Энергосбережение

Одним из важных аспектов ведения современного хозяйства является экономичное использование энергии. В теплицах из-за большой площади светопрозрачных поверхностей возникают значительные теплопотери, для компенсации которых требуется определенный расход топлива в системе отопления. Теплицы могут обогреваться горячей водой, водяным паром, нагретым воздухом, инфракрасным излучением или продуктами сгорания топлива.

Тепличное производство относится к числу наиболее энергоемких производств. В среднем затраты на обогрев теплиц составляют 40% - 80% от себестоимости продукции. На обогрев 1 га зимних теплиц расходуется в среднем более 200 тонн условного топлива в год.

По данным тепличных хозяйств, доля энергоносителей в общей структуре затрат промышленных теплиц в первую очередь зависит от конструкции «холодного домика». В старых теплицах из «стекла и бетона», построенных 20 – 30 лет назад, на энергоносители уходит от 45% до 80% всех производственных затрат ТК. Современные конструкции снижают потребление энергии за счет сокращения ее потерь до 20% - 40% в общей структуре затрат ТК. Фактически, показатель энергозатрат работающей теплицы является самым критичным с точки зрения коммерческой целесообразности производства тепличной продукции. Именно поэтому повышение энергосбережения зачастую является главной целью всех ТК.

Среди вариантов снижения стоимости потребленной энергии для отопления и освещения современных теплиц, наиболее популярно использование альтернативных источников тепла.

Стоимость альтернативных источников энергии пока довольно велика и эти источники имеют ряд существенных недостатков – занимают большие площади, зависят от погодных условий, времени суток, сезона. Несмотря на бурное развитие в последние годы, использование ветровой и солнечной энергии остается экзотическим и дорогим экспериментом. Некоторые специалисты в области энергетики утверждают, что при всех усилиях доля альтернативной энергетики к 2020 году не поднимется существенно выше 1% от мирового энергопотребления. Без помощи государства использовать эти источники энергии пока дороже, чем традиционные. 

«Тепловые насосы», наряду с большими капиталовложениями в оборудование и монтаж, требовании к большим площадям для укладки труб, имеют еще один существенный недостаток – температура теплоносителя на выходе слишком низкая для эффективного отопления теплицы. Их применение ограничено контуром подогрева субстрата, где не требуется высокой температуры теплоносителя.

Другой источник альтернативной энергии, геотермальные ресурсы, - действительно огромны, но не соответствуют экономической и экологической эффективности. Также ограничены ресурсы, пригодные для освоения. Вода редко вырывается из-под земли в виде чистого «сухого пара», который может быть непосредственно использован для вращения турбины для выработки электроэнергии или для подогрева воды отопления через теплообменники. Если пар влажный, капли воды повредят оборудование. В большинстве месторождений есть только горячая вода, однако она, как правило, сильно минерализована, что также быстро изнашивает оборудование и требует специальных мероприятий. Обессоливание геотеормальных вод - это сложная технологическая задача. Также после отработки образуется концентрированный рассол, который не утилизируется, являясь загрязнителем окружающей среды - сброс такого рассола уничтожает все живое в водоеме или участке грунта.

Применение геотермальных источников не может рассматриваться как экологически чистое еще и потому, что их выход часто сопровождается газообразными выбросами, включая двуокись углерода, метан, радон и сероводород. Многие из них не только токсичны, ядовиты, и их нельзя просто выпускать в атмосферу, но и взрывоопасны. Поэтому геотермальная вода перед использованием должна подвергаться дегазации.

В России геотермальные источники в основном расположены экономически невыгодно – Сахалин, Камчатка, и Курильские острова отличаются слабой инфраструктурой, высокой сейсмичностью, малонаселенностью, сложным рельефом местности. Сегодня геотермальная энергетика развивается достаточно интенсивно в некоторых странах, в России также имеется опыт ее освоения, но этот способ отопления никак нельзя назвать бесплатным.

Еще одним эффективным способом энергосбережения, является использование мини-ТЭС для комбинированного производства электро- и теплоэнергии и утилизации углекислого газа, содержащегося в выхлопных газах, для подкормки растений.

Совместная выработка электро и теплоэнергии (когенерация) и рекуперация отходящих газов в тепличном хозяйстве на мини-ТЭС позволяет поднять общий КПД станции до 95 % и увеличить урожай на 40%.

Экономическую выгоду использования мини-ТЭС в тепличном хозяйстве разработчики когенераторных установок объясняют:

• экономией на подключении к электрическим и тепловым сетям,
• независимостью от роста тарифов на электро и теплоэнергию,
• низкой стоимостью выработанной электроэнергии,
• повышением надежности и качества обеспечения, электро и теплоэнергией,
• повышением урожая,
• низким сроком окупаемости.

Вырабатываемая на мини-ТЭС электроэнергия идет на собственные нужды и искусственное освещение теплицы, вырабатываемая тепловая энергия идет на отопление, ГВС, обогрев. Выхлопные газы направляются в катализатор, где очищаются до чистого углекислого газа и, охлаждаясь в теплообменниках до приемлемой температуры (порядка 50 градусов С), подаются в теплицу в качестве подкормки для растений.

Система подкормки растений углекислым газом, содержащимся в объеме продуктов сгорания, давно успешно применяется во всем мире для увеличения урожая растительных и сельскохозяйственных культур. Особенно успешно данное направление используется в Голландии для выращивания цветов и овощей.

Кроме выбора источника тепловой энергии, не менее важным является вопрос о ее правильном распределении и экономичном использовании. В России, кроме строящихся новых теплиц, конструкции которых имеют хорошие показатели по энергосбережению, существует множество старых тепличных хозяйств. Их модернизация ограничена, и наряду с мероприятиями по улучшению изоляции теплиц, дальнейшее повышение экономичности потребления энергии возможно с помощью более эффективных методов управления энергосистемой. Это заставляет тепличников внедрять всѐ более совершенные компьютеры и программы, способные принимать самостоятельные компромиссные решения, и совмещать точность поддержания температурного режима и экономного потребления тепловой и электрической энергии.

Одновременно с распределением тепла, стоит задача эффективного управления сразу несколькими источниками – водогрейными и паровыми котлами, теплообменниками, когенераторами, теплогенераторами, а также косвенными источниками тепла, такими, как лампы досветки. Решение может быть только комплексным, и достигается передачей управления всеми источниками тепла и микроклиматом единой автоматизированной системе.

К сожалению, во многих российских промышленных теплицах принята еще советская система подачи тепла - по графикам температуры, когда температура теплоносителя жестко привязана к наружной температуре. Зачастую это приводит в одних случаях к перерасходу топлива, а в других – дефициту тепла в теплице. При такой регулировке температуры теплоносителя не учитывается огромное количество другой информации, необходимой для правильного расчета температуры теплоносителя – скорости ветра, наличия осадков, уровня освещенности, положения форточек и экрана, температуры обратки в контурах, расчетной и измеренной температуры и влажности в отделениях теплицы и т.д. Становится очевидным, что без единой системы сбора информации и принятия решений тут не обойтись.

Современная система управления получает информацию с множества внешних датчиков:

• Скорости и направления ветра,
• Температуры воздуха,
• Освещенности,
• Влажности,
• Наличия дождя,
• Интенсивности осадков,
• Положения форточек и экрана,

А также датчиков, расположенных внутри теплицы:

• Температуры и влажности в различных частях отделений,
• Концентрации углекислого газа,
• Температуры растений,
• Датчиков PAR, измеряющих естественное и искусственное световое излучение в наиболее важной для фотосинтеза области спектра - между 400 и 700 nm.

На основе всех собранных данных современная система управления в режиме реального времени просчитывает необходимое количество энергии, согласно стратегии распределяет этот запрос между всеми источниками тепла. Далее возможны два варианта управления.

В первом случае, единая система управления теплицей передает запрос на систему управления тепловой установки, и лишь контролирует результат – температуру теплоносителя. Этот способ используется в основном для управления технически сложными и уникальными агрегатами, такими как когенераторы и горелки котлов с нестандартным протоколом управления. Еще одно исключение – агрегаты, где повышение температуры теплоносителя происходит мгновенно, лавинообразно, например – паровые теплообменники.

Во втором случае, система управления теплицей непосредственно управляет тепловой установкой. В этом случае штатный блок управления может быть простым и недорогим, и использоваться только как резервный, при переводе установки на автономную работу при сбоях или плановых отключениях единой системы управления.

Как пример второго способа, можно привести водяные теплообменники, и модуляторные горелки котлов. Для производства именно необходимого количества энергии мощность горелки регулируется плавно, в зависимости от запроса, при этом единая система управления теплицей непосредственно управляет положением топливного и воздушного клапана горелки, отслеживает его состояние, и процент открытия, корректируя его в зависимости от температуры подачи и обратки.

Далее произведенное тепло нужно правильно и экономно распределить между всеми потребителями - системами подогрева воды для полива, контурами отделений, сервисными, административными зонами, аккумуляторами тепла.

В этом помогают точные трехходовые краны, циркуляционные насосы переменной мощности - со ступенчатой или плавной регулировкой частоты вращения, которые позволяют значительно экономить электроэнергию.

В экономии энергии также большую роль играет система зашторивания, уменьшая необходимость обогрева кровли в ночное время и увеличивая светоотдачу ламп досветки. Важно, что тепло, излучаемое лампами, также учитывается системой, и на время включения ламп снижает запрос тепла, чтобы сэкономить тепло, предотвратить перегрев и температурный стресс растений. С этой же целью лампы досветки в теплице делят на несколько зон для предотвращения резких токовых скачков при включении-выключении, а каждую зону - еще пополам, чтобы в одном ряду лампы включались сначала через одну (50%), и только через некоторое время, остальные.

Несомненно, даже самые совершенные и сложные системы не могут обойтись без человека, ибо любой компьютер выполняет и знает лишь то, что в него заложил человек. Поэтому разработчики наряду с усложнением систем стараются максимально упростить работу операторов, технологов, агрономов. Создаются новые программы, с наглядным и понятным представлением информации, простыми способами ввода параметров. Например, оператор лишь задает стратегию отопления, вводя только ночную и дневную температуры в теплице, а машина самостоятельно принимает все решения по поддержанию режима.

Большинство параметров вводятся однократно, при настройке системы, многие другие имеют понятные, рекомендованные производителем пределы. Современные программы управления, таких производителей, как Hoogendoorn, позволяют убирать или добавлять на экран монитора только ту информацию, которую оператор, инженер, или агроном считают важной. Эти настройки по отображению информации индивидуальны для каждого сотрудника теплицы, имеющего персональный код доступа к системе управления, что никак не влияет на сами режимы теплицы, остающиеся общими для всех. Такая персификация также позволяет отслеживать конкретные действия каждого сотрудника, имеющего доступ к системе, и ограничивает доступ неквалифицированного персонала к управлению.

В целом, новые технологии и все большая автоматизация процессов в теплице делают работу более комфортной, уменьшают затраты труда, привлекают в эту область сельского хозяйства молодых квалифицированных специалистов. Сегодня невозможно представить современную экономичную теплицу без мощной, быстродействующей, надежной системы управления.

Современные системы отопления позволяют снизить энергозатраты на эксплуатацию теплицы до 40%. Значительное повышение эффективности достигается путем разделения системы на автономные контуры с установкой дистрибьюторов тепла. В новых теплицах используются многоконтурные системы.

2-х контурная система отопления включает кровельный, боковой и торцевой контур обогрева и надсубстратный обогрев. 3-х контурная система отопления включает кровельный обогрев, боковой и торцевой обогрев, надсубстратный обогрев.

Вопросы энергосбережения для российских теплиц, особенно с солидным стажем, идущим с советских времен, являются ключевыми. Очень часто именно с них и начинается модернизация тепличных комплексов. Среди основных мероприятий, направленных на организацию энергосбережения в старых тепличных постройках, особое значение имеют переход на многоконтурную систему обогрева, внедрение малообъемной технологии выращивания и системы капельного полива, утилизация и вторичное использование теплого воздуха теплиц.

Тем не менее, несмотря на все проводимые мероприятия по энергосбережению и вложенные инвестиции, старые тепличные конструкции никогда не смогут приблизиться к современным постройкам по уровню использования энергоносителей.

Популярные статьи