[مقابلة] أين تسربت تكاليف تدفئة البيوت الزجاجية؟ قياس بالدقيقة… الباحث يون سونغ-أوك مطوّر «جيمس»

حتى عند زراعة الفراولة نفسها خلال الفترة نفسها، يختلف استهلاك الطاقة في البيوت الزجاجية. فقد بلغ استهلاك الطاقة لكل وحدة مساحة في مزرعة فراولة في داميانغ 12.4 كيلوواط ساعة/㎡، بينما بلغ في مزرعة فراولة في يانغبيونغ 14.2 كيلوواط ساعة/㎡، أي إن مزرعة داميانغ استهلكت أقل بنحو 13% من مزرعة يانغبيونغ. لكن البيانات التي كانت في يد المزارعين حتى الآن لم تكن تتجاوز فاتورة الكهرباء الشهرية وإيصالات شراء زيت التدفئة. وبما أنه لم تكن هناك بيانات قياس تُظهر أي معدّة استهلكت ومتى وكم، لم تكن هناك وسيلة لتحديد سبب الفارق.

يستهدف نظام مراقبة طاقة البيوت الزجاجية «جيمس» (GEMS·Greenhouse Energy Monitoring System)، الذي طورته إدارة الهندسة الزراعية في المعهد الوطني للعلوم الزراعية التابع لإدارة التنمية الريفية، هذه الفجوة. فهو يقيس الكهرباء وزيت التدفئة المستخدمين في البيت الزجاجي على أساس دقيقة واحدة، ويعرض الاستهلاك حسب كل معدّة، كما يتنبأ حتى بكمية الطاقة التي ستُستخدم لاحقاً عبر الذكاء الاصطناعي (AI). وبعد إكمال التطوير على مدى ثلاث سنوات منذ عام 2022، يجري حالياً تحقق ميداني في نونسان، مع تحليل متوازٍ للبيانات في مزارع فراولة في داميانغ ويانغبيونغ. التقينا الباحث يون سونغ-أوك الذي تولى التطوير.

ما نوع النظام الذي يمثله جيمس؟

يمكن للمزارعين معرفة إجمالي التكاليف شهرياً من خلال رسوم الكهرباء وتكاليف شراء زيت التدفئة، لكن ليس من السهل عليهم تحديد أي معدّة استهلكت ومتى وكم. جيمس هو نظام صُمم لقياس معلومات بيئة البيت الزجاجي مع استهلاك الكهرباء وزيت التدفئة في الوقت الفعلي، بحيث يمكن التحقق من حالة استخدام الطاقة في لمحة واحدة والتحكم بها مباشرة. ويمكنه التحقق من استهلاك المعدات الرئيسية مثل أجهزة التدفئة ومراوح التهوية وأجهزة المحلول المغذي، كما يتيح الاطلاع معاً على البيئة الداخلية مثل درجة الحرارة والرطوبة، ومعلومات الطقس الخارجية. طُوّر من خلال «بحث مراقبة الطاقة في منشآت البستنة في الوقت الفعلي» الذي نُفذ من 2022 إلى 2024، وبلغت ميزانية البحث الإجمالية على مدى ثلاث سنوات 210 ملايين وون. ومنذ عام 2025، يجري بحث تحقق ميداني عبر تركيبه في المزارع للتحقق من الاستقرار وقابلية الاستخدام في الموقع.

كيف تُقاس الكهرباء وزيت التدفئة كل على حدة؟

تُقاس القدرة الكهربائية عبر قياس التيار باستخدام محول تيار (CT) ودمجه مع معلومات الجهد لحساب كمية الكهرباء. وبما أن الطريقة تقوم على تركيب أجهزة قياس لكل معدّة رئيسية أو دائرة، يمكن التمييز والتحقق من الأحمال التي تحتاج إلى إدارة مثل المعدات المرتبطة بالتدفئة ومراوح التهوية وأجهزة المحلول المغذي. أما زيت التدفئة فيُقاس عبر تركيب حساس مستوى في خزان التخزين لقياس تغيرات المستوى، ثم تحويلها إلى الاستهلاك الفعلي باستخدام معلومات شكل الخزان وسعته.

يمكن لمقياس التدفق قياس كمية الوقود مباشرة، لكنه يتطلب قطع أنابيب الوقود القائمة أو إضافة وصلات، ما قد يشكل عبئاً على المزارع التي تشغّل بالفعل مرافق التدفئة. يُستهلك زيت التدفئة على نحو متقطع مع تكرار تشغيل أجهزة التدفئة وتوقفها تبعاً لدرجة حرارة الهواء الخارجي ودرجة الحرارة المضبوطة. وحتى عند استخدام مقياس تدفق، يجب اختيار طراز يعمل بثبات في فترات التدفق المنخفض هذه. أما طريقة التقدير من خلال مدة تشغيل المرجل فلها حدود، لأن الاستهلاك الفعلي يختلف تبعاً لحمل جهاز التدفئة وحالة التشغيل. وطريقة حساس المستوى أيضاً قد تشهد ارتفاعاً حاداً في المستوى عند حقن الزيت، وقد تقفز القيم إذا اهتز سطح السائل، لذلك يجري التمييز بين الارتفاع الناتج عن الحقن والانخفاض الناتج عن الاستهلاك، وتحليل أنماط البيانات خلال فترة زمنية معينة لتقليل التأثير. إن طريقة حساس المستوى ليست الخيار لأنها الأدق، بل لأنها تراعي قابلية التطبيق الميداني من حيث إمكانية تتبع الاستهلاك باستمرار مع تقليل تعديلات الأنابيب إلى الحد الأدنى.

ما الفرق بينه وبين أجهزة التحكم البيئي المركّب القائمة؟

تتميز أجهزة التحكم البيئي المركّب القائمة بقوتها في قياس المعلومات البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة وثاني أكسيد الكربون (CO₂) والتحكم في المعدات. أما جيمس فيغيّر زاوية النظر ويجمع البيانات بالتركيز على «كيف تُستهلك الطاقة فعلياً في البيت الزجاجي». ويتمثل جوهره في تحليل استهلاك الكهرباء والوقود وحالة تشغيل المعدات الرئيسية، إلى جانب البيئة الداخلية ومعلومات الطقس الخارجية، لفهم خصائص الاستهلاك. تُجمع البيانات وتُخزن على أساس دقيقة واحدة، ويمكن تحويلها وتحليلها بحسب الهدف إلى وحدات ساعة أو يوم أو شهر، وتقاس كمية الكهرباء بالمعدات نفسها المستخدمة في عدادات الكهرباء التجارية. أما الربط عبر واجهة برمجة التطبيقات (API) مع منصة وكالة التعليم والثقافة والمعلومات للأغذية والزراعة والغابات والثروة السمكية أو أجهزة التحكم التابعة للمصنعين، فلم يصل بعد إلى مرحلة التقييس. ويجري بحث بنية ربط مفتوحة متوافقة مع المعايير مع تنفيذ أبحاث ذات صلة. 

كيف كانت آثار الخفض الفعلية في المزارع التجريبية؟

يجري التحقق الميداني في مزرعة فراولة في نونسان بمقاطعة تشونغنام، كما تُستخدم معاً بيانات مزارع داميانغ ويانغبيونغ التي كان قد رُكب فيها جيمس في مهام سابقة. فإذا نظرنا إلى مزرعة واحدة فقط، قد تتأثر النتائج بظروف منشآت بيت زجاجي بعينه أو عادات الإدارة فيه، لذلك فالهدف هو التحقق مما إذا كان النظام قابلاً للاستخدام حتى مع اختلاف المنطقة والطقس وظروف التشغيل.

في مزرعة الفراولة في داميانغ، وبحسب إحصاءات المزرعة نفسها، يُفهم أن تكاليف التدفئة انخفضت بنحو 10% في شتاء 2025~2026 مقارنة بشتاء 2024~2025، نتيجة تشغيل البيت الزجاجي مع التحقق من حالة استخدام الطاقة في الشتاء بالاستفادة من معلومات جيمس. لكن ينبغي توخي الحذر في تفسير ذلك مباشرة على أنه يعني أن تركيب جيمس خفض تكاليف التدفئة بنسبة 10%. فاستعمال طاقة التدفئة يتأثر ليس فقط بظروف الطقس مثل درجة حرارة الهواء الخارجي والإشعاع الشمسي، بل أيضاً بفترة الزراعة ودرجة الحرارة المضبوطة وحالة العزل الحراري وطريقة تشغيل المعدات. جيمس ليس جهازاً يخفض الطاقة مباشرة، بل هو نظام يساعد المزارعين على تعديل طريقة التشغيل استناداً إلى البيانات.

بعد القياس، هل وُجدت معدات كانت تستهلك طاقة أكثر من المتوقع؟

من الصعب، استناداً إلى البيانات الحالية وحدها، الجزم بأن معدّة معينة هي «الجاني الخفي» أو التعميم بأن الاستهلاك يختلف بين المزارع بمقدار عدة أضعاف. ومع ذلك، عند مقارنة مزارع فراولة في داميانغ ويانغبيونغ خلال الفترة نفسها، وُجدت حالة بلغ فيها الاستهلاك لكل وحدة مساحة 12.4 كيلوواط ساعة/㎡ و14.2 كيلوواط ساعة/㎡، بفارق يقارب 13%. وهذا نتيجة تفاعل مركّب بين طقس المنطقة وبنية البيت الزجاجي وأداء ستائر العزل الحراري وإعدادات التدفئة وطريقة التشغيل.

ومن خلال القياس حسب كل معدّة، تأكدنا من أن استهلاكاً ثابتاً للكهرباء يحدث ليس فقط في المعدات التي يُتوقع أن يكون استهلاكها عالياً مثل أجهزة التدفئة، بل أيضاً في المعدات المساعدة التي لا يُنتبه عادة إلى استهلاكها، مثل المضخات المستخدمة للمياه الجوفية. وحتى إذا بدا الاستهلاك الفردي غير كبير، فقد تتضخم الكمية المتراكمة إذا تكرر التشغيل لفترات طويلة، ما يستلزم إدارتها.

ما مستوى دقة تنبؤات الذكاء الاصطناعي، وهل بلغ مستوى يتيح التحكم الآلي؟

في حالة التنبؤ بما سيحدث بعد 15 دقيقة في بيت فراولة زجاجي في نونسان، تُظهر الدقة أكثر من 90% (وفق معامل التحديد)، وبعد ساعة واحدة أكثر من 80%. ولأن النموذج أُنشئ بعد تأمين بيانات زراعة لنحو عام واحد فقط، فمن المتوقع أن ترتفع الدقة أكثر مع تراكم البيانات. يستخدم نموذج التنبؤ فئة المحولات (Transformer). وقد اختير ذلك للاستفادة من بيانات السلاسل الزمنية متعددة المتغيرات المتراكمة على مدى طويل، أكثر من السعي وراء دقة آنية. فقد تكون للشبكات العصبية المتكررة (RNN) أو الذاكرة الطويلة قصيرة الأمد (LSTM) حدود في تعلم الاعتمادية الزمنية بعيدة المدى كلما طال نطاق الإدخال. ويجب عرض مقدار تحسن الدقة استناداً إلى نتائج مقارنة في ظروف تحقق موحدة، كما يلزم التمييز حتى لا يُساء فهم دقة تصنيف حالة استهلاك الوقود على أنها دقة التنبؤ بكمية استخدام الوقود.

في المرحلة الحالية، ليس من المناسب وصفه بأنه نظام يتحكم تلقائياً مباشرة في جهاز التدفئة بناءً على نتائج التنبؤ. هناك إمكانية للتطور إلى تحكم آلي إذا جرى التحقق من موثوقية التنبؤ وسلامته، وتأمين تقنية الربط مع أجهزة التحكم البيئي المركّب. ومع ذلك، بما أنه يجب الحفاظ على بيئة نمو مناسبة للمحاصيل، فالمطلوب ليس تقليل استهلاك الطاقة فحسب، بل تقنية تحكم تراعي في الوقت نفسه بيئة المحصول وكفاءة الطاقة، وسيشمل ذلك عملية اتخاذ المزارع للحكم النهائي.

كيف تبدو تكلفة التركيب وخطة التوزيع؟

تبلغ تكلفة تركيب النظام المستخدم في التحقق الميداني نحو 19 مليون وون لكل مزرعة. لكن من الصعب اعتبارها سعراً للتوزيع على المزارع العامة، لأنها تشمل حساسات بحثية وأجهزة جمع بيانات واتصالات. كما يصعب أيضاً عرض عائد الاستثمار (ROI) بصورة موحدة، لأنه يختلف كثيراً ليس فقط بحسب مساحة البيت الزجاجي، بل أيضاً بحسب كمية طاقة التدفئة المستخدمة، ونوع المحصول، وشكل المنشأة، وما إذا كانت المزرعة تمتلك بالفعل معدات قياس. ولأجل التوزيع، تتمثل المهمة في تبسيط النظام حول عناصر القياس الضرورية وخفض تكلفة التركيب. ويمكن تطبيق طريقة محولات التيار وحساسات المستوى على البيوت الزجاجية القائمة أيضاً، لكنها تحتاج إلى بيئة اتصالات بمستوى معين لنقل البيانات، لذلك ينبغي في مرحلة التوزيع مراعاة طرق التخزين والنقل للمناطق ذات ظروف الاتصال الضعيفة.

استناداً إلى نتائج التحقق هذا العام، نخطط لاقتراح «مشروع التوزيع التجريبي للتقنيات الجديدة»، وإذا جرى اختياره فسيكون الهدف هو التوزيع التجريبي في عام 2028. وسيُحدد عدد مواقع التوزيع والمناطق المستهدفة بعد الاختيار. أما البراءة، فقد قُدم طلب بعنوان «جهاز مراقبة طاقة البيوت الزجاجية باستخدام نموذج تنبؤ وطريقة تشغيله»، وهو قيد إجراءات التسجيل، كما نُقلت التقنية ذات الصلة إلى شركة واحدة.

هل هناك مجال لربطه بسياسة الحياد الكربوني؟ وما هدفك المستقبلي كباحث؟

من الصعب القول إن جيمس هو، في الوقت الراهن، نظام يصادق على كميات الخفض في نظام تداول الانبعاثات أو المشاريع الخارجية. ذلك لأنه يجب استيفاء متطلبات مؤسسية منفصلة مثل المنهجية، وتحديد خط الأساس، والقياس والإبلاغ والتحقق (MRV). غير أن نقطة انطلاق خفض الكربون هي في النهاية قياس مقدار الطاقة المستخدمة فعلياً بدقة. وقد يكون لبيانات استهلاك الكهرباء والوقود التي يراكمها جيمس إمكانية استخدامها في الفهم الكمي لاستخدام الطاقة وانبعاثات غازات الدفيئة في القطاع الزراعي.

في المستقبل، أود أن نراكم بيانات ميدانية من مناطق ومحاصيل متعددة لمقارنة خصائص الاستهلاك لدى كل مزرعة، وأن نطوّر النظام بحيث يستطيع المزارعون بسهولة الحكم على «كم تستهلك مزرعتي من الطاقة مقارنة بمزارع أخرى ذات ظروف مشابهة، وأين توجد إمكانية للخفض». الطاقة لا تُرى بالعين، لكنها تبدأ بالظهور عندما تُقاس، وإذا ظهرت أمكن إدارتها. هدفي كباحث هو أن يصبح جيمس ليس مجرد جهاز قياس، بل أداة تساعد على خفض تكاليف الطاقة وتشغيل المزرعة بصورة رشيدة.