CC BY
3УДК 621.5
Константинов Д.С.
аспирант
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (г. Санкт-Петербург, Россия)
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И МОНИТОРИНГА ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В ХОЛОДИЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ
Аннотация: в данной статье анализируются современные системы управления и мониторинга для оптимизации энергопотребления в холодильной технике в рамках концепции умного дома. Исследуются различные технологические подходы, включая инверторные компрессоры, интеграция с IoT и применение алгоритмов искусственного интеллекта. Также внимание уделяется международным инициативам и корпоративным стратегиям, направленным на снижение энергопотребления и повышение эффективности использования энергии.
Ключевые слова: управление энергопотреблением, холодильная техника, умный дом, инверторные компрессоры, искусственный интеллект.
Введение
Холодильная техника является одним из основных потребителей электроэнергии в бытовом секторе. По данным Международного энергетического агентства (International Energy Agency, IEA) в среднем, один холодильник расходует около 1,4 кВтч в день, что составляет до 40% от общего потребления электроэнергии в доме [1]. В связи с этим, холодильным технологиям необходимо усовершенствование в области управления и мониторинга энергопотребления. Умные технологии, например Интернет вещей (Internet of Things, IoT), могут стать инновационным решением. Они
позволяют холодильным устройствам взаимодействовать с другими элементами умного дома, адаптируясь к поведению пользователя и окружающей среде, что способствует снижению расхода электроэнергии.
Целью данного исследования является изучение различных технологических подходов, методов управления и мониторинга энергопотребления в холодильной технике в системе умного дома. В статье представлен опыт различных компаний по внедрению умных технологий в холодильные устройства.
Основная часть
По данным международного аналитического агентства Gartner объем рынка бытовых холодильников и морозильников в 2023 году оценивался в 128,64 млрд долларов. Агентство дает прогноз, что в течение периода с 2023 по 2028 гг. объем рынка холодильной техники будет увеличиваться в среднем на 2,97% ежегодно и достигнет 148,94 млрд долларов.
Консалтинговая компания International Data Corporation (IDC) отмечает так же значительный потенциал роста в сегменте холодильных технологий в умном доме. В 2022 году IDC опубликовали отчет, в котором прогнозируется значительное увеличение доли рынка инверторных холодильников и устройств с IoT-интеграцией.
Аналитики IDC предполагают, что к 2028-2030 гг. сегмент холодильных технологий, интегрированных в систему умного дома, будет превышать 100 млрд долларов (рисунок 1) [2].
Международные инициативы в сфере холодильных технологий. Законодательство разных стран предусматривает активную поддержку и развитие инноваций в области холодильных технологий. Рассмотрим действие этих законодательных проектов на примере Европейского союза (ЕС) и США.
,1111111111
2018 2019 2020 2021 2022 2023 2014 2025 2026 2030 2031 2032
Рисунок 1. Прогноз динамики рынка умных технологий в холодильной технике с 2018 по 2032 гг.
С 2009 года в ЕС действует директива EcoDesign , которая устанавливает минимальные стандарты энергоэффективности для холодильных систем. Эта инициатива и ранее способствовала вытеснению менее энергоэффективных продуктов с рынка и стимулировала производителей к разработке более эффективных технологий. По данным европейской ассоциации EUROVENT, в период с 2015 по 2020 гг около 80% промышленных чиллеров (устройств для охлаждения жидкостей в холодильных установках) мощностью свыше 400 кВт уже были заменены для соответствия новым требованиям. На текущий момент, программа Horizon Europe с бюджетом в 95,5 миллиарда евро финансирует исследования и инновации в этой области.
Конгресс США принял целый ряд законов об энергетической активности. С 1963 года действует Закон о чистом воздухе (Clean Air Act). Его положения направлены на снижение выбросов озоноразрушающих веществ (а именно: хлорфторуглероды и гидрохлорфторуглероды). Положения включают обязательную сертификацию техников, регулярную замену хладагента, его переработку и утилизацию. В 2007 году утвержден Закон об энергетической независимости и безопасности (Energy Independence and Security Act, EISA). Эта законодательная инициатива нацелена на снижение потребления энергии с помощью стандартов для бытовой техники и энергопотребляющего оборудования. На период с 2016 по 2022 гг Конгресс принял закон «Об инвестиционном налоговом кредите». В 2019 году этот кредит покрывал до 30% расходов на установку солнечных панелей (батарей). Помимо этого,
начиная с 2022 года в Калифорнии установлен предел глобального потенциала парникового эффекта (GWP) в 150 единиц для объектов с коммерческим холодильным оборудованием, которое содержит более 50 фунтов (чуть более 22,5 килограмм) хладагента [3, 4].
Агентство по охране окружающей среды (Environmental Protection Agency, EPA) (США) предлагает различные программы финансирования, такие как National Clean Diesel Campaign и SmartWay Clean Diesel Program. Эти проекты предлагают гранты до 1 млн долларов для инноваций и разработок новых технологий в области оптимизации энергоэффективности холодильной техники.
В рамках этих инициатив также проводятся многочисленные научные семинары и коллоквиумы, например ежегодное мероприятие European Research and Innovation Days, организуемое Комиссией ЕС. На конференции AWorld Conference собираются профессионалы из энергетической отрасли, которые обсуждают эффективность и устойчивость в энергетике. Также, IEA организует ежегодную конференцию 7th Annual Global Conference on Energy Efficiency. Это мероприятие приглашает ключевых лиц из правительства, промышленности и общества для обсуждения международных задач по энергоэффективности.
Технологии оптимизации энергопотребления в холодильной технике. Включают новейшие инновации в области автоматизации и энергетической эффективности, направлены на минимизацию потребления энергии при одновременном повышении функциональности и надежности устройств.
Алгоритмы управления, которые лежат в основе этих систем, представлены классическими и инновационными методами управления. К классическим методам относится Proportional-Integral-Derivative (PID) — регулирование: метод автоматического управления, который используется для поддержания заданного значения в системе. Инновации часто представлены искусственным интеллектом (Artificial Intelligence, AI) и машинным обучением (Machine learning, ML). Алгоритмы, основанные на AI и ML, способны
адаптироваться к изменениям внешних и внутренних условий. Оптимизационные модели, применяемые в этих системах, включают методы линейного и нелинейного программирования и стохастического моделирования [5]. Это позволяет обеспечивать высокую эффективность работы устройств. Системы мониторинга, интегрированные в холодильные устройства, фокусируются на непрерывном сборе данных, их анализе для обнаружения аномалий и поддержания оптимального режима работы.
Выделяются следующие передовые технологии в холодильной технике, которые позволяют оптимизировать энергопотребление в системе умного дома:
Инверторные компрессоры. Инверторные технологии позволяют холодильникам работать более эффективно, поддерживая нужную температуру без перепадов и частых включений/выключений компрессора. Компании LG и Samsung опубликовали статистические данные, согласно которым инверторные холодильники могут снизить потребление электроэнергии на 20-30% по сравнению с традиционными моделями [6].
Интеграция с системами умного дома через IoT. Примером такой интеграции служит холодильник Family Hub от Samsung, который может синхронизироваться с другими устройствами умного дома, позволяя пользователям контролировать энергопотребление и даже делать покупки через встроенный экран. Эта интеграция позволяет оптимизировать расход энергии, учитывая общий энергетический профиль дома.
Разработка алгоритмов ML и AI. Обеспечивает предиктивное управления и адаптивную оптимизацию работы холодильников. Такие компании, как Whirlpool и Bosch, используют AI для анализа паттернов в функционировании холодильника и автоматической регулировки его работы. Эти технологии позволяют дополнительно сократить энергопотребление на 1015% и продлить срок службы устройства.
В таблице 1 представлен опыт компаний LG, Samsung и Whirlpool по внедрению умных технологий в работу холодильных устройств. Таблица 1. Технологии управления и мониторинга энергопотребления
в современной холодильной технике [7].
Технология Компания, год производства Количество пользователей Достоинства Недостатки
Инверторные компрессоры LG, 2020 >500,000 Снижение энергопотреблен ия Высокая стоимость
Умный холодильник с М Samsung Family Hub, 2018 >200,000 Удобство за счет персонализации Зависимость от интернет- соединения
ИИ для энергетического управления Whirlpool, 2019 >100,000 Автоматическая оптимизация, продление срока службы Требуется время для «обучения» системы
Табличные данные демонстрируют значительное влияние современных технологий на эффективность и функциональность холодильной техники.
В системе умного дома, где холодильники интегрированы с иными технологиями для оптимизации общего энергопотребления, наблюдается значительный экономический эффект. Например, внедрение инверторных компрессоров в холодильники может привести к снижению потребления электроэнергии на 20-30% по сравнению с традиционными моделями. Статистические исследования компании Samsung показывают, что ежедневная экономия может составлять около $0.036 в день, что в годовом исчислении равняется примерно $13.14. Это представляет собой неплохую экономию, особенно учитывая, что срок службы холодильника может превышать 10-15 лет [8, 9].
Согласно данным IEA, прогнозируется, что к 2040 году глобальное потребление энергии в бытовом секторе сократится на 40% благодаря улучшению энергоэффективности технологий.
Однако, вместе с преимуществами, данные технологии предъявляют определенные требования. Более высокая изначальная стоимость и зависимость
от стабильного интернет-соединения являются факторами, которые необходимо учитывать при внедрении подобных технологий.
Выводы
Данное исследование подчеркивает значительное влияние инновационных систем управления и мониторинга на оптимизацию энергопотребления в холодильной технике. Применение передовых технологий, таких как инверторные компрессоры, интеграция с IoT и применение алгоритмов AI, демонстрирует потенциал для существенного уменьшения энергетических затрат и повышения эффективности устройств. Перспективы развития в этой области обещают дальнейшее улучшение энергоэффективности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Акатьев В. А., Тюрин М. П., Бородина Е. С. Повышение энергоэффективности при производстве, передаче и потреблении электроэнергии //Энергобезопасность и энергосбережение. - 2020. - №. 6. - С. 18;
2. Бубликов К. Е. и др. Умный дом: основные тенденции, ключевые факторы, технологии и системы //В сборнике: НАУЧНОПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ АПК. Материалы национальной научной конференции. Красноярск. - 2020. - С. 202-206;
3. Жарницкий, В. Я. Факторы, влияющие на интенсивность износа бетонных и железобетонных конструкций гидротехнических объектов / В. Я. Жарницкий, А. П. Смирнов // Природообустройство. - 2021. - № 2. - С. 43-49;
4. Артемов А.А. DATA CONTRACT В АНАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ: ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ, ПРАКТИЧЕСКАЯ ПОЛЬЗА И МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ // Вестник науки. 2023. №12 (69);
5. Бутова Т. В., Панина О. В. Зарубежный опыт принятия государственных решений в области энергоэффективности //Трубопроводный транспорт: теория и практика. - 2011. - №. 4. - С. 55-59;
6. Elvira B. et al. Применение методов ИИ для управления умным домом: дис. -Azarbaycan Texniki Universiteti, 2023;
7. Leila Abdullina, Aleksandr Podolskiy, Margarita Deeva, Margarita Gorovko and Yuliya Shulepova, Determining the carbon footprint of Russian residents depending on their food and movement patterns // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 677 052026, 2021;
8. Самарханова А. А., Шаймурат А. ОБЗОР РАБОТ ПО ПРИМЕНЕНИЮ IOT В СИСТЕМАХ ТИПА «УМНЫЙ ДОМ» //Журнал прикладной спектроскопии. - 2019. - №. 2. -С. 86;
9. Петрова, Н. С. Развитие стратегий и преимуществ при интеграции ESG-критериев в корпоративное управление / Н. С. Петрова // Научная статья года 2023: сборник статей XI Международного научно-исследовательского конкурса, Пенза, 15 декабря 2023 года. -Пенза: Наука и Просвещение (ИП Гуляев Г.Ю.), 2023. - С. 67-70. - EDN FTANCW
Konstantinov D.S.
Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI" (Saint Petersburg, Russia)
CONTROL AND MONITORING SYSTEMS FOR ENERGY CONSUMPTION OPTIMIZATION IN REFRIGERATION TECHNOLOGY
Abstract: this article explores modern control and monitoring systems for optimizing energy consumption in refrigeration technology within the smart home concept. Various technological approaches, including inverter compressors, IoT integration, and artificial intelligence algorithms, are examined. Special attention is given to international initiatives and corporate strategies aimed at reducing energy consumption and improving energy efficiency.
Keywords: energy management, refrigeration technology, smart home, inverter compressors, IoT, artificial intelligence.
