Warszawa 2019-04-16 Prof. dr hab. inż. Marian Kwietniewski
Zakład Zaopatrzenia w Wodę i Odprowadzania Ścieków Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska Politechnika Warszawska
Marian.kwietniewski@gmail.com Tel. 601 394 432
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż. Jędrzeja Bylki pt.
Ocena układów transportujących wodę z zastosowaniem zintegrowanych narzędzi informatycznych
1. Przedmiot i podstawa formalna opracowania recenzji
Przedmiotem recenzji jest rozprawa doktorska pana mgr inż. Jędrzeja Bylki prowadzona na Wydziale Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Poznańskiej, której promotorem jest pan prof. dr hab. inż. Tomasz Mróz. Recenzję opracowano zgodnie z uchwałą Rady Wydziału z dnia 01.02.2019r.
Rozprawa obejmuje 135 podstawowego tekstu, w tym 117 pozycji bibliograficznych.
Ważną częścią monografii jest załącznik (58 stron), w którym przedstawiono dane, moduły analizy egzergetycznej, raportowania, wizualizacji oraz bilansu egzergetycznego dla dwóch przykładów obliczeniowych.
2. Charakterystyka i ocena rozprawy doktorskiej
Analiza i ocena energetyczna Systemów Zaopatrzenia w Wodę (SZW) i ich elementów to ważne narzędzie oceny efektywności działania przedsiębiorstw wodociągowych, które użytkują i eksploatują te systemy. Ocena energetyczna występuje jako kluczowe kryterium w większości standardów, wytycznych i metod audytu przedsiębiorstw.
Zasady oceny efektywności energetycznej SZW, a zwłaszcza takich ich elementów jak
układy pompowe (ujęcia wody, pompownie i stacje uzdatniania wody), tranzytowe układy
przesyłu wody i sieci wodociągowe były przedmiotem wielu badań i analiz, a ich wyniki są
wykorzystywane już w formie zaleceń, wytycznych i standardów. Prace te koncentrują się
jednak głównie na aspektach praktycznych tj. minimalizacji, racjonalizacji czy też
optymalizacji wykorzystania energii. W analizach tych stosuje się, jak zauważył również
Doktorant, podejście tzw „ilościowe” polegające w uproszczeniu na bilansowaniu energii w
powiązaniu z efektami pracy urządzeń. Brak jest natomiast rozważań naukowych prezentujących podstawy termodynamicznych przemian energetycznych w SZW, co właśnie zainspirowało Doktoranta do zajęcia się tą problematyką. Modelując przemiany energetyczne w SZW Autor stosuje podejście egzergetyczne w ujęciu „jakościowym”, w którym uwzględnia pierwszą i drugą zasadę termodynamiki.
W tym miejscu warto zgodzić się ze słuszną uwagą Autora, iż pojęcia „strata energii” i
„zużycie energii” stosowane powszechnie nie są właściwe, ponieważ energia w procesie zaopatrzenia w wodę jest tylko zamieniana, ulega przemianie w inne rodzaje energii:
kinetyczną i potencjalną wody.
W rozprawie podjęto próbę zintegrowania czterech narzędzi informatycznych tj. bazy danych typu GIS (Geographical Information System), MPF (Modele Procesów Fizycznych), SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition - System Monitoringu i Sterowania) oraz ERP (Enterprise Resource Planning – Planowanie Zasobów Przedsiębiorstwa) na potrzeby budowy modelu oceny egzergetycznej SZW, który jest celem rozprawy. Kluczowym narzędziem w tym zestawie jest otwarty system QGIS, który stanowi platformę integrującą wszystkie pozostałe narzędzia. Należy zauważyć, że wykorzystane w pracy w. w. 4 narzędzia informatyczne reprezentują ogromne obszary wiedzy naukowej i praktycznej oraz możliwości zastosowań. Zgłębienie tej wiedzy i poznanie zakresu możliwości tych narzędzi wymagało od Doktoranta dużego nakładu pracy i wysiłku intelektualnego. Widać to w części tzw przeglądowej zawartej w rozdziałach 2 i 3. Rozdziały te obejmują blisko połowę objętości pracy.
W rozdz 2 dokonano przeglądu wytycznych i standardów dotyczących oceny energetycznej SZW i ich elementów (podrozdz 2.2) oraz podobnego przeglądu metod ocen energetycznych ale na podstawie „wybranych” prac naukowych (podrozdz 2.3). Natomiast narzędzia informatyczne wykorzystywane w zarządzaniu SZW i ich elementami zaprezentowano w sposób syntetyczny w rozdziale 3.
Autor prezentuje metody oceny energetycznej SZW w sposób polegający na omawianiu i ocenie kolejnych „wybranych” prac naukowych zawierających te metody. Przyglądając się takiemu podejściu rodzi się pytanie, wg jakich kryteriów dokonano wyboru prac? Może lepiej byłoby wpierw uporządkować wszystkie dostępne metody, klasyfikując je w odpowiedni sposób i następnie wybrać do omówienia metody reprezentatywne dla danych grup wynikających z przyjętej klasyfikacji. Dobrym przykładem jest koncepcja podziału systemów informatycznych pokazana w podrozdz 3.1.
W podrozdz 2.2 przedstawiono ciekawy, choć z konieczności krótki przegląd ważniejszych metod oceny energetycznej SZW. Istotną konkluzją przywołaną przez Autora, a wynikającą z metodyki rekomendowanej przez Water Research Fundation jest wykazanie, iż
„nie ma możliwości opracowania jednej wspólnej dla wszystkich przedsiębiorstw metodyki oceny energetycznej” (s 23), ponieważ będzie ona zawsze zależała od lokalnych uwarunkowań (technicznych, ekonomicznych, prawnych), które silnie wpływają na procedury oceny. Jest to ważne spostrzeżenie i znalazło ono swoje potwierdzenie we wnioskach (podrozdz 2.4).
Z przeprowadzonych przez Autora studiów literaturowych wynika, iż w dostępnych źródłach brak jest opisu podstaw teoretycznych oceny egzergetycznej SZW co dodatkowo uzasadnia potrzebę opracowania takich podstaw jako fundamentu tworzonego modelu.
Generalnie chcę stwierdzić, iż Autor w wyniku przeglądu dostępnych źródeł literaturowych
zidentyfikował zagadnienia, które dotychczas nie zostały rozwiązane. Przegląd literaturowy jest zakończony syntetycznym podsumowaniem.
Doktorant wyodrębnił wyraźnie dwie kategorie celów, które zamierza osiągnąć w swojej pracy. Za cel naukowy, który jest głównym celem rozprawy, przyjął opracowanie modelu przemian energetycznych w SZW w ujęciu egzergetycznym, a model nazwał „modelem egzergetycznym” SZW. Jest to nowatorskie podejście do analiz energetycznych w SZW i zasługuje na wyróżnienie. Jako cel utylitarny rozprawy Doktorant wskazuje opracowanie koncepcji integracji narzędzi informatycznych lub też środowiska informatycznego, wspomagających ocenę energetyczną SZW. Tę koncepcję zastosował do analizy egzergetycznej SZW, wykorzystując w tym celu otwarte dwa kluczowe narzędzia informatyczne tj. QGIS i Epanet.
Główna teza pracy została dobrze sformułowana, ale niezręcznie brzmi geneza jest powstania. Autor tworzy ją bowiem cyt. „biorąc pod uwagę wyniki wcześniej przedstawionych analiz, wyniki pracy…” Traktuję to jako niezręczność, ale wygląda tak, jakby teza powstała po zakończeniu pracy. Na pewno powstała w wyniku wstępnych rozważań i analiz, które zwykle przeprowadza się przed właściwymi badaniami. Podawanie tej genezy jest wg mnie zbędne, bo teza powstaje jak wiemy w oczywisty sposób, na początku pracy i formułujemy ją po to, aby wykazać jej prawdziwość lub nieprawdziwość po przeprowadzonych badaniach,.
Właściwe rozważania naukowe zmierzające do budowy modelu egzergetycznego SZW Doktorant poprzedził omówieniem matematycznych i fizycznych podstaw analiz i ocen egzergetycznych, wprowadzając w ten sposób czytelnika m in w ważne zagadnienia związane z egzergią.
Przy omawianiu SZW (rozdz 5) jak również w wielu innych miejscach pracy, począwszy od streszczenia, zauważa się niejasność w definiowaniu obiektu badań, a właściwie brak jest na początku pracy jednoznacznego stwierdzenia, czego dotyczy ocena egzergetyczna?
W tytule pracy i pierwszej jej części mówi się o Układach Transportujących Wodę (UTW). W środowisku naukowym zajmującym się problematyką wodociągową to pojęcie może być kojarzone z Układami Przewodów Tranzytowych do przesyłu wody, które są tylko jednym z elementw SZW. Natomiast cały system jak wiemy, obejmuje dodatkowo ujęcia, stacje uzdatniania, pompownie, zbiorniki i sieci wodociągowe. Takie niejasności towarzyszą czytelnikowi mniej więcej do połowy pracy. W związku z tym wydaje się, że na początku powinna pojawić się definicja obiektu badań. Częściowym usprawiedliwieniem tego niedociągnięcia może być to, że w miarę studiowania pracy i śledzenia postępu w rozważaniach prowadzonych przez Autora dochodzi się do wiedzy, że to jednak SZW jest obiektem oceny egzergetycznej. Ale dobrze byłoby to zaakcentować w tytule rozprawy.
Przygotowując obiekt badań, Autor przyjął m in założenie, iż w SZW nie zachodzą istotne zmiany temperatury wody. Należy zauważyć, iż pominięcie tych zmian w odniesieniu np. do sieci wodociągowej rozdzielczej o mniejszych średnicach jest dużym uproszczeniem.
Rejestrowane w ramach badań niezawodności przewodów wodociągowych zmiany
temperatury wody mogą obejmować zakres od ok 1 do 26
oC. Wywołuje to istotne negatywne
skutki dla pracy sieci – wzrost intensywności uszkodzeń i tym samym obniżenie efektywności
zaopatrzenia w wodę odbiorców. Również poważne problemy w procesie uzdatniania wody
wywołują zmiany temperatury na ujęciach wód powierzchniowych. Podaję te uwagi w
obowiązku recenzenta, ponieważ na tym etapie przygotowania SZW do modelowania, to
uproszczenie powinno być we właściwym miejscu lepiej uzasadnione np. koniecznością ograniczenia zakresu modelowania o przemiany energii cieplnej czy chemicznej.
Dowiadujemy się o tym dopiero w końcowej części pracy, gdzie Doktorant wskazuje kierunki przyszłych swoich badań w tym również, opracowanie modeli przemian energii chemicznej i termicznej co ma pozwolić na lepsze poznanie procesów oczyszczania wody i zmian jej jakości w sieci wodociągowej. Tę spostrzeżenia mogę zamknąć następującym stwierdzeniem: biorąc pod uwagę pionierski charakter badań (podejście do oceny energetycznej SZW) i znaczny obszar zagadnień podjętych do rozwiązania, takie uproszczenie jest uzasadnione.
W wyniku przeprowadzonych rozważań została opracowana metodyka oceny egzergetycznej, która ujmuje kompleksowo przemiany termodynamiczne SZW, umożliwiając jednocześnie ilościową i jakościową ocenę tych przemian.
Autor zadbał o to, aby metodykę tę zaprezentować na przykładzie oceny egzergetycznej dwóch elementów SZW. Wykazał w ten sposób przydatność środowiska informatycznego umożliwiającego analizę egzergetyczną dla potrzeb oceny układów dystrybucji wody i stacji uzdatniania wody. W celu opracowania środowiska informatycznego pozwalającego na prezentację metodyki bilansowania egzergetycznego zastosowano ciekawe narzędzie Dyna VIBe-Web umożliwiające budowę syntetycznych modeli sieci wodociągowej dla dowolnego układu mapowego, z zachowaniem tych samych zasad modelowania co w przypadku rzeczywistych obiektów. Przy tej okazji Doktorant bardzo dobrze poradził sobie z brakiem zgody przedsiębiorstwa na ujawnienie danych charakteryzujących obiekty objęte badaniami.
Autor uzyskał interesujące wyniki w przykładach obliczeniowych. Ciekawa jest m in wizualizacja w QGIS jednostkowych strat egzergii w sieci wodociągowej, a w szczególności mapa ciepła ilustrująca jednostkowe straty egzergii w węzłach. Mam w związku z tym pytanie, Czy można uznać ten schemat jako ilustrację rozkładu strat egzergii wokół węzłów?
Przy okazji omawiania przykładów obliczeniowych pojawia się także kwestia optymalizacji z uwzględnieniem niezawodności SZW. W związku z tym liczę na przedstawienie przez Doktoranta swojej opinii, jak w takim klasycznym zadaniu (lub zadaniach) optymalizacyjnym można by sformułować funkcję celu i ograniczenia?
W rozdziale 7. Podsumowanie i wnioski, brak jest wyartykułowanych wniosków, choć samo podsumowanie jest prawidłowo opracowane.
Uwagi szczegółowe
W pracy zauważono wiele drobnych usterek redakcyjnych, językowych i powtórzeń, które zakładam będę usunięte przed opublikowaniem ważniejszych wyników pracy. Niektóre z nich, jako przykładowe, sygnalizuję poniżej:
w podrozdziałach 2.2 i 2.3 używa się nazw metod oceny energetycznej tylko w j ang.
Należałoby raczej używać w całej pracy języka polskiego, a tam, gdzie to konieczne tłumaczeń na j angielski
str 13. R.2 – tzw „zawieszony tekst”, ok 1 strony bez tytułu przed p 2.1 .
str 19 – ścieki się odbiera, a nie sprzedaje jak wodę
str 21 – opis wskaźnika ES2.5 (wzór 2.7) pokazuje, że jest odwrotnie niż w opisie,
stosunek energii zużytej do wytworzonej
generalnie brak jest opisów parametrów w wielu wzorach np. wzory 5.1 i dalsze. Jeśli Autor nie zdecydował się na zamieszczenie na początku listy najważniejszych oznaczeń i symboli użytych w pracy, co ułatwiałoby ich identyfikację w tekście, to powinien je podawać przy każdym wzorze.
str 41 - podaje się informację, że w rozdziale 2 (poprzednim) przedstawiono przegląd narzędzi informatycznych, a tymczasem przegląd jest przedstawiony w rozdziale 3.
str 42 – sposób przywołania literatury – Autor przywołuje nieprawidłowo źródło przy ostatniej wyliczanej pozycji, a wiadomo, że wszystkie pozycje pochodzą z tego samego źródła
str 52 – przy podawaniu konkretnych danych i zaleceń należy przywoływać źródło, a w szczególności gdy podajemy wzory do obliczenia wartości współczynnika chropowatości „k”, który jest podstawowym parametrem stosowanym przy obliczaniu liniowych strat hydraulicznych w przewodach
str 65 – rys 4.1 oznaczenie ΔEw zamiast Ew
str 74 – wzór 4.21, brak ozn „R”
str 81 – nr wzoru: jest 4.20 chyba powinno być 4.17 nr rozdziału: jest 2.1.1 – 2.1.7, powinno być 5.1.1 – 5.1.7
str 83 – brak niektórych oznaczeń i niekompletne oznaczenia we wzorach 5.1 i dalszych.
W podsumowaniu oceny mogę stwierdzić, że:
podjęty w rozprawie problem naukowy dotyczący opracowania metodyki oceny egzergetycznej SZW z wykorzystaniem właściwych zintegrowanych narzędzi informatycznych jest dobrze uzasadniony, a przy tym nowy i niezwykle ważny z praktycznego punktu widzenia
wykazany niedostatek wiedzy w tym zakresie potwierdza słuszność przyjętych celów, postawionej tezy oraz zakresu przeprowadzonych analiz i rozważań naukowych w opiniowanej rozprawie doktorskiej.
praca ma charakter analityczno-koncepcyjny. Przeprowadzone w niej analizy i rozważania naukowe należą bez wątpienia do trudnych.
praca charakteryzuje się logicznym uporządkowanym układem rozwiązywanych zagadnień, w którym kolejność rozdziałów jest przemyślana i zsynchronizowana
autor osiągnął zamierzone cele (naukowy i aplikacyjny) oraz udowodnił na drodze rozważań naukowych przyjętą na wstępnie główną tezę pracy
otrzymane rezultaty badań oraz wynikające z nich wnioski mają istotne znaczenie zarówno z naukowego punktu widzenia, jak też dla działalności praktycznej.
Do najważniejszych osiągnięć rozprawy, które w mojej opinii mogą stanowić podstawę do jej wyróżnienia zaliczam:
w obszarze naukowym - opracowanie metodyki oceny energetycznej SZW i jego
elementów w ujęciu egzergetycznym. Jest to pionierskie podejście do takiej oceny, które
wymagało od Autora stworzenia matematycznychi ftzycznych podstaw egzergeĘcznego modelu SZW, gdńeuwzględniono jednocześnie pierwszą i drugą zasadętermodynamiki
. w obszarze aplikacyjnym - opracowanie'i zweryfikowanię koncepcji środowiska informaĘcznego integrującego cztery wńne narzędzia, h mianowiciebazę danych typu
GIS (Geographical Information System), MPF (Modele Procesów Fizycznych),
SCADA (Supervisoly Control And Data Acquisition - System Monitoringu i Sterowania) i ERP (Enterprise Resource Planning - Planowanie Zasobów Przedsiębiorstwa)
napotrzeby budowy modelu oceny egzergeĘcznej SZW.
3.
