Mathematical modeling of increasing energy efficiency of the university in the energy hub knowledge system

Abstract

У цьому дослідженні здійснюється спроба вирішити проблеми підвищення енергоефективності з використанням методів математичного моделювання. Наголошується, що енергоресурсозбереження є одним із важливих завдань XXI століття, оскільки споживання теплової та електричної енергії є необхідною умовою життєдіяльності людини та створення сприятливих умов її побуту. Зазначено, що підвищення конкурентоспроможності, фінансової стійкості, енергетичної та екологічної безпеки української економіки, а також зростання рівня та якості життя населення є неможливим без реалізації потенціалу енергозбереження та підвищення енергетичної ефективності на основі модернізації, технологічного розвитку та переходу до раціонального та екологічно відповідального використання енергетичних ресурсів. Доведено, що від результатів вирішення цієї проблеми залежить і місце України серед економічно розвинених країн. Для здійснення математичного моделювання підвищення енергоефективності університету в системі енергохаба знань використано такі методи: нейромережеві технології, середню абсолютну та відносну помилку, середнє абсолютне відхилення; статистичне порівняння якості прогнозів на основі середньої абсолютної помилки, прогноз при аналізі часових рядів. Розроблено модель підвищення енергоефективності університету в системі енергохаба знань на основі застосування нейромережевих моделей, навчених на основі використання експериментальних даних Київського національного університету технологій та дизайну за опалювальний період 2020-2021 років. Зокрема, з метою оптимізації режимів експлуатації установок автоматичного керування енергопостачанням корпусу № 4 університету застосовано математичні моделі, що мають складну структуру алгоритму (ресурсоємність таких завдань збільшено. Визначено, що прийняття рішення щодо доцільності використання енергохаба для будівель університету та підбір обладнання мають здійснюватися залежно від складу та потужності енергоспоживачів, їх категорійності, вимог до якості та надійності електропостачання, їх відповідності умовам експлуатації та нормам безпеки, а також з урахуванням результатів кліматичного, вітромоніторингу та моніторингу сонячної активності. У висновках резюмується, що для забезпечення якості отриманої енергії та стійкості системи вбачається за доцільне вирішення комплексу завдань, пов'язаних із нерівномірністю вироблення та надходження відновлюваної енергії від енергоустановок, забезпеченням надійності та якості енергопостачання, в тому числі через використання накопичувачів електричної енергії (акумуляторних батарей тощо).

В данном исследовании предпринимается попытка решить проблемы повышения энергоэффективности с использованием методов математического моделирования. Отмечается, что энергоресурсосбережение является одной из важных задач XXI века, поскольку потребление тепловой и электрической энергии является необходимым условием жизнедеятельности человека и создание благоприятных условий его быта. Отмечено, что повышение конкурентоспособности, финансовой устойчивости, энергетической и экологической безопасности украинской экономики, а также рост уровня и качества жизни населения невозможны без реализации потенциала энергосбережения и повышения энергетической эффективности на основе модернизации, технологического развития и перехода к рациональному и экологически ответственному использованию энергетических ресурсов. Доказано, что от результатов решения этой проблемы зависит место Украины среди экономически развитых стран. Для осуществления математического моделирования повышения энергоэффективности университета в системе энергохаба знаний использованы следующие методы: нейросетевые технологии, средняя абсолютная и относительная ошибка, среднее абсолютное отклонение; статистическое сравнение качества прогнозов на основе средней абсолютной ошибки; прогноз при осуществлении анализа временных рядов. Разработана модель повышения энергоэффективности университета в системе энергохаба знаний на основе применения нейросетевых моделей, обученных на основе использования экспериментальных данных Киевского национального университета технологий и дизайна за отопительный период 2020-2021 годов. В частности, с целью оптимизации режимов эксплуатации установок автоматического управления энергоснабжением корпуса № 4 университета применены математические модели, имеющие сложную структуру алгоритма (ресурсоёмкость таких задач увеличена). Определено, что принятие решения о целесообразности использования энергохаба для зданий университета и подбор оборудования должны осуществляться в зависимости от состава и мощности энергопотребителей, их категорийности, требований к качеству и надёжности электроснабжения, их соответствия условиям эксплуатации и нормам безопасности, а также с учётом результатов климатического, ветромониторинга и мониторинга солнечной активности. В выводах резюмируется, что для обеспечения качества полученной энергии и устойчивости системы представляется целесообразным решение комплекса задач, связанных с неравномерностью выработки и поступления возобновляемой энергии от энергоустановок, обеспечением надёжности и качества энергоснабжения, в том числе благодаря использованию накопителей электрической энергии (аккумуляторных батарей тому подобное).

This study attempts to address the issues of enhancing energy efficiency using mathematical modeling methods. The research findings assert that energy saving is a new challenging task of the 21st century, since thermal and electric power consumption is essential to human life and building a favourable living environment. It is observed that boosting the competitiveness, financial stability, energy and environmental security of Ukraine’s economy, as well as improving the living standards and the life quality seem hardly possible without realizing the energy saving potential and increasing energy efficiency through modernization, technological advancements and the transition towards rational and environmentally responsible utilization of energy resources. It is argued that by resolving the above objectives, Ukraine might strengthen its positions among developed economies. The following methods were used to carry out mathematical modeling to enhance the university energy efficiency in the frameworks of the energy knowledge hub: neural network technologies, mean absolute and relative error, mean absolute deviation; statistical comparison of the forecast accuracy based on the mean absolute error, as well as time series forecasting. A model to boost the University energy efficiency has been developed within the knowledge energy hub by implementing neural network patterns based on the experimental data from the Kyiv National University of Technologies and Design for the heating period 2020-2021. In particular, to optimize the operating modes of automatic power supply control for University Building 4, mathematical models with a complex algorithm structure have been employed (offering the increased resource intensity of such tasks). It is argued that making a decision on the feasibility of using an energy hub for University buildings and selecting appropriate equipment should be accomplished with due regard to the structure and the capacity of energy consumers, their types, demands for quality and reliability of electric power supply, their compliance with operating and safety standards, as well as taking into account the results of climate, wind monitoring and monitoring of solar activity. The conclusions resume that to assure the energy quality and the system sustainability, it is considered important to resolve a range of issues related to inconsistency in generation and supply of renewable energy from power plants, ensuring reliability and quality of energy supply through the use of energy storage (batteries) in particular, etc.).