Константинов Д.С.
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
ВведениеХолодильная 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 частьПо 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.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 AEE World 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 10-15% 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]. 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.ВыводыДанное 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.
Номер журнала Вестник науки №2 (71) том 4
Ссылка для цитирования:
Константинов Д.С. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И МОНИТОРИНГА ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ В ХОЛОДИЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ // Вестник науки №2 (71) том 4. С. 303 - 310. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/13128 (дата обращения: 17.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2024. 16+