Мировой рынок тепловых насосов «воздух — вода» и их ключевых компонентов
Общие положения
В тепловых насосах «воздух — вода» тепло наружного воздуха нагревает воду для систем отопления или горячего водоснабжения.
Популярность тепловых насосов вызвана тем, что данный вид оборудования использует возобновляемый источник энергии, уменьшая потребление ископаемого топлива и снижая объем выбросов, загрязняющих атмосферу. В 2016 году мировой спрос на тепловые насосы «воздух — вода» вырос по сравнению с предыдущим годом на 14,2%, достигнув уровня в 2 миллиона штук.
Европейский рынок отопительного оборудования сформировался уже довольно давно, и системы, использующие ископаемое топливо, господствовали на нем на протяжении долгого времени. Распространение тепловых насосов «воздух — вода» в Европе в 2016 году заметно снизилось из-за падения цен на нефть и повышения тарифов на электроэнергию. Изменить ситуацию в лучшую сторону может вступление в силу Директивы об энергопотребляющей продукции (ErP).
Покорение рынка Европы — важная часть стратегических планов японских производителей. Ужесточение европейского законодательства, касающегося оборота фторсодержащих газов, делает весьма привлекательными для европейцев японские водонагреватели Eco Cute, использующие в качестве хладагента диоксид углерода. Кроме того, планируются поставки из Японии тепловых насосов на хладагенте R32.
Многие известные европейские производители котельного оборудования также занялись выпуском тепловых насосов «воздух — вода». Производством наружных блоков для данного вида оборудования компании из Европы занимаются совместно с азиатскими предприятиями, специализирующимися на изготовлении воздушных кондиционеров.
Япония — страна с устоявшимися традициями в области производства и эксплуатации воздушно-водяных тепловых насосов. Рост этого сектора японского рынка в 2016 году, согласно данным JRAIA, был невелик.
В Китае две трети продаж тепловых насосов «воздух — вода» приходятся на устройства, обеспечивающие горячее водоснабжение. Тем не менее значительный рост этого сегмента рынка в 2016 году обеспечили системы отопления помещений. Их распространению способствует программа «Электричество вместо угля», направленная на замену водогрейных котлов, использующих ископаемое топливо, тепловыми насосами, работающими на электричестве. Особенно заметный рост спроса на тепловые насосы «воздух — вода» отмечен в северных районах Китая.
Основные рынки
Европа
По оценке JARN, в 2016 году объем продаж тепловых насосов «воздух — вода» в Европе немного вырос по сравнению с предыдущим годом и составил 246 000 единиц оборудования. 58% общего объема продаж обеспечила Франция. Всего на три основных страны-потребителя тепловых насосов «воздух — вода» — Францию, Германию и Великобританию — приходятся почти 80% этого рынка.
Высокие тарифы на электроэнергию, дешевый природный газ и падение цен на нефть стали факторами, затормозившими рост европейского рынка тепловых насосов «воздух — вода» и повлиявшими на уменьшение объема инвестиций в возобновляемую энергетику в целом.
Помимо цен на энергоносители, серьезным препятствием на пути замены традиционных котлов стал психологический фактор. Тем не менее на рынке нового жилья застройщики все чаще делают выбор в пользу отопления и горячего водоснабжения при помощи тепловых насосов.
Надежды на развитие сегмента продукции для замены действующего котельного оборудования связаны с перспективой поглощения европейских производителей азиатскими компаниями.
Япония
Так как японский рынок тепловых насосов «воздух — вода» сформировался уже довольно давно, год от года он меняется незначительно. В 2016 году его объем оценивался в 420 000 единиц оборудования, что на 3,4% больше показателей предыдущего года.
Разработанные в 2001 году водонагреватели Eco Cute, использующие в качестве хладагента диоксид углерода, изначально служили для снабжения горячей водой ванной и кухни. Сегодня уже появились многофункциональные приборы, способные, помимо этого, обеспечивать функционирование системы «теплый пол». К концу марта 2016 года общее число проданных устройств Eco Cute достигло 5 миллионов. Согласно опубликованному в июле 2015 года прогнозу, к 2030 году это количество вырастет до 14 миллионов.
Китай
Программа «Электричество вместо угля», запущенная Китаем для решения проблемы загрязнения воздуха, особенно остро стоящей в северных районах страны, способствует активному развитию рынка тепловых насосов «воздух — вода». По оценке JARN, в 2016 году спрос на оборудование этого типа вырос в Китае на 22,7% по сравнению с предыдущим годом, достигнув объема в 1,3 миллиона штук.
Растет число новостроек, использующих тепловые насосы «воздух — вода» для отопления, увеличивается количество коммерческих и промышленных предприятий, на которых подобное оборудование применяется для получения горячей воды.
В число ведущих китайских производителей тепловых насосов «воздух — вода», помимо компаний, специализирующихся именно на этом виде продукции, входит и большинство крупных производителей систем кондиционирования. Одно из основных направлений их деятельности — разработка инверторных устройств. Так как промышленный потенциал Китая в области производства тепловых насосов очень велик, местные компании постоянно находятся в поиске новых рынков сбыта, в частности они очень заинтересованы в продажах в Европе. В свою очередь проникновение иностранных производителей на китайский рынок осложняется ожесточенной ценовой конкуренцией, а также низким качеством водопроводной воды, способствующим быстрой порче не рассчитанных на это импортных теплообменников.
США
В США объем рыночного сегмента тепловых насосов «воздух — вода», объединенных с цилиндрическим резервуаром, в 2016 году составил 85 000 единиц оборудования. Моноблоки и сплит-системы на этом рынке практически не представлены.
На рынке бытовых водонагревателей, объем которого в США составляет
Ведущие бренды региона — General Electric, Paloma, A. O. Smith, AirGenerate, Electrolux, Bosch и Stiebel Eltron. Продукция для многих из них производится в Китае на условиях O.E.M. Ряд китайских производителей представил свои тепловые насосы «воздух — вода» для американского рынка на выставке AHR Expo 2017, проходившей в Лас-Вегасе.
Азиатско-Тихоокеанский регион
Рынок бытовых тепловых насосов «воздух — вода» в Азиатско-Тихоокеанском регионе пока не сформировался, однако оборудование этого типа уже привлекает внимание посетителей на местных отраслевых выставках и ярмарках.
Развивающимся странам региона приходится концентрировать усилия для достижения сразу двух целей: развития экономики и снижения энергопотребления. Это может подтолкнуть правительства государств к ужесточению экологического законодательства и стимулированию приобретения тепловых насосов «воздух — вода», что положительно скажется на развитии рынка данного оборудования.
В Австралии уже действуют одни из наиболее строгих экологических законов в мире и при этом наблюдается стабильный рост продаж тепловых насосов «воздух — вода» (в частности, устройств Eco Cute), использующихся в качестве альтернативы традиционным электроводонагревателям.
Новые модели и технологии
Технология стабильного нагрева в холодном климате
Японские производители создали тепловые насосы «воздух — вода», приспособленные к работе в холодном климате. Они сохраняют высокую теплопроизводительность при температуре наружного воздуха до —15°C.
Для обеспечения работы при минусовых температурах используются различные решения, предотвращающие обледенение. Среди них — теплоаккумуляторы, обогрев через байпасный контур, нагревательные спирали.
Технология парожидкостного впрыска позволяет поддерживать поток хладагента на необходимом уровне даже при очень низкой температуре наружного воздуха.
Модели двойного действия
На рынке появились реверсивные тепловые насосы «воздух — вода», способные не только нагревать, но и охлаждать воду. Это решение обеспечивает максимальный комфорт как в зимнее, так и в летнее время.
Зональный контроль
Некоторые модели тепловых насосов «воздух — вода» могут иметь два контура и способны обслуживать сразу два помещения с различной потребностью в обогреве. Обеспечивая подачу двух потоков воды с разной температурой, они могут использоваться как для независимого обогрева, так и для охлаждения двух помещений или зон одного помещения.
Объединение тепловых насосов «воздух — вода» с фотоэлектрическими панелями
Еще одна недавняя разработка — интегрированные системы, объединяющие тепловые насосы и фотоэлектрические панели. Такие системы позволяют более эффективно использовать электроэнергию, вырабатываемую солнечными панелями, управляя энергопотреблением теплового насоса.
Интеллектуальное гибридное управление
В районах с холодным климатом, таких как Северная Европа, где температура наружного воздуха может опускаться до —40°С, эффективным способом получения горячей воды могут стать гибридные системы, объединяющие газовый котел и тепловой насос «воздух — вода». Уже установленный котел можно использовать для эффективного дополнительного нагрева. Ряд производителей представил на рынке интеллектуальные системы управления, позволяющие подключить тепловой насос к действующей системе отопления и горячего водоснабжения на базе газового котла. Если условия не позволяют использовать тепловой насос, включается газовый котел, обеспечивая непрерывное функционирование системы теплоснабжения.
Облачный сервис
Некоторые производители предоставляют услуги облачного сервиса для удаленного управления работой и энергопотреблением тепловых насосов «воздух — вода». Подключившись к облачному серверу, пользователь получает возможность полного контроля над устройством из любой точки планеты. Данная технология позволяет сэкономить электроэнергию, повысить уровень комфорта, добиться более гибкого управления ресурсами.
«Умные» распределительные сети
Стремительный рост производства электроэнергии из возобновляемых источников привел к диспропорции между подаваемой и требуемой электрической мощностью. Для решения этой проблемы тепловые насосы «воздух — вода» с функцией управления распределением энергии обеспечивают более гибкое регулирование энергопотребления. Данная функция позволяет изменять алгоритм работы прибора по сигналу контроллера.
Разнообразие внутренних блоков
В настоящее время созданы разнообразные внутренние блоки для тепловых насосов «воздух — вода», отличающиеся как назначением, так и функциональными возможностями.
В регионах с холодным климатом требуемую тепловую мощность могут обеспечить радиаторы без вентиляторов, передающие тепло путем излучения. Комфортная температура при этом поддерживается без создания воздушных потоков, что существенно снижает энергопотребление и уровень шума.
В ассортименте многих производителей имеются внутренние блоки «все-в-одном», способные охлаждать и отапливать помещение, а также подавать горячую воду. Такие устройства отличаются компактностью и простотой обслуживания.
Компрессоры для тепловых насосов
Как правило, в качестве хладагента в тепловых насосах «воздух — вода» применяется R410A. В водонагревателях Eco Cute используются компрессоры для диоксида углерода. Некоторые производители работают над созданием тепловых насосов на пропане (R290). Появление таких моделей на рынке — дело ближайшего будущего.
В тепловых насосах применяются компрессоры самых разных типов: поршневые, ротационные, спиральные, винтовые. Чаще всего речь идет о тандемных спиральных и двухступенчатых ротационных устройствах, способных обеспечить температуру конденсации около 80оС, что позволяет получать довольно горячую воду даже в холодном климате.
По материалам JARN
Увеличение потока данных и сопутствующие факторы
Ранее компьютерная обработка данных применялась в основном для более эффективного ведения корпоративной бухгалтерии, оптимизации производства и бизнес-операций. Данные для обработки, как правило, передавались внутри одной компании или между разными компаниями, связанными деловыми отношениями, подразумевающими обмен информацией и ее совместное использование. Однако в последние годы, которые принято называть началом цифровой эры, каждодневная потребность в передаче и обработке огромных объемов данных появилась не только у компаний, но и у рядовых потребителей.
По данным исследовательской компании IDC (США), в 2011 году мировой объем передаваемых данных составил 1,8 зеттабайта, или 1,8 триллиона гигабайт. Согласно прогнозам, к 2020 году этот объем увеличится до 40 зеттабайт. Причина стремительного роста потока данных — резкое увеличение количества персональных компьютеров и мобильных устройств (смартфонов, планшетов), подключенных к сети «Интернет». Тенденция к росту сохранится и в дальнейшем, чему будет способствовать распространение технологий Интернета вещей и облачных вычислений.
Условия работы центров обработки данных (ЦОД)
Центры обработки данных (ЦОД), оборудованные вычислительной и телекоммуникационной техникой, существуют уже довольно давно. Эти объекты обрабатывают данные, получаемые в процессе эксплуатации мобильных устройств и компьютеров, а также служат резервными хранилищами информации, предотвращая ее потерю из-за неправильного обращения, хакерских атак, неисправностей оборудования. В прошлом во многих компаниях хранением и обработкой цифровых данных занимались собственные специальные отделы. Вычислительная мощность, необходимая для обработки всей поступающей информации, постоянно увеличивалась, вместе с ней росла и стоимость содержания таких отделов. В результате компании все чаще стали прибегать к услугам сторонних организаций, специализирующихся на подобного рода деятельности. Это привело к повсеместному распространению центров обработки данных.
Как правило, ЦОД — это место, где располагается серверное и сетевое оборудование, а также техника, обеспечивающая подключение к линиям мобильной и проводной связи. Неполадки в работе ЦОД способны оказать серьезное влияние на жизнь и экономическую активность населения. Это влияние включает в себя перебои в проведении банковских операций, работе систем онлайн-бронирования авиабилетов и гостиничных номеров, интернет-магазинов, электронной почты. Кроме того, под угрозой окажутся производственные процессы, использующие для повышения эффективности технологию «Интернет вещей». Чтобы избежать подобных неприятностей, ЦОД размещают в наиболее сейсмоустойчивых и пожаробезопасных зонах, а при их строительстве используют самые строгие требования и стандарты.
Владельцы ЦОД применяют проработанные планы обеспечения непрерывности бизнес-процессов (BCP), используют различные системы сейсмической и пожарной защиты, обеспечивают бесперебойное электроснабжение и охлаждение ИТ-оборудования, принимают меры по предотвращению хакерских и террористических атак.
Необходимость увеличения производительности ЦОД ведет к повышению плотности размещения электронного оборудования и росту энергопотребления. Методы повышения эффективности использования энергии, активное внедрение которых началось в середине
В качестве показателя, позволяющего оценить эффективность использования электроэнергии, Агентство по защите окружающей среды США (EPA) предложило параметр PUE — отношение общего энергопотребления ЦОД к энергопотреблению вычислительного и телекоммуникационного оборудования. Идеальный PUE равен 1. Однако поскольку для работы сопутствующих систем, в том числе систем охлаждения ЦОД, также требуется энергия, реальный PUE лежит обычно в диапазоне
На системы кондиционирования уходит от 30 до 50% от всей энергии, идущей на питание ЦОД, поэтому снижение их энергопотребления позволит существенно сократить общее потребление центра.
Охлаждение ЦОД
Традиционная планировка ЦОД — это протяженные коридоры, образованные стойками — стеллажами с оборудованием высотой от пола до потолка. Для охлаждения на стойки подается холодный воздух.
Для его подготовки могут использоваться полупромышленные кондиционеры, чиллеры на базе компрессоров центробежного типа, а также установки, сочетающие чиллер и воздухообрабатывающую установку (AHU). Чтобы снизить энергопотребление, зимой и в межсезонье часто применяют прямое или косвенное охлаждение за счет наружного воздуха, имеющего низкую температуру.
Для повышения эффективности систем кондиционирования ЦОД используются различные подходы, такие как оптимизация расположения и размеров отверстий для подачи холодного и забора нагретого воздуха, увеличение скорости воздушного потока… Как правило, в ЦОДах устраивается фальшпол, через отверстия в котором холодный воздух подается в межстоечное пространство — в коридоры. Нагреваясь, воздух поднимается вверх к расположенным под потолком воздухозаборным решеткам, после чего вновь охлаждается кондиционером.
В последние годы получила распространение еще одна схема кондиционирования ЦОД. Охлажденный воздух подается в коридор, проходит через стойки, расположенные по обеим сторонам коридора, затем, уже нагретый, собирается в коридорах по другую сторону стоек и вновь поступает в кондиционер. Коридоры, в которые подается охлажденный воздух, называют холодными, а те, где собирается нагретый воздух — горячими. Продуманная организация циркуляции воздуха повышает эффективность системы кондиционирования за счет снижения расхода энергии на принудительную циркуляцию воздуха.
Поскольку ЦОДы отличаются друг от друга размерами и планировкой, определить наилучшее расположение отверстий для подачи и забора воздуха, а также вычислить оптимальную скорость потока помогает компьютерное моделирование.
Типовые параметры подачи воздуха на стойки ЦОД перечислены в рекомендациях по поддержанию соответствующей среды для телекоммуникационного оборудования, подготовленных Техническим комитетом 9.9 Американского общества инженеров отопления, охлаждения и воздушного кондиционирования (ASHRAE). В редакции от 2011 года этот документ вводит семь классов подаваемого воздуха — All-A, A1, A2, A3, A4, B и С.
Допустимые параметры подаваемого воздуха для каждого класса — границы температур по сухому термометру, значения точки росы, диапазон относительной влажности — указаны на графике.
Температура подаваемого воздуха по сухому термометру должна обеспечить охлаждение процессоров, выделяющих максимально возможное количество теплоты, до 65°С и ниже. Значения точки росы и относительной влажности определяются необходимостью защитить жесткие диски серверов от повреждений статическим электричеством.
Выпущенные в 2004 году рекомендации ASHRAE пересматривались в 2008 году. Поправки 2011 года смягчили требования, приняв во внимание распространение технологии охлаждения за счет наружного воздуха.
Как было показано выше, повышение эффективности процесса охлаждения ЦОД требует не только совершенствования систем кондиционирования, но и особого подхода к планировке зданий и размещению вычислительного оборудования, обеспечивающего оптимальное распределение воздушных потоков.
Как правило, для охлаждения ЦОДов используются специально разработанные системы кондиционирования.
Холодильное оборудование для ЦОД
Действенными мерами по сокращению энергопотребления ЦОД являются повышение энергоэффективности систем кондиционирования, использование технологий естественного охлаждения, оптимизация циркуляции воздуха с целью улучшения теплосъема. Наилучших результатов позволяет достичь сочетание этих методов.
Примером решения, использующего сразу несколько подходов, позволяющих сократить энергопотребление, может служить гибридная система охлаждения для ЦОД FMACS-V, разработанная совместно японскими компаниями NTT Facilities и Hitachi Appliances. Чтобы добиться беспрецедентного энергосбережения, данная система способна использовать уличный воздух в качестве источника холода.
Принцип действия FMACS-V заключается в следующем. Зимой и в межсезонье, когда температура наружного воздуха низка, компрессор отключается, а циркуляцию хладагента, отводящего тепло от электроники и отдающего его наружному воздуху, обеспечивает насос. При этом собственно наружный воздух не поступает внутрь, содержащиеся в нем вредные вещества (такие, например, как соль) не контактируют с оборудованием и не оказывают негативного воздействия на его работу. Кроме того, такой системе не требуется энергия для обеспечения притока свежего воздуха.
В зависимости от климатических условий региона снижение энергопотребление системой кондиционирования ЦОД благодаря установке FMACS-V может достигать 50%.
К ведущим производителям кондиционеров для ЦОД относятся такие компании, как Airedale International Air Conditioning, Schneider Electric, Black Box, Emerson Network Power, Rittal, AdaptivCool, STULZ. Многие из них выпускают не только оборудования для охлаждения, но и системы управления, а также занимаются проектированием и строительством ЦОД.
По материалам JARN
Решения для супермаркетов и магазинов шаговой доступности
По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), около трети всего продовольствия, производимого в мире, — примерно 1,3 миллиарда тонн в год — отправляется в отходы. При этом каждый девятый человек на планете страдает от голода.
Попытки решить это противоречие выявили ряд проблем, с которыми приходится сталкиваться супермаркетам и магазинам шаговой доступности — неотъемлемой части сектора продовольственного обеспечения.
Что показала выставка
Ежегодно в феврале в Японии проводится специализированная выставка, посвященная супермаркетам. В 2017 году местом ее проведения стал выставочный центр Макухари Мессе в префектуре Тиба. В мероприятии приняли участие более 2000 компаний со всего мира.
Хотя именно на супермаркеты и магазины шаговой доступности ложится львиная доля работы по снабжению потребителей едой и напитками, они являются и основным источником пищевых отходов. Так, в продовольственных магазинах одной японской торговой сети внедрена система, автоматически блокирующая продажу товара, срок годности которого истекает через два часа или меньше. Такие продукты просто выбрасывают вместо того, чтобы продать со скидкой.
Супермаркеты, как правило, акцентируют особое внимание на свежести предлагаемых морепродуктов. Не распроданные в срок дары моря обычно выбрасываются, хотя кое-где их перерабатывают на корм для скота.
Проблемы супермаркетов
В последние годы наиболее острой проблемой для японских супермаркетов и продовольственных магазинов шаговой доступности стала нехватка персонала. Продажами и обслуживанием складов занимаются люди с частичной занятостью и временные сотрудники. Желающих работать в ночную смену крайне мало даже за большую зарплату. В такой ситуации магазины ищут выход, заменяя кассиров роботами с искусственным интеллектом.
Еще одна проблема — тарифы на электроэнергию. В продуктовых магазинах ее главные потребители — холодильники и морозильники. Ограничение их использования экономит деньги, но негативно сказывается на сохранности продуктов.
Внедрение новых технологий
Сегодня, как правило, для индивидуального управления холодильными витринами, холодильниками и морозильниками используют дистанционные системы контроля. С их помощью владельцы пытаются решить задачу снижения энергопотребления.
Одно из инновационных предложений в этой области — циклический (периодический) контроль температуры. Суть метода в том, что холодильники последовательно включаются и выключаются так, что в каждый момент времени работает лишь одно устройство. В ходе трехминутного цикла колебание температуры составляет 1—1,7оС, что практически не ощущается человеком. На сегодняшний день циклический контроль и ограничение пиковой нагрузки — два основных метода снижения энергопотребления холодильной техники.
Системы управления освещением
Еще один действенный способ сократить потребление электричества — использование энергосберегающих осветительных устройств, таких как светодиоды с регулируемой яркостью.
Современные системы управления освещением регулируют яркость светильников, включают и выключают их по расписанию, обеспечивают освещение в период пиковой нагрузки. Способность подобрать нужный режим работы в каждой конкретной ситуации позволит получить идеальное освещение при минимальном энергопотреблении.
Холодильное оборудование
Супермаркеты используют разнообразные виды холодильных витрин. Это и громоздкие устройства с множеством полок, и шкафы типа «взял-и-пошел», и невысокие горизонтальные витрины… Небольшие шкафы-холодильники со стеклянной дверцей — это моноблочные устройства со встроенным компрессором, в то время как большие холодильные витрины подключаются к внешнему компрессорно-конденсаторному блоку.
Для быстрой заморозки свежих продуктов используют системы жидкостного охлаждения. Герметично запакованные продукты погружают в хладоноситель на спиртовой основе, имеющий температуру —35оС, в результате содержащаяся в них влага замерзает менее чем за 30 минут, а их структура не повреждается.
В отличие от устройств, замораживающих продукты мощным потоком холодного воздуха, погружные морозильники лучше сохраняют аромат, текстуру и пищевую ценность продукта, обеспечивая его свежесть в течение долгого времени.
Экология и хладагенты
По сравнению с кондиционерами воздуха и системами охлаждения на основе чиллеров, холодильное оборудование супермаркетов и продуктовых магазинов шаговой доступности отличается более значительным объемом утечек хладагента, что делает его серьезной угрозой для окружающей среды.
В настоящее время в торговом оборудовании чаще всего используются ГХФУ R22, ГФУ R404A, аммиак и диоксид углерода.
Согласно требованиям Монреальского протокола, озоноразрушающий хладагент R22 выводится из обращения.
Фреон R404А безопасен для озона, однако имеет значительный (около 3920) потенциал глобального потепления и в самом ближайшем времени также окажется под запретом.
Аммиак практически безвреден для окружающей среды, однако небезопасен при эксплуатации из-за умеренной воспламеняемости и токсичности.
В США, Японии и странах Европы ведутся исследования и разработки альтернативных фреонов. В частности, для замены R404A предлагаются хладагенты R448A и R449A. В Европе все большее распространение получает оборудование на диоксиде углерода, а также большие каскадные установки, использующие аммиак и диоксид углерода.
По мнению специалистов, в ближайшее время резонно ожидать появления новых хладагентов для каждого из имеющихся в наличии типов холодильного оборудования.
По материалам JARN
