CN111859590A - 一种构建热量输运热阻模型的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于能源技术领域，提供一种构建热量输运热阻模型的方法，该方法基于热电比拟理论和传热学基本原理，包括第一步，建立热量输运热阻模型；第二步，提出适用于热网的广义欧姆定律；第三步，提出基于基尔霍夫定律与热量输运热阻模型的热网求解方法；第四步，建立适用于热网的广义焦耳定律。通过实际的算例，对所构建的热量输运热阻网络模型进行了验证，结果表明计算值与实测值吻合较好，计算精度较高。该模型从研究方法上实现了电网和热网的统一，有益于实现对电、热系统进行整体建模与优化分析。

Description

一种构建热量输运热阻模型的方法
技术领域
本发明属于能源技术领域，涉及一种构建热量输运热阻模型的方法。
背景技术
在传统能源系统中，各类能源耦合不紧，供电、供热等不同的能源系统相互独立，导致能源总体使用效率不高。随着能源和环境问题的日益严峻，为了提高能源的总体效率和可再生能源的消纳能力，对电、热等多类能源互补融合的需求日益迫切。目前，供电网络的电网潮流算法和供热网络的有限容积数值解法都已经形成了较为成熟的理论和方法，且获得了广泛的实际应用。然而，由于热能在物理特性上与电能具有很大差异，且热网数值解法的迭代过程涉及多个中间节点温度，内在参数关系复杂，难以直接和电网潮流算法耦合，无法满足对电能和热能进行统一建模和分析的要求；因此，亟需一种新的方法构建有效的供热网络模型，使其能够直接与电网模型进行耦合，从而实现热能和电能的统一建模，为多能源互补集成和互联融合奠定基础。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种构建热量输运热阻模型的方法
本发明的具体技术方案是：
一种构建热量输运热阻模型的方法，包括以下步骤：
第一步：建立热量输运热阻模型；
基于热/电比拟，提出热量在热网中的输运热阻模型，所述热量输运热阻由公式(1)求得：
Figure BDA0002595171010000011
式中，
Figure BDA0002595171010000021
为所述热网中第i根管道的热量输运热阻，T1 i为所述热网中第i根管道的热水进口温度，
Figure BDA0002595171010000022
为所述热网中第i根管道的热水流量，
Figure BDA0002595171010000023
为所述热网中第i根管道的散热热阻，cp为所述热网中热水的定压比热容，Tsurr热网所处的环境温度。
第二步：提出适用于热网的广义欧姆定律；
以热容流率类比电流，以温度差类比电压，得出适用于热网的广义欧姆定律，如公式(2)所示：
Figure BDA0002595171010000024
式中，
Figure BDA0002595171010000025
为所述热网第i根管道的热容流率，T1 i为所述热网中第i根管道的热水进口温度，
Figure BDA0002595171010000026
所述热网中第i根管道的热水出口温度，
Figure BDA0002595171010000027
为由步骤一求得的第i根管道的热量输运热阻
第三步：提出基于基尔霍夫定律与热量输运热阻模型的热网求解方法；
基于第一步和第二步，将基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律分别推广到所述热网之中，即：
基尔霍夫电流定律推广：在所述热网中，进入某节点的热容流率总和减去离开该节点的热容流率的总和等于零，如公式(3)所示：
Figure BDA0002595171010000028
基尔霍夫电压定律推广：在所述热网中，任意闭合回路上所有支路的沿着同一方向的两端温差之和为零，如公式(4)所示：
Figure BDA0002595171010000029
式中，A为所述热网的热容流率关联矩阵，
Figure BDA00025951710100000210
为所述热网第i根管道的热容流率，ΔTi为所述热网第i根管道两端的节点温差，B为所述热网的热容流率回路矩阵。
第四步：建立适用于热网的广义焦耳定律；
基于第一步得到的热量输运热阻和第二步得到的广义欧姆定律，推导得出适用于供热网络的广义焦耳定律，如公式(5)所示，从而得出所述热网的热量损失：
Figure BDA0002595171010000031
式中，
Figure BDA0002595171010000032
为所述热网第i根管道的散热热量损失，
Figure BDA0002595171010000033
为所述热网第i根管道的热容流率，
Figure BDA0002595171010000034
为由步骤一求得的第i根管道的热量输运热阻。
本发明的有益效果是：构建的热量输运热阻模型从热电比拟的角度分别构建了适用于热网的欧姆定律和焦耳定律，不仅避免了热网传统数值解法复杂的中间迭代过程，有益于方便获得对热网热量输运性能的整体分析，而且从研究方法上实现了电网和热网的统一，有益于对电、热系统进行整体建模和优化分析。
附图说明
图1为本发明所采用的热电比拟方法示意图。
图2为本发明所构建的热量输运热阻模型示意图。
图3为本发明实施例的热网拓扑结构图。
图4为本发明计算结果与实测结果的对比图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
第一步，构建热量输运热阻模型。
基于热/电比拟，如图1所示，以热容流率类
Figure BDA0002595171010000035
比电流I、以温度T类比电势U、以热功率损失qloss类比电功率损失P，在上述类比方法中，现有热网理论中并无一个物理量可直接类比电学中的电阻R。为解决该问题，如图2所示，本发明构建了一个新的物理量
Figure BDA0002595171010000036
以类比电学中电阻R并将其命名为热量输运热阻。
在电学中存在欧姆定律：
欧姆定律：
Figure BDA0002595171010000041
类似地，根据热电类比，利用热量输运热阻
Figure BDA0002595171010000042
可提出适用于热网的欧姆定律：
欧姆定律(热网)：
Figure BDA0002595171010000043
同时，在热网中还存在基于传热学理论的热功率损失计算方法，即
Figure BDA0002595171010000044
Figure BDA0002595171010000045
其中，在式(4)中，
Figure BDA0002595171010000046
为流体的平均温度，Tsurr为环境温度，R∞为流体与环境之间的散热热阻。
联立式(2)、(3)、(4)，可得出热量输运热阻的表达式为：
Figure BDA0002595171010000047
式中，
Figure BDA0002595171010000048
为所述热网中第i根管道的热量输运热阻，T1 i为所述热网中第i根管道的热水进口温度，
Figure BDA0002595171010000049
为所述热网中第i根管道的热水流量，
Figure BDA00025951710100000410
为所述热网中第i根管道的散热热阻，cp为所述热网中热水的定压比热容，Tsurr热网所处的环境温度。
第二步：提出适用于热网的广义欧姆定律；
根据第一步的推导，利用本发明构建的热量输运热阻模型，得出适用于热网的广义欧姆定律，如公式(6)所示：
Figure BDA00025951710100000411
式中，
Figure BDA00025951710100000412
为所述热网第i根管道的热容流率，T1 i为所述热网中第i根管道的热水进口温度，
Figure BDA00025951710100000413
所述热网中第i根管道的热水出口温度，
Figure BDA00025951710100000414
为由步骤一求得的第i根管道的热量输运热阻
第三步：提出基于基尔霍夫定律与热量输运热阻模型的热网求解方法；
基于第一步和第二步，将基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律分别推广到所述热网之中，即：
基尔霍夫电流定律推广：在所述热网中，进入某节点的热容流率总和减去离开该节点的热容流率的总和等于零，如公式(7)所示：
Figure BDA0002595171010000051
基尔霍夫电压定律推广：在所述热网中，任意闭合回路上所有支路的沿着同一方向的两端温差之和为零，如公式(8)所示：
Figure BDA0002595171010000052
式中，A为所述热网的热容流率关联矩阵，
Figure BDA0002595171010000053
为所述热网第i根管道的热容流率，ΔTi为所述热网第i根管道两端的节点温差，B为所述热网的热容流率回路矩阵。
第四步：建立基于广义欧姆定律的热量损失模型；
根据第一步和第二步，利用本发明构建的热量输运热阻模型，联立式(2)、(3)可推导得出适用于供热网络的焦耳定律，如公式(9)所示，从而得出所述热网的热量损失：
Figure BDA0002595171010000054
式中，
Figure BDA0002595171010000055
为所述热网第i根管道的散热热量损失，
Figure BDA0002595171010000056
为所述热网第i根管道的热容流率，
Figure BDA0002595171010000057
为由步骤一求得的第i根管道的热量输运热阻。
为进一步说明本发明中热和电的类比关系，热网物理量与电物理量的对比如表1所示。
表1类比过程中热网物理量与电物理量的对比
Figure BDA0002595171010000061
同时为了验证本发明所建立的热量输运热阻模型的正确性，以如图3所示的供热网络为例进行计算，该供热网络为一级供热网络，一共包含84根管道，63个节点，1个供热热源，20个二级换热站，该供热网络可通过数据采集系统直接测量和采集所属的20个二级换热站的供水温度。本发明计算得到的供热网络20个二级换热站的供水温度与实测值的对比结果如表2和图4所示，结果表明计算值与实测值的吻合较好，计算结果精度较高。
表2供水温度的实测值与计算值比较
换热站编号 供水温度实测值(℃) 供水温度计算值(℃)
1 109.9 109.6
2 108.4 108.6
3 107.1 107.0
4 105.9 105.9
5 107.7 107.8
6 107.9 107.7
7 107.0 107.1
8 106.6 106.6
9 106.3 105.7
10 103.2 103.4
11 105.7 105.7
12 105.4 105.2
13 104.5 104.6
14 106.0 105.8
15 106.9 106.8
16 106.5 106.6
17 105.3 105.2
18 106.0 105.8
19 104.0 103.9
20 108.3 108.3
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种构建热量输运热阻模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：建立热量输运热阻模型；
基于热/电比拟，提出热量在热网中的输运热阻模型，所述热量输运热阻由公式(1)求得：
Figure FDA0002595171000000011
式中，
Figure FDA0002595171000000012
为所述热网中第i根管道的热量输运热阻，T1 i为所述热网中第i根管道的热水进口温度，
Figure FDA0002595171000000013
为所述热网中第i根管道的热水流量，
Figure FDA0002595171000000014
为所述热网中第i根管道的散热热阻，cp为所述热网中热水的定压比热容，Tsurr热网所处的环境温度；
第二步：提出适用于热网的广义欧姆定律；
以热容流率类比电流，以温度差类比电压，得出适用于热网的广义欧姆定律，如公式(2)所示：
Figure FDA0002595171000000015
式中，
Figure FDA0002595171000000016
为所述热网第i根管道的热容流率，T1 i为所述热网中第i根管道的热水进口温度，
Figure FDA0002595171000000017
所述热网中第i根管道的热水出口温度，ΔTi为所述热网第i根管道两端的节点温差，
Figure FDA0002595171000000018
为由步骤一求得的第i根管道的热量输运热阻
第三步：提出基于基尔霍夫定律与热量输运热阻模型的热网求解方法；
基于第一步和第二步，将基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律分别推广到所述热网之中，即：
基尔霍夫电流定律推广：在所述热网中，进入某节点的热容流率总和减去离开该节点的热容流率的总和等于零，如公式(3)所示：
Figure FDA0002595171000000019
基尔霍夫电压定律推广：在所述热网中，任意闭合回路上所有支路的沿着同一方向的两端温差之和为零，如公式(4)所示：
Figure FDA0002595171000000021
式中，A为所述热网的热容流率关联矩阵，
Figure FDA0002595171000000022
为所述热网第i根管道的热容流率，ΔTi为所述热网第i根管道两端的节点温差，B为所述热网的热容流率回路矩阵；
第四步：建立适用于热网的广义焦耳定律；
基于第一步得到的热量输运热阻和第二步得到的广义欧姆定律，推导得出适用于供热网络的广义焦耳定律，如公式(5)所示，从而得出所述热网的热量损失：
Figure FDA0002595171000000023
式中，
Figure FDA0002595171000000024
为所述热网第i根管道的散热热量损失，
Figure FDA0002595171000000025
为所述热网第i根管道的热容流率，
Figure FDA0002595171000000026
为由步骤一求得的第i根管道的热量输运热阻。
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Patentee after: Shenyang Mackays Power Supply Technology Research Institute Co.,Ltd.

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Patentee before: DALIAN University OF TECHNOLOGY

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Application publication date: 20201030

Assignee: Liaoning Lixiang Technology Co.,Ltd.

Assignor: Shenyang Mackays Power Supply Technology Research Institute Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023210000151

Denomination of invention: A Method for Constructing a Heat Transport Thermal Resistance Model

Granted publication date: 20220916

License type: Common License

Record date: 20231007