Dārzeņu ražošana siltumnīcās ar gaiss-gaiss siltumsūkņiem samazina CO2 emisijas

Tehnoloģija pārbaudīta eksperimentālā siltumnīcā

“Lai nodrošinātu svaigus dārzeņus visu gadu Latvijas klimata apstākļos tie ir vai nu jāieved vai arī jāaudzē segtās apsildāmās platībās, kuras populāri tiek sauktas par siltumnīcām. Pastāv pamatots viedoklis, ka vietēji audzēti dārzeņi ir labāki, jo tie ir īsāku laiku jātransportē un nav jāglabā tik ilgi kā no tālienes importētie. Tomēr dārzeņu audzēšana siltumnīcās prasa ievērojamu enerģijas patēriņu un tai skaitā arī rada ievērojamu CO2 izmešu daudzumu, kas visām valstīm, arī Latvijai,  ir jāierobežo, lai mazinātu klimata izmaiņu risku,” stāsta Latvijas Universitātes Ķīmiskās fizikas institūta pētnieks Agris Auce.

Risinājumi šai problēmai tika meklēti projektā “Siltumenerģijas efektivitātes uzlabošanas tehnoloģijas izstrāde segto platību veģetācijas perioda pagarināšanai”, un izveidota neliela eksperimentālā siltumnīca. Tā tika veidota, nošķirot no lielās ražošanas siltumnīcas nelielu stūri 34m2 platībā un ierīkojot gaiss-gaiss siltumsūkņiem veidotu apsildes sistēmu. Paralēli izvietota attālināti kontrolējama sensoru sistēma, lai nepārtraukti monitorētu temperatūras 3D sadalījumu siltumnīcā un salīdzinātu to ar ražošanas kontrolsiltumnīcu. LLU pētnieki kopā ar SIA “Rītausma” monitorēja tomātu augšanu eksperimentāli apsildītajā siltumnīcā.

Gaiss-gaiss siltumsūkņa ekonomiskie un ekoloģiskie ieguvumi

Pētnieki secinājuši, ka, apsildot siltumnīcu ar gaiss-gaiss tipa siltumsūkni un salīdzinot elektrības patēriņu ar kontrolsiltumnīcas elektrības patēriņu, kur kontrolsiltumnīca tika apsildīta ar gāzi, enerģijas patēriņa ziņā siltumsūkņi patērēja apmēram 8 reizes mazāk enerģijas nekā apsilde ar gāzi. Tā kā elektroenerģija, it īpaši pēc visām OIK komponentēm un pārvades izdevumiem ir krietni dārgāka nekā gāze, tīrais ekonomiskais efekts nebija liels. 2020. gada sezonā ar siltu ziemu un vēsu pavasari, kas ir ļoti piemērots režīms siltumsūkņu efektivitātei, iegūtais ekonomiskais efekts bija apmēram  30 % (izmaksas 4,11 EUR/m-2 siltumsūknim salīdzinot ar 5,94 EUR m-2 gāzei).

Turpretim ļoti būtisks toties ir CO2 izmešu samazinājums. Šeit samazinājums ir 4 reizes, ja pieņemam, ka elektrība tiek ģenerēta tikai Rīgas TEC koģenerācijas režīmā vai arī 10 reizes, ja pieņemam, ka virs 50 % no elektrības tiek ģenerēti Somijas vai Krievijas AES vai arī hidroelektrostacijās.

Tādejādi projekta gaitā tika demonstrēts, ka, izmantojot modernās tehnoloģijas – gaiss-gaiss siltumsūkņus -, iespējams nodrošināt Latvijas iedzīvotājus ar svaigiem dārzeņiem un zaļumiem visu gadu un vienlaicīgi gandrīz desmitkārt samazināt siltumnīcas gāzu emisiju siltumnīcu saimniecībā.  Pētnieki to uzskata par nozīmīgu rezultātu, no kura ieguvēji būs gan šo veselīgo produktu ražotāji, gan arī Latvijas ekonomika, jo ļauj lielam lauksaimniecības sektoram būtiski samazināt CO2 emisijas.

Vienmērīgas temperatūras nodrošināšana

Pētnieki stāsta, ka projekta gaitā tika arī analizēti iespējamie sarežģījumi, kas var rasties, izmantojot gaiss-gaiss tipa siltumsūkņus siltumnīcu apsildē.  Sarežģījumi saistās ar precīzu siltuma režīma uzturēšanu un to, lai novērstu siltumsūkņu darbības cikliskuma izraisītās gaisa temperatūras svārstības, jo gan kondicionieri, gan gaiss-gaiss siltumsūkņi strādā tiešā vai modificētā ieslēgšanās/izslēgšanās režīmā, bet augi dod priekšroku vienmērīgam temperatūras režīmam. 

Tāpat uzmanība jāpievērš tam, lai siltumsūkņi temperatūru uzturētu ar ārēju temperatūras devēju, kas regulē temperatūru siltumnīcā, bet nevis nedaudz lētāko iekšējo temperatūras devēju, kas regulē siltumsūkņa darbību, mērot siltumsūknī ieplūstošā gaisa temperatūru.  Rezultējošās temperatūras atšķirības starp šiem režīmiem var būt nelielas – 0,5-2 grādi, bet tomātu augšanas monitorēšana parādīja, ka pat šādām, it kā nelielām novirzēm no optimālās augu augšanas temperatūras ir stipra ietekme uz tomātu attīstības ātrumu.  Ja siltumsūkņi ir precīzi kalibrēti, tad tie uztur daudz precīzāku temperatūru nekā konvencionālā siltumnīcas apkure ar karsto ūdeni (radiatoriem). Tas saistīts ar daudz mazāku siltuma inerci gaiss-gaiss siltmsūknim salīdzinot ar ūdens apkures sistēmu.

Izmainoties laika apstākļiem – uzspīdot Saulei vai arī parādoties mākoņiem - strauji mainās Saules enerģijas pieplūdums siltumnīcai. Gaiss-gaiss tipa siltmsūknis uz šīm Saules starojuma izsauktām temperatūras izmaniņām siltumnīcā var reaģēt ļoti strauji un samazināt sildīšanu vai arī to uzsākt. Savukārt karstā ūdens apkures sistēmai siltuma inerce ir daudz lielāka – tie ir desmiti minūšu, kuru laikā siltumnīcas temperatūra var par apmēram grādu pārsniegt optimumu, ja pēkšņi uzspīd Saule, vai arī nokristies zem optimuma, ja Saule pēkšņi pazūd.

Tehnoloģiskās gaiss-gaiss siltumsūkņu priekšrocības

Būtiski atzīmēt vēl vienu aspektu kā gaiss-gaiss siltumsūkņi var palīdzēt nodrošināt Latviju ar svaigiem dārzeņiem un zaļumiem ar zemu CO2 izmešu “pēdas nospiedumu”. Gaiss-gaiss siltumsūkņu apkures sistēmas izbūve prasa ievērojami mazākus kapitālieguldījumus nekā tradicionāla apkure ar karsto ūdeni.  Gaiss-gaiss siltumsūkņu sistēma ir modulāra – siltumnīcu kompleksu var palielināt pieslēdzot arvien jaunus siltumsūkņus, katru ar salīdzinoši nelielu jaudu.  Ja siltumnīcu izmanto nevis visu gadu, bet gan veģetācijas sezonas pagarināšanai pavasarī un rudenī, tad priekšrocības ir vēl lielākas – vēl labāka lietderības koeficienta priekšrocība. Nepieciešamas mazākas uzstādītās siltuma jaudas uz siltumnīcas kvadrātmetru, jo uzstādīto siltuma jaudu nosaka maksimāli zemākās temperatūras ziemas naktīs, kad vajadzīgs jaudas maksimums.

Tāpat jāatzīmē, ka nav vajadzīga kāda īpaša siltumnīcas iekārtu sagatavošana ziemas sala periodam, jo siltumsūkņi salā nesasalst. Pie trūkumiem svarīgi atzīmēt, ka ir vajadzīgas garantijas par nepārtrauktu elektrības piegādi. Tas nozīmē vai nu divas neatkarīgas elektrības piegādes līnijas lieliem ražotājiem vai arī savu ģeneratoru mazākiem ražotājiem. Toties īpaši izdevīgi siltumsūkņu apkures risinājumi varētu būt ražotājiem, kuriem ir savas koģenerēšanas jaudas – tas dod gan ievērojami lētākas elektrības cenas bez esošajiem papildus maksājumiem (kā OIK, pārvades maksājumi u. t. l), gan arī nav nepieciešamas divas elektrības pievades līnijas, gan arī var utilizēt koģenerācijā radīto siltumu. Tā saucamie “atjaunojamie” enerģijas avoti kā vējš un Saule gan nebūs piemēroti elektrības lokālai ģenerēšanai segto platību apsildei, jo tiem nav itin nekādas jaudu stabilitātes un tie nav piemēroti sistēmām, kur vajadzīga garantēta elektrības piegāde.

Visas šīs gaiss-gaiss siltumsūkņu tehnoloģiskās un ekonomiskās priekšrocības padara tos īpaši piemērotus dārzeņu un zaļumu ražotājiem, kuri vēlas izbūvēt jaunas ražošanas jaudas ar iespējami maziem kapitālieguldījumiem un kuri vēlas iespēju laika gaitā elastīgi palielināt savas segto platību ražošanas jaudas.  Arī nelieliem ražotājiem, kuri vēlas ilgāk iegūt produktus no savas jau esošās neapsildāmās siltumnīcas, šis būs ļoti piemērots risinājums, jo prasa salīdzinoši nelielus ieguldījumus un ir ērti lietojams.

Kopumā pētījums ir parādījis, ka gaiss-gaiss siltumsūkņu tehnoloģija segtajās platībās ļauj ekonomiski izdevīgi nodrošināt Latvijas iedzīvotājus ar veselīgiem, vietēji ražotiem svaigiem dārzeņiem un zaļumiem un samazināt CO2 emisijas dārzeņu audzēšanā apsildāmās platībās.

Pētījums “Siltumenerģijas efektivitātes uzlabošanas tehnoloģijas izstrāde segto platību veģetācijas perioda pagarināšanai” (nr. 17-00-A01620-000013) tiek īstenots Eiropas Lauksaimniecības fonda lauku attīstībai Latvijas Lauku attīstības pasākuma “Sadarbība” 16.1.ietvaros. Tā īstenošanā piedalījās LLU, Latvijas Universitāte, SIA Rītausma, SIA Baltic Open Solution Center, SIA A.Pundura Konsultāciju Centrs.