[Интервью] Куда утекали расходы на отопление теплиц: измерения с интервалом в 1 минуту… разработчик GEMS, научный сотрудник Юн Сон Ук

Даже если выращивать одну и ту же клубнику в один и тот же период, энергопотребление теплиц различается. Энергопотребление на единицу площади у фермерского хозяйства по выращиванию клубники в Тамъяне составило 12,4 кВт·ч/㎡, а у хозяйства в Янпхёне — 14,2 кВт·ч/㎡, то есть хозяйство в Тамъяне потребляло примерно на 13% меньше, чем хозяйство в Янпхёне. Однако до сих пор все данные, которыми располагали фермеры, сводились к ежемесячным счетам за электроэнергию и квитанциям на покупку отопительного топлива. Поскольку не было измерительных данных, показывающих, какое оборудование когда и сколько потребляло, не было и способа установить причину различий.

Разработанная Департаментом сельскохозяйственной инженерии Национального института сельскохозяйственных наук Управления развития сельских районов система мониторинга энергии теплиц «GEMS» (Greenhouse Energy Monitoring System) призвана закрыть этот пробел. Она измеряет электроэнергию и отопительное топливо, используемые в теплице, с интервалом в 1 минуту, показывает потребление по каждому виду оборудования и с помощью искусственного интеллекта (ИИ) прогнозирует даже будущий объем потребления энергии. Разработка велась три года с 2022 года и сейчас завершена; в настоящее время проводится полевое испытание в Нонсане, а также параллельно анализируются данные клубничных хозяйств в Тамъяне и Янпхёне. Мы встретились с научным сотрудником Юн Сон Уком, который отвечал за разработку.

Что представляет собой система GEMS?

Фермеры могут узнать общую сумму расходов по ежемесячным счетам за электричество и затратам на покупку отопительного топлива, но им непросто понять, какое именно оборудование когда и сколько израсходовало. GEMS — это система, созданная для того, чтобы в реальном времени измерять использование электроэнергии и отопительного топлива вместе с данными о среде в теплице, с первого взгляда видеть состояние энергопотребления и управлять им напрямую. Можно проверять потребление основного оборудования, такого как отопители, вентиляционные вентиляторы и установки для питательного раствора, а также просматривать внутренние параметры, включая температуру и влажность, и внешние метеоданные. Система была разработана в рамках «Исследования мониторинга энергии в реальном времени для садоводческих сооружений», проводившегося с 2022 по 2024 год, общий объем финансирования за три года составил 210 млн вон. С 2025 года ведется полевое демонстрационное исследование: систему устанавливают в хозяйствах и проверяют ее стабильность и практическую применимость на местах.

Как отдельно измеряются электроэнергия и отопительное топливо?

Для электроэнергии ток измеряется трансформатором тока (CT) и в сочетании с данными о напряжении рассчитывается количество электроэнергии. Поскольку измерительные устройства устанавливаются на каждое основное оборудование или цепь, можно отдельно отслеживать нагрузки, требующие управления, включая отопительное оборудование, вентиляционные вентиляторы и установки для питательного раствора. Для отопительного топлива на резервуаре хранения устанавливают датчик уровня, измеряют изменение уровня и пересчитывают его в фактический расход на основе данных о форме и емкости резервуара.

Расходомер может напрямую измерять количество топлива, но для этого нужно разрезать существующий топливопровод или добавить соединительные узлы, что может стать бременем для хозяйств, где отопительная система уже эксплуатируется. Отопительное топливо расходуется прерывисто, поскольку отопитель включается и выключается в зависимости от температуры наружного воздуха и заданной температуры. Даже при использовании расходомера нужно выбирать модель, которая стабильно работает в таких зонах малого расхода. Метод оценки по времени работы котла имеет ограничения, поскольку фактическое потребление меняется в зависимости от нагрузки на отопитель и режима эксплуатации. У способа с датчиком уровня тоже есть нюансы: при заливке топлива уровень резко повышается, а при колебаниях поверхности жидкости значения могут «скакать», поэтому система различает рост из-за заправки и снижение из-за расхода, а также анализирует паттерны данных за определенное время, чтобы минимизировать влияние таких факторов. Способ с датчиком уровня — это выбор не потому, что он самый точный, а потому что он учитывает применимость на практике: позволяет постоянно отслеживать расход при минимальных изменениях трубопроводов.

Чем она отличается от существующих комплексных контроллеров среды?

Существующие комплексные контроллеры среды сильны в измерении таких параметров, как температура, влажность и углекислый газ (CO₂), а также в управлении оборудованием. GEMS меняет точку зрения и собирает данные вокруг вопроса: «как на самом деле потребляется энергия в теплице». Главное — помочь понять особенности потребления, совместно анализируя расход электроэнергии и топлива, рабочее состояние основного оборудования, внутреннюю среду и внешние метеоданные. Данные собираются и сохраняются с интервалом в 1 минуту и в зависимости от цели могут быть преобразованы для анализа по часам, дням и месяцам; электроэнергия измеряется тем же оборудованием, что и коммерческие счетчики электроэнергии. Интеграция через интерфейс прикладного программирования (API) с платформой Корейского агентства образования, продвижения и информационного обслуживания в сфере сельского, лесного, рыбного хозяйства и продовольствия или с контроллерами производителей пока не достигла стадии стандартизации. Ведутся соответствующие исследования с рассмотрением открытой структуры взаимодействия, соответствующей стандартам. 

Каков был реальный эффект экономии в демонстрационных хозяйствах?

Полевое испытание проводится в клубничном хозяйстве в Нонсане, провинция Чхунчхон-Намдо, а также используются данные хозяйств в Тамъяне и Янпхёне, где GEMS была установлена в рамках прошлых проектов. Если рассматривать только одно хозяйство, результаты могут зависеть от условий конкретной теплицы или привычек управления, поэтому цель — проверить, можно ли использовать систему при различиях в регионе, погоде и режимах эксплуатации.

В клубничном хозяйстве в Тамъяне, используя информацию GEMS для проверки состояния зимнего энергопотребления при эксплуатации теплицы, по собственным подсчетам хозяйства установили, что расходы на отопление зимой 2025~2026 года снизились примерно на 10% по сравнению с зимой 2024~2025 года. Однако следует с осторожностью интерпретировать это как прямое доказательство того, что установка GEMS снизила расходы на отопление на 10%. Потребление тепловой энергии зависит не только от погодных условий, таких как температура наружного воздуха и солнечная радиация, но и от периода выращивания, заданной температуры, состояния теплоизоляции и способов эксплуатации оборудования. GEMS — это не устройство, которое напрямую сокращает энергию, а система, помогающая фермеру корректировать методы эксплуатации на основе данных.

После измерений обнаружилось ли оборудование, которое неожиданно потребляло много энергии?

На основании имеющихся данных трудно категорически назвать какое-либо оборудование «скрытым виновником» или обобщать, что потребление между хозяйствами различается в несколько раз. Однако при сравнении клубничных хозяйств в Тамъяне и Янпхёне за один и тот же период был случай, когда потребление на единицу площади составило 12,4 кВт·ч/㎡ и 14,2 кВт·ч/㎡, то есть различалось примерно на 13%. Это результат комплексного влияния региональной погоды, конструкции теплицы, эффективности теплосберегающих штор, настроек отопления и методов эксплуатации.

При измерении по отдельным видам оборудования подтвердилось, что не только устройства, от которых ожидается высокий расход, такие как отопители, но и вспомогательное оборудование, о потреблении которого обычно не задумываются, например насосы для использования подземных вод, тоже потребляет определенное количество электроэнергии. Даже если отдельное потребление кажется небольшим, при длительной повторяющейся работе накопленный объем может стать значительным, поэтому требуется управление.

Каков уровень точности прогнозирования ИИ и достаточен ли он для автоматического управления?

В случае прогноза на 15 минут вперед в клубничной теплице в Нонсане точность прогнозирования превышает 90% (по коэффициенту детерминации), а для прогноза на 1 час вперед — более 80%. Поскольку модель была создана на основе данных выращивания, собранных примерно за один год, ожидается, что по мере накопления данных точность еще повысится. В прогнозной модели используется семейство Transformer. Такой выбор был сделан не ради текущей точности, а для использования многомерных временных рядов данных, накапливающихся в течение длительного времени. У рекуррентных нейронных сетей (RNN) или сетей долгой краткосрочной памяти (LSTM) по мере удлинения входного интервала могут возникать ограничения в обучении долгосрочным временным зависимостям. Степень улучшения точности следует представлять на основе результатов сравнения при одинаковых условиях проверки, а также необходимо различать точность классификации состояния потребления топлива и точность прогнозирования объема потребления топлива, чтобы их не путали.

На нынешнем этапе некорректно описывать систему как такую, которая напрямую автоматически управляет отопителем на основе результатов прогноза. Если будут подтверждены надежность и безопасность прогнозов и обеспечена технология сопряжения с комплексными контроллерами среды, есть возможность развития в сторону автоматического управления. Однако поскольку необходимо поддерживать подходящую среду для роста культур, потребуется технология управления, учитывающая не минимизацию энергопотребления, а одновременно среду для растений и энергоэффективность, и процесс будет включать окончательное решение фермера.

Каковы стоимость установки и планы распространения?

Стоимость установки системы, используемой в полевых испытаниях, составляет около 19 млн вон на хозяйство. Однако эта сумма включает исследовательские датчики, устройства сбора данных и связи, поэтому ее трудно рассматривать как цену для распространения среди обычных фермерских хозяйств. Рентабельность инвестиций (ROI) также сильно различается не только в зависимости от площади теплицы, но и от объема использования энергии на отопление, культуры, типа сооружения и наличия существующего измерительного оборудования, поэтому представить единый показатель сложно. Для распространения задача состоит в том, чтобы упростить систему вокруг строго необходимых измеряемых параметров и снизить стоимость установки. Способ с трансформаторами тока и датчиками уровня можно применять и в существующих теплицах, но для передачи данных требуется определенный уровень коммуникационной среды, поэтому на этапе распространения необходимо учитывать также способы хранения и передачи данных для районов с плохими условиями связи.

На основе результатов испытаний этого года планируется предложить «проект пилотного распространения новой технологии», и в случае отбора целью станет пилотное внедрение в 2028 году. Количество объектов распространения и целевые регионы будут определены после отбора. Подана патентная заявка на «устройство мониторинга энергии теплицы с использованием прогнозной модели и способ его работы», сейчас идет процедура регистрации, а соответствующая технология была передана одной компании.

Есть ли возможность связать это с политикой углеродной нейтральности? И какова ваша будущая цель как исследователя?

Сложно сказать, что GEMS уже сейчас является системой для сертификации сокращений в рамках торговли квотами на выбросы или внешних проектов. Это связано с тем, что необходимо отдельно выполнить институциональные требования, такие как методология, установление базовой линии, измерение, отчетность и верификация (MRV). Однако отправная точка сокращения выбросов углерода в конечном счете — точное измерение того, сколько энергии фактически было использовано. Данные о потреблении электроэнергии и топлива, которые накапливает GEMS, потенциально могут использоваться для количественной оценки энергопотребления и выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве.

В дальнейшем я хотел бы накапливать полевые данные из разных регионов и по разным культурам, сравнивать особенности потребления по хозяйствам и развивать систему так, чтобы фермеры могли легко понять: «сколько энергии использует мое хозяйство по сравнению с другими хозяйствами в похожих условиях и где есть возможность сократить расход». Энергия невидима, но если ее измерить, она начинает становиться видимой, а когда она видима, ею можно управлять. Моя цель как исследователя — чтобы GEMS стала не просто измерительным оборудованием, а инструментом, который сокращает энергетические расходы и помогает рационально управлять хозяйством.