In this paper we consider a geothermal energy storage in which the spatio-temporal temperature distribution is modeled by a heat equation with a convection term. Such storages often are embedded in residential heating systems and control and management require the knowledge of some aggregated characteristics of that temperature distribution in the storage. They describe the input-output behaviour of the storage and the associated energy flows and their response to charging and discharging processes. We aim to derive an efficient approximative description of these characteristics by a low-dimensional system of ODEs. This leads to a model order reduction problem for a large scale linear system of ODEs arising from the semi-discretization of the heat equation combined with a linear algebraic output equation. In a first step we approximate the non time-invariant system of ODEs by a linear time-invariant system. Then we apply Lyapunov balanced truncation model order reduction to approximate the output by a reduced-order system with only a few state equations but almost the same input-output behavior. The paper presents results of extensive numerical experiments showing the efficiency of the applied model order reduction methods. It turns out that only a few suitable chosen ODEs are sufficient to produce good approximations of the input-output behaviour of the storage.


翻译:在本文中,我们考虑一个地热能源储存库,用对流术语的热方程式模拟时温分布。这种储存往往嵌入住宅供暖系统,控制和管理需要了解储存中温度分布的某些综合特征。它们描述了储存和相关能源流的输入-输出行为及其对充电和排放过程的反应。我们的目标是通过一个低维的 ODE 系统对这些特征进行高效的近似描述。这导致热方程式半分化产生的大规模ODE线性系统出现减少命令的模型问题。这种储存往往需要了解储存中温度分布的某些综合特征,而控制和管理也需要了解储存中温度分布的某些综合特征。它们描述了储存和相关能源流的输入-输出过程的输入-输出过程,然后我们应用Lyapunov平衡的tuncation模型来通过一个低维量的 ODE 系统来估计输出。这导致由于热方程式的半分解而导致一个大型的ODE线性系统以及一个直线性系统的模型问题。作为第一步,我们通过一个线性变数的实验结果,表明应用的模型的精确性能转换方法能够产生适当的精确的精确度。

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