Удосконалення моделі системи забезпечення мікроклімату сімейного будинку з реверсивним тепловим насосом

Автор(и)

  • Олександр Олексійович Шавьолкін Київський національний університет технологій та дизайну, Україна https://orcid.org/0000-0003-3914-0812
  • Ірина Олексіївна Шведчикова Київський національний університет технологій та дизайну, Україна https://orcid.org/0000-0003-3005-7385
  • Олександр Зеновійович Дем’янчук Київський національний університет технологій та дизайну, Україна https://orcid.org/0009-0001-1199-7403
  • Олег Анатолійович Щербаков Київський національний університет технологій та дизайну, Україна https://orcid.org/0009-0007-0728-9918

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.342027

Ключові слова:

тепловий насос, енергозбереження, тепловий стан будинку, теплова інерція, накопичувач енергії

Анотація

Об’єктом дослідження є енергетичні процеси в системі забезпечення мікроклімату сімейного будинку з реверсивним тепловим насосом при використанні математичного моделювання. В роботі здійснено  вдосконалення моделі системи мікроклімату з урахуванням динаміки для отримання графіків споживання електроенергії в різних умовах. Використовувались дані розрахунку теплових параметрів будівлі. Запропоновано модель реверсивного теплового насоса за характеристиками виробника, що дозволяє оцінити споживання електричної енергії в усьому діапазоні зміни потужності і температури. Удосконалено модель системи мікроклімату будинку з тепловим насосом з урахуванням теплової інерції будівлі. Це дозволяє оцінювати в динамічних режимах температурний режим і витрати енергії при наближенні одержуваних значень електроспоживання до реальних значень. Використовувались погодинні графіки сонячної радіації і температури зовні для місця розміщення будинку, а також очікувані графіки внутрішніх надходжень тепла. Оцінювались витрати енергії і поточні значення потужності, включаючи максимальні значення. Для будинку в Києві з площею 120 м2 показано, що в режимі опалення мінімальне споживання електроенергії має місце при мінімальній температурі теплоносія 35°С при СОР = 3.44. Використання обраного теплового насоса в моновалентному режимі можливе до – 13°С. Можливості зниження споживання енергії при регулюванні температурного режиму є обмеженими через значне підвищення споживання ТН в динаміці. У режимі охолодження для оцінки діапазону зміни споживання енергії поряд з репрезентативними значеннями використовувалися погодинні графіки температури повітря за архівними даними. На прикладі зміни площі вікон показана можливість використання моделі для коригування параметрів будівлі для зниження енергоспоживання

Біографії авторів

Олександр Олексійович Шавьолкін, Київський національний університет технологій та дизайну

Доктор технічних наук, професор

Кафедра комп’ютерної інженерії та електромеханіки

Ірина Олексіївна Шведчикова, Київський національний університет технологій та дизайну

Доктор технічних наук, професор

Кафедра комп’ютерної інженерії та електромеханіки

Олександр Зеновійович Дем’янчук, Київський національний університет технологій та дизайну

Аспірант

Кафедра комп’ютерної інженерії та електромеханіки

Олег Анатолійович Щербаков, Київський національний університет технологій та дизайну

Аспірант

Кафедра комп’ютерної інженерії та електромеханіки

Посилання

  1. Vanhoudt, D., Geysen, D., Claessens, B., Leemans, F., Jespers, L., Van Bael, J. (2014). An actively controlled residential heat pump: Potential on peak shaving and maximization of self-consumption of renewable energy. Renewable Energy, 63, 531–543. https://doi.org/10.1016/j.renene.2013.10.021
  2. Chaikovskaya, E. (2020). Development of Smart Grid technology for maintaining the functioning of a biogas cogeneration system. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (8 (105)), 56–68. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.205123
  3. Niekurzak, M., Lewicki, W., Drożdż, W., Miązek, P. (2022). Measures for Assessing the Effectiveness of Investments for Electricity and Heat Generation from the Hybrid Cooperation of a Photovoltaic Installation with a Heat Pump on the Example of a Household. Energies, 15 (16), 6089. https://doi.org/10.3390/en15166089
  4. Zajacs, A., Lebedeva, K., Bogdanovičs, R. (2023). Evaluation of Heat Pump Operation in a Single-Family House. Latvian Journal of Physics and Technical Sciences, 60 (3), 85–98. https://doi.org/10.2478/lpts-2023-0019
  5. Wilbur, B., Fung, A. S., Kumar, R. (2024). Thermal System and Net-Zero-Carbon Least-Cost Design Optimization of New Detached Houses in Canada. Buildings, 14 (9), 2870. https://doi.org/10.3390/buildings14092870
  6. Installation instructions AERO ILM. Available at: https://www.c-o-k.ru/library/instructions/idm/teplovye-nasosy/29558/108525.pdf
  7. Zhou, K., Zhu, S., Wang, Y., Roskilly, A. P. (2024). Modelling and Experimental Characterisation of a Water-to-Air Thermoelectric Heat Pump with Thermal Energy Storage. Energies, 17 (2), 414. https://doi.org/10.3390/en17020414
  8. Kahsay, M. B., Völler, S. (2025). Thermal energy storage for increasing self-consumption of grid connected photovoltaic systems: A case for Skjetlein High School, Norway. Energy and Buildings, 335, 115563. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2025.115563
  9. Pater, S. (2023). Increasing Energy Self-Consumption in Residential Photovoltaic Systems with Heat Pumps in Poland. Energies, 16 (10), 4003. https://doi.org/10.3390/en16104003
  10. Nibe F2120 8 Manuals. Available at: https://www.manualslib.com/products/Nibe-F2120-8-6902998.html
  11. Mendaza, I. D. de C., Bak-Jensen, B., Chen, Z. (2013). Electric Boiler and Heat Pump Thermo-Electrical Models for Demand Side Management Analysis in Low Voltage Grids. International Journal of Smart Grid and Clean Energy, 2 (1), 52–59. https://doi.org/10.12720/sgce.2.1.52-59
  12. Shavolkin, O., Shvedchykova, I., Kolcun, M., Medved, D., Mazur, D., Kwiatkowski, B. (2024). Increasing photovoltaic self-consumption for objects using domestic hot water systems. Archives of Electrical Engineering, 73 (3), 573–573. https://doi.org/10.24425/aee.2024.150884
  13. Dejvises, J., Tanthanuch, N. (2016). A Simplified Air-conditioning Systems Model with Energy Management. Procedia Computer Science, 86, 361–364. https://doi.org/10.1016/j.procs.2016.05.099
  14. Kim, N.-K., Shim, M.-H., Won, D. (2018). Building Energy Management Strategy Using an HVAC System and Energy Storage System. Energies, 11 (10), 2690. https://doi.org/10.3390/en11102690
  15. House Heating System. MathWorks. Available at: https://www.mathworks.com/help/hydro/ug/house-heating-system.html
  16. Reversible Heat Pump. MathWorks. Available at: https://www.mathworks.com/help/hydro/ug/ReversibleHeatPumpExample.html
  17. Moctezuma-Sánchez, M., Espinoza Gómez, D., López-Sosa, L. B., Golpour, I., Morales-Máximo, M., González-Carabes, R. (2024). A Thermal Model for Rural Housing in Mexico: Towards the Construction of an Internal Temperature Assessment System Using Aerial Thermography. Buildings, 14 (10), 3075. https://doi.org/10.3390/buildings14103075
  18. Behravan, A., Obermaisser, R., Nasari, A. (2017). Thermal dynamic modeling and simulation of a heating system for a multi-zone office building equipped with demand controlled ventilation using MATLAB/Simulink. 2017 International Conference on Circuits, System and Simulation (ICCSS), 103–108. https://doi.org/10.1109/cirsyssim.2017.8023191
  19. Boodi, A., Beddiar, K., Amirat, Y., Benbouzid, M. (2020). Simplified Building Thermal Model Development and Parameters Evaluation Using a Stochastic Approach. Energies, 13 (11), 2899. https://doi.org/10.3390/en13112899
  20. Yuan, W., Guo, Y., Zhang, Y. (2024). Performance Research on Heating Performance of Battery Thermal Management Coupled with the Vapor Injection Heat Pump Air Conditioning. World Electric Vehicle Journal, 15 (1), 33. https://doi.org/10.3390/wevj15010033
  21. He, J., Yu, L., Chen, Z., Qiu, D., Yue, D., Strbac, G. et al. (2025). HMPC-assisted Adversarial Inverse Reinforcement Learning for Smart Home Energy Management. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.00898
  22. Klepic, V., Wolf, M., Pröll, T. (2025). Streamlined Model Predictive Control for a Triple-Optimization of Thermal Comfort, Heating Costs, and Photovoltaic Self-Consumption. IEEE Access, 13, 115419–115432. https://doi.org/10.1109/access.2025.3584388
  23. Photovoltaic geographical information system. Available at: https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/
Удосконалення моделі системи забезпечення мікроклімату сімейного будинку з реверсивним тепловим насосом

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-10-30

Як цитувати

Шавьолкін, О. О., Шведчикова, І. О., Дем’янчук, О. З., & Щербаков, О. А. (2025). Удосконалення моделі системи забезпечення мікроклімату сімейного будинку з реверсивним тепловим насосом. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(8 (137), 38–47. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.342027

Номер

Том 5 № 8 (137) (2025): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Oleksandr Shavolkin, Iryna Shvedchykova, Oleksandr Demianchuk, Oleg Shcherbakov

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.