浅层地热能,同轴套管式换热器,数值模拟,机器学习,随机森林模型 ," /> 浅层地热能,同轴套管式换热器,数值模拟,机器学习,随机森林模型 ,"/> <p class="MsoNormal"> 基于随机森林模型的浅层同轴套管式换热器取热影响因素

吉林大学学报(地球科学版) ›› 2026, Vol. 56 ›› Issue (5): 1714-1723.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.20240293

• 地质工程与环境工程 • 上一篇    下一篇

基于随机森林模型的浅层同轴套管式换热器取热影响因素

王翰琦1 ,杨伟飞1,贾子龙2 ,刘曦遥3,冯波1   

  1. 1.吉林大学新能源与环境学院,长春130021

    2.自然资源部浅层地热能重点实验室,北京102218

    3.中国地质调查局牡丹江自然资源调查中心,黑龙江 牡丹江 157423

     


  • 出版日期:2026-09-26 发布日期:2026-10-18
  • 基金资助:

    国家重点研发计划项目(2024ZD1003600)


Influencing Factors of Heat Extraction in Shallow Coaxial Borehole Heat Exchangers (BHE) Based on Random Forest Model

Wang Hanqi1,Yang Weifei1 ,Jia Zilong2,Liu Xiyao3,Feng Bo1

#br#   

  1. 1. College of New Energy and Environment,Jilin University,Changchun 130021,China

    2. Key Laboratory of Shallow Geothermal Energy,Ministry of Natural Resources,Beijing 102218,China

    3. Mudanjiang Natural Resources Comprehensive Investigation Center,China Geological Survey,Mudanjiang 157423,Heilongjiang,China

  • Online:2026-09-26 Published:2026-10-18
  • Supported by:
    Supported by the National Key Research and Development Project (2024ZD1003600)

摘要: 为实现浅层地热能资源的高效开发利用,缓解传统化石能源供暖模式引发的雾霾等大气环境污染问题,解决实际工程中换热器运行参数与场地地层参数最优匹配方式不明晰、耗费人力物力等问题,本文采用数值模拟与机器学习算法相结合的方法,首先基于COMSOL数值模型建立了浅层同轴套管地热系统传热数值模型,探究了不同物性参数、运行参数和地热井深度对换热器取热性能的影响;然后基于机器学习算法采用随机森林(RF)模型预测了不同参数集的地热系统开采温度,并在RF模型中量化相应特征影响因子的重要性,进一步验证了RF模型在预测地热开采温度中的准确度。结果表明:换热流体注入流速和注入温度对地热开采温度影响较大,注入流速保持在0.5~1.0 m3/h之间,以及增大地层与注入温度的温差,都可以提高系统的取热效率;RF模型在地热预测温度上具有较高的准确度,该模型的决定系数(R2)接近于0.99,同时均方根误差(RMSE)仅为0.17;特征重要性图进一步验证了不同注入温度及注入流速对于浅层同轴套管地热系统的影响较大。

关键词: 浅层地热能')">

浅层地热能, 同轴套管式换热器, 数值模拟, 机器学习, 随机森林模型

Abstract:

In order to achieve the efficient development and utilization of shallow geothermal energy resource and solve the environmental problems such as haze caused by traditional heating relying on fossil energy. It also solves the problems of unclear operation parameters of heat exchangers and the optimal matching method of ground formation parameters in practical engineering, and consumes manpower and material resources. In this paper, a combination of numerical simulation and machine learning algorithm is adopted. Firstly, a heat transfer model and numerical model of shallow coaxial casing geothermal system were established based on COMSOL, and the effects of different physical parameters, operating parameters and length of geothermal well on heat extraction performance were explored. Then, the random forest (RF) model was used to predict the geothermal system mining temperature of different parameter sets based on a machine learning algorithm, and the importance of the corresponding characteristic influencing factors was obtained in the RF model, which further verified the accuracy  of RF in predicting the geothermal mining temperature. The results show that the injection flow rate and injection temperature of heat exchange fluid have a great influence on the temperature of geothermal production. The injection flow rate is maintained between 0.5 and 1.0 m3/h, and the temperature difference between the formation and injection temperature can improve the heat recovery efficiency of the system. The random forest model has high accuracy in geothermal temperature prediction, the coefficient of determination (R2) is close to 0.99, and the root mean square error RMSE is only 0.17. The feature importance diagram further verifies that different injection temperature and injection velocity have signifcant impact on the shallow coaxial casing geothermal system.


Key words: shallow geothermal energy, coaxial tube heat exchanger, numerical simulation, machine learning, random forest model

中图分类号: 

  • P314
[1] 杨红彩, 张本才, 郝建龙, 赵奕博, 吴礼明, 朱英中, 骆福嵩, 古丽菲热·吐鲁军, 李传新.

库车坳陷中东段构造变形主控因素数值模拟 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(5): 1558-1571.

[2] 胡籽豪, 戴黎明, 李三忠, 王迪, 王亮亮, 刘申达, 李法坤, 武子涵, 王卓.

地幔风导致的克拉通岩石圈纵向结构分层和破坏 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(5): 1619-1629.

[3] 宋真谊, 张宏兵, 祝新益, 张凌远, 曾繁鑫, 葛一航.

基于随机森林MDA算法的测井曲线重构方法 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(5): 1797-1805.

[4] 揭磊, 王明常, 刘星男, 刘子维, 李晓燕.

基于多源数据的土壤侵蚀时空分布预测模型 [J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(5): 1806-1819.

[5] 郭申锐, 李少华, 丁芳. 基于时间序列与随机森林的逐级辫状河储层构型单元识别[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(4): 1465-1475.
[6] 夏英杰, 陈华斌, 陈健, 姚明宇, 杨海. 不同施工参数下深层页岩水力压裂数值模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 924-936.
[7] 涂君汕, 陈辉, 邓居智, 陈康, 李焱, 余辉. 水库堤坝对高密度电法的影响及校正技术[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 1013-1025.
[8] 张恩威, 孟庆涛, 唐佰强, 胡菲, 党微.  基于机器学习的TOC测井预测方法:以松辽盆地南部青山口组一段为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(3): 1062-1075.
[9] 束龙仓, 位书静, 澈丽木格, 温中琦, 刘波. 西辽河平原生态输水的地下水响应及不确定性量化[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(2): 647-660.
[10] 王菲, 龙欣雨, 唐杰, 郭鹏, 许文良. 古亚洲洋东段的剪刀式闭合历史——来自华北克拉通北缘东段及邻区三叠纪地壳厚度空间变异的制约[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(1): 101-117.
[11] 黄兴国, 翁央央, 韩丽. 基于广义递归卷积的孔隙黏弹地震波正演模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2026, 56(1): 377-385.
[12] 韩复兴, 刘水源, 高正辉, 韩江涛, 张涛, 尚浩. 基于机器学习的微动HVSR数据干扰信号压制方法[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(6): 2153-2163.
[13] 杨兰, 王运, 邹勇军, 胡宝群, 李满根, 张安, 朱满怀. 基于机器学习的富硒土壤预测模型的构建与比较——以江西省信丰县油山地区为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(5): 1629-1643.
[14] 周柳湘, 余思琴, 陈俊华, 刘城, 陈义, 张鑫鑫, . 潜孔锤与冲击钻机联合钻进工艺成孔碎岩过程数值模拟[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(5): 1608-1618.
[15] 曹志民, 张丽, 郑兵, 韩建. 基于SMOTE平衡数据的极端随机树岩性识别[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2025, 55(4): 1372-1386.
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