Аналіз частотно-часових характеристик температурних змін у системах опалення з використанням вейвлет-аналізу та Фур`є-перетворень

Abstract

Для забезпечення комфорту в житлових і комерційних будівлях, а також для ефективного використання енергії, ключову роль відіграють системи опалення. Їхня продуктивність безпосередньо впливає на затишок приміщень і витрати на енергоносії. У статті досліджено застосування методів обробки сигналів для підвищення ефективності роботи систем опалення в «розумних будинках». Для аналізу використано дані температурних сенсорів та показники енергоспоживання, зібрані у приватній одноповерховій будівлі площею 128 м², обладнаній мережею IoT-пристроїв, 12 температурними датчиками та інтелектуальними термостатами. Метод дискретного Фур`є-перетворення застосовано для виявлення основних частотних складових температурних змін, визначення добових та субдобових гармонік, а також для усунення високочастотного шуму шляхом Фур`є-фільтрації. Це дозволило зменшити кількість увімкнень системи опалення та оптимізувати роботу термостатів, скоротивши споживання теплової енергії на 10 – 15 %. Для аналізу короткочасних та локальних змін застосовано безперервне Вейвлет-перетворення, що дало змогу виявити раптові температурні збурення, спричинені побутовою активністю мешканців, відкриванням вікон або зміною зовнішніх умов. Використання Вейвлет-аналізу забезпечило додаткове скорочення споживання енергії на 5 – 7 % завдяки зменшенню кількості необов`язкових коротких циклів нагріву та підвищенню адаптивності системи керування. Порівняльний аналіз двох підходів продемонстрував, що їх комплексне застосування забезпечує сумарну економію енергії на рівні 15 – 22 % без погіршення теплового комфорту. Оптимізована система опалення працює стабільніше, швидше реагує на зміни мікроклімату та знижує навантаження на обладнання. Отримані результати підтверджують ефективність поєднання Фур`є- та Вейвлет-перетворень у задачах енергоефективного керування мікрокліматом у «розумних будинках» та демонструють значний потенціал цих методів для подальшого удосконалення систем клімат-контролю.