HEAT PUMP-BASED ENERGY CLUSTER CONTROL SYSTEM
The post-war recovery of the Ukrainian energy industry requires, among other things, the introduction of innovative technologies based on environmentally friendly renewable energy sources. One of the promising areas for creating decentralized heating systems for small towns, settlements and individu...
Збережено в:
| Дата: | 2023 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2023
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/405 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103641261178880 |
|---|---|
| author | Zurian, О. Matyah, S. |
| author_facet | Zurian, О. Matyah, S. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "О. Zurian",
"institution": "Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine."
},
{
"author": "S. Matyah",
"institution": "Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine. National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, Ukraine."
}
] |
| author_sort | Zurian, О. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:18Z |
| description | The post-war recovery of the Ukrainian energy industry requires, among other things, the introduction of innovative technologies based on environmentally friendly renewable energy sources. One of the promising areas for creating decentralized heating systems for small towns, settlements and individual objects for various purposes is the use of integrated energy systems based on low-grade geothermal and solar thermal energy. An urgent task in the design of complex local systems (cluster) of energy supply using renewable energy sources is the creation of an effective control system. In today’s conditions, such systems should be built on the basis of an appropriate element base, a modern programming language, sensitive measuring instruments and effective algorithms for evaluating and making decisions. The paper presents a working layout of an experimental hydrothermal heat pump system developed and constructed at the Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine, which includes a low-potential thermal energy intake system, a heat pump, a solar system and thermal energy accumulators. The main shortcomings of the system are identified and technical and organizational solutions are proposed for energy efficiency. In order to improve the efficiency of the cluster, a control system has been developed, consisting of the main module and control modules for individual subsystems, functionally interconnected. The description of each functional block of the system is made. Conclusions are drawn about the need to conduct experimental and analytical studies of the effectiveness of the proposed cluster management system, where low-potential geothermal heat and solar radiation energy are used as a source of renewable thermal energy. The work was carried out as part of the research work: "Development of energy clusters to provide multi-purpose facilities with electric and thermal energy using renewable and hydrogen energy technologies (code: Energogarant)". |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2023.2(73).92-99 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:39:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
92
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Геотермальна енергетика
УДК 504.062.2; 697.975 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.2(73)92-99
СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИМ КЛАСТЕРОМ НА ОСНОВІ ТЕПЛОВОГО НАСОСА
Отримано 31 трав. 2023; рекомендовано до публікації 22 чер. 2023
Доступно онлайн 30 чер. 2023
О. В. Зур’ян1, С. В. Матях2
Автор для кореспонденції: Олексій Зур’ян,
e-mail: alexey_zuryan@ukr.net
Післявоєнне відновлення енергетичної галузі України по-
требує, зокрема, впровадження інноваційних технологій
на основі екологічно чистих відновлюваних джерел енер-
гії. Одним із перспективних напрямів створення децентралізованих систем опалення невеликих міст,
поселень та окремих об’єктів різного призначення є застосування комплексних енергосистем на основі
низькопотенціальної геотермальної та сонячної теплової енергії. Актуальною задачею під час проєк-
тування комплексних локальних систем (кластера) енергозабезпечення з використанням відновлюва-
них джерел енергії є створення ефективної системи управління. В умовах сьогодення такі системи ма-
ють будуватися на основі відповідної елементної бази, сучасної мови програмування, чутливих вимірю-
вальних приладів та ефективних алгоритмів оцінки та прийняття рішень. У роботі представлено ді-
ючий макет розробленої й сконструйованої в Інституті відновлюваної енергетики НАН України експе-
риментальної гідротермальної теплонасосної системи, до складу якої входять: система забору низь-
копотенціальної теплової енергії, тепловий насос, геліосистема та акумулятори теплової енергії. Ви-
значено основні недоліки системи та запропоновані енергоефективні технічні та організаційні рі-
шення. З метою підвищення ефективності роботи кластера розроблена система управління, яка скла-
дається з основного модуля та модулів управління окремими підсистемами, функціонально поєднаних
між собою. Виконано опис кожного функціонального блока системи. Зроблено висновки, щодо необхід-
ності проведення експериментальних та аналітичних досліджень ефективності застосування запро-
понованої системи управління кластером, де як джерело відновлюваної теплової енергії використову-
ється низькопотенціальна геотермальна теплота та енергія сонячного випромінювання. Робота про-
ведена в межах виконання науково-дослідного проєкту: «Розроблення енергетичних кластерів для за-
безпечення об’єктів багатоцільового призначення електричною та тепловою енергією з використан-
ням технологій відновлюваної та водневої енергетики (шифр: «Енергогарант»)».
Ключові слова: тепловий насос, теплонасосна система, геліосистема, система управління, модуль
управління
HEAT PUMP-BASED ENERGY CLUSTER CONTROL SYSTEM
Received 31 May. 2023; accepted 22 Jun. 2023
Available online 30 Jun. 2023
Oleksii Zurian1, Sergii Matyah2
Author for correspondence: Oleksii Zurian,
e-mail: alexey_zuryan@ukr.net
The post-war recovery of the Ukrainian energy industry
requires, among other things, the introduction of innovative
technologies based on environmentally friendly renewable
energy sources. One of the promising areas for creating
1 канд. техн. наук.
https://orcid.org/0000-0002-2391-1611
2 канд. техн. наук.
https://orcid.org/0000-0002-1707-3519
1, 2 Інститут відновлюваної енергетики НАН
України, м. Київ, Україна.
2 НТУУ «Київський політехнічний інститут
ім. Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна;
1 Cand. of Tech. Sciences.
https://orcid.org/0000-0002-2391-1611
2 Cand. of Tech. Sciences.
https://orcid.org/0000-0002-1707-3519
1, 2 Institute of Renewable Energy NAS of
Ukraine, Kyiv, Ukraine.
2 National Technical University of Ukraine «Igor
Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv,
Ukraine.
93
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Геотермальна енергетика
decentralized heating systems for small towns, settlements and individual objects for various purposes is the
use of integrated energy systems based on low-grade geothermal and solar thermal energy. An urgent task in
the design of complex local systems (cluster) of energy supply using renewable energy sources is the creation
of an effective control system. In today’s conditions, such systems should be built on the basis of an appropriate
element base, a modern programming language, sensitive measuring instruments and effective algorithms for
evaluating and making decisions. The paper presents a working layout of an experimental hydrothermal heat
pump system developed and constructed at the Institute of Renewable Energy of the National Academy of
Sciences of Ukraine, which includes a low-potential thermal energy intake system, a heat pump, a solar system
and thermal energy accumulators. The main shortcomings of the system are identified and technical and
organizational solutions are proposed for energy efficiency. In order to improve the efficiency of the cluster, a
control system has been developed, consisting of the main module and control modules for individual
subsystems, functionally interconnected. The description of each functional block of the system is made.
Conclusions are drawn about the need to conduct experimental and analytical studies of the effectiveness of
the proposed cluster management system, where low-potential geothermal heat and solar radiation energy are
used as a source of renewable thermal energy. The work was carried out as part of the research work:
"Development of energy clusters to provide multi-purpose facilities with electric and thermal energy using
renewable and hydrogen energy technologies (code: Energogarant)".
Keywords: heat pump, heat pump system, solar system, control system, control module
Перелік використаних позначень та скорочень:
ВДЕ – відновлювані джерела енергії
ТН – тепловий насос
ПЗ – програмне забезпечення
ГВП – гаряче водопостачання
МДТЕ – множина джерел теплової енергії
МТС – множина технічних засобів
МС – множина структур
АСУ – автоматизована система управління
Вступ. Кабінет Міністрів України за поданням Міністер-
ства енергетики схвалив Енергетичну стратегію України
до 2050 року, що відображає цілі Європейського зеле-
ного курсу та базується на принципах комплексного під-
ходу до формування та реалізації політики у сфері енер-
гетики.
У Стратегії, зокрема, враховані наслідки повномасштаб-
ної війни російської федерації проти України, посилення
ролі енергетичної безпеки та зміцнення стійкості енер-
госистеми, а також наявність новітніх технологій, техні-
чні зміни в енергетичному секторі, світові тренди та ін-
новаційні рішення, вимоги до екологічної безпеки згі-
дно з нормами ЄС та прийнятим зобов’язанням України.
Післявоєнне відновлення різних елементів енергетич-
ної галузі України потребує впровадження інноваційних
технологій на основі поєднання в одній системі екологі-
чно чистих місцевих відновлюваних джерел енергії
(ВДЕ).
Енергетичний кластер з точки зору комплексного засто-
сування різних ВДЕ в одній системі є формою організа-
ції, в якій різні види ВДЕ поєднуються та інтегруються
для забезпечення стабільного та ефективного енергети-
чного постачання. У такому кластері різні типи енергії
можуть бути вироблені, розподілені та використані від-
повідно до потреб системи.
До складу енергетичного кластера входять різні ВДЕ,
такі як сонячна енергія, вітрова енергія, гідроенергія,
енергія біомаси, геотермальна енергія та інші. Кожне
джерело може мати свої переваги та обмеження зале-
жно від регіональних умов, технологічних можливостей
та економічних факторів.
Основний недолік відновлюваної енергії – її непостій-
ність. Виробництво як теплової, так і електричної енергії
енергетичними установками, що як джерело енергії ви-
користовують ВДЕ, залежить як від місця розміщення та
умов експлуатації, так і погодно-кліматичних умов,
зміна яких має випадковий характер. Тому в локальних
енергосистемах з ВДЕ є ризики енергопостачання спо-
живачів, пов’язані з мінливістю енергоносія. Наслідки
від цих ризиків полягають у високій ймовірності пору-
шення енергопостачання.
Комплексне застосування різних ВДЕ в одній системі
дає змогу забезпечити більш стабільне та незалежне ви-
робництво електроенергії. Наприклад, у ситуаціях, коли
одне джерело енергії може бути менш ефективним або
недоступним, інші джерела енергії можуть забезпечу-
вати потрібне енергетичне покриття.
Одним із перспективних напрямів є створення компле-
ксної енергосистеми на основі геотермальної та соняч-
ної теплової енергії для теплопостачання об’єктів різ-
ного призначення та потужності з використанням тепло-
вих насосів.
Підвищення енергетичної ефективності та необхідність
ресурсозбереження є злободенними проблемами
94
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Геотермальна енергетика
майже в усіх країнах світу. Для вирішення цих проблем
останніми роками стає актуальною нова енергетична
політика, яка ґрунтується на використанні розподіленої
енергетики та створенні на її основі енергетичних клас-
терів.
Питанням підвищення ефективності та надійності ро-
боти комплексних енергетичних систем та її складовим
елементам присвячена велика кількість досліджень. У
роботі [1] розглянуто технології, методи та засоби пере-
творення нетрадиційних та відновлюваних джерел ене-
ргії для отримання теплової та електричної енергії або
нових видів палива. Дослідження ефективності комбі-
нованого використання енергії вітру, сонця і теплоти Зе-
млі виконані авторами в роботах [2, 3] Методичні за-
сади для оптимальної побудови енергетичних комплек-
сів з використанням ВДЕ розглядаються в роботах [4, 5].
Розроблено також математичну модель роботи системи
з кількома ВДЕ [6, 7]. Наукове обґрунтування залучення
розумних мереж (Smart Grid) в систему управління ком-
плексними енергосистемами на основі ВДЕ викладено в
праці [8].
Разом з тим теоретичні й практичні методи побудови
енергетичних комплексів з використанням ВДЕ в Україні
досі остаточно не відпрацьовані.
В Інституті відновлюваної енергетики НАН України про-
водяться дослідження в галузі використання ВДЕ, розго-
рнуто дослідження джерел енергії та приладів для її пе-
ретворення, що можуть бути використані в умовах кон-
кретного регіону, вивчаються особливості спільного ви-
користання різних ВДЕ для роботи в єдиній системі та
різноманітних систем її акумулювання.
Одними з високоефективних пристроїв перетворення
низькопотенціальної відновлюваної енергії є теплові на-
соси. Заразом ефективність роботи теплонасосної сис-
теми суттєво залежить від температури на вході до ви-
парника теплового насоса та виході з його конденса-
тора, що обумовлено стабільністю джерела низькопотен-
ціальної теплової енергії й конструктивними особливос-
тями системи теплозабезпечення будівлі.
Відомо, що підвищити потенціал геотермального низь-
копотенціального джерела теплової енергії можливо за
рахунок введення в контур випарника геотермальної те-
плонасосної системи додаткового контуру від геліосис-
теми. Отже, поєднання двох джерел відновлюваної ене-
ргії (геотермальної та сонячної) забезпечить більш ефек-
тивну та стабільну роботу системи теплопостачання на
основі теплового насоса. Водночас у цьому разі важли-
вим питанням стає розробка алгоритмів роботи та стру-
ктури системи управління енергетичним кластером з
урахуванням випадкового характеру факторів, що впли-
вають на стабільність отримання енергії від ВДЕ.
Постановка завдання. Об’єкт дослідження – процес те-
плообміну між випарником теплового насоса та буфер-
ним накопичувачем теплового насоса типу вода-вода
Предмет дослідження – підвищення ефективності ком-
плексної локальної системи (кластера) енергозабезпе-
чення з використанням ВДЕ завдяки впровадженню си-
стеми управління енергетичним кластером.
Метою роботи є розробка структури та алгоритму сис-
теми управління енергетичним кластером де як дже-
рело відновлюваної теплової енергії використовується
низькопотенціальна геотермальна теплова енергія та
енергія сонячного випромінювання, а саме:
1. Обґрунтування структури енергетичного кластера.
2. Обґрунтування складу комплекту обладнання та ви-
мірювальних приладів, що використовуватиметься
для отримання даних в процесі проведення дослі-
джень.
3. Створення методики проведення досліджень.
4. Визначення перспективи подальших наукових роз-
робок у цьому напрямі.
Виклад основного матеріалу
У методиці побудови енергетичних комплексів з вико-
ристанням ВДЕ зазвичай головними критеріями їхнього
вибору є: загальна потужність системи, вартість енергії,
яка виробляється, розміри й вартість застосовуваних
енергоустановок, частка заміщення вуглеводневого па-
лива та інше.
Ми проаналізували існуючі методики побудови цих си-
стем. Насамперед тих, що стосувалися як методики ви-
бору оптимального поєднання ВДЕ, так і управління гіб-
ридними енергетичними системами з ВДЕ [9].
Система зі змінною структурою та ВДЕ для забезпечення
визначеної температури в процесі поставки теплоносія
споживачам, як кортеж S, має вигляд:
S = {МДТЕ, МТС, МС}, (1)
де МДТЕ – множина джерел теплової енергії,
МТС – множина технічних засобів,
МС – множина структур.
Для об’єкта енергетики, що представлений у такому ви-
гляді, потрібна також система управління, яка дає змогу
вибрати найліпший варіант з можливих запропонова-
них (залежно від потреб споживача) параметрів тепло-
носіїв системи й умов навколишнього природного сере-
довища. Тобто дозволяє раціонально забезпечити з
представлених множин вибір джерел енергії, технічних
пристроїв та структури об’єкта.
Для оцінки ефективності комплексної енергетичної сис-
теми, яка використовує альтернативні джерела енергії й
має змінювану структуру, запропоновано критерій k,
який є відношенням сумарних витрат енергії (електрое-
нергії та енергії органічного палива) для роботи системи
до поточної потреби споживача в енергії для забезпе-
чення заданої температури в приміщеннях:
95
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Геотермальна енергетика
∆= ∑ ∫
=
n
i
ii dttQtEk
1 0
))(/(min
τ
, (2)
де Ei – первинні енергетичні ресурси, що використову-
ються системою для забезпечення заданої темпера-
тури, Дж; Q(t) – поточна нормована потреба в енергії
для забезпечення заданої температури, Дж; t – кінце-
вий часовий інтервал, на якому проходить обмін і спо-
живання енергоресурсів, c; n – кількість різних видів
енергетичних ресурсів системи.
Під час розрахунку критерію різні варіанти структур при-
водяться до однакового корисного ефекту за запропо-
нованою методикою [10].
Інформаційні моделі підсистем відображають статику
системи й інформацію про елементи системи, їхні влас-
тивості й відношення між ними.
Моделі станів об’єктів підсистем відображають їхню по-
ведінку в часі, зазвичай виражаються через стани
«увімкнено – вимкнено – несправність» або «від-
криття – закриття – несправність» і відповідні переходи.
Життєвий цикл контролера має вісім положень, які відо-
бражають перевірку працездатності системи, обробку
прийнятих сигналів, аналіз змін, вибір конфігурації сис-
теми, задавання параметрів регуляторів.
Технологічні алгоритми дозволяють змінити структуру
системи залежно від потреб споживача та умов навко-
лишнього природного середовища (евристичний) і на
основі критерію оцінки ефективності системи.
Енергетичний кластер формується з окремих «юнітів»,
які мають самостійні елементи, та має змінну структуру,
автономну та комбіновану форму живлення, з викорис-
танням можливостей розосередженої генерації та тех-
нологій «розумних мереж», будується за модульним
принципом з можливістю масштабування до потреб
споживача [11]. Кластер, для якого розробляться струк-
тура управління у системі, що досліджується, склада-
ється з двох юнітів,Y2 та Y3 (рис. 1).
Рис. 1. Структурна схема енергетичного кластера генерування теплової енергії (K), який складається з мно-
жини структур (юнітів, У1 -Уm), до складу кожної з яких входить множина елементів (джерел теплової енергії
та технічних засобів, Е1-Еn)
Fig. 1. Structural diagram of the energy cluster of thermal energy generation (K), which consists of set of structures
(units, У1-Уm), each of which includes set of elements (sources of thermal energy and technical means, Е1-Еn)
Експериментальна установка ІВЕ НАН України є тепло-
обмінним пристроєм, який складається із двох свердло-
вин, з’єднаних трубопроводами, для циркуляції підзем-
них вод між водоносним горизонтом, тепловим насо-
сом, розташованим в будівлі Інституту, та сонячного ко-
лектора. Контур конденсатора теплового насоса поєд-
нано з фанкойлами, розташованими в приміщеннях бу-
дівлі. При цьому забезпечена конструктивна можли-
вість підключення до контуру випарника теплового на-
соса буферного накопичувача теплової енергії, об’єм
якого може змінюватися залежно від завдань дослі-
дження та потужності підключених приладів.
Як навантаження для теплового насосу використовува-
лися фанкойли.
Для підвищення ефективної роботи усіх систем автома-
тизації прийняття рішення щодо їхнього підключення в
оптимальній конфігурації в залежності від усіх наявних
теплотехнічних параметрів було поставлено завдання
щодо розробки системи управління енергетичного
96
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Геотермальна енергетика
кластера на тепловому насосі. Для забезпечення її ро-
боти були встановлені додаткові датчики температури
та протоку теплоносія, автоматичної запірної арматури
й локальних та мережевих модулів управління як окре-
мими підсистемами, так і системою в цілому. Геотерма-
льні теплообмінники, буферний накопичувач, геліосис-
тема, фанкойли, акумулятори теплової енергії та елеме-
нти системи управління разом складають елементи сис-
теми, що досліджуються (рис. 2).
Тепловий насос – холодильна машина типу «вода-
вода». Він забирає низькопотенціальну енергію з навко-
лишнього середовища за допомогою теплоносія, яким
у нашому випадку є вода, і передає її з підвищеним по-
тенціалом для забезпечення опалення або кондицію-
вання у приміщення за допомогою теплообмінних при-
ладів.
Фанкойл – теплообмінний прилад який передає теп-
лову енергію або холод від теплоносія (води) повітрю
приміщень.
Буферний накопичувач теплової енергії – теплонеізо-
льована ємкість, яка відіграє роль акумулятора теплової
енергії та стабілізатора теплових навантажень на сис-
тему. До акумулятора теплової енергії може бути під-
ключено додаткове джерело теплової енергії для нагріву
теплоносія при низьких температурах оточуючого сере-
довища, коли ефективність теплового насоса істотно
знижується.
Геліосистема – це пристрій для перетворення енергії Со-
нця на інші види енергії, наприклад теплову або елек-
тричну, за допомогою теплової. Найпоширенішою гелі-
осистемою є сонячний колектор.
Рис. 2. Експериментальна гідротермальна теплонасосна система Інституту відновлюваної енергетики НАН
України: 1 – свердловина; 2 – водоносний горизонт; 3 – сонячний колектор; 4 – фанкойл; 5 – буферний накопичу-
вач теплоносія; 6 – тепловий насос; 7 – акумулятор теплової енергії; 7 – малоємнісна система отримання те-
плової енергії; 8 – модуль управління підсистемою геотермальних теплообмінників; 9 – модуль управління під-
системою буферного накопичувача теплової енергії; 10 – модуль управління підсистемою сонячного колек-
тора
Fig. 2. Experimental hydrothermal heat pump system of the Institute of Renewable Energy of the National Academy of
Sciences of Ukraine: 1 – well; 2 – aquifer; 3 – solar collector; 4 – fan coil; 5 – coolant buffer storage; 6 – heat pump; 7 –
thermal energy accumulator; 7 – low-capacity heat energy production system; 8 – geothermal heat exchanger subsystem
control module; 9 – thermal energy buffer subsystem control module; 10 – solar collector subsystem control module
97
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Геотермальна енергетика
Відповідно до поставленого завдання розроблено
проєкт системи управління для комплексної енерге-
тичної системи на основі теплового насоса з викорис-
танням теплової енергії, геотермальної, сонячної від-
новлюваної енергії та енергії навколишнього середо-
вища.
Для дослідження режимів роботи та підвищення ефек-
тивності роботи системи комплексної теплонасосної си-
стеми розроблена автоматизована система управління
та алгоритми її роботи, що дає змогу керувати
енергетичним кластером у таких режимах: автоматич-
ний, напівавтоматичний, ручний.
Алгоритм роботи системи дозволяє на основі аналізу
отриманих даних з датчиків та аналізу їхніх параметрів
поєднувати систему в такій конфігурації, щоб її ефектив-
ність була максимальною при найменших витратах на
традиційні енергоносії.
Система управління складається з основного модуля та
модулів управління окремими підсистемами, поєдна-
них між собою (рис. 3).
Рис. 3. Система управління енергетичним кластером ІВЕ НАНУ
Fig. 3. Management system of the energy cluster of the Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sci-
ences of Ukraine
Основний модуль управління та збору даних реалізо-
вано на базі персонального комп’ютера з встановленим
спеціальним програмним забезпеченням, що виконує
такі функції:
─ керування режимами роботи модулів управління під-
систем;
─ отримання даних з модулів управління підсистем в
режимі реального часу;
─ візуалізація отриманої інформації у вигляді, комфор-
тному для оператора;
─ архівування та зберігання отриманих даних з можли-
вістю їхньої подальшої обробки.
Програмне забезпечення основного модуля складати-
меться з інтерфейсу користувача та модулів, що реалізу-
ють усі вищезазначені функції (рис. 4).
Рис. 4. Склад інтерфейсу основного модуля програмного забезпечення енергетичного кластера
Fig. 4. Composition of the interface of the main module of the energy cluster software
98
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Геотермальна енергетика
Модуль управління роботою системи реалізує основний
цикл управління роботою кластера, обмінюється робо-
чими параметрами з модулем взаємодії з підсистемами
та передає дані на обробку модулям роботи з даними.
Модуль взаємодії з підсистемами безпосередньо
реалізує прийом і передачу даних між модулем
управління та контролерами підлеглих підсистем за
провідним протоколом.
Модуль візуалізації дає змогу відображати характери-
стики перебігу робочих процесів.
Модуль роботи з базою даних реалізує функціонал
взаємодії з базою даних результатів роботи кластера.
Модулі управління окремими підсистемами являють
собою окремі блоки на основі мікроконтролера з необ-
хідними датчиками, елементами вимірювання показни-
ків та елементами керування пристроями.
Для проведення досліджень з використанням теплового
насоса та систем відбору низькопотенціальної теплової
енергії, де основним робочим тілом, що використовується
як теплоносій, є рідина (вода або розчин пропіленглі-
колю), основними вимірювальними приладами є:
─ датчик температури теплоносія;
─ лічильник об’єму теплоносія;
Як елементи керування використовуються пристрої, що
відповідатимуть за роботу електричних клапанів та за-
пуск двигунів насосів у різних режимах їхньої роботи.
Розроблена система потребує адаптування до конкрет-
них умов роботи та району розташування. Доцільно ви-
користовувати та заносити в базу даних системи інфор-
мацію щодо температур та дебітів, які були отримані в
попередні роки. Актуальним є використання програм-
ного забезпечення, яке самостійно адаптує алгоритм
роботи під метеопрогноз та інші можливі зміни наван-
таження на енергосистему.
Висновки
Використання ВДЕ дає змогу знизити споживання тра-
диційних вуглеводневих енергоносіїв. Декарбонізація,
децентралізація і діджиталізація є основними концепці-
ями, без яких неможливий енергетичний перехід і роз-
виток яких спонукає до пошуку нових енергоефективних
рішень з використанням ВДЕ та сучасного програмного
забезпечення.
Автоматизована система управління енергозабезпечен-
ням є ефективним механізмом оптимізації споживання
енергії. Розроблені методи автоматизованої системи
управління передбачають можливість адаптації до різ-
них кліматичних зон та погодних умов і можуть стосува-
тися як автономних об’єктів, так і інтегрованих до об’єд-
наної енергосистеми.
В умовах воєнного часу за наявності можливості дистан-
ційного доступу автоматизовані системи можуть бути
вразливими перед атаками хакерів або кіберзлочинців.
Мають перспективу подальші дослідження з наукового
обґрунтування методів розрахунку під час проєктування
систем теплопостачання об’єктів та споруд різного при-
значення з використанням сонячної енергії та теплоти
навколишнього середовища, інших відновлюваних
джерел, з резервуванням за рахунок акумулювання
енергії, а також розробка практичних рекомендацій
щодо побудови таких енергосистем.
ПОСИЛАННЯ
1. Кудря С. О. Нетрадиційні та відновлювані джерела
енергії. Київ: НТУУ «КПІ» ВПІ ВПК «Політехніка»,
2012. 489 с.
2. Кудря С. О., Морозов Ю. П., Кузнєцов М. П. Дослі-
дження ефективності комбінованого використання
енергії вітру, сонця і теплоти Землі для отримання
водню при електролізі води. Водень в альтернатив-
ній енергетиці та новітніх технологіях: Tези доп. нау-
кової звітної сесії НАН України. 2013. Київ.
3. Матях С. В., Суржик T. В., Резцов В. Ф. Визначення
ефективності впровадження систем сонячного гаря-
чого водопостачання. Відновлювана та воднева ене-
ргетика. 2020. № 1 (60). С. 17–22.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).17-22
4. Зур’ян О. В. Комбіновані енергосистеми для ефекти-
вного отримання екологічно безпечної енергії. Еко-
логія та промисловість. 2016. № 3. С. 96–100.
5. Тимчук С. О. Прийняття оптимальних рішень при ке-
руванні гібридними електричними мережами з від-
новлювальними джерелами енергії. / С. О. Тимчук,
В. В. Шендрик, С. О. Шендрик, О. В. Шулима / Елект-
ромеханічні і енергозберігаючі системи. 2016. № 2
(34). С. 55–61.
6. Зур’ян О. В. Екологічно безпечні відновлювані дже-
рела отримання теплової енергії. Укр. Держ. геоло-
горозвідувальний ін-т [Електронний ресурс]: автор
дисертації Зур’ян О. В. Режим доступу:
http://www.niiep.kharkov.ua/sites/default/files/dis_Z
urian.pdf
7. Tiba C., Candeias A.L.B., Fraidenraich N. et al. A GIS-
based decision support tool for renewable energy
management and planning in semi-arid rural
environments of northeast of Brazil. Renewable Energy.
2010. № 35 (12). Р. 2921–2932.
8. Dagdougui H., Minciardi R., Ouammi A. et al. A dynamic
optimization model for smart micro-grid: integration of
a mix of renewable resources for a green building //
Proceedings of the 2010 International Congress on
Environmental Modelling and Software. Canada:
Ottawa. 2010.
9. Зур’ян. О. В. Експериментальні дослідження тепло-
вого режиму гідротермальної теплонасосної системи.
Відновлювана енергетика. 2021. 4 (67). С. 77–89.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2021.4(67).77 -89
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2021.4(67).77%20-89
99
Відновлювана енергетика. №2/2023 | Геотермальна енергетика
10. Максименко І. М. Автоматизація систем забезпе-
чення заданої температури з альтернативними дже-
релами енергії: автореф. дис. на здобуття наук. сту-
пеня канд. техн. наук: спец. 05.13.07 "Автоматизація
технологічних процесів" / І. М. Максименко. Одеса.
2007. 20 с.
11. Зур’ян О. В., Олійніченко В. Г. Ефективність роботи
буферного накопичувача гідротермальної теплона-
сосної системи як акумулятора теплової енергії. Від-
новлювана енергетика. 2023. 1 (72). С. 69–80.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.1(72).69-80
REFERENCES
1. Kudria S. O. Netradytsiini ta vidnovliuvani dzherela en-
erhii.[ Non-traditional and renewable energy sources] –
Kyiv.: NTUU «KPI» «Politekhnika». 2012. 489 s.
2. Kudria S. O., Morozov Yu. P., Kuznietsov M. P.
Doslidzhennia efektyvnosti kombinovanoho vy-
korystannia enerhii vitru, sontsia i teploty zemli dlia ot-
rymannia vodniu pry elektrolizi vody. Voden v alternat-
yvnii enerhetytsi ta novitnikh tekhnolohiiakh [Research
on the effectiveness of the combined use of wind, sun
and earth’s heat to obtain hydrogen during water elec-
trolysis. Hydrogen in alternative energy and the latest
technologies]: Tezy dop. naukovoi zvitnoi sesii NAN
Ukrainy. 2013. Київ.
3. Matiakh, S. V., Surzhyk, T. V., Reztsov, V. F.
Vyznachennia efektyvnosti vprovadzhennia system so-
niachnoho hariachoho vodopostachannia [Determining
the effectiveness of the implementation of solar hot
water supply systems]. Vidnovliuvana ta vodneva ener-
hetyka. 2020. № 1 (60). 17–22.
https://doi.org/10.36296 /1819-8058.2020.1(60).17-22
4. Zurian O.V. Kombinovani enerhosystemy dlia efektyv-
noho otrymannia ekolohichno bezpechnoi enerhii.
[Combined energy systems for efficient production of
environmentally safe energy] Ekolohiia ta promyslovist.
2016. № 3. С. 96–100.
5. Tymchuk S. O. Pryiniattia optymalnykh rishen pry
keruvanni hibrydnymy elektrychnymy merezhamy z vid-
novliuvalnymy dzherelamy enerhii [Making optimal de-
cisions when managing hybrid electrical networks with
renewable energy sources]. \ S. O. Tymchuk, V. V.
Shendryk, S. O. Shendryk, O. V. Shulyma \ Elektromek-
hanichni i enerhozberihaiuchi systemy. 2016. №2(34).
С.55-61.
6. Tymchuk S. O. Pryiniattia optymalnykh rishen pry
keruvanni hibrydnymy elektrychnymy merezhamy z vid-
novliuvalnymy dzherelamy enerhii. [Environmentally
safe renewable sources of heat energy] / S. O. Tymchuk,
V. V. Shendryk, S. O. Shendryk, O. V. Shulyma. El-
ektromekhanichni i enerhozberihaiuchi systemy
http://www.niiep.kharkov.ua /site s/default/files/dis_
Zurian.pdf
7. Tiba C., Candeias A.L.B., Fraidenraich N. et al. A GIS-
based decision support tool for renewable energy man-
agement and planning in semi-arid rural environments
of northeast of Brazil. Renewable Energy. 2010. № 35
(12). Р. 2921–2932.
8. Dagdougui H., Minciardi R., Ouammi A. et al. A dynamic
optimization model for smart micro-grid: integration of
a mix of renewable resources for a green building. Pro-
ceedings of the 2010 International Congress on Environ-
mental Modelling and Software. Canada: Ottawa. 2010.
9. Zurian. O. V. Eksperymentalni doslidzhennia teplovoho
rezhymu hidrotermalnoi teplonasosnoi systemy. [Ex-
perimental studies of the thermal regime of the hydro-
thermal heat pump system]. Vidnovliuvana enerhetyka.
2021. 4(67). 77–89. https://doi.org/10.36296/1819-
8058.2021.4 (67).77-89
10. Maksymenko I. M. Avtomatyzatsiia system zabez-
pechennia zadanoi temperatury z alternatyvnymy
dzherelamy enerhii. [Automation of systems for providing
a set temperature with alternative energy sources]:
avtoref. dys. na zdobuttia nauk. stupenia kand. tekhn.
nauk: spets. 05.13.07 "Avtomatyzatsiia tekhnolohi-chnykh
protsesiv" / I. M. Maksymenko. Odesa, 2007. 20 s.
11. Zurian O. V., Oliinichenko V. H. Efektyvnist roboty
bufernoho nakopychuvacha hidrotermalnoi
teplonasosnoi systemy yak akumuliatora teplovoi
enerhii.[ The efficiency of the buffer storage of the hy-
drothermal heat pump system as a thermal energy ac-
cumulator] Vidnovliuvana enerhetyka. 2023. 1 (72). 69–
80. https://doi.org/10.36296/1819-
8058.2023.1(72).69-80
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.1(72).69-80
|
| id | veorgua-article-405 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:11:25Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/96/6ce9c899aa69d4d11ee41c036469c896.pdf |
| spelling | veorgua-article-4052026-07-18T06:32:18Z HEAT PUMP-BASED ENERGY CLUSTER CONTROL SYSTEM СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИМ КЛАСТЕРОМ НА ОСНОВІ ТЕПЛОВОГО НАСОСА Zurian, О. Matyah, S. heat pump, heat pump system, solar system, control system, control module тепловий насос, теплонасосна система, геліосистема, система управління, модуль управління The post-war recovery of the Ukrainian energy industry requires, among other things, the introduction of innovative technologies based on environmentally friendly renewable energy sources. One of the promising areas for creating decentralized heating systems for small towns, settlements and individual objects for various purposes is the use of integrated energy systems based on low-grade geothermal and solar thermal energy. An urgent task in the design of complex local systems (cluster) of energy supply using renewable energy sources is the creation of an effective control system. In today’s conditions, such systems should be built on the basis of an appropriate element base, a modern programming language, sensitive measuring instruments and effective algorithms for evaluating and making decisions. The paper presents a working layout of an experimental hydrothermal heat pump system developed and constructed at the Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine, which includes a low-potential thermal energy intake system, a heat pump, a solar system and thermal energy accumulators. The main shortcomings of the system are identified and technical and organizational solutions are proposed for energy efficiency. In order to improve the efficiency of the cluster, a control system has been developed, consisting of the main module and control modules for individual subsystems, functionally interconnected. The description of each functional block of the system is made. Conclusions are drawn about the need to conduct experimental and analytical studies of the effectiveness of the proposed cluster management system, where low-potential geothermal heat and solar radiation energy are used as a source of renewable thermal energy. The work was carried out as part of the research work: "Development of energy clusters to provide multi-purpose facilities with electric and thermal energy using renewable and hydrogen energy technologies (code: Energogarant)". Післявоєнне відновлення енергетичної галузі України потребує, зокрема, впровадження інноваційних технологій на основі екологічно чистих відновлюваних джерел енергії. Одним із перспективних напрямів створення децентралізованих систем опалення невеликих міст, поселень та окремих об’єктів різного призначення є застосування комплексних енергосистем на основі низькопотенціальної геотермальної та сонячної теплової енергії. Актуальною задачею під час проєктування комплексних локальних систем (кластера) енергозабезпечення з використанням відновлюваних джерел енергії є створення ефективної системи управління. В умовах сьогодення такі системи мають будуватися на основі відповідної елементної бази, сучасної мови програмування, чутливих вимірювальних приладів та ефективних алгоритмів оцінки та прийняття рішень. У роботі представлено діючий макет розробленої й сконструйованої в Інституті відновлюваної енергетики НАН України експериментальної гідротермальної теплонасосної системи, до складу якої входять: система забору низькопотенціальної теплової енергії, тепловий насос, геліосистема та акумулятори теплової енергії. Визначено основні недоліки системи та запропоновані енергоефективні технічні та організаційні рішення. З метою підвищення ефективності роботи кластера розроблена система управління, яка складається з основного модуля та модулів управління окремими підсистемами, функціонально поєднаних між собою. Виконано опис кожного функціонального блока системи. Зроблено висновки, щодо необхідності проведення експериментальних та аналітичних досліджень ефективності застосування запропонованої системи управління кластером, де як джерело відновлюваної теплової енергії використовується низькопотенціальна геотермальна теплота та енергія сонячного випромінювання. Робота проведена в межах виконання науково-дослідного проєкту: «Розроблення енергетичних кластерів для забезпечення об’єктів багатоцільового призначення електричною та тепловою енергією з використанням технологій відновлюваної та водневої енергетики (шифр: «Енергогарант»)».   Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2023-07-17 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/405 10.36296/1819-8058.2023.2(73).92-99 Vidnovluvana energetika ; No. 2(73) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 92-99 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 2(73) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 92-99 Відновлювана енергетика; № 2(73) (2023): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 92-99 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2023.2(73) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/405/316 Copyright (c) 2023 О. Zurian, S. Matyah https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | heat pump heat pump system solar system control system control module Zurian, О. Matyah, S. HEAT PUMP-BASED ENERGY CLUSTER CONTROL SYSTEM |
| title | HEAT PUMP-BASED ENERGY CLUSTER CONTROL SYSTEM |
| title_alt | СИСТЕМА УПРАВЛІННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИМ КЛАСТЕРОМ НА ОСНОВІ ТЕПЛОВОГО НАСОСА |
| title_full | HEAT PUMP-BASED ENERGY CLUSTER CONTROL SYSTEM |
| title_fullStr | HEAT PUMP-BASED ENERGY CLUSTER CONTROL SYSTEM |
| title_full_unstemmed | HEAT PUMP-BASED ENERGY CLUSTER CONTROL SYSTEM |
| title_short | HEAT PUMP-BASED ENERGY CLUSTER CONTROL SYSTEM |
| title_sort | heat pump-based energy cluster control system |
| topic | heat pump heat pump system solar system control system control module |
| topic_facet | heat pump heat pump system solar system control system control module тепловий насос теплонасосна система геліосистема система управління модуль управління |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/405 |
| work_keys_str_mv | AT zuriano heatpumpbasedenergyclustercontrolsystem AT matyahs heatpumpbasedenergyclustercontrolsystem AT zuriano sistemaupravlínnâenergetičnimklasteromnaosnovíteplovogonasosa AT matyahs sistemaupravlínnâenergetičnimklasteromnaosnovíteplovogonasosa |