avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2025-9-1-46-55JLCGRPavroen-34Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGМногокритериальная оптимизация утилизатора теплоты с учетом климатического фактораMulti-criteria optimization of heat recovery unit in terms of the climatic factorhttps://orcid.org/0009-0002-9721-797XНикитинаВ. А.NikitinaV. A.

НИКИТИНА Вероника Александровна, аспирант, ассистент образовательного центра «Энергоэф­фективные инженерные системы»

191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9

AuthorID (РИНЦ): 1278704

AuthorID (SCOPUS): 57257097600

NIKITINA Veronika Aleksandrovna, Graduate Student, Assistant of the «Energy Efficient Engineering Systems» Educational Centre

Saint Petersburg, Lomonosov Str., 9, 191002

AuthorID (РИНЦ): 1278704

AuthorID (SCOPUS): 57257097600

vanikitina@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4580-6070СулинА. Б.SulinA. B.

СУЛИН Александр Борисович, доктор технических наук, профессор образовательного центра «Энерго­эффективные инженерные системы»

191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9

AuthorID (РИНЦ): 445299

AuthorID (SCOPUS): 6507491881

ResearcherID: W-4842-2017

SULIN Aleksander Borisovich, Doctor of Technical Sciences, Professor of the «Energy Efficient Engineering Systems» Educational Centre

Saint Petersburg, Lomonosov Str., 9, 191002

AuthorID (РИНЦ): 445299

AuthorID (SCOPUS): 6507491881

ResearcherID: W-4842-2017

absulin@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7295-5904МуравейниковС. С.MuraveinikovS. S.

МУРАВЕЙНИКОВ Сергей Сергеевич, кандидат тех­нических наук, доцент образовательного центра «Энергоэффективные инженерные системы»

191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9

AuthorID (РИНЦ): 1185073

AuthorID (SCOPUS): 57210976736

MURAVEINIKOV Sergey Sergeevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the «Energy Efficient Engineering Systems» Educational Centre

Saint Petersburg, Lomonosov Str., 9, 191002

AuthorID (РИНЦ): 1185073

AuthorID (SCOPUS): 57210976736

ssmuraveinikov@itmo.ruДмитриевД. О.DmitrievD. O.

ДМИТРИЕВ Денис Олегович, аспирант образова­тельного центра «Энергоэффективные инженерные системы»

191002, г. Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9

DMITRIEV Denis Olegovich, Graduate Student of the «Energy Efficient Engineering Systems» Educational Centre

Saint Petersburg, Lomonosov Str., 9, 191002

denisdmitriev2012@gmail.comУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202530032025914655Copyright © Никитина В.А., Сулин А.Б., Муравейников С.С., Дмитриев Д.О., 20252025Никитина В.А., Сулин А.Б., Муравейников С.С., Дмитриев Д.О.Nikitina V.A., Sulin A.B., Muraveinikov S.S., Dmitriev D.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/34

Применение тепловых насосов в системах утилизации теплоты вытяжного воздуха является эффективной энергосберегающей технологией. В связи с увеличением количества хладагентов с различающимися характеристиками возникает проблема с принятием решения о примене­нии конкретного вещества с учётом климатических особенностей конкретного региона. Методы многокритериальной оптимизации, адаптированные к решению данной задачи, могут быть ис­пользованы с учетом заданных предпочтений по энергетическому, экологическому и экономиче­скому факторам. В работе применяется метод TOPSIS как один из подвидов метода многокри­териальной оптимизации MADM, который адаптирован для решения поставленной задачи. Суть метода заключается в поиске Парето-оптимального альтернативного решения, наиболее при­ближенного к «идеально позитивному». Параметры теплонасосной установки рассчитаны в про­грамме EES. Метод многокритериальной оптимизации TOPSIS реализован в виде вычислительной процедуры в среде Excel. В качестве альтернатив рассмотрены рабочие тела R410A, R407C, R290, R134a и R1234yf. Климатические зоны Российской Федерации представлены городами Санкт-Петербург, Петрозаводск, Сочи, Омск, Краснодар и Анадырь. Выбор оптимальной альтернативы выполнен с учетом предпочтений, заданных весовыми коэффициентами. Результаты многокри­териальной оптимизации приведены в функции от климатического фактора градусо-сутки ото­пительного периода, что позволяет их использовать для любого населенного пункта. По резуль­татам оптимизации выявлено, что при равной оценке значимости для шести городов Российской Федерации хладагент R1234yf имеет рейтинг выше остальных на 21 %–23 %. Оптимизация на основании энергетической эффективности выявила существенные преимущества у хладаген­тов R410A и R134a с разницей в 2 %–11 %. Для регионов с холодным климатом экономичней использовать хладагент R1234yf, в то время как для регионов с умеренным климатом наилучшим вариантом является R134a.

The use of heat pumps in exhaust air heat recovery systems is an effective energy-saving technology. Due to the increase in the number of refrigerants with different characteristics, a problem arises with making a decision on the use of a specific substance, taking into account the climatic features of a particular region. Multicriteria optimization methods adapted to solving this problem can be used taking into account the specified preferences for energy, environmental and economic factors. The TOPSIS method is used in this paper as one of the subtypes of the MADM multicriteria optimization method, which is adapted to solve the problem. The essence of the method is to find a Pareto-optimal alternative solution that is closest to the «ideal positive». The parameters of the heat pump unit are calculated in the EES program. The TOPSIS multicriteria optimization method is implemented as a computational procedure in the Excel environment. The working fluids R410A, R407C, R290, R134a and R1234yf are considered as alternatives. The climatic zones of the Russian Federation are represented by the cities of Saint Petersburg, Petrozavodsk, Sochi, Omsk, Krasnodar and Anadyr. The optimal alternative is selected taking into account the preferences specified by the weighting factors. The results of multicriteria optimization are presented as a function of the climatic factor of the HSDD, which allows them to be used for any locality. According to the optimization results, it is revealed that with an equal assessment of the significance for six cities of the Russian Federation, the refrigerant R1234yf has a rating higher than the others by 21 %–23 %. Optimization based on energy efficiency revealed significant advantages in refrigerants R410A and R134a with a difference of 2 %–11 %. For regions with a cold climate, it is more economical to use refrigerant R1234yf, while for regions with a moderate climate, the best option is R134a.

многокритериальная оптимизациятепловой насосклиматический факторра­бочее телоутилизация теплотыTOPSISГСОП.multicriterial optimizationheat pumpclimatic factorworking fluidheat recoveryTOPSISHSDD.ReferencesPérez-Lombard L., Ortiz J., and Pout C. A review on buildings energy consumption information // Energy and Buildings. 2008. Vol. 40 (3). P. 394–398. DOI: 10.1016/j.enbuild.2007.03.007.Pérez-Lombard L., Ortiz J., Pout C. A review on buildings energy consumption information. Energy and Buildings. 2008. Vol. 40 (3). P. 394–398. DOI: 10.1016/j.enbuild.2007.03.007. (In Engl.).Butler D. Architects of a low-energy future // Nature. 2008. Vol. 452 (3). P. 520–523. DOI: 10.1038/452520a.Butler D. Architects of a low-energy future. Nature. 2008. Vol. 452 (3). P. 520–523. DOI: 10.1038/452520a. (In Engl.).Saidur R. Energy consumption, energy savings, and emission analysis in Malaysian office buildings // Energy Policy. 2009. Vol. 37 (10). P. 4104–4113.Saidur R. Energy consumption, energy savings, and emission analysis in Malaysian office buildings. Energy Policy. 2009. Vol. 37 (10). P. 4104–4113. (In Engl.).Spyropoulos G. N., Balaras C. A. Energy consumption and the potential of energy savings in Hellenic office buildings used as bank branches – a case study // Energy and Buildings. 2011. Vol. 43 (4). P. 770–778. DOI: 10.1016/j.enbuild.2010.12.015.Spyropoulos G. N., Balaras C. A. Energy consumption and the potential of energy savings in Hellenic office buildings used as bank branches — a case study. Energy and Buildings. 2011. Vol. 43 (4). P. 770–778. DOI: 10.1016/j.enbuild.2010.12.015. (In Engl.).Norris M., Shiels P. Regular national report on housing developments in European countries — synthesis report. Dublin: The Housing Unit, 2004.Norris M., Shiels P. Regular national report on housing developments in European countries — synthesis report. Dublin: The Housing Unit, 2004. (In Engl.).Roberts S. Altering existing buildings in the UK // Energy Policy. 2008. Vol. 36 (12). P. 4482–4486. DOI: 10.1016/j.enpol.2008.09.023.Roberts S. Altering existing buildings in the UK. Energy Policy. 2008. Vol. 36 (12). P. 4482–4486. DOI: 10.1016/j.enpol.2008.09.023. (In Engl.).Energy Efficiency Directive (2012/27/EU). URL: http://ec.europa.eu/energy/en/topics/energy-efficiency/energyefficiency-directive. (дата обращения: 12.04.2024).Energy Efficiency Directive (2012/27/EU). URL: http://ec.europa.eu/energy/en/topics/energy-efficiency/energy-efficiency-directive. (accessed: 12.04.2024). (In Engl.).Самарин О. Д. Энергетический баланс гражданских зданий и возможные направления энергосбережения // Жи­лищное строительство. 2012. № 8. С. 2–4. EDN: PEZFXR.Samarin O. D. Energeticheskiy balans grazhdanskikh zdaniy i vozmozhnyye napravleniya energosberezheniya [Energy balance of civil buildings and possible directions of energy saving]. Zhilishchnoye stroitel′stvo. Housing Construction. 2012. No. 8. P. 2–4. EDN: PEZFXR. (In Russ.).Кокорин О. Я. Современные системы кондициониро­вания. Москва: Изд-во физико-математической литературы. 2003. 272 с.Kokorin O. Ya. Sovremennyye sistemy konditsionirovaniya [Modern air conditioning systems]. Moscow, 2003. 272 p. (In Russ.).Наумов А. Л., Серов С. Ф., Будза А. О. Квартирные утилизаторы теплоты вытяжного воздуха // ABOK. 2012. № 1. URL: abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5155 (дата обращения: 28.11.2024).Naumov A. L., Serov S. F., Budza A. O. Kvartirnyye utilizatory teploty vytyazhnogo vozdukha [Apartment exhaust air heat recovery units]. ABOK. 2012. No. 1. URL: abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5155 (accessed: 28.11.2024). (In Russ.).Бродач М. М., Шилкин Н. В. Малоэтажные многоквар­тирные жилые здания как новая среда обитания // Энергосбережение. 2020. № 5. С. 4–6. EDN: TPHXQT.Brodach M. M., Shilkin N. V. Maloetazhnyye mnogokvartirnyye zhilyye zdaniya kak novaya sreda obitaniya [Low-rise multi-apartment residential buildings as a new living environment]. Energosberezheniye. Energy Saving. 2020. No. 5. P. 4–6. EDN: TPHXQT. (In Russ.).Muraveinikov S. S., Sulin A., Baranov I., Nikitin A. Average annual efficiency evaluation in the design of life support systems // AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2141 (1). 030019. DOI: 10.1063/1.5122069.Muraveinikov S. S., Sulin A., Baranov I., Nikitin A. Average annual efficiency evaluation in the design of life support systems. AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2141 (1). 030019. DOI: 10.1063/1.5122069. (In Engl.).Tsvetkov O. B., Laptev Yu., Nikitin A. [et al.]. Energy and environment options of working fluid alternative for different refrigeration configurations // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 826 (1). 012017. DOI: 10.1088/1757-899X/826/1/012017.Tsvetkov O. B., Laptev Yu., Nikitin A. [et al.]. Energy and environment options of working fluid alternative for different refrigeration configurations. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 826 (1). 012017. DOI: 10.1088/1757-899X/826/1/012017. (In Engl.).Handayani T., Harvey A., Dalton R. [et al.]. Selection of the Optimum Working Fluids in Organic Rankine Cycles Using TOPSIS // Chemical Engineering Transaction. 2012. Vol. 29. P. 139–144. DOI: 10.3303/CET1229024.Handayani T., Harvey A., Dalton R. [et al.]. Selection of the Optimum Working Fluids in Organic Rankine Cycles Using TOPSIS. Chemical Engineering Transaction. 2012. Vol. 29. P. 139–144. DOI: 10.3303/CET1229024. (In Engl.).Deymi-Dashtebayaz M., Sulin A. B., Ryabova T., Sankina Yu. Energy, exergoeconomic and environmental optimization of a cascade refrigeration system using different low GWP refrigerants // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. Vol. 9. 106473. DOI: 10.1016/j.jece.2021.106473.Deymi-Dashtebayaz M., Sulin A. B., Ryabova T., Sankina Yu. Energy, exergoeconomic and environmental optimization of a cascade refrigeration system using different low GWP refrigerants. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. Vol. 9. 106473. DOI: 10.1016/j.jece.2021.106473. (In Engl.).Hwang C. L., Yoon K. Methods for multiple attribute decision making // Lecture Notes in Economics and Mathematical Systems. 1981. P. 58–191. DOI: 10.1007/978-3-642-48318-9_3.Hwang C. L., Yoon K. Methods for multiple attribute decision making. Lecture Notes in Economics and Mathematical Systems. 1981. P. 58–191. DOI: 10.1007/978-3-642-48318-9_3. (In Engl.).Hwang C. L., Lai Y. J., Liu T. Y. A new approach for multiple objective decision making // Computers & Operations Research. 1993. Vol. 20, №. 8. P. 889–899. DOI: 10.1016/0305-0548(93)90109-V.Hwang C. L., Lai Y. J., Liu T. Y. A new approach for multiple objective decision making. Computers & Operations Research. 1993. Vol. 20, no. 8. P. 889–899. DOI: 10.1016/0305-0548(93)90109-V. (In Engl.).Yoon K. P., Hwang C. L. Multiple attribute decision making: an introduction. Thousand Oaks, CA: Sage, 1995. 73 p. ISBN 0-8039-5486-7.Yoon K. P., Hwang C. L. Multiple attribute decision making: an introduction. Thousand Oaks, CA: Sage, 1995. 73 p. ISBN 0-8039-5486-7. (In Engl.).Tzeng G. H., Huang J. J. Multiple attribute decision making: methods and applications. CRC Press, 2011. 352 p. DOI: 10.1201/b11032.Tzeng G. H., Huang J. J. Multiple attribute decision making: methods and applications. CRC Press, 2011. 352 p. DOI: 10.1201/b11032. (In Engl.).Xu J., Tao Z. Rough multiple objective decision making. CRC Press, 2011. 446 p. DOI: 10.1201/b11061.Xu J., Tao Z. Rough multiple objective decision making. CRC Press, 2011. 446 p. DOI: 10.1201/b11061. (In Engl.).Linkov I., Moberg E. Multi-criteria Decision Analysis: Environmental Applications and Case Studies. CRC Press, 2012. 204 p. DOI: 10.1201/b11471.Linkov I., Moberg E. Multi-criteria decision analysis: environmental applications and case studies. CRC Press, 2012. 204 p. DOI: 10.1201/b11471. (In Engl.).Gore C., Murray K., Richardson B. Strategic Decisionmaking. USA: Cassell Press, 1992. 242 p.Gore C., Murray K., Richardson B. Strategic decisionmaking. USA: Cassell Press, 1992. 242 p. (In Engl.).Nasouri M., Nabi R., Amiri M. [et al.]. Performancebased Pareto optimization and multi-attribute decision making of an actual indirect-expansion solar-assisted heat pump system // Journal of Building Engineering. 2021. Vol. 42 (5). 103053. DOI: 10.1016/j.jobe.2021.103053.Nasouri M., Nabi R., Amiri M. [et al.]. Performancebased Pareto optimization and multi-attribute decision making of an actual indirect-expansion solar-assisted heat pump system. Journal of Building Engineering. 2021. Vol. 42 (5). 103053. DOI: 10.1016/j.jobe.2021.103053. (In Engl.).Nagar D., Ramu P., Deb K. Visualization and analysis of Pareto-optimal fronts using interpretable self-organizing map (iSOM) // Swarm and Evolutionary Computation. 2023. Vol. 76 (4). 101202. DOI: 10.1016/j.swevo.2022.101202.Nagar D., Ramu P., Deb K. Visualization and analysis of Pareto-optimal fronts using interpretable self-organizing map (iSOM). Swarm and Evolutionary Computation. 2023. Vol. 76 (4). 101202. DOI: 10.1016/j.swevo.2022.101202. (In Engl.).Никитина В. А., Сулин А. Б., Муравейников С. С., Никитин А. А., Макатов К. Энергомоделирование и экспери­ментальная верификация режимов работы теплового насоса при утилизации теплоты вытяжного воздуха. Часть 1. Схем­ные решения и расчетная модель // Вестник Международной академии холода. 2023. № 4 (89). C. 3–10. DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-4-3-10. EDN: GMEVFC.Nikitina V. A., Sulin A. B., Muraveynikov S. S., Nikitin A. A., Makatov K. Energomodelirovaniye i eksperimental′naya verifikatsiya rezhimov raboty teplovogo nasosa pri utilizatsii teploty vytyazhnogo vozdukha. Chast′ 1. Skhemnyye resheniya i raschetnaya model′ [Energy modeling and experimental validation of heat pump operating modes in exhaust air heat recovery. Part 1. Design and analysis model]. Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2023. No. 4 (89). P. 3–10. DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-4-3-10. EDN: GMEVFC. (In Russ.).Никитина В. А., Сулин А. Б., Муравейников С. С., Ни­китин А. А., Макатов К. Энергомоделирование и эксперимен­тальная верификация режимов работы теплового насоса при утилизации теплоты вытяжного воздуха. Часть 2. Энергетиче­ские, экономические и экологические показатели // Вестник Международной академии холода. 2024. № 1 (90). С. 43–49. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-1-43-49. EDN: OJAWOM.Nikitina V. A., Sulin A. B., Muraveynikov S. S., Nikitin A. A., Makatov K. Energomodelirovaniye i eksperimental′naya verifikatsiya rezhimov raboty teplovogo nasosa pri utilizatsii teploty vytyazhnogo vozdukha. Chast′ 2. Energeticheskiye, ekonomicheskiye i ekologicheskiye pokazateli [Energy modeling and experimental validation of heat pump operating modes in exhaust air heat recovery. Part 2. Energy, economic and environmental indicators]. Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2024. No. 1 (90). P. 43–49. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-1-43-49. EDN: OJAWOM. (In Russ.).Ливчак В. И. Градусо-сутки отопительного периода как инструмент сравнения уровня энергоэффективности зда­ний в России и в других странах // Энергосбережение. 2015. № 6. С. 20–25.Livchak V. I. Graduso-sutki otopitel′nogo perioda kak instrument sravneniya urovnya energoeffektivnosti zdaniy v Rossii i v drugikh stranakh [Degree-days of the heating period as a tool for comparing the level of energy efficiency of buildings in Russia and in other countries]. Energosberezheniye. Energy Saving. 2015. No. 6. P. 20–25. (In Russ.).Расчет ГСОП онлайн. URL: https://lsk-lskos.ru/gsop (дата обращения: 11.12.2024).Raschet GSOP onlayn [Calculation of GSOP online]. URL: https://lsk-lskos.ru/gsop (accessed: 11.12.2024). (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.