This study concerns the development of a data-based compact model for the prediction of the fluid temperature evolution in district heating (DH) pipeline networks. This so-called "reduced-order model" (ROM) is obtained from reduction of the conservation law for energy for each pipe segment to a semi-analytical input-output relation between the pipe outlet temperature and the pipe inlet and ground temperatures that can be identified from training data. The ROM basically is valid for generic pipe configurations involving 3D unsteady heat transfer and 3D steady flow as long as heat-transfer mechanisms are linearly dependent on the temperature field. Moreover, the training data can be generated by physics-based computational "full-order" models (FOMs) yet also by (calibration) experiments or field measurements. Performance tests using computational training data for a single 1D pipe configuration demonstrate that the ROM (i) can be successfully identified and (ii) can accurately describe the response of the outlet temperature to arbitrary input profiles for inlet and ground temperatures. Application of the ROM to two case studies, i.e. fast simulation of a small DH network and design of a controller for user-defined temperature regulation of a DH system, demonstrate its predictive ability and efficiency also for realistic systems. Dedicated cost analyses further reveal that the ROM may significantly reduce the computational costs compared to FOMs by (up to) orders of magnitude for higher-dimensional pipe configurations. These findings advance the proposed ROM as a robust and efficient simulation tool for practical DH systems with a far greater predictive ability than existing compact models.


翻译:这项研究涉及开发一个基于数据的统一模型,用于预测地区供暖管道网络(DH)的流温变化;这种所谓的“降序模型”(ROM),从减少每个管道段的节能法到半分析性投入-输出关系,管道输出温度和管道中和从培训数据中可以确定的地面温度之间的半分析性输入-输出关系;ROM基本上适用于3D不稳定的热传输和3D稳定流的通用管道配置,只要热传输机制直线依赖温度场;此外,培训数据可以来自物理的“全序”计算模型(FOMS),也可以通过物理的“全序”模型(FOMS)生成,也可以通过(校正)实验或实地测量,用计算培训数据数据来测试单一1DM管结构中的单1D管道温度和管道中管道和地面温度。 ROM对任意输入的预测组合的反应,在现场温度和地面温度方面,采用两种案例研究,即快速模拟一个高效的“全序”计算模型,然后用小DH网络的快速模拟,并设计一个更精确的系统,用来对成本进行更精确的预测。

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