Архітектура системи енергетичного менеджменту житлового сектору/домогосподарств

Размещено на http://allbest.ru

Сумський державний університет

Україна

Анотація

Проведено аналіз систем енергоменеджменту житлового сектору/домогосподарств. Обґрунтовано архітектуру вертикально-інтегрованої системи енергоменеджменту житлового сектору/домогосподарств, яка включає аналітичний та апаратно-програмний блоки та побудована на єдиному технологічному принципі збору, передачі та обробки інформації в координатах «вимірювання - аналіз - прогнозування - співставлення - регулювання - коригування». Пропонована архітектура є універсальною, а її окремі блоки дозволяють вирішувати взаємопов'язані завдання: моніторингу і енергоаудиту об'єктів енергоспоживання; визначення базових показників енергоспоживання; прогнозування енергоспоживання з урахуванням зовнішніх та внутрішніх чинників впливу на об'єкти енергоспоживання; порівняльного аналізу обсягів споживання енергоресурсів (оцінка і аналіз відхилень); планування впровадження заходів з підвищення ефективності енергоспоживання; залучення джерел фінансування; контролю за ефективністю впровадження заходів з енергозбереження; мотивації ощадного енергоспоживання.

Ключові слова: житловий сектор, домогосподарства, енергоменеджмент, система, архітектура, блоки, функції.

Вступ

Постановка проблеми. В останні роки все більш широкого практичного впровадження набувають системи енергетичного менеджменту [1]. В Україні така робота суттєво активізувалась після прийняття Постанови Кабінету Міністрів України «Про впровадження систем енергетичного менеджменту» [2]. При цьому, одним із першочергових завдань є розробка та впровадження систем енергоменеджменту житлового сектору/домогосподарств. Це обумовлено рядом причин, головною із яких є недостатній рівень фінансового забезпечення населення для підтримки нормативного рівня енергозабезпечення протягом опалювального сезону.

Так, за даними [3], розподіл відсотку населення даної категорії в межах України є доволі значним і коливається: в Закарпатській області - 93%, в м. Київ - 4,8%. Іншою, на менш важливою, причиною є загальноєвропейські тенденції до підвищення рівня енергоефективності в тому числі і у житловому секторі.

Зокрема, в рамках прийнятого плану REPowerEU [4], Європейська комісія прийняла окреме повідомлення «ЄС заощаджує енергію» [5], в якому пропонується посилити довгострокові заходи з енергоефективності, що, як передбачається, є найшвидшим і найдешевшим способом боротьби з поточною енергетичною кризою, а також зменшення споживчих рахунків для домогосподарств. Враховуючи, що в Україні, як і в більшості європейських країн, близько 30% кінцевої енергії споживається будинками [6], практичне впровадження систем енергоменеджменту житлового сектору/домогосподарств є надзвичайно актуальним.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. Системи енергоменеджменту житлового сектору/домогосподарств відповідають базовим вимогам стандарту ISO 50001:2018 ITD «Energy management systems - Requirements with guidance for use» [7], який «...визначає вимоги для установки, впровадження, супроводу та поліпшення системи енергоменеджменту». Разом з тим, оскільки звички та власні інтереси окремих споживачів у житловому будинку суттєво відрізняються від споживання в громадських, комерційних або промислових будівлях, домогосподарства потребують спеціальних систем управління енергією [8]. Така потреба обумовлена і об'єктивною різницею в характеристиках будівель, техніко-технологічних відмінностях енергозабезпечення та необхідністю виконання вимог Директиви Європейського Парламенту і Ради 2010/31/ЄС [9 ].

Однією із найбільш простих, але достатньо ефективних, систем енергоменеджменту житлового сектору/домогосподарств є «Home Energy Management Systems» (HEMS) [8]. Ця система, як правило, є локальною. Вона функціонує на перетині трьох різних секторів приватного будинку/квартири: побутової техніки, приладів вимірювання та мережі зв'язку. Вона має можливості для контролю споживання енергії домогосподарством, дозволяючи користувачам відстежувати споживання енергії, передавати інформацію між пристроям контролю і регулювання та діяти згідно з отриманими інструкціями (в залежності, наприклад, від метеопрогнозу).

Подальший розвиток концепції енергоменеджменту домогосподарств базувався на впровадженні «Advanced metering infrastructure» (AMI) [10]. Ця система забезпечує більшу гнучкість для користувачів, а також пропонує окремі елементи інтелектуальних послуг.

Впровадження відновлюваних джерел енергії в житловому секторі/домогосподарствах обумовило необхідність розробки та впровадження апаратно-програмних комплексів моделювання енергоспоживання з використанням даних у реальному часі [11 ]. Такі апаратно- програмні комплекси дозволили розробити та впровадити системи управління відновлюваною енергією розумного будинку «The smart home renewable energy management» (SHREM) [1 2]. Система SHREM дозволяє керувати енергетичними потребами будинку з встановленими відновлюваними джерелами енергії, планувати і контролювати потік електроенергії в періоди пікових навантажень за допомогою методів оптимізації. управління енергоспоживання домогосподарство опалювальний

В роботі [13] обґрунтовується технологічна та економічна доцільність розробки та впровадження централізованих систем енергоменеджменту на основі концепції «висотних будівель/житлових одиниць». Такий підхід, на наш погляд, є найбільш прийнятним для мов України оскільки такі системи мають суттєво нижчі питомі витрати на одне домогосподарство/квартиру. Ця концепція розвивається в роботі [14] де, практично, узагальнюються найновіші принципи створення централізованих система управління енергією в розумних будівлях «Energy management system in smart buildings» (EMS). Такі системи базуються на теорії коаліційних ігор з нейронними мережами та інфраструктурою розумних лічильників.

Вагомі наукові та практичні результати розробки і впровадження систем енергоменеджменту житлового сектору/домогосподарств містяться у вітчизняних дослідженнях.

В роботі [15] на системному рівні розроблені принципи вертикально - інтегрованого організаційно-технологічного управління регіональними підсистемами виробництва, транспортування і використання теплоти за критеріями енергетичної, економічної та екологічної ефективності. Автори, зокрема, обґрунтовують необхідність «...створення інтелектуальних систем управління енерговикористанням;.».

Вагоме практичне значення мають результати роботи [16] в якій, зокрема, даються рекомендації щодо інформаційно-аналітичного забезпечення системи моніторингу споживання енергоресурсів, запобігання відхиленню параметрів систем життєзабезпечення будівель від штатних значень, недотримання встановлених лімітів (базових рівнів) споживання енергетичних ресурсів та параметрів мікроклімату.

Питанням інформаційного забезпечення енергоефективності житлового сектора присвячені роботи [17-19]. Зокрема в роботі [18] розроблена модель цифрової платформи «Енергоефективне житло: держава, регіон, місто, територіальна громада». Платформа забезпечує об'єднання усіх ресурсів, інструментів, знань, фахівців в реальному часі шляхом інтеграції цифрових технологій у забезпечення енергоефективності житлового сектору.

Необхідно зазначити, що більшість авторів розглядає проблематику впровадження систем енергоменеджменту житлового сектору/домогосподарств в контексті формування регіональної системи управління енергозбереженням. Так, наприклад, автори роботи [20] виокремлюють наступні «... суб'єкти регіональної системи управління енергозбереженням: регіональні та муніципальні органи влади; виробники і постачальники енергетичних ресурсів; підприємства; населення; науково- дослідні установи; житлово-комунальні господарства; державні кредитні установи». Такий підхід, на наш погляд, є цілком обґрунтованим і відповідає концепції вертикально-інтегрованих підсистем енергетичного менеджменту в системі «органи влади - виробники і постачальники енергетичних ресурсів - населення».

Обґрунтованим, на наш погляд, є один із висновків, наведених в роботі [6], а саме щодо необхідності «.удосконалення механізмів адаптації та впровадження тематичних директив Європейського Союзу у сферу енергоефективності та енергозбереження житлово-комунального господарства України». Адаптація Європейських нормативних актів суттєво прискорить перехід від суто теоретико-методичних досліджень/розробок до практичного впровадження принципів і методів організації вертикально- інтегрованих систем енергоменеджменту домогосподарств.

Метою статті є обґрунтування архітектури системи енергоменеджменту житлового сектору/домогосподарств на основі інтелектуальних вертикально - інтегрованих апаратно-програмних комплексів моніторингу та регулювання енергоспоживання.

Виклад основного матеріалу

При розробці та впровадженні систем енергоменеджменту житлового сектору/домогосподарств на основі вертикально-інтегрованих апаратно-програмних комплексів моніторингу та регулювання енергоспоживання необхідно враховувати специфічні правовідносини щодо користування та управління житлом, надання послуг та ін.

В Законі України «Про енергетичну ефективність будівель», зокрема у ст. 12^-1 зазначається, що «З метою організації та здійснення енергоефективних заходів у будівлях підлягають впровадженню та функціонуванню системи енергетичного менеджменту будівель,.» [21].

У ДСТУ ISO 50001:2020 «Системи енергетичного менеджменту. Вимоги та настанова щодо використання (ISO 50001:2018, IDT)» [22] зазначається (п. 4.3), що «Організація має забезпечити наявність у неї повноважень з контролю за використанням та споживанням енергії.».

Саме ця обставина є вагомим аргументом на користь концепції вертикально-інтегрованих підсистем енергетичного менеджменту в системі «органи влади - виробники і постачальники енергетичних ресурсів - населення».

В такій системі можна чітко визначити права та обов'язки кожного учасника, правові підстави доступу до об'єктів енергозабезпечення будинків (теплові пункти, вузли обліку, електричні щитові та ін.).

Огляд стратегій побудови систем енергоменеджменту в будівлях, наведений в роботі [24] свідчить, що в залежності від типу будівлі можна використовувати різні стратегії управління для досягнення енергозбереження. При цьому, обов'язковою складовою практично всіх систем енергоменеджменту є блоки моделювання, прогнозування, управління попитом, виявлення та діагностики відхилень та оптимізації.

На системному рівні методологія розробки архітектури енергоменеджменту будинку наведена в роботі [25 ]. Автори зазначають, що архітектура енергоменеджменту будинку містить три основні частини: сенсорний рівень (враховує поведінку мешканців), інтелектуальне середовище (інтерфейс користувача, через який він надає системі функції контексту та отримує зворотний зв'язок) і модуль прогнозування (дані про оптимальне споживання на основі прогнозування внутрішніх та зовнішніх факторів).

Наш досвід розробки та впровадження вертикально-інтегрованих систем підтримки прийняття технічних та організаційно -управлінських рішень з моніторингу та оптимізації енергоспоживання у громадських будівлях (лікарні, навчальні заклади) свідчить про їх високу ефективність. Такі системи мають аналітичний та апаратно-програмний блоки та побудовані на єдиному принципі збору, передачі та обробки інформації в координатах «вимірювання - аналіз - прогнозування - співставлення - регулювання - коригування».

Аналітичний блок забезпечує: розрахунки показників базового рівня енергопостачання; теплових коефіцієнтів; порівняння вартості/ефективності джерел енергопостачання будівель та ін.

Апаратно-програмний блок включає: комплекси автоматизованих систем короткострокового прогнозування та моніторингу енергопостачання з урахуванням внутрішніх (технологічних) та зовнішніх (кліматичних) факторів; систему оперативного обліку витрат на основі аналізу відхилень між фактичними та нормативними витратами. Такі комплекси, без будь яких суттєвих удосконалень, можуть стати апаратно- програмною основою систем енергоменеджменту житлового сектору/домогосподарств.

Наприклад, системи погодного регулювання теплоспоживання для житлового сектору можуть бути встановлені на базі ІТП. Такий підхід, на наш погляд, є цілком виправданий оскільки ІТП дозволяють забезпечити гнучке гідравлічне і теплове регулювання елементів системи опалення, приладовий облік спожитої теплової енергії за допомогою лічильників, контроль за параметрами теплоносія на вводі до будинку, регулювання відпуску тепла до будинку залежно від температури зовнішнього повітря тощо. Разом з тим, існує технічна можливість і економічна доцільність встановлення систем погодного регулювання теплоспоживання для групи будівель на базі центральних теплових пунктів [26, 27]. Такі ж підходи можуть бути застосовані і для регулювання електроспоживання.

На рис. 1 наведена принципова блок-схема архітектури системи енергетичного менеджменту житлового сектору/домогосподарств.

Рис. 1. Принципова блок-схема архітектури системи енергетичного менеджменту житлового сектору/домогосподарств.

Архітектура системи енергоменеджменту житлового

сектору/домогосподарств має базуватися на наступних принципах:

- відповідати основним постулатам енергоменеджменту: не можливо керувати тим, що не вимірюється; вимірювання без аналізу не мають користі; для отримання результату потрібні дії;

- мати комплексну, вертикально-інтегровану структуру, побудовану на єдиному технологічному принципі збору, передачі та обробки інформації;

- мати розвинений аналітичний блок в координатах «вимірювання - аналіз - прогнозування - співставлення - регулювання - коригування»;

- містити чітко визначені процедури і протоколи прийняття організаційно- управлінських, кадрових рішень, економічного обґрунтування тарифних, інвестиційних та ін. рішень;

- містити окремі, технологічно самодостатні апаратно-програмні комплекси моніторингу та регулювання енергоспоживання об'єктового характеру.

Пропонована архітектура є універсальною, а її окремі блоки дозволяють вирішувати взаємопов'язані завдання: моніторингу і енергоаудиту об'єктів енергоспоживання (окремих під'їздів, будинків, груп будинків); визначення базових показників енергоспоживання (у т. ч. питомих); прогнозування енергоспоживання з урахуванням зовнішніх та внутрішніх чинників впливу на об'єкти енергоспоживання; порівняльного аналізу обсягів споживання енергоресурсів (оцінка і аналіз відхилень); планування впровадження заходів з підвищення ефективності енергоспоживання; залучення джерел фінансування заходів з підвищення ефективності енергоспоживання; контролю за ефективністю впровадження заходів з енергозбереження; мотивації ощадного енергоспоживання.

При цьому, «Центрами прийняття рішень», в залежності від рівня задач, можуть бути різні структури: окремі домогосподарства; правління об'єднань співвласників багатоквартирних будинків; комунальні/приватні підприємства - надавачі послуг; органи місцевого самоврядування та ін.

Наведені на рис. 1 блоки повинні містити функціональні модулі (табл. 1). При цьому модулі можуть мати «вільну прив'язку» в залежності від особливостей організації управління житлово-комунальною сферою відповідного населеного пункту.

Таблиця 1

Основні модулі та їх функції системи енергетичного менеджменту житлового сектору/домогосподарств.

Висновки

Накопичений вітчизняний досвід розробки та впровадження систем енергетичного менеджменту в громадських будівлях дозволяє застосовувати принципи його архітектурної побудови для об'єктів житлового сектору/домогосподарств, створюючи основу для вибору домогосподарствами енергетичних стратегій, які передбачають оптимальну комбінацію джерел енергії для сталого енергозабезпечення своєї життєдіяльності з урахуванням природно-кліматичних факторів, цін на енергоресурси, енергоефективних заходів, тощо.

Система енергетичного менеджменту житлового сектору/домогосподарств має будуватися на концепції вертикально - інтегрованих підсистем в системі «органи влади - виробники і постачальники енергетичних ресурсів - населення», оскільки окремі задачі енергетичного менеджменту об'єктивно розподілені між вказаними суб'єктами.

При цьому, апаратно-програмний комплекс моніторингу та регулювання енергоспоживання в громадських будівлях, без будь яких суттєвих удосконалень, може бути адаптований в систему енергоменеджменту житлового сектору/домогосподарств.

Він також повинен мати комплексну, вертикально-інтегровану структуру, побудовану на єдиному технологічному принципі збору, передачі та обробки інформації, мати розвинений аналітичний блок в координатах «вимірювання - аналіз - прогнозування - співставлення - регулювання - коригування».

Такий підхід дозволить оперативно приймати рішення на різних рівнях управління в системі «органи влади - виробники і постачальники енергетичних ресурсів - населення» та стати основою розробки механізму управління попитом на енергоносії, створення оптимізованих енергетичних систем із високим ступенем децентралізації за участі домогосподарств-споживачів та просьюмерів.

Окремим важливим завданням впровадження системи енергетичного менеджменту житлового сектору/домогосподарств є підготовка фахівців особливо для об'єднань співвласників багатоквартирних будинків. Такі навчальні програми останнім часом набувають все більшого поширення і популярності.

Список використаних джерел

[1] Ажаман, І. А., Хабіб, А., Пущіна, Н. В. & Мельничук О. І. (2023). Світовий досвід розвитку системи енергетичного менеджменту та перспективи його впровадження в Україні. Журнал стратегічних економічних досліджень. 2023. (1 (12)). 73-81.

[2] Про впровадження систем енергетичного менеджменту (Постанова Кабінету Міністрів України) № 1460. (2021). Вилучено з https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/1460-2021 -%D0%BF#Text.

[3] Кочешкова І. М. (2019). Енергетична бідність в країнах ЄС та Україні. Вісник економічної науки України. (2 (37)). 48-55.

[4] Communication from the commission to the european parliament, the european council, the council, the european economic and social committee and the committee of the regions REPowerEU Plan. Document 52022DC0230. (2022). Вилучено з https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=COM%3A2022%3A230%3AFIN&qid=1 653033742483.

[5] communication from the commission to the european parliament, the council, the european economic and social committee and the committee of the regions «EU Save Energy». Document 52022DC0240. (2022). Вилучено з https://eur- lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=COM%3A2022%3A240%3AFIN&qid=1 653033053936.

[6] Бізонич Д.В. (2021). Європейський досвід державного управління енергоефективністю та енергозбереженням у житлово-комунальному господарстві: уроки для сучасної України. Економіка, управління та адміністрування. (1(95)). 53-61.

[7] Energy management systems - Requirements with guidance for use. ISO 50001:2018 ITD. (2018). Newark, DE, 19702. iTeh, Inc STANDARD. United States. Вилучено з https://standards.iteh.ai/catalog/standards/iso/cdaae761 -502f-44b6-be64- 6d602d9d87fc/iso-50001 -2018.

[8] Zandi, H., Kuruganti, T. V., Vineyard, E. A. & Fugate D. L. Home Energy Management Systems: An Overview. Proceedings of the 9^th international conference on Energy Efficiency in Domestic Appliances and Lighting (EEDAL '17). (Part I. рр. 606-614). 2017. Publications Office of the European Union, Luxembourg.

[9] Про енергетичні характеристики будівель (нова редакція). Директива Європейського Парламенту і Ради 2010/31/ЄС. (2010). Вилучено з https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/984_011 -10#Text.

[10] Barnes, V., Collins, T. K. & Mills, G. A. Design and implementation of home energy and power management and control system. IEEE 60th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS). (рр. 241 -244). 02 October 2017, Boston, USA.

[11] Haq, E., Lyu, C., Xie, P., Yan, S., Ahmad, F. & Jia Y. (2022) Implementation of home energy management system based on reinforcement learning. Energy Reports. (Vol. 8, Supplement 1). 560-566.

[12] Zhen Y., Maragatham, T. & Mahapatra, R.P. (2021) Design and implementation of smart home energy management systems using green energy. Arabian Journal of Geosciences. (Vol. 14). Article number 1886.

[13] Rahmani, K., Ahriz, A. & Boua, N. (2022) Development of a New Residential Energy Management Approach for Retrofit and Transition, Based on Hybrid Energy Sources. Sustainability. (Vol. 14, Issue 7). no. 10.3390/su14074069.

[14] Saeed, M.A., Eladl, A.A., Alhasnawi, B.N. et al. (2023). Energy management system in smart buildings based coalition game theory with fog platform and smart meter infrastructure. Scientific Reports. (Vol. 13).

[15] Ковалко О.М., Новосельцев О.В. & Євтухова Т.О. (2017). Вертикально-інтегровані структури управління ефективністю функціонування систем комунальної теплоенергетики/монографія. Київ. Інститут технічної теплофізики.

[16] Гінкул А. (ред.). (2019). Управління енергією в місті/громаді. Практичний інструментарій: від збору даних до оцінки і моніторингу змін на території. Київ. Видавництво «Новий Друк».

[17] Комеліна О.В. & Щербініна С.А. (2019). Системно-інформаційний підхід у забезпеченні енергетичної ефективності житлового сектору економіки. Економіка. Менеджмент. Бізнес. (2). 21-31.

[18] Щербініна С.А. & Шевченко О.М. (2022). Інформаційна підтримка забезпечення енергоефективності житлового сектора України. Digitalization and information society. Selected issues: Monograph. Katowice, Poland..

[19] Щербініна С.А. (2020). Організаційно-економічні засади забезпечення енергоефективності житлового сектора України. (дис. ... канд. екон. наук). Нац. унт «Полтавська політехніка імені Ю. Кондратюка». Полтава, Україна.

[20] Климчук М.М. & Климчук С.А. (2020). Розробка механізму формування регіональної системи управління енергозбереженням на засадах досвіду країн Європейського Союзу. Актуальні проблеми розвитку економіки регіону. (16. Т. 1). 122-133.

[21] Про енергетичну ефективність будівель (Закон України). № 2801-IX. (2022). Вилучено з https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/2118-19#Text.

[22] Системи енергетичного менеджменту. Вимоги та настанова щодо використання. ДСТУ ISO 50001:2020 (ISO 50001:2018, IDT). (2020). Вилучено з https://zakon.isu.net.ua/sites/default/files/normdocs/dstu_iso_50001_2020.pdf.

[23] Mariano-Hernandez, D., Hernandez-Callejo, L., Zorita-Lamadrid, A., Duque-Perez, O. & Santos Garda F. (2021). A review of strategies for building energy management system: Model predictive control, demand side management, optimization, and fault detect & diagnosis. journal of Building Engineering. (Vol. 33). no. 101692.

[24] Perez-Camacho, B. N., Gonzalez-Calleros, J. M. & Rodnguez-Gomez, G. (2022) Methodology to Develop a Home Energy Management System Architecture. Computation y Sistemas. (Vol. 26. no. 1).

[25] Сотник М.І. & Теліженко О.М. (2023). Порівняльний техніко-економічний аналіз комбінованого децентралізованого теплозабезпечення домогосподарств. Грааль науки. (1 (28)). 38-41.

[26] Сотник М.І. & Теліженко О.М. (2023). Ефективність системи моніторингу та регулювання теплопостачання групи будівель. The process and dynamics of the scientific path: collection of scientific papers «SCIENTIA» with Proceedings of the IV International Scientific and Theoretical Conference. (рр. 11-16). 16 June 2023. Athens, Hellenic Republic. European Scientific Platform.

Summary

Architecture of the energy management system of the residential sector/households scientific research group:

Sotnyk M.,

DSc in technical sciences, professor, head of the department of applied hydroaeromechanics Sumy State University, Ukraine

Telizhenko O.,

DSc in Economics, professor, chief researcher of the Research Institute of Energy-Efficient Technologies Sumy State University, Ukraine

Kurbatova T.,

Ph.D, associate professor, associate professor of the Department of International Economic Relations Sumy State University, Ukraine

Wenjuan Duan

Master's student of the Department of Economics, Entrepreneurship and Business Administration Sumy State University, Ukraine

The analysis of energy management systems of the residential sector/households was carried out.

Key words: residential sector, households, energy management, system, architecture, blocks, functions.

Размещено на Allbest.ru