Математическое моделирование продолжительности и частоты водопотребления водоразборными устройствами жилого здания

Об авторах:

Поливанов Дмитрий Евгеньевич, аспирант кафедры информационных систем и технологий, Факультет инженерной экологии и городского хозяйства, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, Санкт-Петербург, Россия; dmitry_polivanov@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-4215-1208

Семенов Алексей Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры инфор­мацион­ных систем и технологий, Факультет инженерной экологии и городского хозяйства, Санкт-Петер­бургский государственный архитектурно-строительный университет, Санкт-Петер­бург, Россия; sw.semenov@gmail.com, https://orcid.org/0000-0001-9490-7364

Мовсесова Лия Витальевна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры информатики, Факультет инженерной экологии и городского хозяйства, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, Санкт-Петербург, Россия; movse@lan.spbgasu.ru, https://orcid.org/0000-0002-0776-0374

Аннотация:

Фактические режимы работы систем водоснабжения не могут быть достаточно подробно и точно охарактеризованы несколькими значениями, полученными в ходе выполнения расчетов по традиционным детерминированным методикам и моделям. Тем не менее задача получения исчерпывающих сведений о режимах функционирования систем водоснабжения может решаться с помощью имитационного моделирования, позволяющего детально анализировать изменчивость водопотребления во времени. При этом наиболее важными составляющими данного процесса, которые должны учитываться при моделировании, являются интенсивность, продолжительность и частота водопотребления.
В настоящей статье рассматриваются вопросы математического описания изменчивости продолжительности и частоты водопотребления наиболее распространенными типами водоразборных устройств (смесителями кухонной мойки и ванны / душевой кабины, унитазом со смывным бачком, стиральной и посудомоечной машинами), использующими воду из системы водоснабжения жилого здания.
Целью работы является оценка и обоснование теоретических законов распределения продолжительности водопотребления наиболее распространенными типами водоразборных устройств, а также частоты (вероятности) их использования в течение наиболее характерного периода водопотребления (сутки).
В работе представлены результаты исследования продолжительности и частоты водопотребления наиболее распространенными типами водоразборных устройств. Приведен анализ построенных по полученным статистическим данным гистограмм и графиков, а также оценок основных числовых характеристик. Выполнена оценка и обоснование теоретических законов распределения продолжительности и частоты (вероятности) водопотребления.
В результате выполненного исследования предложен вариант математического описания характера изменчивости продолжительности периодов непрерывного водопотребления наиболее распространенными типами водоразборных устройств, а также частоты (вероятности) их использования в течение суток.

Список литературы:

Волгин П. Н., Масленникова Т. Н. 2010. Определение теоретического закона распределения случайных величин, используемых в имитационной модели // Морская радиоэлектроника. № 3–4 (33–34). С. 74–78.

Игнатчик В. С., Саркисов С. В., Обвинцев В. А. 2017. Исследование коэффициентов часовой неравномерности водопотребления // Вода и экология: проблемы и решения. № 2 (70). С. 27–39.

Исаев В. Н., Мхитарян М. Г. 2003. Анализ методик определения расходов во внутреннем водопроводе // Сантехника. № 5. С. 6–11.

Карамбиров С. Н., Бекишева Л. Б. 2012. О некоторых статистических закономерностях водопотребления в системах водоснабжения // Природообустройство. № 4. С. 45–48.

Карамбиров С. Н., Уманский П. М., Бекишева Л. Б. 2012. Распределение гидравлических параметров в системе подачи и распределения воды при штатных и послеаварийных режимах работы // Природообустройство. № 4. С. 48–51.

Карамбиров С. Н., Манукьян Д. А., Бекишева Л. Б. 2013. Оценка надежности подачи воды системами водоснабжения // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. № 6. С. 63–65.

Колмогоров А. Н. 1986. Теория вероятностей и математическая статистика: сб. ст. / отв. ред. Ю. В. Прохоров. М.: Наука. 534 с.

Лемешко Б. Ю. 1998. Асимптотически оптимальное группирование наблюдений в критериях согласия // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Том 64. № 1. С. 56–64.

Лемешко Б. Ю., Лемешко С. Б., Семенова М. А. 2018. К вопросу статистического анализа больших данных // Вестник Томского государственного университета. Управление, вычислительная техника и информатика. № 44. С. 40–49. https://doi.org/10.17223/19988605/44/5

Николенко И. В., Рыжаков А. Н. 2019. Нелинейная модель оптимизации параметров силовых агрегатов насосной станции подкачки системы водоснабжения // Известия высших учебных заведений. Строительство. № 4 (724). С. 47–63.

Новицкий Н. Н., Вантеева О. В. 2008. Задачи и методы вероятностного моделирования гидравлических режимов трубопроводных систем // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. № 1 (53). С. 68–75.

Новицкий Н. Н., Вантеева О. В. 2011. Моделирование стохастики потокораспределения в гидравлических цепях // Известия Российской академии наук. Энергетика. № 2. С. 122–131.

Поливанов Д. Е., Семенов А. А. 2023а. Исследование режима отбора воды смесителем из системы водоснабжения // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. № 2 (64). С. 60–69.

Поливанов Д. Е., Семенов А. А. 2023б. BIM технологии с элементами программирования при анализе режимов работы внутренних сетей водоснабжения зданий // BIM-моделирование в задачах строительства и архитектуры: материалы VI Междунарю науч.-практ. конф. / под общ. ред. А. А. Семенова. СПб.: СПбГАСУ. С. 81–91.

Поливанов Д. Е., Семенов А. А. 2024. Интенсивность водопотребления в отдельных водоразборных точках системы внутреннего водоснабжения // Вестник МГСУ. Том 19. № 1. С. 94–104. https://doi.org/10.22227/1997-0935.2024.1.94-104

Сайриддинов С. Ш. 2020. Об особенностях расчета водопотребления при проектировании систем водоснабжения высотных зданий // Градостроительство и архитектура. Том 10. № 2 (39). С. 29–35. https://doi.org/10.17673/Vestnik.2020.02.5

Салугин А. Н., Балкушкин Р. Н. 2021. О применении искусственных нейронных сетей для моделирования водопотребления // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. № 1. С. 70–85. https://doi.org/10.35567/1999-4508-2021-1-5

СП 30.13330.2020. Внутренний водопровод и канализация зданий: свод правил от 30 декабря 2020 г. № 30.13330.2020. Минстрой России.

Чупин В. Р., Душин А. С. 2009. Оценка надежности водообеспечения эксплуатируемых систем подачи и распределения воды // Вестник Иркутского государственного технического университета. № 3 (39). С. 186–191.

Alvisi S., Franchini M., Marinelli A. 2003. A stochastic model for representing drinking water demand at residential level // Water Resources Management. Vol. 17. No. 3. Pp. 197–222. https://doi.org/10.1023/A:1024100518186

Blokker E. J. M., Vreeburg J. H. G. 2012. Monte Carlo simulation of residential water demand: A stochastic end-use model // Impacts of Global Climate Change. Pp. 1–12. https://doi.org/10.1061/40792(173)34

Buchberger S. G., Wu L. 1995. Model for instantaneous residential water demands // Journal of Hydraulic Engineering. Vol. 121. No. 3. Pp. 232–246.

Buchberger S. G., Wells G. J. 1996. Intensity, duration, and frequency of residential water demands // Journal of Water Resources Planning and Management. Vol. 122. No. 1. Pp. 11–19. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9496(1996)122:1(11)

Dempster A. P., Laird N. M., Rubin D. B. 1977. Maximum likelihood from incomplete data via the EM algorithm // Journal of the Royal Statistical Society. Series B (Methodological). Vol. 39. No. 1. Pp. 1–38.

García V. J., García-Bartual R., Cabrera E., Arregui F., García-Serra J. 2004. Stochastic model to evaluate residential water demands // Journal of Water Resources Planning and Management. Vol. 130. No. 5. Pp. 386–394. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9496(2004)130:5(386)

Mazzoni F., Alvisi S., Franchini M., Blokker M. 2023. Exploiting high-resolution data to investigate the characteristics of water consumption at the end-use level: A Dutch case study // Water Resources and Industry. Vol. 29. Article 100198. https://doi.org/10.1016/j.wri.2022.100198

Moughton L. J., Buchberger S. G., Boccelli D. L., Filion Y. R., Karney B. W. 2012. Effect of time step and data aggregation on cross correlation of residential demands // Water Distribution Systems Analysis Symposium 2006. Pp. 1–11. https://doi.org/10.1061/40941(247)42

Sturges H. A. 1926. The choice of a class interval // Journal of the American Statistical Association. Vol. 21. No. 153. Pp. 65–66. https://doi.org/10.1080/01621459.1926.10502161

Vertommen I., Magini R., da Conceição Cunha M., Guercio R. 2012. Water demand uncertainty: The scaling laws approach // Water Supply System Analysis / A. Ostfeld (ed.). Rijeka: IntechOpen. https://doi.org/10.5772/51542

Vertommen I., Magini R., da Conceição Cunha M. 2015. Scaling water consumption statistics // Journal of Water Resources Planning and Management. Vol. 141. No. 5. Article 04014072. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000467