Возможности применения гибридных цифровых двойников для решения задачи предиктивного энергоэффективного управления в многоквартирном доме

В статье представлены результаты измерений параметров микроклимата в жилом помещении квартиры многоквартирного дома в северном регионе с акцентом на концентрацию углекислого газа в воздухе как наиболее чувствительный показатель качества воздуха для организма человека. Предмет исследования составляет динамика концентрации углекислого газа, температуры, относительной влажности и давления в реальных условиях проживания. Цель работы заключается в оценке инерционности микроклимата жилого помещения, сопоставлении измеренных уровней углекислого газа с действующими рекомендациями по качеству воздуха и обосновании целесообразности применения цифрового двойника для решения задачи предиктивного управления системой умного дома. Методически исследование основано на применении измерительного устройства на базе микроконтроллера ESP32-C3 Super Mini с датчиками AHT20, BMP280 и SCD40, формирующего временные ряды микроклиматических параметров. Показано, что при ночном пребывании одного человека концентрация углекислого газа монотонно возрастает от порядка 1 100 см³ /м³ до значений выше 1 800 см³ /м³, выходящих за пределы норм, рекомендуемых для жилых помещений. Научная новизна работы заключается в экспериментальном обосновании того факта, что микроклимат спальни можно рассматривать как инерционную систему, для которой целесообразно применение инструментов предиктивного управления устройствами умного дома на основе прогнозируемой динамики углекислого газа. Также приводится обоснование того, что цифровой двойник, интегрирующий данные датчиков и модель помещения, способен заранее выявлять моменты ухудшения качества воздуха и инициировать наиболее энергосберегающие управляющие воздействия.

1. Рымаров А. Г., Савичев В. В. Особенности определения требуемого воздухообмена в помещениях жилых зданий // Жилищное строительство. 2014. № 12. С. 23–25.

2. Мансуров Р. Ш., Гурин М. А., Рубель Е. В. Влияние концентрации углекислого газа на организм человека // Universum: технические науки. 2017. № 8.

3. Gopinath V., Srija A., Neethu Sravanthi C. Re-design of smart homes with digital twins // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1228, no. 1. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1228/1/012031.

4. Дмитриев А. Н., Журавлев Г. С., Верзун В. А. Перспективы разработки цифровых двойников для эксплуатации «умных домов» // Современные проблемы управления проектами в инвестиционно-строительной сфере и природопользовании : материалы X Международной научно-практической конференции, посвященной 113-летию РЭУ им. Г. В. Плеханова, 08–12 апреля 2020 г., г. Москва / под ред. В. И. Резина. М. : Российский экономический университет имени Г. В. Плеханова, 2020. С. 201–210.

5. Рыбакова Ю. А. Концентрация углекислого газа как критерий эффективности вентиляции // Вестник магистратуры. 2020. № 1–3. С. 75–79.

6. Das L., Anand P., Anjum A. et al. The impact of smart homes on energy efficiency and sustainability // 10th IEEE Uttar Pradesh Section International Conference on Electrical, Electronics and Computer Engineering (UPCON), December 1–3, 2023, Gautam Buddha Nagar, India. New York, NY : Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2023. P. 215–220. https://doi.org/10.1109/UPCON59197.2023.10434418.

7. Степанов И. О., Крайнов Д. В. Применение цифрового двойника для мониторинга микроклимата в помещении // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2024. № 2. С. 26–36.

8. Ukpene P. C., Apaokueze T. N. The impact of smart home technologies on energy efficiency, cost savings, and environmental benefits // Journal of Energy Engineering and Thermodynamics. 2024. Vol. 4. P. 21–32. https://doi.org/10.55529/jeet.44.21.32.