Програмне управління роботою побутових водогрійних пристроїв (бойлерів)

Заголовок (англійською): 
Software-based control of domestic water heater operation
Автор(и): 
Луценко В. Ю.
Компанієць П. О.
Волчков М. В.
Вольтерс А. О.
Самойленко М. І.
Автор(и) (англ): 
Lutsenko V.
Kompaniiets P.
Volchkov M.
Volters A.
Samoilenko M.
Ключові слова (укр): 
автоматизація; гаряче водопостачання; бойлер; оптимізація споживання; вимірювання; математичне моделювання; програмне управління; мікроконтролер; Internet речей; кіберфізична система
Ключові слова (англ): 
automation; hot water supply; water heater; consumption optimization; measurement; mathematical modeling; software control; microcontroller; Internet of Things (IoT); cyber-physical system
Анотація (укр): 
У дослідженні обґрунтовано, що одним із перспективних підходів у вирішенні задач підвищення якості, стабільності та надійності функціонування вітчизняної енергосистеми є управління попитом на електроенергію. Метою такого управління є перерозподіл навантаження на енергомережі з урахуванням можливостей генераційних потужностей. Встановлено, що хоча не всі види навантаження можуть бути перенесені в інші часові зони без втрати показників, для побутових водогрійних бойлерів така можливість існує. Актуальність та своєчасність розробки систем для їх програмного управління визначаються відносно високою середньою потужністю нагрівального елементу (близько 2 кВт) та масовим застосуванням. Розроблено математичну модель споживання гарячої води з бойлера. Аналіз результатів моделювання переконливо свідчить про доцільність впровадження програмного управління побутовим бойлером. Запропоновано модель, що може скласти основу алгоритмічного забезпечення таких систем. Наступним етапом стала розробка системи управління роботою побутового бойлера. Запропоновано пристрій на базі мікроконтролера ESP32, який має Web-інтерфейс користувача, а його програмне забезпечення відповідає клієнт-серверній архітектурі. Такий підхід дозволив вирішити задачу синхронізації роботи бойлера з астрономічним часом та реалізувати інтерфейс користувача засобами Web-браузера без додаткових апаратних пристроїв. Розроблена система управління не впливає на роботу штатної автоматики бойлера від виробника, яка забезпечує виконання базової функції підтримання сталої температури води. Програмне забезпечення пристрою складається з клієнтської та серверної частин. Інформаційний обмін між ними здійснюється по бездротовому каналу із застосуванням Wi-Fi модулю, що входить до складу контролера, за допомогою повідомлень у форматі JSON. Алгоритм обміну передбачає передачу команд на сервер та отримання від нього необхідних даних для відображення в браузері.
Анотація (англ): 
One of the promising approaches to improving the quality, stability, and reliability of the domestic power system is demand-side management (DSM), which aims to redistribute the load on the power grid while considering the capabilities of generation capacities. It should be noted that not all types of loads, even in the residential sector, can be shifted to other time zones without losing economic or quality indicators. However, for household water heaters, such a possibility exists. The relatively high average power of a water heater's heating element (about 2 kW) and their widespread use highlight the relevance and timeliness of developing systems for their automated control. In this study, a mathematical model of hot water consumption from a water heater was developed. The analysis of simulation results strongly supports the feasibility of implementing automated control for household water heaters, and the proposed model can serve as the basis for algorithmic support in such systems. The development of a control system for household water heaters was the next stage, during which a microcontroller-based device (ESP32) with a web-based user interface was proposed. Its software follows a client-server architecture. This approach eliminated the need for additional hardware, allowing synchronization of the water heater's operation with astronomical time and implementing a user interface via a web browser. Notably, the developed control system does not interfere with the manufacturer’s built-in automation, which ensures the basic function of maintaining a stable water temperature in the tank. The software of the developed device consists of client and server components, which communicate wirelessly via the controller’s built-in Wi-Fi module. The data exchange algorithm involves sending commands to the server and receiving the necessary data for display in the browser. Communication between the server and client parts is carried out using JSON-formatted messages.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Управління розвитком складних систем, номер 63, 2025
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Management of Development of Complex Systems, number 63, 2025
Мова статті: 
Українська
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
230-238.pdf
Дата публікації: 
24 Сентябрь 2025
Номер збірника: 
63
Розділ: 
УПРАВЛІННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ПРОЦЕСАМИ
Литература: 

Список літератури

1.     Ігнатьєв С. Є. Енергетична система України: стан на кінець 2024 року та сценарії на 2025. Нафта і Газ України. 2024. URL: https://oil-gas.com.ua/statti/enerhetychna_systema_ukrainy_stan_na_kinets_2024_roku_ta_stsenarii_na_2025.

2.     Гламаздін В. П., Мельник О. В., Тонкоголосюк В. М. Аналіз роботи паливно-енергетичного комплексу України в умовах військової агресії та визначення перспективних напрямів розвитку. Science, Technologies, Innovations. 2023. № 2 (26). С. 11–19.

3.     Kostenko G., Zaporozhetz A. Enhancing of the power system resilience through the application of micro power systems (microgrid) with renewable distributed generation. System Research in Energy. 2023. № 3 (74). С. 25–38.

4.     Кириленко О. І. та ін. Проблеми стійкості у сучасних енергетичних системах. Computational problems of Electrical Engineering. 2015. Вип. 5, № 1. С. 23–32.

5.     Botterud A., Levin T., Koritarov V. Pumped Storage Hydropower Benefits for Grid Reliability and Integration of Variable Renewable Energy. Argonne National Lab. 2014.

6.     Sioshansi F. Smart Grid: Integrating Renewable, Distributed and Efficient Energy. Amsterdam: Academic Press. 2011. 584 с.

7.     Assad U. et al. Smart Grid, demand response and optimization: A critical review of computational methods. Energies. 2022. № 15 (6). URL: https://www.mdpi.com/1996-1073/15/6/2003.

8.     Conte S. et al. Demand response by aggregates of domestic water heaters with adaptive model predictive control. (Preprint Cornell University). URL: https://arxiv.org/abs/2307.02218.

References: 

1.     Ihnatiev S. Ye. (2024). The Energy System of Ukraine: Status at the End of 2024 and Scenarios for 2025. Oil and Gas of Ukraine. URL: https://oil-gas.com.ua/statti/enerhetychna_systema_ukrainy_stan_na_kinets_2024_roku_ta_stsenarii_na_2025.

2.     Hlamazdin V. P., Melnyk O. V., Tonkoholosiuk V. M. (2023). Analysis of the fuel and energy complex of Ukraine under military aggression and identification of promising development directions. Science, Technologies, Innovations, 2 (26), 11–19.

3.     Kostenko G., Zaporozhetz A. (2023). Enhancing the power system resilience through the application of micro power systems (microgrids) with renewable distributed generation. System Research in Energy, 3 (74), 25–38.

4.     Kyrylenko O. I. et al. (2015). Stability problems in modern power systems. Computational Problems of Electrical Engineering, 5 (1), 23–32.

5.     Botterud A., Levin T., Koritarov V. (2014). Pumped storage hydropower benefits for grid reliability and integration of variable renewable energy. Argonne National Lab. DOI: URL: https://doi.org/10.2172/1165460.

6.     Sioshansi F. (2011). Smart grid: Integrating renewable, distributed and efficient energy. Amsterdam: Academic Press.

7.     Assad U. et al. (2022). Smart grid, demand response and optimization: A critical review of computational methods. Energies, 15 (6). URL: https://www.mdpi.com/1996-1073/15/6/2003.

8.     Conte S. et al. (2023). Demand response by aggregates of domestic water heaters with adaptive model predictive control. (Preprint Cornell University). URL: https://arxiv.org/abs/2307.02218.