Разработка цифровых инструментов для расчета энергопотребления жилых зданий: отопление и горячее водоснабжение

Цель. Целью исследования является создание программных средств, обеспечивающих достоверное и устойчиво воспроизводимое определение тепловых нагрузок и годовых затрат тепловой энергии с учетом совокупного влияния климатических, строительных и эксплуатационных условий.

Метод. Методологической основой исследования является структурирование вычислительного процесса в виде последовательных функциональных блоков, реализующих алгоритмы расчета тепловых нагрузок и годового энергопотребления. Исходными данными являются строительные характеристики зданий, численность жителей, а также климатические и эксплуатационные параметры.

Результат. Разработаны два программных модуля для расчета энергопотребления систем отопления и горячего водоснабжения. Новизной исследования являются разработка концепции специализированного программного обеспечения, предназначенного для реализации алгоритмов вычисления тепловых нагрузок и годового энергопотребления, а также создание метода автоматизированного расчета параметров систем отопления и горячего водоснабжения с применением укрупненных расчетных показателей. Тестирование программ подтвердило корректность алгоритмов и применимость разработанных решений в инженерной практике. Представленные алгоритмы реализованы в программных модулях, апробированных на примерах гражданских зданий.

Вывод. Разработанные программы реализуют автоматизацию расчетов энергопотребления жилых зданий и позволяют учитывать ключевые климатические, строительные и эксплуатационные параметры. Представленные алгоритмы вычисляют максимальные и средние тепловые нагрузки, а также годовой расход энергии для систем отопления и горячего водоснабжения. Верификация программных модулей продемонстрировала высокую точность и устойчивость расчетных результатов. Проведенное исследование подтверждает значимость цифровых инструментов в сфере энергоэффективности и устойчивого развития жилой застройки.

1. Czock, Berit and Frings, Cordelia and Arnold, Fabian. Cost and cost distribution of policy-driven investments in decentralized heating systems in residential buildings in Germany. Energy and Buildings. 2024. 327. 115104. https://DOI:.org/10.1016/j.enbuild.2024.115104

2. Borovkov, A.I., Vafaeva, Kh.M., Vatin, N.I., Ponyaeva, I. Synergistic Integration of Digital Twins and Neural Networks for Advancing Optimization in the Construction Industry: A Comprehensive Review // Construction Materials and Products. 2024. Vol. 7. No. 4. https://DOI:.org/10.58224/2618-7183-2024-7-4-7

3. Вафаева, Х.М., Гаевская, З.А. Алгоритмы оптимизации и их применение в информационном моделировании объектов культурного наследия // Инновации и инвестиции. 2021. № 12. С. 175-179. https://DOI:.org/10.13140/RG.2.2.20715.92965

4. Arif, Rashique and Singh, Abhay and Kumar, Alok. Implementation of optimization techniques for reducing the building energy consumption of a residential building. Engineering Research Express. 2025. 7. https://DOI:.org/10.1088/26318695/ade5ec

5. Felez, Ricardo and Félez, Jesús. Advanced Energy Management for Residential Buildings Optimizing Costs and Efficiency Through Thermal Energy Storage and Predictive Control. Applied Sciences. 2025. 15. 880. https://DOI:.org/10.3390/app15020880

6. Liu, Yongchun and Liu, Qingrong and Liang, Qingqing and Ruan, Yingjun and Qian, Fanyue and Xu, Tingting and Meng, Hua and Yao, Yuting. Comparison of the energy flexibility potential of different heating ends in residential buildings. Journal of Physics: Conference Series. 2025. 2993. 012012. https://DOI:.org/10.1088/1742-6596/2993/1/012012

7. Олейников, А.А., Тимофеева, К.Н. Система контроля расхода тепловой энергии в контуре горячего водоснабжения в составе системы управления умным домом. Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2024; 51(1): 206-214. https://DOI:.org/10.21822/2073-6185-2024-51-1-206-214

8. Рафальская, Т.А. Обоснование применения центрального регулирования по совмещенной нагрузке отопления и горячего водоснабжения в условиях низкотемпературного теплоснабжения // Известия вузов. Строительство. 2025. № 5 (797). С. 116-130. https://DOI:.org/10.32683/0536-1052-2025-797-5-116-130

9. Карпов, Д.Ф., Павлов, М.В., Абрамова, Е.В., Разумнова, Е.А. Алгоритмизация и программная реализация подбора параметров работы насосного оборудования в системах водяного отопления жилых зданий. Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2025;52(3):199-211. https://DOI:.org/10.21822/2073-6185-2025-52-3-199-211

10. Vaisi, S., Ahmadi, N., Shirzadi, A., Bahrami, B., Shahabi, H., Mahdavinejad, M.: A comparison between different machine learning techniques for predicting heating energy consumption for residential buildings in a cold climate. Energy Efficiency. 18, 85 (2025). https://DOI:.org/10.1007/s12053-025-10379-1

11. Тальха, И. Анализ энергетического баланса и моделирование системы отопления для жилого дома. Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. 2025;52(2):220-226. https://DOI:.org/10.21822/2073-6185-2025-52-2-220-226

12. Diachenko, Serhii. Reconstruction of the heating system as an element of thermal modernization of old multi-story residential buildings. Technical sciences and technologies. 2025. 502-509. https://DOI:.org/10.25140/2411-5363-20252(40)-502-509

13. Kaymaz, Egemen and Sezer, Filiz. A Multi-Variable Analysis for Heating Energy Performance and Thermal Comfort in Residential Buildings. Athens Journal of Technology and Engineering. 2025. 22. 1-22. https://DOI:.org/10.30958/ajte.X-Y-Z

14. Polyvianchuk, Andrii and Gritsuk, Igor and Polyvianchuk, Natalia and Yefimov, Oleksii and Romanenko, Sergiy and Kapustenko, P. and Arsenyeva, Olga. Optimized step-by-step modernization of residential heating systems: a multiperiod investment strategy for energy efficiency and cost reduction. Thermal Science and Engineering Progress. 2025. 64. 103799. https://DOI:.org/10.1016/j.tsep.2025.103799

15. Dorca, Alexandru and Sarbu, Ioan. Thermal protection impact assessment of a residential house on the energy efficiency of the air-source heat pump radiant floor heating system. Thermal Science and Engineering Progress. 2025. 67. 104059. https://DOI:.org/10.1016/j.tsep.2025.104059

16. Taradai, O and Bugai, Volodymyr and Gvozdetskii, O and Burda, Y and Diachenko, S. Modern Heating Systems for Multi-Story Residential Buildings. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2024. 1376. 012046. https://DOI:.org/10.1088/1755-1315/1376/1/012046

17. Zhang, Zhizheng and Hua, Yunfeng and Peng, Na and Liu, Kailong. Research on Energy-Saving Transformation of Rural Residential Building Envelope Structures and Heating Modes in Northeast China. Energies. 2024. 17. 5195. https://DOI:.org/10.3390/en17205195

18. Rahgozar, Saeed and Ahmadpour, Mohammad and Dehghan, Maziar and Haghgou, Hamidreza and Pourrajabian Shahrbabak, Abolfazl. Evaluation of retrofit strategies to improve energy efficiency and winter thermal comfort of an existing residential apartment. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2025. 150. https://DOI:.org/10.1007/s10973025-14352-z

19. Nakhodov, V. and Shovkaliuk, M. and Mykyta, Yevhenii. Analysis of approaches to determining the quantity of thermal energy for the needs of hot water supply in the energy certification of buildings. Power engineering: economics, technique, ecology. 2023. https://DOI:.org/10.20535/1813-5420.3.2022.270242

20. Kushka, Oleksandr and Liubenko, Volodymyr and Nechypor, Oksana and Petryk, Uliana. Determination of the circulation flow rate in the calculation of internal hot water supply networks. Problems of Water supply, Sewerage and Hydraulic. 2023. 40-46. https://DOI:.org/10.32347/2524-0021.2023.44.40-46

21. Li, Xianting and Wu, Wei and Yu, Chuck. Energy demand for hot water supply for indoor environments: Problems and perspectives. Indoor and Built Environment. 2014. 24. 5-10. https://DOI:.org/10.1177/1420326X14564285

22. Rubina, Aleš and Uher, Pavel and Vrána, Jakub and Znebejánek, Jiří and Salajka, Radek and Mostek, Jan and Cakl, Dominik and Varbanov, Petar. Monitoring of fresh water consumption and energy needs for hot tap water heating in residential buildings. Thermal Science and Engineering Progress. 2024. 51. 102639. https://DOI:.org/10.1016/j.tsep.2024.102639

23. Balan, Mircea and Sandu, Mihnea and Bode, Florin. In-building direct wastewater heat recovery solutions for enhancing thermal efficiency in domestic hot water systems. E3S Web of Conferences. 2025. 608. https://DOI:.org/10.1051/e3sconf/202560801015

24. Maltais, Louis-Gabriel and Gosselin, Louis. Predictability analysis of domestic hot water consumption with neural networks: From single units to large residential buildings. Energy. 2021. 229. 120658. https://DOI:.org/10.1016/j.energy.2021.120658

25. Glamazdin, P. and Chepurna, Nataliia and Koziachyna, Bohdan. The selection of a methodology for calculating the heat load of hot water supply systems for facilities with significant uneven consumption. Ventilation, Illumination and Heat Gas Supply. 2023. 44. 39-48. https://DOI:.org/10.32347/2409-2606.2023.44.39-48

26. Canale, Laura and Cholewa, Tomasz and Ficco, G. and Siuta-Olcha, A. and Pietra, B. and Kołodziej, P. and Dell’Isola, Marco. The role of individual metering in reducing domestic hot water consumption in residential buildings: A long-term evaluation. Journal of Building Engineering. 2023. 73. 106734. https://DOI:.org/10.1016/j.jobe.2023.106734

27. Чакин, Е.Ю., Гамаюнова, О.С. Методика выбора энергоэффективных теплоизоляционных материалов с помощью среды визуального программирования Dynamo // Известия Юго-Западного государственного университета. 2024. Т. 28. No. 3. С. 50-68. https://DOI:.org/10.21869/2223-1560-2024-28-3-50-68

28. Фролова, А.А., Лухменев, П.И. Расчет уровня энергетически целесообразной теплозащиты // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. Вып. 1. С. 82-90. https://DOI:.org/10.22227/1997-0935.2023.1.82-90

29. Khmel, Ekaterina and Hurynovich, Anatoly and Holubava, Volha and Romanovski, Valentin. Organizational Models for Managing the Operation of Water Supply Facilities of the Agro-Industrial Complex. World Water Policy. 2025. 11. 735750. https://DOI:.org/10.1002/wwp2.70012

30. Kapanski, Aliaksei and Hruntovich, Nadzeya and Klyuev, Roman and Brigida, Vladimir. Identification of Easily Accessible Urban Water Consumption Factors for Energy-Efficient Management of Pumping Stations. Water Conservation Science and Engineering. 2025. 10. https://DOI:.org/10.1007/s41101-025-00372-1

31. Нуриев, М.Г., Кремлева, Э.Ш., Пикулева, Н.И., Хафизова, А.Ш. Разработка системы управления умным домом на базе Home Assistant и Zigbee // Международный научно-исследовательский журнал. 2025. № 7 (157). https://DOI:.org/10.60797/IRJ.2025.157.11

32. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2021614736. Программа для расчета расходов тепловой энергии на нужды отопления жилого здания: № 2021613736: заявл. 24.03.2021: опубл. 29.03.2021. Бюл. № 4 / М.В. Павлов, Д.Ф. Карпов, С.В. Клопов, В.А. Писаренко, В.П. Березина; правообладатель ВоГУ. https://DOI:.org/10.13140/RG.2.2.10808.15364

33. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2021665902. Программа для расчета расходов тепловой энергии на нужды горячего водоснабжения жилого здания: № 2021665271: заявл. 05.10.2021: опубл. 05.10.2021. Бюл. № 10 / М.В. Павлов, Д.Ф. Карпов, С.В. Клопов, В.А. Писаренко, В.П. Жукова; правообладатель ВоГУ. https://DOI:.org/10.13140/RG.2.2.17519.04009