 |
Optimal production and distribution of hot water from renewable heat resources
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
131895 |
| Type |
FK |
| Principal investigator |
Kicsiny, Richárd |
| Title in Hungarian |
Megújuló hőforrásokból származó melegvíz optimális előállítása és elosztása |
| Title in English |
Optimal production and distribution of hot water from renewable heat resources |
| Keywords in Hungarian |
Napkollektoros rendszer, Termálvíz, Matematikai modellezés, Optimalizálás, Játékelmélet |
| Keywords in English |
Solar heating system, Thermal water, Mathematical modelling, Optimization, Game theory |
| Discipline |
| Operational Research (Council of Physical Sciences) | 34 % | | Ortelius classification: Operations research | | Water Management (Council of Physical Sciences) | 33 % | | Ortelius classification: Rational and efficient use of water | | Power Engineering (Council of Physical Sciences) | 33 % | | Ortelius classification: Solar heating and cooling |
|
| Panel |
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences |
| Department or equivalent |
Matematika és Természettudományi Alapok Intézet (Hungarian University of Agriculture and Life Sciences) |
| Participants |
Géczi, Gábor
Sebestyén, Zoltán
Székely, László
Varga, Zoltán
|
| Starting date |
2019-12-01 |
| Closing date |
2023-05-31 |
| Funding (in million HUF) |
30.000 |
| FTE (full time equivalent) |
5.27 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A napkollektoros rendszerekből (NR-ekből) kilépő, fogyasztókat ellátó használati melegvíz (HMV) hőmérsékletének időbeli változását kívánjuk differenciálegyenletekkel (DE-ekkel) modellezni. Az egyenleteket, ha lehet, analitikusan megoldjuk. Az így várható explicit megoldások nagyrészt hiányoznak az irodalomból, noha gyakorlati hasznosíthatóságuk jelentős. Az explicit formában adott kilépő hőmérséklet könnyen felhasználható lesz NR-ek működésének kis számításigényű, de pontos predikciójára, járulékos szoftverek nélkül (amelyek a szokásos modellek esetén elkerülhetetlenek), továbbá, új, szintén explicit formájú irányítások kidolgozására. A zárt alakban nem felírható megoldással rendelkező modellekre a DE-ek kvalitatív elméletének eszközeit alkalmazzuk a megoldások jellemzésére, majd az így kapott eredmények gyakorlati vonatkozásait is tárgyaljuk.
Többfogyasztós NR-ekkel előállított HMV-et, ill. termálvíz-készleteket kívánunk optimális, ill. játékelméleti szempontból egyensúlyi módon elosztani a különböző fogyasztók között olyan, a gyakorlat számára fontos, feltételek esetén, amelyekre még hiányzik a megoldás.
A munkánkban létrehozott kísérleti NR-ek használhatók lesznek további mérések végzésére, a felfedezéseink pedig további kutatási irányokat fognak mutatni a tudományos kutatóképzésnek. Játékelméleti megközelítésünk a NR-ek területén úttörőnek nevezhető, így, várhatóan, számos új kutatási munkát fog indukálni.
A kutatásba egy külföldi kutatócsoportot is bevonunk, akik szolgáltatni tudnak olyan termálvíz-fogyasztókra vonatkozó működési adatokat, amelyeket fel tudunk használni az általunk kidolgozott játékelméleti modellek és megoldásaik gyakorlati interpretációihoz.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A DE-ek a legelterjedtebb modellek a NR-ek matematikai modellezésének területén, azonban az analitikusan megoldható DE-ek még nagyrészt hiányoznak a szakirodalomból, noha gyakorlati hasznosíthatóságuk jelentős. Különböző NR-típusokra kívánunk DE-eket felírni és analitikusan megoldani. Ezzel a NR-ek kilépő hőmérsékletének közvetlen, explicit formában történő megadását célozzuk meg. Olyan NR-eket leíró DE-ekre, amelyek explicit alakban nem oldhatók meg, a DE-ek terén ismert eszközöket (stabilitáselmélet, periodikus pályák vizsgálata, bifurkációanalízis, stb.) alkalmazunk, hogy a megoldások viselkedését megismerjük, majd az így kapott eredményeket az NR-ek működésére interpretáljuk. Kísérleti NR-eket is kívánunk összeállítani, amelyekkel a matematikai modelljeink pontosságát ellenőrizhetjük.
A többfogyasztós NR-ek használata a fogyasztók közötti konfliktushelyzettel jár, hiszen többen versengnek ugyanazon erőforrásért, a NR-ek által termelt HMV-ért. Az ilyen problémák hatékony megoldására alkalmazhatók a játékelmélet eszközei. Célunk a gyakorlati szempontból jelentős, még meg nem oldott szituációk játékelméleti megoldása kooperatív, ill. nem kooperatív egyensúlyok meghatározásával.
A termálvíz többfogyasztós használata a fogyasztók közötti konfliktushelyzettel jár, hiszen többen versengnek ugyanazon erőforrásért. Az ilyen problémák hatékony megoldására alkalmazhatók a játékelmélet eszközei. Célunk a gyakorlati szempontból jelentős, még meg nem oldott szituációk játékelméleti megoldása kooperatív, ill. nem kooperatív egyensúlyok meghatározásával úgy, hogy közben a vízkészletek megújulására, pótlódására szükséges időt és körülményeket is biztosítsuk.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Különböző típusú NR-ekre, mérési adatokkal validált, DE-eket írunk fel, amelyekre, ha lehet, új analitikus megoldást adunk. Az így, explicit formában nyert kilépő hőmérséklet könnyen felhasználható lesz NR-ek működésének kis számításigényű, de pontos predikciójára, járulékos eszközök (szoftverek) nélkül, továbbá, új, szintén explicit formában adott, irányítások kidolgozására. A szokásos, analitikus megoldással nem rendelkező, modellek alkalmazása numerikus számításokkal szokott történni, ami jóval nagyobb számításigénnyel jár és járulékos eszközök (szoftverek) meglétét is megköveteli a felhasználók részéről. Az explicit megoldással nem rendelkező egyenletek esetében, a szimulációk mellett, is tudunk elméleti és a NR-ek működésével kapcsolatos új gyakorlati jelentőségű eredményeket elérni. A mobil konténerrel szállítható kísérleti NR-ek alkalmasak lesznek arra, hogy mérésekkel is felmérhessük ugyanazon NR-eknek különböző földrajzi helyeken történő alkalmazhatóságát.
Többfogyasztós NR-eken fellépő, gyakorlati szempontból jelentős, még megoldásra váró konfliktushelyzeteket modellezünk és oldunk meg, játékelméleti módszerekkel. Az eredmények hozzá fognak járulni a potenciálisan többfogyasztós létesítmények (pl. többlakásos lakóépületek) NR-ekkel való ellátásához, nemcsak környezetvédelmi, hanem gazdaságossági szempontból is, hatékony módon. Ez igen fontos terület, ugyanis, környezetvédelmi jelentőségük ellenére, még igen ritka a NR-ek alkalmazása az ilyen jellegű létesítményeknél, valószínűleg éppen a közös használatból eredő konfliktushelyzetek miatt.
Többfogyasztós, gyakorlati szempontból jelentős, még megoldásra váró, termálvizekhez kapcsolódó, konfliktushelyzeteket modellezünk és oldunk meg, játékelméleti módszerekkel. Az eredmények hozzá fognak járulni több fogyasztó (pl. fürdőhelyek) termálvízzel való ellátásához, nemcsak környezetvédelmi, hanem gazdaságossági szempontból is, hatékony módon úgy, hogy közben a vízkészletek megújulására, pótlódására szükséges időt és körülményeket is biztosítjuk. Ez igen fontos terület, hiszen vízkészleteink veszélyeztetettsége közismert, így kulcsfontosságú, hogy csak úgy használjuk fel azokat, hogy közben a hosszú távú mennyiségi és minőségi megőrzésükről is gondoskodjunk.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Használati melegvíz (HMV) előállítására szolgáló napkollektoros rendszereket (NR-eket) kívánunk matematikailag leírni (modellezni). A rendszerből kilépő, fogyasztókat ellátó, folyadék hőmérsékletét közvetlen, ún. explicit formában kívánjuk kifejezni, ha lehet. Ez olyan képlet megadását jelenti, amelybe a megfelelő működési jellemzők (hőmérsékletek, térfogatáramok) értékét behelyettesítve, a kilépő hőmérséklet értéke, mint az idő függvénye, közvetlenül kiadódik. Így az eredményeink alkalmazásához nem kellenek járulékos eszközök (szimulációs szoftverek), mint egyéb matematikai modelleknél. Ez lehetővé teszi a felhasználók számára a NR-ek működésének gyors, kis számításigényű előrejelzését, további kutatási irányként pedig majd hasonlóan könnyen alkalmazható irányítások kidolgozását. Olyan NR-ek működését leíró modellekkel is foglalkozunk, amelyek nem oldhatók meg közvetlenül, de, megfelelő matematikai eszközökkel, mégis tudunk a gyakorlat szempontjából fontos következtetéseket levonni rájuk vonatkozóan. Kísérleti NR-eket is kívánunk összeállítani a modelljeink pontosságának ellenőrzésére.
Többfogyasztós NR-ekkel előállított HMV-et, ill. korlátos termálvíz-készleteket kívánunk optimális, ill. játékelméleti szempontból egyensúlyi módon elosztani különböző fogyasztók között úgy, hogy a felhasználók, vízfogyasztásából eredő (társadalmi, gazdasági), hasznának egyidejű maximalizálása mellett, a vízkészletek megújulására, pótlódására szükséges időt és körülményeket is biztosítsuk olyan, a gyakorlat számára fontos, feltételek esetén, amelyekre még nincs megoldás. Játékelméleti megközelítésünk a NR-ek területén úttörőnek nevezhető, így az számos új kutatási munkát indukálhat.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
As a part of our research, we would like to model the temperature of domestic hot water (DHW) generated by solar heating systems (SHSs), as a function of time, with the aid of differential equations (DEs). We will analytically solve the equations if possible. The expectable explicit solutions are mostly missing in the literature, although they have important potential practical applications. The explicitly given outlet temperature can be applied easily to predict precisely the operation of SHSs with low computational demand and without any additional software tools (which are unavoidable for the usual models), furthermore, to work out new control methods, also in explicit form. For the models without closed form solutions, we will use the qualitative theory of DEs to characterize the solutions then we will discuss the practical concerns of the gained results.
We would like to distribute DHW produced by SHSs, and thermal water resources, among several consumers in an optimal or game-theoretically equilibrated way, for practically important but not yet solved situations.
We will install experimental SHSs, which can be used for further measurements. Our findings will show further research directions for the training of new researchers. Our game theoretical approach seems to be a pioneering one with respect to SHSs, so it will probably induce several new research works.
A foreign research group will be also involved in our project, who can supply us with such operation data, with respect to thermal water consumers, that we will be able to apply in the practical interpretation of our game theoretical models and solutions.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
DEs are the most widespread mathematical models in the field of SHSs. The analytically solvable DEs are mostly missing in the literature, although they have important potential practical applications. We plan to propose DEs for different SHSs and solve them analytically. Such, we aim at giving the outlet temperature of SHSs in a closed, explicit form. For DEs without explicit solutions, we will use qualitative tools of DEs (examining stability, periodic sets, bifurcation, etc.) to characterize the solutions then we will interpret the gained results, practically. We also plan to set up experimental SHSs to check the accuracy of our models.
Using SHSs by several consumers involves conflict among the consumers, since more users compete for the same resource, that is, the produced DHW. The tools of game theory can be used effectively for the solution of such problems. Our aim is to give game-theoretical solutions, in the form of non-cooperative and cooperative equilibria, for practically important but not yet solved situations.
Using thermal water resources by several consumers involves conflict among the consumers, since more users compete for the same resource. The tools of game theory can be used effectively for the solution of such problems. Our aim is to give game-theoretical solutions, in the form of non-cooperative and cooperative equilibria, for practically important but not yet solved situations, in such a way that the circumstances and time necessary for the renewal of the water resources are also guaranteed.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
For different types of SHSs, we will propose DEs, validated with measured data, for which, new analytic solutions will be given, if possible. The such explicitly given outlet temperature can be applied easily to predict precisely the operation of SHSs with low computational demand and without any additional (software) tools, and, to work out new control methods, also in explicit form. The usual models without analytical solution can be applied generally with numerical calculations, which mean significantly higher computational demand and additional (software) tools on the user’s part. Also for the models with no explicit solutions, we will be able to gain theoretically and practically important results related to the operation of SHSs. By means of the experimental SHSs, which can be transported with the mobile container, we can investigate the applicability of the same SHSs at different geographical locations, based on measured data.
Conflict situations, with high practical importance, related to SHSs used by several consumers, still waiting for solutions will be modelled and solved, in terms of game-theoretical methods. The gained results will contribute to supply different buildings with potentially more consumers (e.g. blocks of flats) with SHSs in an effective way, both economically and in view of environmental protection. This is very important, since, despite of their significance in view of environmental protection, the application of SHSs is still rather rare at such buildings, probably, just because of the conflicts derived from the common use.
Conflict situations, with high practical importance, related to thermal water use by several consumers, still waiting for solutions will be modelled and solved, in terms of game-theoretical methods. The gained results will contribute to supply more consumers (e.g. spas) with thermal water in an effective way, both economically and in view of environmental protection, such that the circumstances and time necessary for the renewal of the water resources are guaranteed as well. This is very important, since the future of our water resources is at stake, so it is a crucial task for us to use them taking care of their quantitative and qualitative maintenance.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
We plan to describe mathematically (to model) solar heating systems (SHSs), which serve for producing domestic hot water (DHW). The temperature of the outlet fluid of the system, which supplies the consumers, is planned to be expressed in a so-called explicit form. This means such a formula that directly gives the value of the outlet temperature, as a function of time, after substituting the corresponding operation variables (temperatures, flow rates) into it. That is, no additional (simulation software) tools are needed to apply our results, in contrast to other mathematical models. This will make the users able to predict the operation of SHSs fast with low computational demand and, as a further research direction, to work out similarly easy-to-use controls. We will deal with such SHS models, which cannot be solved directly, nevertheless, we will be able to draw practically important conclusions concerning them, from the use of proper mathematical tools. We also plan to set up experimental SHSs to check the accuracy of our models.
We would like to distribute DHW produced by SHSs, and thermal water resources, among several consumers in an optimal or game-theoretically equilibrated way, for practically important but not yet solved situations. In case of thermal water use, our aim is to simultaneously maximize the (social-economic) utility from the consumption of thermal water, such that in the meanwhile the time and circumstances necessary for the renewal of water resources are guaranteed. Our game theoretical approach seems to be a pioneering one with respect to SHSs, so it will probably induce several new research works.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
