Kiianchuk V. Modes of Electric Energy Consumption by Household Storage Water Heaters for Improving Energy Efficiency and Power System Balancing

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (PhD)

State registration number

0826U000912

Thesis Registration Form

0826U000912.pdf

Applicant for

Specialization

  • 141 - Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка

04-06-2026

Specialized Academic Board

PhD 12589

National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

Essay

The dissertation is devoted to solving a relevant scientific and technical problem — improving the efficiency of electricity consumption management through demand response, focusing on the development of methods and tools for optimizing consumption volumes and schedules to reduce peak loads and increase balancing resources of the power system. The object of research is the processes of electric energy consumption within the power system. The subject of research is the parameters of electricity consumption modes of household storage-type water heaters aimed at ensuring power balancing in the power system. The purpose of the work is to develop an integrated approach to selecting parameters of electricity consumption modes of household water heaters and their aggregated groups for power system balancing. Based on the research, the following scientific results were obtained: 1. The scientific and methodological provisions for managing electricity consumption of household storage water heaters have been further developed, taking into account techno-economic operating criteria for forming the schedule of service provision by an aggregator in the balancing electricity market of Ukraine, which improves the balancing efficiency of the Integrated Power System of Ukraine. 2. For the first time, the theoretically substantiated integrated parameters of ESWH operating modes and the parameters of the aggregator portfolio composition have been developed, distinguished by accounting for energy efficiency and user comfort, which enables determining the feasibility of involving ESWHs in demand response electricity consumption management. 3. For the first time, a method for determining Pareto-optimal temperature setpoints of ESWHs has been proposed, distinguished by accounting for water temperature stratification in the ESWH tank, which allows maintaining ESWH energy efficiency and consumer comfort. 4. The simulation model for controlling ESWH electricity consumption has been further developed by considering the spatiotemporal dynamics of thermal processes in ESWHs and behavioral characteristics of their use, which improves the efficiency of bid formation by the aggregator in the balancing electricity market. The practical significance of the obtained results for the electric power industry is as follows: 1. The influence of seasonal and climatic factors on ESWH operation as a demand response resource has been determined, and it has been established that the flexibility potential of electricity consumption may vary within ±70% relative to the average level. 2. The structure of the household ESWH stock in Ukraine has been assessed and their aggregated potential has been determined as approximately 3 GW of controllable load suitable for participation in demand response programs. 3. An experimental test facility based on Internet-of-Things technologies has been developed and implemented, providing high-frequency experimental data collection on ESWH operation for more than two years, and the experimental results have been published in open access for further research and practical application. 4. The architecture of the organizational and technical infrastructure of an aggregator has been further developed, distinguished by detailed consideration of interaction features with all electricity market participants, which enables large-scale involvement of household consumers with water heaters in electricity consumption management.

Read more

Research papers

1. Кіянчук В. М. Інтеграція побутових водонагрівачів у системи реагування на попит в енергетичній системі. / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Технічна електродинаміка. Київ: ІЕД НАН України, 2026. №2. С. 70-79 (Scopus, Україна, А)

2. Кіянчук В. М. Участь побутових споживачів на енергетичних ринках через керування попитом / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Енергозбереження. Енергетика. Енергоаудит. Харків: НТУ «ХПІ», 2023. № 9–10 (187–188). С. 6–35. (Б)

3. Кіянчук В. М. Оцінка особливостей ресурсу водонагрівачів для реагування на попит в енергосистемі / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Вісник Вінницького політехнічного інституту. Вінниця: ВНТУ, 2025. № 2 (179). С. 71–80. (Б)

4. Кіянчук В. М. Організація роботи агрегатора для інтеграції побутових споживачів у програми реагування на попит / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Енергозбереження. Енергетика. Енергоаудит. Харків: НТУ «ХПІ», 2025. № 3 (206). С. 31–48. (Б)

5. Кіянчук В. М. Аналіз допоміжної послуги оператору енергосистеми «demand response» / Кіянчук В. М., Лазуренко О. П., Махотіло К. В. // Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я : тези доповідей XXX Міжнародної науково-практичної конференції MicroCAD-2022 (м. Харків, 19-21 жовтня 2022 р.). – Харків : Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», 2022. – С. 76.

6. Кіянчук В. М. Оцінка переносу навантаження енергомережі за допомогою послуги demand response / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Теоретичні та практичні дослідження молодих вчених : матеріали XVІ Міжнародної науково-практичної конференції магістрантів та аспірантів (м. Харків, 14-16 грудня 2022 р.). – Харків: Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», 2022. – С. 157-158.

7. Кіянчук В. М. Аналіз шляхів використання систем накопичення енергії в програмах керування попитом / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Енергоефективність та енергетична безпека електроенергетичних систем (EEES-2022) : матеріали VІ Міжнародної науково-технічної конференції (м. Харків, 20-23 листопада 2022 р.). – Харків: Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», 2022. – С. 49-50.

8. Кіянчук В. М. Проблеми залучення малопотужних споживачів до керування попитом на енергоринках / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Електроенергетика, електромеханіка та технології в АПК: наукові пошуки молоді : матеріали науково-практичної конференції (м. Харків, 11 квітня 2023 р.). – Харків: Державний біотехнологічний університет, 2023. – С. 14.

9. Kiianchuk V. M. Analysing household consumers' demand response through behavioural load profiles / Kiianchuk V. M. // Conferinţa tehnico-ştiinţifică a studenţilor, masteranzilor şi doctoranzilor : Proceedings of the International Scientific Conference (Chișinău, Republica Moldova, 5-7 April 2023). – Chisinau: Universitatea Tehnică a Moldovei, 2023. Vol. 1.– P. 80-83.

10. Кіянчук В. М. Використання систем безперебійного живлення для управління попитом / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я : тези доповідей XXXІ Міжнародної науково-практичної конференції MicroCAD-2023 (м. Харків, 17-20 травня 2023 р.). – Харків : Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», 2023 р. – С. 109.

11. Kiianchuk V. M. Managing demand in the modern energy system: the role of consumers and the potential of demand response programs / Kiianchuk V. M. // An Innovative Model of Research Projects Aimed at the Integration of Ukraine into the European Scientific Space : book of abstracts an Annual International PhD Conference (Kharkiv, 27 April 2023). – Kharkiv: National Technical University «Kharkov Polytechnic Institute», 2023. – P. 43-47.

12. Кіянчук В. М. Участь агрегаторів у керуванні попитом / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Електроенергетика, електромеханіка та технології в АПК: наукові пошуки молоді : матеріали науково-практичної конференції (м. Харків, 9 листопада 2023 р.). – Харків: Державний біотехнологічний університет, 2023. – С. 15-16.

13. Кіянчук В. М. Експериментальне дослідження участі побутового споживача на балансуючому ринку за допомогою бойлера / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Теоретичні та практичні дослідження молодих вчених: матеріали XVІІ Міжнародної науково-практичної конференції магістрантів та аспірантів (м. Харків, 28-30 листопада 2023 р.). – Харків: Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», 2023. – С. 195-196.

14. Кіянчук В. М. Моделювання реагування попитом водонагрівача в OpenModelica / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я : тези доповідей XXXІІ Міжнародної науково-практичної конференції MicroCAD-2024 (м. Харків, 22-25 травня 2024 р.). – Харків : Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», 2024 р. – С. 116.

15. Кіянчук В. М. Залучення побутових споживачів з водонагрівачами до реагування на попит / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Теоретичні та практичні дослідження молодих вчених : матеріали XVІІІ Міжнародної науково-практичної конференції магістрантів та аспірантів (м. Харків, 19-22 листопада 2024 р.). – Харків: Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», 2024. – С. 293.

16. Кіянчук В. М. Використання водонагрівачів для реагування на попит в енергосистемі / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Аспірантські читання імені професора Артура Веніаміновича Праховника : матеріали наукової конференції (м. Київ, 25-26 березня 2025 р.). – Київ: Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», 2025. – С. 33-39.

17. Кіянчук В. М. Водонагрівачі як ресурс гнучкості в рамках реагування на попит в енергосистемі / Кіянчук В. М., Махотіло К. В. // Теоретичні та практичні дослідження молодих вчених : матеріали ХІХ Міжнародної науково-практичної конференції магістрантів та аспірантів (м. Харків, 19-21 листопада 2025 р.). – Харків: Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», 2025. – С. 269.

18. Kiianchuk V. M. Modeling of Domestic Electric Water Heaters for Demand Response / Kiianchuk V. M., Makhotilo K. V. // IEEE 5th KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek) : Сonference paper (м. Харків, 7-11 жовтня 2024 р.). Kharkiv: National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 2024. – P. 1-6 (Scopus, Україна).

19. Kiianchuk V. M. Modeling Load Profile of Aggregated Electric Water Heaters for Energy Market Integration / Kiianchuk V. M., Makhotilo K. V. // IEEE 6th KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek) : Сonference paper (м. Харків, 6-10 жовтня 2025 р.). Kharkiv: National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 2025. – P. 1-4 (Scopus, Україна).

Read more

Files

autoreferat-tytul_dysertatsiia_2026_Kiianchuk_Modes.pdf

dysertatsiia_2026_Kiianchuk_Modes.pdf

Similar theses

0826U000891

Ihor Cherneshchuk

Non-Intrusive Smart Monitoring of Active Consumers’ Operational Efficiency in Local Electrical Power Systems

0826U000871

Anna R. Buriak

Resistive neutral grounding of 20 kV distribution networks.

0826U000602

Oleksandr A. Melnyk

Optimal integration of renewable energy sources into the local energy system

0826U000601

Mykola M. Berezhniuk

Thermodynamic system based on the Stirling engine

0826U000075

Maryna H. Kotiakova

Operational control of supply voltage of consumers of electrical networks of underground mines