Тепловий насос для теплиці: як обрати тип системи за мікрокліматом і витратами

С. Теплюк

Під час проєктування теплиці рідко заздалегідь розраховують, як тип теплового насоса впливатиме на врожай і витрати на електроенергію через п’ять років експлуатації. Обладнання найчастіше обирають за початковою ціною або доступністю на ринку, тоді як його роботу в конкретній конструкції теплиці протягом усього сезону враховують рідше. Нове дослідження корейських науковців, опубліковане в Journal of Building Engineering, пропонує підхід до розв’язання цього питання ще на етапі проєктування. Результати стосуються вибору обладнання під час проєктування та модернізації тепличного господарства

Довгострокові наслідки вибору теплового насоса

Тепловий режим теплиці змінюється значно швидше, ніж у житловому будинку: огородження зі скла або плівки забезпечують активний теплообмін із зовнішнім повітрям, а теплова інерційність конструкції порівняно низька. Рослини, на відміну від людей, не можуть самостійно пристосуватися до некомфортних умов. Тому теплова й холодильна потужність теплового насоса істотно впливає на здатність системи підтримувати задані температури, а енергоспоживання залежить також від ефективності обладнання та режимів його роботи. Під час вибору доводиться враховувати дві цілі, які можуть конфліктувати: стабільність середовища для росту рослин та енергоефективність усієї системи.

Автори дослідження порівняли три типи теплових насосів, які найчастіше застосовують у тепличному господарстві:

• теплові насоси типу «вода-вода» (ТНВВ): джерелом тепла слугує водойма. Нижчі початкові інвестиції, але споживання енергії залежить від умов експлуатації та може бути високим;
• теплові насоси типу «ґрунт-вода» (ТНҐВ): тепло отримують із ґрунту. Найдорожчі на старті, зате споживання енергії суттєво нижче за конкурентів;
• теплові насоси типу «повітря-вода» (ТНПВ): джерело тепла – зовнішнє повітря. Порівняно доступні як за початковими інвестиціями, так і за споживанням енергії, але продуктивність коливається залежно від погодних умов.

Варіанти відрізняються початковими інвестиціями, енергоспоживанням і залежністю від умов експлуатації.

Як побудована модель

Дослідники змоделювали теплицю в Rhino 7 із плагінами Grasshopper, Ladybug і Honeybee, що дало змогу врахувати умови ділянки та властивості матеріалів огородження. Кожен тип теплового насоса окремо підключили до моделі через Ironbug, після чого запустили багатоцільову оптимізацію за трьома критеріями:

1. час недотримання заданої температури в режимі охолодження;
2. час недотримання заданої температури в режимі опалення;
3. питоме енергоспоживання.

Далі результати проаналізували за допомогою кореляційного аналізу Спірмена, щоб з’ясувати, які проєктні параметри найсильніше впливають на результат, і кластеризації методом K-середніх, яка згрупувала оптимальні рішення за схожою поведінкою. Дослідники завершили аналіз розрахунком чистої приведеної вартості – показника, який зводить усі майбутні витрати й економію за весь термін експлуатації насоса до їхньої поточної вартості, щоб порівняти варіанти з різними початковими інвестиціями. У такий спосіб технічні показники перевели в грошовий вимір: економічні результати в дослідженні наведено в доларах США.

Що показали результати

Порівняно з базовою, неоптимізованою моделлю, оптимальне рішення поліпшило показники за всіма трьома критеріями для кожного із трьох типів насосів.

У середньому для трьох типів:

• час недотримання заданої температури в режимі охолодження скоротився на 47,5%;
• час недотримання заданої температури в режимі опалення – на 97,9%;
• питоме енергоспоживання – на 39,9%.

Це середні показники для всіх трьох типів насосів, і ці значення не є однаковими для кожного типу: конкретні цифри відрізняються залежно від джерела тепла. Доступний фрагмент дослідження не наводить абсолютних базових значень до оптимізації, тому порівнювати 47,5%, 97,9% і 39,9% між собою як однаково «вагомі» поліпшення некоректно. Великий відсоток поліпшення може відображати як суттєвий абсолютний ефект, так і низьку ефективність базової моделі за цим показником.

Кореляційний аналіз показав: і для охолодження, і для опалення з результатом найсильніше корелює номінальна потужність теплового насоса. Неправильний підбір потужності може збільшувати тривалість недотримання заданої температури, капітальні витрати та, залежно від режиму роботи обладнання, енергоспоживання.

Кластеризація показала компроміс між цілями: рішення, які найкраще підтримують середовище для росту рослин, рідко є найекономнішими за енергоспоживанням, і навпаки.

Дві стратегії прийняття рішення

Спираючись на економічний аналіз, автори сформулювали дві стратегії вибору.

Стратегія, орієнтована на рослини

Пріоритет – стабільність температурного режиму, навіть якщо це означає вищі експлуатаційні витрати. Для такого підходу в дослідженні найкращим виявився один із варіантів ТНҐВ.

Стратегія, орієнтована на витрати

Пріоритет – найкращий довгостроковий економічний результат за показником чистої приведеної вартості за менш точного контролю клімату. Тут дослідники також обрали варіант ТНҐВ. У дослідженні його позначено як ТНҐВ 3, тоді як для стратегії, орієнтованої на рослини, – як ТНҐВ 0. ТНҐВ 3, за визначенням дослідників, показав найкращий довгостроковий економічний результат: чисту приведену вартість близько 11 тисяч доларів за розрахунковий період. Які саме параметри відрізняють ТНҐВ 0 від ТНҐВ 3 – потужність, конфігурація контуру чи інші характеристики, – доступний фрагмент дослідження не уточнює.

Нижче споживання енергії за весь розрахунковий період компенсує вищі початкові інвестиції в систему ТНҐВ, тому сумарні витрати виявляються нижчими, ніж у варіантів з альтернативними джерелами тепла, попри вищу стартову ціну.

В обох стратегіях обрали ТНҐВ, але в різних конфігураціях. Ефект залежить від типу теплового насоса та добору його параметрів під конкретну теплицю.

Як застосувати цей підхід в Україні

Наведені відсотки поліпшення й сума приведеної вартості отримані для конкретної кліматичної моделі та вартості електроенергії в Кореї, тому механічно переносити ці цифри на українську теплицю не варто: потрібен окремий розрахунок під місцевий клімат і тарифи. Методологічний підхід можна застосувати й в українських умовах, але з місцевими вихідними даними та власними обмеженнями.

Підсумковий вибір за обома стратегіями стосується ТНҐВ. Показники 47,5%, 97,9% і 39,9% є середніми значеннями для всіх трьох типів систем разом. Окремих підсумкових показників для ТНВВ та ТНПВ доступний фрагмент дослідження не наводить: про них відома загальна характеристика з початку статті – нижчі інвестиції, але вище або менш стабільне енергоспоживання.

Для використання повної моделі дослідників – із тривимірним моделюванням у Grasshopper та багатоцільовою оптимізацією – потрібні спеціалізоване програмне забезпечення та інженерні компетенції. Основні принципи підходу можна застосувати й без спеціалізованого програмного забезпечення:

• Розраховувати потужність індивідуально для кожної теплиці. Типові таблиці підбору тут дають лише орієнтовний результат – вони не враховують конструкцію, огородження та клімат конкретного об'єкта. Кореляційний аналіз у дослідженні показує: саме номінальна потужність теплового насоса найсильніше корелює з результатом. Недостатня потужність погіршує умови для рослин, надлишкова підвищує початкові інвестиції, а за загальною інженерною практикою надмірне завищення потужності може спричиняти часте вмикання та вимикання агрегатів із недостатнім діапазоном регулювання та погіршувати сезонну ефективність.
• Визначитися зі стратегією до вибору обладнання. Питання «що важливіше – стабільність мікроклімату чи мінімальні витрати» варто поставити на самому початку планування, ще до вибору конкретної моделі. Відповідь безпосередньо впливає на те, чи виправдані вищі початкові інвестиції в систему ТНҐВ.
• Враховувати доступність джерела тепла. ТНҐВ показує найкращі результати в дослідженні, але потребує можливості облаштувати свердловини чи горизонтальний контур, що залежить від ділянки, ґрунтів і бюджету на буріння. Тому такий варіант не завжди можна реалізувати, навіть якщо він має кращі показники в розглянутій моделі.
• Закладати економічний аналіз у проєкт із самого початку. Метод чистої приведеної вартості з дослідження можна застосовувати й в українських умовах. Він враховує початкові та майбутні грошові потоки, ставку дисконтування й розрахунковий період, а не лише ціну обладнання.

На економічний розрахунок для українських господарств можуть впливати програми державної підтримки. Державне агентство з енергоефективності та енергозбереження (Держенергоефективності) через свою програму для малого і середнього бізнесу надає кредити на встановлення теплових насосів та іншого енергоефективного обладнання: від 120 тисяч до 25 мільйонів гривень на строк до 10 років під ставку до 9% річних, зі зниженням ставки на 2%, якщо в проєкті використано понад 70% обладнання українського виробництва; власний внесок позичальника – не менше 15% вартості проєкту. Окремо в межах ініціативи «Зроблено в Україні» діють дві програми часткової компенсації вартості обладнання українського виробництва: 25% – для визначеної сільськогосподарської техніки й обладнання, 15% – для визначеного промислового обладнання. Перед поданням заявки варто перевірити на сайті Міністерства економіки, чи входить конкретна модель теплового насоса до чинного переліку обладнання за цими програмами, оскільки перелік регулярно оновлюється; для 25-відсоткової аграрної програми також потрібна реєстрація сільгоспвиробника в Державному аграрному реєстрі.

Висновок

У розглянутій моделі оптимальні показники клімату й витрат відповідали різним конфігураціям. Порівняння конфігурацій за температурним режимом, енергоспоживанням і чистою приведеною вартістю дає змогу обрати варіант ще на етапі проєктування, до початку експлуатації обладнання.