[发明专利]适用于多能流系统的跨季节土壤储热建模方法及装置

说明书

本发明涉及多能流系统的运行和能量管理技术领域，公开了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，所述方法包括：构建垂直U型管的周围土壤三维温度场的控制方程；确定求解上述控制方程的初始条件；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；确定垂直U型管外壁与土壤的边界条件；确定土壤储热系统的能量方程；确定储热/放热速率与土壤储热系统储热能力限制。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及装置，所建立的模型综合考虑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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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)。

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。

发明内容

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。

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：

构建垂直U型管的周围土壤三维温度场的控制方程：

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；

确定求解上述控制方程的初始条件：