适用于多能流系统的跨季节土壤储热建模方法及装置与流程

1.本发明涉及多能流系统的运行和能量管理技术领域，特别是涉及 一种适用于多能流系统的跨季节土壤储热建模方法及装置。


背景技术：

2.随着传统能源供暖带来的污染、环境和生态问题越来越严重，可 再生能源供暖被世界各国高度关注，供暖清洁化转型凸显重要地位。 然而，可再生能源供暖受天气、地域、季节等因素限制，具有极强的 间歇性、不稳定性和季节性特点。跨季节储热将可再生能源在热源丰 富，热需求少的季节储存起来，在热源贫乏、热需求大的季节释放出 去，可有效解决可再生能源供热系统在时间上、空间上和强度上的不 匹配特性。
3.对于存在电热气等多能流的系统，热能存储是解决可再生能源不 确定性的关键技术，该技术使用有效的存储介质来存储多余的产生的 热量或冷却液，以供以后用于有用的应用。通常，热能存储单元可分 为三大类：显热，潜热和热化学存储系统。储热技术目前已经相对成 熟，已在很长一段时间内用于各种以水、岩石和土壤为常见存储介质 的储热装置中。这样的系统便宜且简单，并且依赖于存储材料的比热 容通过增加温度而不改变材料相。
4.跨季节储热可以将太阳能、工业余热等热量由夏季或过渡季向冬 季转移，克服了短期储热不稳定和利用率低的缺点，扩大了可再生能 源利用的深度与广度。其中热水储热(热容量较大、受水文地质条件影 响小、储/放热功率较大)和地埋管储热(以土壤作储热体，不存在回灌 难题，不破坏地下水质)为主要研究方向。
5.众所周知，地源热泵(gshp)具有可再生性和环保性，已被广泛 使用。gshp的合适区域是地下土壤温度在10℃至20℃之间的区域，或 者在寒冷气候条件下可以安装更多地下热交换器的区域。太阳能
‑
地面 耦合热泵(sgchp)可以解决上述问题。与常规热泵系统相比，sgchp 的基本目标是获得更高的加热或冷却性能系数(cop)。
6.目前国内外对于热力系统中的跨季节土壤储热的建模主要集中在 热力学研究领域，通过热力学相关定律建立偏微分方程数学模型。其 模型仅考虑土壤储热内部的动态过程，而并未涉及与多能流系统中其 他元件的互动和对可再生电源的消纳问题。对于多能流系统，由于电 热等能源的耦合，因此跨季节土壤储热不仅仅应用于热力系统，更多 用于平抑电力系统中可再生电源带来的风光波动。考虑跨季节土壤储 热和其他能流之间的耦合关系和互动，建立适用于多能流系统统一分 析和优化调度的数学模型，是亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明提供一种适用于多能流系统的跨季节土壤储热建模方法及 装置，综合考虑跨季节土壤储热系统内部的多结构分层，刻画内部的 物理运行状态，从而高效利用于多能流系统的大规模优化问题。
8.为了解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供一种适用 于多能流系统的跨季节土壤储热建模方法，包括如下步骤：
9.构建垂直u型管的周围土壤三维温度场的控制方程：
[0010][0011]
式(1)中，ρ
s
为土壤的密度；c
s
为土壤的比热容，φ函数表示土 壤中能量的瞬时状态，t函数表示土壤的瞬时温度；τ为时间；z为层深 度；r为垂直u型管中一点到轴的距离；θ为切向分量；λ为土壤的电导 率；
[0012]
确定求解上述控制方程的初始条件：
[0013]
t
f
(τ)＝t
he
(r,θ,τ)＝t
s
(r,θ,τ)＝t0(τ＝0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014]
式(2)中，t
f
为垂直u型管管道内的流体温度，t
he
为土壤热交 换器的温度，t
s
为垂直u型管周围土壤的温度，t0为温度的初始条件；
[0015]
确定垂直u型管管道中的流体与内壁垂直u型管管道之间的边界 条件：
[0016][0017]
式(3)中，λ
he
为土壤热交换器的热传导率，α为垂直u型管内 壁的表面换热系数，r
in
为垂直u型管内壁半径；
[0018]
确定垂直u型管外壁与土壤的边界条件：
[0019][0020]
式(4)中，r
out
为垂直u型管外壁半径，λ
s
为土壤的热传导系数；
[0021]
其中，垂直u型管外壁与土壤边界的底边ab、土壤边界的侧边bc 和土壤边界的侧边ef的边界条件为绝热条件，表示为：
[0022][0023][0024]
垂直u型管外壁与土壤边界的顶边cd的边界条件为第三类边界条 件，表示为：
[0025][0026]
垂直u型管的侧边ad的边界条件为第二类边界条件，表示为：
[0027][0028]
式(5)中，z0为垂直u型管埋入的层深度；式(6)中，r0为土 壤边界到垂直u型管中心的距离；式(7)中，h
a
为u型管和空气的 表面换热系数，t
oe
为外界温度；式(8)中，r
out
为垂直u型管外壁半 径；
[0029]
确定土壤储热系统的能量方程：
[0030][0031][0032]
式(9)中，为t时刻存储在土壤储热系统中的可用热能，为t
‑
1时刻存储在土壤储热系统中的可用热能，为t时刻土壤储热 系统的功能速率，为土壤储热系统的储热效率，为土壤储热系统 的放热效率；式(10)中，sq
s,0
为初始时刻存储在土壤储热系统中的 总热能，为土壤储热系统储放能结束后的总热能；
[0033]
确定储热/放热速率与土壤储热系统储热能力限制：
[0034][0035][0036][0037]
式(11)中，为储热最大速率；式(12)中，为放热 最大速率；式(13)中，为土壤储热系统所能存储的热能最小值， 为土壤储热系统所能存储的热能最大值。
[0038]
为了解决上述技术问题，第二方面，本发明实施例提供一种适用 于多能流系统的跨季节土壤储热建模装置，包括：
[0039]
控制方程构建模块，用于构建垂直u型管的周围土壤三维温度场 的控制方程：
[0040][0041]
式(1)中，ρ
s
为土壤的密度；c
s
为土壤的比热容，φ函数表示土 壤中能量的瞬时状态，t为土壤的瞬时温度；τ为时间；z为层深度；r为 垂直u型管中一点到轴的距离；θ为切向分量；λ为土壤的电导率；
[0042]
初始条件确定模块，用于确定求解上述控制方程的初始条件：
[0043]
t
f
(τ)＝t
he
(r,θ,τ)＝t
s
(r,θ,τ)＝t0(τ＝0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0044]
式(2)中，t
f
为垂直u型管管道内的流体温度，t
he
为土壤热交 换器的温度，t
s
为垂直u型管周围土壤的温度，t0为温度的初始条件；
[0045]
第一边界条件确定模块，用于确定垂直u型管管道中的流体与内 壁垂直u型管管道之间的边界条件：
[0046][0047]
式(3)中，λ
he
为土壤热交换器的热传导率，α为垂直u型管内 壁的表面换热系数，
r
in
为垂直u型管内壁半径；
[0048]
第二边界确定模块，用于确定垂直u型管外壁与土壤的边界条件：
[0049][0050]
式(4)中，r
out
为垂直u型管外壁半径，λ
s
为土壤的热传导系数；
[0051]
其中，垂直u型管外壁与土壤边界的底边ab、土壤边界的侧边bc 和土壤边界的侧边ef的边界条件为绝热条件，表示为：
[0052][0053][0054]
垂直u型管外壁与土壤边界的顶边cd的边界条件为第三类边界条 件，表示为：
[0055][0056]
垂直u型管的侧边ad的边界条件为第二类边界条件，表示为：
[0057][0058]
式(5)中，z0为垂直u型管埋入的层深度；式(6)中，r0为土 壤边界到垂直u型管中心的距离；式(7)中，h
a
为u型管和空气的 表面换热系数，t
oe
为外界温度；式(8)中，r
out
为垂直u型管外壁半 径；
[0059]
能力方程确定模块，用于确定土壤储热系统的能量方程：
[0060][0061][0062]
式(9)中，为t时刻存储在土壤储热系统中的可用热能，为t
‑
1时刻存储在土壤储热系统中的可用热能，为t时刻土壤储热 系统的功能速率，为土壤储热系统的储热效率，为土壤储热系统 的放热效率；式(10)中，sq
s,0
为初始时刻存储在土壤储热系统中的 总热能，为土壤储热系统储放能结束后的总热能；
[0063]
储热能力限制确定模块，用于确定储热/放热速率与土壤储热系统 储热能力限制：
[0064][0065]
[0066][0067]
式(11)中，为储热最大速率；式(12)中，为放热 最大速率；式(13)中，为土壤储热系统所能存储的热能最小值， 为土壤储热系统所能存储的热能最大值。
[0068]
为了解决上述技术问题，第三方面，本发明实施例提供一种终端 设备，包括：
[0069]
存储器，用于存储计算机程序；
[0070]
处理器，用于执行所述计算机程序；
[0071]
其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的 适用于多能流系统的跨季节土壤储热建模方法。
[0072]
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种适用于多能流系统的 跨季节土壤储热建模方法及装置，其有益效果在于：所建立的模型综 合考虑了跨季节土壤储热系统内部的多结构分层，刻画了内部的物理 运行状态，能够高效利用于多能流系统的大规模优化问题。
附图说明
[0073]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术特征，下面将对本发明实 施例中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面所描述的 附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来说，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0074]
图1是本发明提供的一种适用于多能流系统的跨季节土壤储热建 模方法的一个优选实施例的流程示意图；
[0075]
图2是本发明提供的垂直u型管与周围土壤的模型示意图；
[0076]
图3是本发明提供的一种终端设备的一个优选实施例的结构示意 图。
具体实施方式
[0077]
为了对本发明的技术特征、目的、效果有更加清楚的理解，下面 结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以 下实施例仅用于说明本发明，但是不用来限制本发明的保护范围。基 于本发明的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下 所获得的其他实施例，都应属于本发明的保护范围。
[0078]
图1所示为本发明提供的一种适用于多能流系统的跨季节土壤储 热建模方法的一个优选实施例的流程示意图。
[0079]
如图1所示，所述方法包括如下步骤：
[0080]
s10：构建垂直u型管的周围土壤三维温度场的控制方程：
[0081][0082]
式(1)中，ρ
s
为土壤的密度；c
s
为土壤的比热容，φ函数表示土 壤中能量的瞬时状态，t为土壤的瞬时温度；τ为时间；z为层深度；r为 垂直u型管中一点到轴的距离；θ为切向分量；λ为土壤的电导率。
[0083]
需要说明的是，典型的季节性土壤储热采暖空调系统由四部分组 成：天花板太阳能收集系统、土壤储热系统(也称地下嵌入式热交换 系统)、热泵系统和地板辐射采暖系统(也称空调终端单元)。在天花 板太阳能收集系统和土壤储热系统之间及太阳能热水直接加热元件和 地板辐射采暖系统之间采用平面换热器进行热交换，土壤储热系统采 用埋在深度土壤下的垂直u型管(也称垂直u型热交换器)进行换热。
[0084]
垂直u型管是系统的主要组成部分，其传热效果直接影响性能系 数(cop)。垂直u型管与周围土壤之间的实际传热是复杂且不稳定的 过程。为了方便地分析问题，必须进行必要的简化。物理模型简化如 下：
[0085]
1)由于热耦合湿传递效应和地下水对流传热效应而引起的电导率 变化被忽略。土壤和嵌入式交换器之间的热传递被认为是纯传导。根 据深度将土壤分层。每层的电导率是恒定的。
[0086]
2)在垂直井的底部和土壤之间没有传热的想法。边界可以认为是 绝热的。
[0087]
3)发生传热时，土壤、水泥浆、埋管和管中流体的热物理参数不 会改变。
[0088]
从理论上讲，埋管对周围土壤的影响可以到达有限区域。实际上， 随着距离的增加，垂直u型管对土壤温度场的影响越来越小，而在远 处则可以忽略不计。
[0089]
根据以上假设，可以根据式(1)得到垂直u型管的周围土壤三维 温度场的控制方程。
[0090]
s20：确定求解上述控制方程的初始条件：
[0091]
t
f
(τ)＝t
he
(r,θ,τ)＝t
s
(r,θ,τ)＝t0(τ＝0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0092]
式(2)中，t
f
为垂直u型管管道内的流体温度，t
he
为土壤热交 换器的温度，t
s
为垂直u型管周围土壤的温度，t0为温度的初始条件。
[0093]
在获得了垂直u型管的周围土壤三维温度场的控制方程之后，还 需要根据式(2)确定其初始条件。
[0094]
s30：确定垂直u型管管道中的流体与内壁垂直u型管管道之间 的边界条件：
[0095][0096]
式(3)中，λ
he
为土壤热交换器的热传导率，α为垂直u型管内 壁的表面换热系数，r
in
为垂直u型管内壁半径。
[0097]
s40：确定垂直u型管外壁与土壤的边界条件：
[0098][0099]
式(4)中，r
out
为垂直u型管外壁半径，λ
s
为土壤的热传导系数；
[0100]
其中，垂直u型管外壁与土壤边界的底边ab、土壤边界的侧边bc 和土壤边界的侧边ef的边界条件为绝热条件，表示为：
[0101]
[0102][0103]
垂直u型管外壁与土壤边界的顶边cd的边界条件为第三类边界条 件，表示为：
[0104][0105]
垂直u型管的侧边ad的边界条件为第二类边界条件，表示为：
[0106][0107]
式(5)中，z0为垂直u型管埋入的层深度；式(6)中，r0为土 壤边界到垂直u型管中心的距离；式(7)中，h
a
为u型管和空气的 表面换热系数，t
oe
为外界温度；式(8)中，r
out
为垂直u型管外壁半 径。
[0108]
在确定了初始条件之后，还需要确定垂直u型管与周围土壤的边 界条件，其中，垂直u型管与周围土壤的模型示意图如图2。
[0109]
基于之前的分析和一些假设，可以根据式(9)～(10)提出一个 可以决定何时和如何进行储热/放热的季节性土壤储热采暖空调系统控 制模型。在该模型中，决策变量是每个时间段流入土壤储热系统的热 能。土壤储热系统中的可用热能和对应的热损失同时进行改变。等式 表示在t时刻时存储在存储单元中的热能。等式要求提前给定最后时刻 的热能总量，通常与初始热能存储量相同。
[0110]
s50：确定土壤储热系统的能量方程：
[0111][0112][0113]
式(9)中，为t时刻存储在土壤储热系统中的可用热能，为t
‑
1时刻存储在土壤储热系统中的可用热能，为t时刻土壤储热 系统的功能速率，为土壤储热系统的储热效率，为土壤储热系统 的放热效率；式(10)中，sq
s,0
为初始时刻存储在土壤储热系统中的 总热能，为土壤储热系统储放能结束后的总热能。
[0114]
s60：确定储热/放热速率与土壤储热系统储热能力限制：
[0115][0116][0117][0118]
式(11)中，为储热最大速率；式(12)中，为放热 最大速率；式(13)
中，为土壤储热系统所能存储的热能最小值， 为土壤储热系统所能存储的热能最大值。
[0119]
其中，垂直u型管外壁与土壤的边界条件决定了太阳能收集系统 与土壤储热系统之间的热交换之间的效率，用和表示土壤储能系 统的储能和供能效率，与具体装置参数设备特性有关。
[0120]
本发明提供的适用于多能流系统的跨季节土壤储热建模方法，所 建立的模型综合考虑了跨季节土壤储热系统内部的多结构分层，刻画 了内部的物理运行状态，能够高效利用于多能流系统的大规模优化问 题。
[0121]
在一个优选实施例中，所述方法还包括：
[0122]
s70：以建立的模型为约束、以运行成本最低为目标，确定土壤储 热系统的最优储热时间以及最优放热时间。
[0123]
本实施例在构建完成土壤储热模型之后，可以通过成熟的商业优 化求解器快速确定土壤储热系统的最优储热时间以及最优放热时间， 为储热/放热提供参考依据。
[0124]
应当理解，本发明实现上述适用于多能流系统的跨季节土壤储热 建模方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的 硬件来完成，计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算 机程序在被处理器执行时，可实现上述适用于多能流系统的跨季节土 壤储热建模方法的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计 算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些 中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代 码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计 算机存储器、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储 器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软 件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据 司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司 法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号 和电信信号。
[0125]
相应的，本发明提供一种适用于多能流系统的跨季节土壤储热建 模装置，所述装置包括：
[0126]
控制方程构建模块，用于构建垂直u型管的周围土壤三维温度场 的控制方程：
[0127][0128]
式(1)中，ρ
s
为土壤的密度；c
s
为土壤的比热容，φ函数表示土 壤中能量的瞬时状态，t为土壤的瞬时温度；τ为时间；z为层深度；r为 垂直u型管中一点到轴的距离；θ为切向分量；λ为土壤的电导率；
[0129]
初始条件确定模块，用于确定求解上述控制方程的初始条件：
[0130]
t
f
(τ)＝t
he
(r,θ,τ)＝t
s
(r,θ,τ)＝t0(τ＝0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0131]
式(2)中，t
f
为垂直u型管管道内的流体温度，t
he
为土壤热交 换器的温度，t
s
为垂直u型管周围土壤的温度，t0为温度的初始条件；
[0132]
第一边界条件确定模块，用于确定垂直u型管管道中的流体与内 壁垂直u型管管道之间的边界条件：
[0133][0134]
式(3)中，λ
he
为土壤热交换器的热传导率，α为垂直u型管内 壁的表面换热系数，r
in
为垂直u型管内壁半径；
[0135]
第二边界确定模块，用于确定垂直u型管外壁与土壤的边界条件：
[0136][0137]
式(4)中，r
out
为垂直u型管外壁半径，λ
s
为土壤的热传导系数；
[0138]
其中，垂直u型管外壁与土壤边界的底边ab、土壤边界的侧边bc 和土壤边界的侧边ef的边界条件为绝热条件，表示为：
[0139][0140][0141]
垂直u型管外壁与土壤边界的顶边cd的边界条件为第三类边界条 件，表示为：
[0142][0143]
垂直u型管的侧边ad的边界条件为第二类边界条件，表示为：
[0144][0145]
式(5)中，z0为垂直u型管埋入的层深度；式(6)中，r0为土 壤边界到垂直u型管中心的距离；式(7)中，h
a
为u型管和空气的 表面换热系数，t
oe
为外界温度；式(8)中，r
out
为垂直u型管外壁半 径；
[0146]
能力方程确定模块，用于确定土壤储热系统的能量方程：
[0147][0148][0149]
式(9)中，为t时刻存储在土壤储热系统中的可用热能，为t
‑
1时刻存储在土壤储热系统中的可用热能，为t时刻土壤储热 系统的功能速率，为土壤储热系统的储热效率，为土壤储热系统 的放热效率；式(10)中，sq
s,0
为初始时刻存储在土壤储热系统中的 总热能，为土壤储热系统储放能结束后的总热能；
[0150]
储热能力限制确定模块，用于确定储热/放热速率与土壤储热系统 储热能力限制：
[0151][0152][0153][0154]
式(11)中，为储热最大速率；式(12)中，为放热 最大速率；式(13)中，为土壤储热系统所能存储的热能最小值， 为土壤储热系统所能存储的热能最大值。
[0155]
图3所示为本发明提供的一种终端设备的一个优选实施例的结构 示意图，所述终端设备能够实现上述实施例所述的适用于多能流系统 的跨季节土壤储热建模方法的全部流程及达到相应的技术效果。
[0156]
如图3所示，所述设备包括：
[0157]
存储器21，用于存储计算机程序；
[0158]
处理器22，用于执行所述计算机程序；
[0159]
其中，所述处理器22执行所述计算机程序时实现如上述实施例所 述的适用于多能流系统的跨季节土壤储热建模方法。
[0160]
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元， 所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器21中，并由所述处理 器22执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成 特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机 程序在所述终端设备中的执行过程。
[0161]
所称处理器22可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)， 还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor， dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现 场可编程门阵列(field
‑
programmable gate array，fpga)或者其他可编 程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处 理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0162]
所述存储器21可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器 22通过运行或执行存储在所述存储器21内的计算机程序和/或模块，以 及调用存储在所述存储器21内的数据，实现所述终端设备的各种功能。 所述存储器21可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序 区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功 能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建 的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，所述存储器21可以包 括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内 存、插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字 (secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)、至少一个磁盘存储器 件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
[0163]
需要说明的是，上述终端设备包括，但不仅限于，处理器、存储 器，本领域技术人员可以理解，图3结构示意图仅仅是上述终端设备的 示例，并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多部件，或者 组合某些部件，或者不同的部件。
[0164]
以上所述，仅是本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并 不局限于此，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明 技术原理的前提下，还可以做出若干等效的明显变型方式和/或等同替 换方式，这些明显变型方式和/或等同替换方式也应视为本发明的保护 范围。