缩写是主要渠道价格。

系统的连接管的成本可以被计算 在哪里_k代表了k类型的连接管。和价格和长度分别的k类型的连接管。的连接管的成本是energy-tunnel系统。上标“CP”的缩写是连接管的价格。

热泵的成本可以被计算 在哪里l代表了l^th类型的热泵。和分别是价格和数量的吗l^th类型的热泵。然后,的成本是energy-tunnel的热泵系统。上标“惠普”价格是热泵的缩写。

因此,系统的总成本可以获得的 在哪里是系统的总成本代表了热交换管成本。和是主要的渠道成本和连接管成本,分别。是热泵成本。

2.1.2。计算的热

热量计算主要包括隧道传输的热量,热泵产生的热量,热通量。隧道传输的热量可以由两种方法计算。第一种方法计算使用的热交换能力每平方米预制段环(W / m²),它是由一个热响应测试(泰爱泰党)。如果条件执行热响应测试用时,它可以计算的流入和流出系统的温度。

没有泰爱泰党,转移的热量可以计算隧道的流入和流出的温度系统: 在哪里从土壤中代表了热传输系统(W),米代表了换热的液体的流量(公斤/ s),和c代表系统换热液体的比热容(J /(公斤·°C))。和代表了流入和流出的温度(°C)的换热系统的液体。

隧道传输的热量可以计算单位面积上的换热的隧道,这是由一个热响应测试。然后,系统可以提取热量的总面积可以获得: 在哪里代表了预制段隧道和环是半径(米)类型的预制段戒指。和长度(m)和数量,分别的类型的预制段戒指。然后,代表了区域(m²)的类型的换热段环。

因此,隧道交换的热量可以获得: 在哪里代表了预制段隧道和环代表了区域(m²)的类型的换热段环。是单位面积上的换热(W / m²)的类型与换热管段环安装,这是空气的类型、地源类型,或两用类型。然后,热转移的隧道(W)。

产生的热量,热泵可以计算(29日] 警察在哪里热泵的性能系数(30.),总热量是能量转移的隧道(W)。因此,产生的高温热泵。然后,热通量(W / m²)的建筑可以获得如下: 在哪里代表了总系统提供的热量和是建筑的面积。然后,是提供的热通量的建筑体系。

2.1.3。系统评价

为了更好地应用energy-tunnel系统、发达系统考虑了热通量作为标准来评估设计方案的可行性,主要分为可行和不可行。评价规则如表所示1。

2.2。OntoETS的设计和开发

2.2.1。系统框架和用户OntoETS指南

发达的综合决策系统OntoETS主要由四个部分组成:数据库、知识管理系统、规则编辑器和查询界面(见图2)。

域知识、标准和本体模型的能量隧道的形式存储在数据库中一个OWL文件在任何时候使用。知识管理系统可以编辑和管理能源通道的本体模型。本研究使用的是门徒5.2作为开发平台本体模型。门徒平台是一个开源平台由斯坦福大学旨在提供一个工具来构造域模型和知识本体的应用程序(31日]。规则编辑器可以帮助开发人员将规范和计算方法的隧道和GSHP逻辑规则如SWRL规则根据能量隧道的特点。输入查询所使用的部分是设计师,他们的设计方案进行评估和优化的管理平台。然后,用户可以输入相关的信息查询和选择最优设计方案通过查询部分。所必需的系统组件实现需求和开发系统的预设功能如图2。

2.2.2。发展OntoETS

本体开发的三个必要步骤是识别知识,知识规范和知识细化。在知识识别步骤中,能量的范围和领域隧道需要确认。OntoETS决策系统在本研究中主要涉及到隧道的字段(设计、施工)测量和建筑经济,换热性能和系统的可行性energy-tunnel系统提供macroevaluation和优化准则。在知识规范步骤中,半正式的规范的能量隧道需要建立指导本体的发展。也就是说,统一建模语言(UML)建立了OntoETS流程图来指导建立模型如图3。在最后一步(知识细化),开发了本体模型需要进行验证和改进(例如,验证语义、语法和规则),以防止错误和冗余。

OntoETS决策系统开发主要在这项研究中有关隧道工程;冷却和加热;和经济的评估,换热性能和建筑热通量energy-tunnel系统。系统的主要概念和术语遵循“产业基础类”(IFC)标准,参照现有的本体模型的能量隧道和GSHP32]。主要概念和术语之间的层次关系图所示3。本体开发10133)被认为是指导开发本体模型的能量通道如下。

(1)确定的范围和领域能源通道。本体的领域和范围是最基本的方面。这些影响本体模型的质量。因此,目前的情况和可能的未来场景应该考虑而确定的领域和范围。在这一步中,energy-tunnel的范围和领域本体可以确定通过问一些基本的问题,如表所示2。

能源领域和范围隧道可以通过问问题的表2。在本体的开发步骤,这样的问题可以被要求在任何时间,以防止丢失或冗余元素。

(2)重用现有的本体。OWL语言互操作性的特点。因此,知识不同本体之间可以交换和共享。因此,现有的本体可以被认为是在构建本体的能量隧道。发达OntoETS决策系统主要使用IFC标准术语的来源。现有的本体模型的地源热泵和能源隧道也被认为是。

(3)列举这个本体的重要术语。建立本体时,术语和概念框架形式的整个领域知识。它应该保证条款的正确性和本体的目标函数的实现。中使用的术语和概念本体模型在这项研究中所示UML OntoETS决策系统的流程图(图3)。

(4)定义类和类的层次结构。定义类和类的层次结构在本体发展是最基本的一步。前面步骤中的重要条款列举需要开发从上到下根据不同的类型。有五类energy-tunnel本体建立研究:地源热泵系统,地热交换系统,室内系统,隧道结构和材料。每一个子类。具体细节如图4(一)。

(5)定义一个类的属性。一个类有两个主要类型的属性:对象属性和数据属性。客观关系表示类之间的关系。类之间的关系框架构成的领域知识。例如,energy-tunnel系统热泵,即。,the energy-tunnel system class and heat pump class can use the objective relationship has_ heat_ Pump to connect. Data properties represent the properties of the class, which are used to supplement data and enrich information. For example, the heat pump class has data properties such as unit price and quantity, i.e., the head pump has data properties such as cost and number. In general, Steps 4 and 5 can be carried out alternately while developing the ontology, which would reduce errors and omissions. These can also be completed following the above steps. Specific details of the characteristic are shown in Figures4(b)和4(c)。

(6)开发的实例。实例创建于类的这一步是一个真实的例子,而不是一个抽象的概念。它有自己的位置和类层次结构。图5显示的细节建立energy-tunnel系统的一个实例。

(7)建立SWRL规则。虽然可以用于构建领域知识本体,许多知识领域逻辑关系以及数据关联。因此,SWRL规则可以由开发人员加强本体的推理和计算能力。SWRL规则的设备成本的能量隧道作为一个例子。

Energy_tunnel_system隧道(?)^ Heat_exchange_pipe_cost(隧道,? absorb_cost) ^ Main_conduit_cost(隧道,? cnduit_cost) ^ Connecting_pipe_cost(隧道,? connecting_cost) ^ heat_pump_cost(隧道,? pump_cost) ^ swrlb: add (total_cost, ?absorb_cost, cnduit_cost, connecting_cost, ? pump_cost) - > Total_cost (?隧道,? total_cost)。

(8)建立SWRL规则。OWL本体查询通过建立相应的规则通过web规则语言本体开发后(SQWRL规则)。设计师可以通过查询界面,输入查询要求插件SQWRLTab可以输出相应的结果,设计师可以设计合理根据查询反馈结果。以下使用SQWRL规则查询energy-tunnel系统的所有信息。

Energy_tunnel_system隧道(?)^ Total_cost (?隧道,? total_cost) ^ Connecting_pipe_cost (?隧道,? connecting_pipe_cost) ^ Main_conduit_cost (?隧道,? main_conduit_cost) ^ Heat_exchange_pipe_cost(隧道,? Heat_exchange_pipe_cost) ^ Heat_pump_cost (?隧道,? heat_pump_cost)评价(隧道,?评价)^ ^ Q_source (?隧道,? Qsource) ^ Q_heat (?隧道,? Qheat) ^ q_0 (?隧道,? q0) ^ q_heated (?隧道,? qheated) - > sqwrl:选择(?隧道,heat_exchange_pipe_cost, main_conduit_cost, ?total_cost, Qsource, ? Qheat q0, qheated, ?评估)。

2.3。本体验证

本体需要验证,以确保模型的正确性和实现预设功能本体开发后OntoETS决策系统。语法验证,验证包括语义验证和验证规则。下面是一个验证energy-tunnel本体的描述。

2.3.1。语义验证

执行语义验证以确保词汇和术语的准确性在本体模型和准确地描述和传输领域知识。本研究开发本体的语义通过比较验证,再利用,合并现有的本体。新建立的本体是有效的,如果重用现有的本体或词汇已经被验证34- - - - - -36]。能量的本体模型隧道在本研究开发主要指IFC标准。一般在建筑行业标准,词汇的正确性验证。此外,为了更好地保证词汇的准确性energy-tunnel域,它还指GSHP energy-tunnel工程的现有本体模型。这是足以证明本章中所开发的本体的语义正确性。

2.3.2。语法验证

语法验证,以确保执行正确的层次结构和逻辑关系,可准确地推断并计算显式和隐式关系和数据关系的本体。在这项研究中,颗粒寻欢的门徒选择完成语法验证。它可以检查语法本体和提醒逻辑异常的本体来帮助开发人员修改现有的错误。验证细节图所示6。

2.3.3。规则验证

规则执行验证,确保开发规则兼容建立本体,可以准确的逻辑推理和数据计算。在这项研究中,在门徒选择SWRLTab插件规则评估。它可以编写和编辑规则,可以报告错误的执行规则。如果有一个错误的规则,控制插件的命令行显示规则的失败和溢出。验证细节图所示7。为进一步系统功能验证,进行案例研究部分。

应该注意的是,在这项研究中提出的OntoETS是一种工具,使多目标整体决策energy-tunnel系统在设计的早期阶段。一个案例研究3将演示OntoETS的实用性和科学性。

3所示。案例研究

由于energy-tunnel系统的开发时间有限,很少有energy-tunnel应用案例。此外,大部分的数据丢失。确保发达OntoETS决策系统可以真实地模拟实际工程和验证预设功能,缺失数据的情况下将补充根据地区经验和相关规范。清华大学选择在这一节中获得可靠数据的最大数量。清华校园的energy-tunnel实验隧道作为原型的验证。

3.1。案例描述

清华校园隧道是由北京张家口铁路的保护方法。屏蔽部分长度约4448.5米。隧道的外径是12.2米。段是55厘米,厚度和段环宽度是2米。这是组装的“6 + 2 + 1”模式。C50混凝土设计强度,顶部的隧道的埋深是大约10米。隧道的部分用于energy-tunnel实验,在一个大厅的建筑面积200²加热。

根据民用采暖散热器由清华大学出版社出版,设计建筑物的热通量可以视为50 W / m²。根据建筑面积时,系统可配备FSHS-44高效涡旋地源热泵(单价= 19000元)。警察是保守视为三、热交换管的价格是6元/米,单价的主要管和连接管是30元/米。三种类型的热交换管,三环和four-ring隧道段的总和。总共六个设计方案用于验证发达OntoETS决策系统。六个设计方案的细节如表所示3。设置六个设计方案后,根据SWRL本体模型将规则表4- - - - - -6新的事实和相关数据评估。

执行OntoETS决策过程后,输入设计方案进行逻辑推理和数据计算根据建立本体模型和预设规则。然后,推理接口细节如图8可以获得。在此基础上,设计师可以过滤和优化设计方案通过查询接口根据不同的设计要求。

3.2。应用程序

本节描述的预置功能的验证OntoETS决策系统,并说明了设计师应该如何使用这个工具来选择和优化设计方案。执行决策系统后,设计方案会产生新的事实和相关数据评估根据寻欢和预设SWRL规则。如果设计师想获得所有设计方案的相关信息(见图9),SQWRL规则见表7可以通过查询接口。

如图9,六个设计方案的相关信息显示,诸如成本、交换热量,热量由系统生成,构建热通量和可行性评估。如果设计方案需要进一步筛选和优化,额外的SQWRL规则可以用来优化设计方案。例如,如果设计方案需要限制的总成本在37000元,设计师可以输入SQWRL规则见表8并获取返回的结果图10。

如图10,有四个方案与空气源类型和地面源类型换热器满足预算要求。空气源类型热交换管的设计方案是不可行的,因为它不能提供足够的热通量的建筑。需要进一步的选择如果设计方案和影响因素是复杂的。

如果热通量的主要设计重点,设计师可以输入SQWRL规则见表9并获取返回的结果如图11。图显示四个设计方案与地面源类型和两用热交换管满足需求。设计师在此基础上可以提供一般的优化方向。即设计方案与地面源类型换热器或两用热交换器可以满足需求。此外,它可以进一步优化设计方案中这两种热exchangera安装。

上面所有的参数都是基于个人设计要求查询规则。与此同时,成本和热通量是两个重要的指标来衡量,设计师将专注于energy-tunnel系统。此外,最优设计方案或详细的优化方向可以由输入SQWRL规则。设计师可以输入SQWRL规则见表10选择设计方案的成本低于37000元,满足需求的热流。

如图12,有两种设计,满足成本和热通量的要求。如果需要,设计师可以通过不同的参数进一步优化能源通道(如段的数量,换热管的材料,类型的热泵,和警察)然后再推理和查询来获得最优方案。

通过以上步骤,设计师通常可以获得设计方案满足设计要求并生成优化的方向。只执行这个案例研究来验证是否OntoETS决策系统可以实现其预定的功能,不设计一个复杂的energy-tunnel系统。影响因素,当一个实际energy-tunnel设计方案进行更复杂,和OntoETS决策系统将显示整体设计的优势更加突出。

4所示。结论

OntoETS决策系统在本研究中可以设计复杂的技术能量从macroperspective隧道整体和评估促进最佳的设计方案。因此,设计师可以从macroperspective获得多个性能指标(如成本、热通量和系统可行性)通过使用这个工具来选择和优化设计方案。这可以提高设计效率,促进能源隧道中的应用。

本研究结合本体和SWRL规则构建能源领域知识的隧道,这是一个浓缩的传统GSHP领域知识。它可以防止信息失真造成的损失在不同的学科和阶段。此外,为了确保开发本体的正确性,IFC标准被认为是基本分类标准和现有本体的词汇也被认为是作为参考。此外,语法的正确性和规则也进行了。最后,为了验证系统的预定功能,进行了一个案例研究来评估其逻辑关系和数据的正确性。案例研究演示了设计师应该如何使用OntoETS决策系统的整体设计,实现成本的最佳组合,热,热通量和其他energy-tunnel指标系统和生产最优设计方案。

OntoETS决策系统(这是为整体设计energy-tunnel系统)本质上使用本体的穿越域的优点进行隐式或明显的逻辑关系推理和数据关联。这是促进交流和共享的数据,这与BIM的概念是一致的。相关学者也进行了大量的研究在BIM应用本体。在未来的研究中,本体技术和SWRL规则可以应用于开发决策系统与统一的接口在不同的领域本体。由不同的学科,这将使协同设计行业,在整个生命周期阶段。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号52178315和52178315),美国国家科学基金会中国青年科学家(批准号52108326),美国国家科学基金中国优秀年轻学者(批准号51722801),中央大学的基础研究基金(批准号3132019601),创新人才培养工程博士学位学生(CXXM2019BS008和BSCXXM022)。