Мировые новости, №113

0

Мировой рынок чиллеров и устройств обработки воздуха

Общие положения

По данным Британской ассоциации маркетинговых исследований и информации в области строительства (BSRIA), мировой спрос на холодильные машины в 2017 году достиг 7,7 миллиарда долларов, превысив показатели предыдущего года на 2,7%.

Значительная доля стоимости систем на основе чиллеров и устройств обработки воздуха приходится на разнообразное периферийное оборудование, такое как насосы для охлаждающей и охлаждаемой воды, трубопроводы, градирни для отвода тепла. Подобная периферия — один из ключевых сегментов рынка климатической техники.

Основной спрос на чиллеры обеспечивают Китай, страны Европы и США, доли которых составляют 30, 18 и 15% соответственно. Около 30% выпущенных в США чиллеров отправляются на экспорт. При этом США производят около 20% общего количества чиллеров в мире.

В 2017 году китайский рынок чиллеров — крупнейший в мире — вырос на 3,8% по сравнению с предыдущим годом, достигнув объема в 2,3 миллиарда долларов США. Объем европейского рынка увеличился на 5% — до 1,4 миллиарда долларов США. Продажи чиллеров в четырех странах Юго-Восточной Азии — Таиланде, Индонезии, Малайзии и Вьетнаме — принесли в сумме 237 миллионов долларов США, показав рост на 3,7% по сравнению с 2016 годом. Объем ближневосточного рынка холодильных машин в 2017 году не изменился.

Второй по величине рынок чиллеров — США — вырос по сравнению с 2016 годом на 3,1%. Его объем составил 1,1 миллиарда долларов. Объем японского рынка холодильных машин не претерпел изменений. В Индии спрос на чиллеры вырос.

В то время как ближневосточный рынок холодильных машин демонстрирует застой, в Южной Америке вопреки политической и экономической нестабильности наблюдается незначительный рост. На этих рынках уверенно доминируют производители из США, а компании из Кореи и Китая борются друг с другом за сегмент абсорбционных чиллеров.

На японском рынке сложились благоприятные условия для роста спроса на холодильные машины некоторых типов. Это связано с возведением объектов для Олимпиады, которая пройдет в Токио в 2020 году. По данным Японской ассоциации индустрии холода и воздушного кондиционирования (JRAIA), в 2017 году в Японии рос спрос на чиллеры на базе компрессоров объемного сжатия. Объемы продаж чиллеров с компрессорами центробежного типа не изменились по сравнению с 2016 годом, а в сегменте абсорбционных холодильных машин наблюдалось падение.

Тенденции рынка

Быстрый рост рынка чиллеров на базе компрессоров центробежного типа с магнитной подвеской

Самый быстрорастущий сегмент рынка чиллеров — холодильные машины на базе компрессоров центробежного типа с магнитной подвеской. Основные потребители таких устройств — США, Китай, Германия, Италия и Австралия. Помимо Danfoss Turbocor разработки компрессоров с магнитной подвеской ведут многие производители кондиционеров воздуха и традиционных компрессоров. Продукция некоторых из них уже представлена на рынке. Развертывание производства и открытие научно-исследовательского центра Danfoss в Китае способствовало ускорению роста данного сегмента. Среди других компаний, выпускающих центробежные компрессоры с магнитной подвеской, следует упомянуть Johnson Controls (JCI), Daikin и Gree.

JCI располагает конструкторскими центрами в США, Европе и Китае и продает свою продукцию по всему миру. Производство и разработка компрессоров Daikin сосредоточены в Миннеаполисе (США), Сучжоу и Ухани (Китай). Изготовлением холодильных машин на базе центробежных компрессоров с магнитной подвеской занялись и производители традиционных чиллеров. Оборудование этого типа получило широкое распространение и проникло даже на относительно консервативный японский рынок.

В Европе набирают популярность воздушные тепловые насосы на основе компрессоров с магнитной подвеской. В этот регион направляют свою продукцию многие китайские OEM-производители чиллеров.

Дополнительным стимулом развития сегмента чиллеров на базе центробежных компрессоров с магнитной подвеской стало появление моделей, использующих новые альтернативные хладагенты с низким потенциалом глобального потепления (ПГП).

Чиллеры возвращаются на прежние позиции в Европе

Европейский рынок чиллеров переживает период восстановления. В финансовом выражении объем рынка в 2017 году почти не изменился по сравнению с предыдущим годом. Зато количество проданных единиц оборудования, по некоторым оценкам, выросло почти на 5%.

На протяжении последних 20 лет рынок чиллеров испытывал давление со стороны активно растущего и развивающегося сегмента VRF-систем. Вступление в силу жестких ограничений, касающихся использования фторсодержащих хладагентов, породило новую волну интереса к системам теплохолодоснабжения и кондиционирования на основе чиллеров. В результате многие крупные бренды были вынуждены пересмотреть свои рыночные стратегии, подготовленные для Европы.

Судя по всему, популярность чиллеров в Европе продолжит расти. В этом регионе базируется множество предприятий, специализирующихся на изготовлении компрессоров, являющихся ключевым компонентом любой холодильной машины. Использование высокоэффективных местных компрессоров — залог качества и надежности чиллеров европейского производства. Японские и китайские компании в стремлении закрепиться и продвинуться в регионе ведут политику агрессивных слияний и поглощений в отношении производителей из Европы.

Пример популярного на европейском рынке решения — гибридная рекуперационная система от Mitsubishi Electric, обладающая свойствами как VRF-системы, так и традиционного чиллера.

Переход на новые хладагенты

Переход на новые хладагенты — одна из главнейших забот холодильной отрасли. В авангарде процесса — Европа, проводящая жесткую политику сохранения окружающей среды. Введенная в действие система квот направлена на постепенный отказ от использования парниковых газов в качестве хладагентов для холодильного и климатического оборудования.

Принятые меры способствуют активному распространению на европейском рынке хладагентов с более низким потенциалом глобального потепления (ПГП), таких как R32, смеси на основе гидрофторолефинов (ГФО), пропан, CO2 и аммиак. Эти хладагенты находят применение, в частности, в чиллерах на базе винтовых и спиральных компрессоров.

В Европе также принят регламент, предписывающий мониторинг всех систем кондиционирования мощностью свыше 750 киловатт. Стандартами предусмотрена обязательная регистрация количества хладагента, заправленного в оборудование. Кроме того, контроль энергопотребления систем осуществляется при помощи датчиков, передающих информацию на облачные серверы.

Китайский рынок чиллеров — крупнейший в мире — переживает снижение темпов роста

Китай — не только крупнейший потребитель, но и ведущий производитель чиллеров. Ежегодный рост экспорта холодильных машин и сопутствующего воздухообрабатывающего оборудования составляет более 10%. Так, по данным Китайской ассоциации индустрии холода и воздушного кондиционирования (CRAA), прирост объемов экспорта чиллеров и тепловых насосов «воздух вода» на базе компрессоров спирального, винтового и поршневого типов в 2017 году превысил 10%, также более чем на 10% вырос экспорт абсорбционных холодильных машин и тепловых насосов прямого нагрева. В то же время экспорт абсорбционных чиллеров с нагревом паром и горячей водой сократился больше чем на 10%. Аналогичное падение произошло в сегменте устройств воздухообработки, а экспорт фэнкойлов вырос более чем на 20%.

Эскалация торговой войны между США и Китаем оказывает негативное влияние на бизнес и инвестиционный климат. Экспорт начинает испытывать значительные трудности. Одновременно сокращаются инвестиции в создание общественной инфраструктуры.

Юго-Восточная Азия и Индия

Юго-Восточная Азия и Индия — крайне перспективный регион, что связано не только с экономическим подъемом, но и с ростом объема инвестиций в строительство инфраструктуры: железных и автомобильных дорог, аэропортов. В дополнение к рыночному потенциалу Юго-Восточная Азия и Индия являются привлекательной производственной базой для компаний из США, Японии и Китая. Все это позволяет прогнозировать, что в ближайшем будущем регион станет одним из самых оживленных рынков чиллерного оборудования.

Растущий рынок заставляет крупные бренды активизировать собственное производство в регионе. При этом местные фабрики способны удовлетворить не только локальный спрос, но и обеспечить поставки в Австралию.

В Юго-Восточной Азии имеется множество небольших компаний, выпускающих оборудование для центрального кондиционирования. В Сингапуре, региональном лидере региона в области энергосбережения, растет популярность чиллеров на базе энергоэффективных безмасляных компрессоров центробежного типа с магнитной подвеской вала.

Применение в ЦОД

По оценке компании CISCO, объем информации, хранящейся в центрах обработки данных (ЦОД), скачкообразно вырастет с 286 экзабайт (286*1018 байт) в 2016 году до 1,3 зеттабайта (1,3*1021 байт) в 2021-м.

В сегменте ЦОД наблюдаются увеличение потребления электроэнергии и рост потребности в охлаждении. Агентство MarketsandMarkets прогнозирует, что объем рынка холодильного оборудования для ЦОД вырастет с 7,12 миллиарда долларов США в 2016 году до 14,28 миллиарда в 2021-м.

В настоящее время применяется множество способов охлаждения ЦОД, в том числе с использованием чиллеров.

На выставке Data Center Expo, организованной в мае 2018 года в рамках IT Week, крупнейшего мероприятия в Японии, посвященного информационным технологиям, новейшие разработки в области охлаждения ЦОД представили Rittal, NTT Facilities, Hitachi, Mitsubishi Electric, Shinohara и Toshiba.

Облачные сервисы

Все большее число производителей приходит к мысли о важности комплексных решений. Они создали множество бизнес-моделей, таких как системы управления энергопотреблением зданий, объединяющие кондиционирование, освещение, охранную и противопожарную сигнализацию, а также выполняющую функции управления, мониторинга и обслуживания инженерных систем.

Информационные технологии продолжают совершенствоваться. Чиллеры, использующие возможности «Интернета вещей» и облачных решений, отличаются более высокой энергоэффективностью по сравнению с другими холодильными машинами.

Спрос на различные типы чиллеров

Чиллеры принято делить на две большие группы — воздушного и водяного охлаждения. Чиллеры, в которых можно развернуть поток хладагента, используются как тепловые насосы.

Чиллеры с водяным охлаждением делятся на три типа: с центробежными компрессорами, с компрессорами объемного сжатия (винтовыми, спиральными и поршневыми) и абсорбционные холодильные машины, работающие за счет тепловой энергии. Структура спроса на различные типы чиллеров представлена на рис. 2.

Чиллеры с компрессорами центробежного типа

Согласно данным BSRIA, объем рынка чиллеров с центробежными компрессорами в 2017 году вырос на 4,7% по сравнению с предыдущим годом и составил 2,2 миллиарда долларов США. Примерно треть мирового спроса в данном сегменте обеспечивает Китай, чья потребность в таких холодильных машинах за последние 10 лет выросла втрое благодаря бурному развитию городской инфраструктуры.

Ведущую роль в производстве чиллеров с компрессорами центробежного типа играют четыре компании из США: YORK (Johnson Control), Trane (Ingersoll Rand), Carrier (United Technologies), Daikin Applied (ранее — McQuay). Им принадлежат не только 100% североамериканского рынка, но и 70% рынка Китая. Однако c китайского рынка их теснят такие компании, как Midea, Gree, Haier, Dunham-Bush, LG, Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems, Johnson Controls-Hitachi Air Conditioning, Ebara.

Ближний Восток — основной потребитель мощных чиллеров, предназначенных для централизованного холодоснабжения целых районов. В 2017 году спрос на холодильные машины с компрессорами центробежного типа в ведущих странах региона — Объединенных Арабских Эмиратах, Саудовской Аравии и Катаре — снизился по сравнению с предыдущим годом.

Для централизованного холодоснабжения используют чиллеры с центробежными компрессорами производительностью от 2000 до 6000 холодильных тонн, что соответствует мощности от 7033 до 21 101 киловатта. Потребность в таких агрегатах есть и на Ближнем Востоке, и в Китае. Ведущими производителями подобных чиллеров остаются компании из США — YORK и Trane. Но им уже «наступают на пятки» конкуренты. Так, в 2015 году Mitsubishi Heavy Industries поставила в Саудовскую Аравию партию мощных инверторных холодильных машин производительностью 2500 холодильных тонн (8792 киловатта) каждая.

Чиллеры с воздушным охлаждением и воздушные тепловые насосы

Объем рынка чиллеров с воздушным охлаждением конденсатора приблизился в 2017 году к 3,3 миллиарда долларов США, что выше показателей предыдущего года на 4,4%.

Технологические прорывы последних лет в сегменте низкотемпературных тепловых насосов и модульных чиллеров связаны с инновациями в сфере разработки компрессоров спирального типа: впрыском жидкого или газообразного хладагента, решениями с низким ПГП, инверторным управлением скоростью вращения спиралей, применением микропластинчатых теплообменников.

Производители вынуждены увеличивать холодильную мощность спиральных компрессоров, так как в традиционном для них диапазоне производительности устройства этого типа вытесняются ротационными компрессорами со сдвоенным ротором.

Технология изготовления ротационных компрессоров мощностью 5–8 л. с. (3,72–5,97 киловатта) полностью отработана, налажено массовое производство таких устройств. Компрессоры со сдвоенным ротором, способные работать при наружной температуре до 20оС, находят применение в низкотемпературных воздушных тепловых насосах.

В Китае быстро развивается рынок модульных чиллеров. В 2017 году темп его роста достиг 10%. Значительная часть этих агрегатов оснащается спиральными компрессорами, чиллеры, способные работать в режиме теплового насоса, составляют 60% от всего сегмента.

Чиллеры с воздушным охлаждением делятся на устройства, способные работать только в режиме охлаждения, и тепловые насосы. Первые преобладают в США, вторые занимают значительную долю рынков Японии и Китая (70 и 60% соответственно). На европейском рынке чиллеров на долю воздушных тепловых насосов приходится до 40%.

Стоимость владения чиллером воздушного охлаждения различается от региона к региону, но в целом такие устройства обходятся дешевле моделей с водяным охлаждением, так как не нуждаются в насосах для охлаждающей воды, градирнях, дополнительных трубопроводах и требуют меньшего объема работ при обслуживании. Поэтому темпы роста рынка чиллеров воздушного охлаждения выше, чем у моделей с водяным охлаждением.

В США за последние 3 года спрос на чиллеры воздушного охлаждения вырос на 20%. Там становится нормой использование в крупных проектах нескольких воздухоохлаждаемых холодильных машин суммарной производительностью свыше 1000 холодильных тонн (3517 киловатт) вместо традиционного решения на базе чиллеров с компрессорами центробежного типа.

Действующая в Китае государственная программа «От угля к электричеству» подстегнула спрос на чиллеры, работающие в режиме теплового насоса. Технология теплоснабжения посредством тепловых насосов получила широкое признание и нашла множество применений.

Чиллеры с водяным охлаждением

По сравнению с предыдущим годом объем мирового рынка водоохлаждаемых чиллеров с компрессорами объемного сжатия в 2017 году практически не изменился.

Чиллеры с водяным охлаждением, созданные на базе винтовых компрессоров, как правило, используются для замены холодильных машин с компрессорами центробежного типа малой и средней мощности. Устройства обоих типов имеют сравнимую производительность и сопоставимые цены в диапазоне мощностей от 100 до 500 холодильных тонн (351,7–1758,4 киловатта). Появление небольших чиллеров на базе безмасляных центробежных компрессоров обострило конкуренцию между двумя типами холодильных машин.

Абсорбционные холодильные машины

В сегменте абсорбционных чиллеров растет спрос на устройства, утилизирующие бросовое тепло, а также на когенерационные решения. Спрос на холодильные машины прямого нагрева значительно снизился.

В отличие от парокомпрессионных холодильных машин с электрическим приводом, абсорбционные чиллеры охлаждают или нагревают воду, используя тепловую энергию. Мировой спрос на абсорбционные чиллеры в 2017 году уменьшился по сравнению с предыдущим годом. В денежном выражении объем спроса на такие устройства за прошедшее десятилетие не претерпел значительных изменений, однако их доля на рынке чиллеров сократилась. Ведущими рынками абсорбционных холодильных машин остаются Китай, Япония и Южная Корея, на долю этих стран приходится до 70% мировых продаж.

За минувшие десятилетия холодильные машины с электрическим приводом компрессора, в том числе на базе компрессоров центробежного типа, заметно повысили свою энергоэффективность и по такому показателю, как эффективность потребления первичного энергоресурса, далеко обошли абсорбционные чиллеры. Но у абсорбционных устройств есть свои преимущества, в частности они способны вырабатывать холод и тепло, используя один и тот же энергоноситель, и весьма эффективны в регионах, где выработка электричества пока невелика, но зато имеются большие запасы нефти и природного газа, например на Ближнем Востоке.

Кроме того, абсорбционные чиллеры прекрасно приспособлены к работе с возобновляемыми источниками энергии и бросовым теплом, выделяющимся в ходе технологических процессов. Весьма востребована способность комбинированных тригенерационных систем вырабатывать холод, тепло и электричество, используя тепло, отводимое от работающих двигателей.

Таким образом, можно ожидать все более широкого применения абсорбционных холодильных машин не только для охлаждения, но и в системах энергоснабжения в сочетании с другими устройствами.

Технологический поиск в области абсорбционных технологий ведется в направлении использования возобновляемых источников энергии. В 2016 году компания YORK представила абсорбционный чиллер и тепловой насос на основе двухступенчатого цикла испарения и абсорбции, отличающийся высокой эффективностью даже при применении воды, нагретой до относительно небольшой температуры.

Технологические тенденции

Системы центрального кондиционирования — переменный расход вторичного холодоносителя (воды)

Водяные системы центрального кондиционирования предназначены для обеспечения охлаждения или обогрева нескольких помещений одновременно с использованием воды в качестве вторичного тепло- или холодоносителя. Как видно из рис. 3, типичная конфигурация такой системы представляет собой сочетание первичного контура, проходящего через чиллеры, и вторичного контура, объединяющего воздушное оборудование. Подключение к системе котлов или тепловых насосов позволяет организовать и теплоснабжение помещений.

В зависимости от области применения и тепловой нагрузки в составе таких систем могут использоваться чиллеры как с воздушным, так и с водяным охлаждением.

В контексте последних тенденций, связанных с ужесточением требований к оборудованию для кондиционирования воздуха, энергоэффективность чиллеров должна быть повышена, а общее энергопотребление всей системы доведено до минимума.

Традиционно насосы с изменяемой частотой вращения двигателя регулируют поток воды во вторичном контуре в зависимости от потребности в охлаждении или обогреве. При этом поток в первичном контуре остается постоянным. Изменяемый расход воды в первичном контуре позволит снизить энергопотребление насосов, а также лучше сбалансировать и оптимизировать расходы в первичном и вторичном контурах.

Однако рабочий диапазон чиллеров для работы в таких системах должен быть расширен. Чтобы обеспечить оптимальное энергопотребление всей системы, разрабатываются и выпускаются чиллерные агрегаты со встроенным и синхронизированным насосом для подачи охлажденной воды.

Тенденции в области воздушного и водяного охлаждения

Чиллеры делятся на две большие группы: водоохлаждаемые, отводящие тепло при помощи воды, охлажденной градирнями, и воздухоохлаждаемые, в которых тепло от конденсатора отводится потоком воздуха, создаваемым вентиляторами. Изменение направления течения хладагента в контуре превращает чиллеры с воздушным охлаждением в тепловые насосы, при этом воздушный теплообменник (конденсатор) выполняет функцию испарителя.

Как следует из рис. 4, чиллеры с водяным охлаждением бывают абсорбционными и парокомпрессионными на базе компрессоров как центробежного типа, так и объемного сжатия (винтовых, спиральных и поршневых). Чиллеры с воздушным охлаждением — это, как правило, холодильные машины с компрессорами объемного сжатия.

На сегодняшний день чиллеры с водяным охлаждением пользуются более высоким спросом, чем воздухоохлаждаемые устройства. Такое положение дел обусловлено значительно выросшей за последнее десятилетие потребностью в чиллерах на базе компрессоров центробежного типа с высокой тепло- и холодопроизводительностью. Пропорции мирового спроса на чиллеры с водяным и воздушным охлаждением остаются неизменными на протяжении десятка лет.

В силу того что температура конденсации в теплообменниках с водяным охлаждением значительно ниже, чем в устройствах с воздушным охлаждением, водоохлаждаемые чиллеры отличаются меньшим энергопотреблением. Согласно стандарту ANSI/ASHRAE/IES90.1, коэффициент производительности (COP) чиллеров с водяным охлаждением на базе компрессоров объемного сжатия производительностью до 300 холодильных тонн (1055 киловатт) в среднем в 1,8 раза выше, чем у воздухоохлаждаемой холодильной машины такой же мощности. Интегральный показатель производительности при неполной нагрузке (IPLV) у чиллеров с водяным охлаждением выше в 1,6 раза.

С другой стороны, для обеспечения функционирования водоохлаждаемых чиллеров необходимы градирни, насосы, трубопроводы охлаждающей воды, а также организация водоподготовки.

На рис. 5 видно, что спрос на чиллеры разных типов существенно различается от страны к стране в зависимости от доступности воды, климатических условий, стоимости монтажных и сервисных работ. В связи с ростом населения вопрос доступности и чистоты воды становится одним из острейших. В Китае планом 13-й пятилетки к 2020 году предусмотрено снижение потребления воды на 23% по сравнению с 2015 годом.

Системы на основе чиллера с воздушным охлаждением, отличающиеся меньшей начальной стоимостью, вытесняют водоохлаждаемые машины малой и средней холодопроизводительности.

Новые хладагенты низкого и среднего давления с малым ПГП

В октябре 2016 года представителями 197 Сторон Монреальского протокола была принята поправка, предписывающая постепенное ограничение производства и потребления гидрофторуглеродов. В частности, развитые страны должны будут сократить потребление ГФУ, в том числе R134a, до 15% от базового уровня к 2036 году. Эти меры заставляют производителей чиллеров переходить на хладагенты с более низким ПГП.

R134a — хладагент среднего давления с нулевой озоноразрушающей способностью — стал основным рабочим веществом для чиллеров на базе центробежных и винтовых компрессоров после того, как в конце 1980-х годов было решено отказаться от использования хлорфторуглеродов (ХФУ). Однако сейчас на рынке появились несколько перспективных альтернатив с низким ПГП.

В сегменте чиллеров с компрессорами центробежного типа могут применяться новые хладагенты как низкого, так и среднего давления.

Так как применение хладагентов низкого давления предполагает увеличение объема всасывания в 4–6 раз (по сравнению с хладагентами среднего давления), габариты, а соответственно, и стоимость использующих их компрессоров существенно возрастают. С другой стороны, хладагенты низкого давления отличаются более высокой эффективностью цикла охлаждения. Таким образом, задача производителей чиллеров сводится к поиску компромисса между эффективностью и ценой. Современные альтернативные хладагенты для чиллеров перечислены в таблице 1.

Альтернативы низкого давления

R1233zd(E) — один из перспективных хладагентов низкого давления, разработанный для применения в качестве вспенивателя, а также рабочего вещества для чиллеров. Как хладагент R1233zd(E) обладает сравнимой с R123 эффективностью цикла охлаждения, имеет низкий ПГП и по классификации ASHRAE относится к нетоксичным и негорючим веществам.

В 2014 году компания Trane первой применила его для холодильных машин с компрессорами центробежного типа. Затем аналогичные продукты представили Mitsubishi Heavy Industries (MHI) Thermal Systems, Carrier и YORK. В 2018 году на выставке China Refrigeration Expo (CRH) чиллеры на базе центробежных компрессоров, использующие R1233zd(E), представили McQuay/Daikin и Gree.

Для достижения сравнимой производительности R1233zd(E) требует в 1,4 раза большего объема всасывания, чем R123, и его нельзя использовать в чиллерах, рассчитанных на применение R123, без их модификации.

Тем временем компания Trane выпустила линейку чиллеров небольшой производительности с компрессорами центробежного типа, использующих новый хладагент R514A. Этот хладагент имеет сходные с R123 характеристики, но при этом токсичен.

Компания AGC разработала хладагент с низким ПГП R1224yd(Z) в качестве альтернативы для R245fa. Новинка отличается чуть более высоким рабочим давлением по сравнению с R1233zd(E), а ее эффективность цикла охлаждения такая же, как у R123. В 2018 году компания Ebara представила линейку чиллеров с компрессорами центробежного типа производительностью 220–1250 холодильных тонн (774–4396 киловатт), использующих R1224yd(Z) которые могут применяться в составе холодильных систем и электростанций бинарного цикла.

Альтернативы среднего давления

В настоящее время активно ведется разработка холодильных машин для работы с хладагентами среднего давления с низким ПГП. Такие хладагенты могут применяться в чиллерах с компрессорами как объемного сжатия, так и центробежного типа.

В Европе первым хладагентом, предложенным в качестве экологичной альтернативы существующему R134a, стал R1234ze(E), нашедший широкое применение в чиллерах воздушного и водяного охлаждения. ПГП этого вещества меньше 1, оно сравнимо с R134a по эффективности цикла охлаждения и имеет меньшую на 25% производительность. По классификации ASHRAE R1234ze(E) относится к нетоксичным умеренно горючим веществам.

Также в качестве перспективной альтернативы R134a предложен смесевой хладагент R513A. Он негорюч, имеет сравнимую с R134a производительность. Выбирая между R1234ze(E) и R513A, следует обращать внимание на местные требования к ПГП и эффективности рабочего вещества чиллера. Компания Danfoss Turbocor разработала новую модель компрессора двухступенчатого сжатия серии TG на R1234ze(E) с расширенным диапазоном производительности — от 40 до 150 холодильных тонн (141–528 киловатт). Кроме того, серию компрессоров TT производитель дополнил моделью на R513A производительностью до 200 холодильных тонн (703 киловатта).

В 2017 году MHI выпустила линейку чиллеров с компрессорами центробежного типа на R1234ze(E) холодопроизводительностью 300–5000 тонн (1055–17584 киловатта). Компания YORK одобрила замену R134a на R513A в своих чиллерах с винтовыми и центробежными компрессорами малой, средней и большой мощности. В 2018 году Trane представила новый чиллер центробежного типа, рассчитанный на применение как R134a, так и R513A, холодопроизводительностью 175–425 тонн (615–1495 киловатт).

Распространение безмасляных технологий

Небольшие безмасляные компрессоры центробежного типа с прямым приводом были выпущены на рынок в начале 2000-х годов. С тех пор в ассортименте многих ведущих производителей климатического оборудования появились мощные безмасляные компрессоры и чиллеры на их основе, созданные как с использованием собственных разработок, так и в сотрудничестве с поставщиками подшипников. Сведения о различных безмасляных технологиях приведены в таблице 2. Фактором, ограничивающим их применение в компрессорах, является нагрузка на подшипник, поэтому на сегодняшний день безмасляные технологии используются лишь в устройствах центробежного типа, где вал вращающейся крыльчатки равномерно сбалансирован.

Магнитная подвеска

Один из примеров безмасляной технологии — магнитная подвеска, обеспечивающая «парение» вращающегося вала в магнитном поле. Для ее работы необходима совершенная система управления, позволяющая удерживать вал точно по центру, реагируя в реальном времени на любые отклонения от заданного положения. Такое решение называется активной магнитной подвеской.

Концепция безмасляной магнитной подвески была разработана еще в 1970-х годах. Технология нашла применение в турбомолекулярных насосах и компрессорах воздушного цикла, но ее распространению в сфере отопления, вентиляции и воздушного кондиционирования препятствовали высокая цена, сложность систем управления и технические трудности, связанные с обеспечением стабильности в широком диапазоне рабочих режимов.

Лишь в конце 1990-х годов прогресс в области силовой электроники, полупроводниковых и цифровых технологий привел к появлению компактных систем управления магнитами по разумной цене. Вскоре был разработан и выпущен на рынок первый безмасляный центробежный компрессор для чиллеров производительностью 70 холодильных тонн (246 киловатт). В его конструкции использовался прямой привод от высокоскоростного электродвигателя на постоянных магнитах. Начиная с 2000 года подобные компрессоры холодопроизводительностью от 500 до 1000 тонн (1758–3517 киловатт) появились в ассортименте многих производителей.

Помимо производителей, перечисленных в таблице 2, на выставке CRH 2018 о разработке собственных моделей безмасляных компрессоров центробежного типа объявили такие компании, традиционно специализирующиеся на изготовлении винтовых компрессоров, как Hanbell (в сотрудничестве с производителем подшипников SKF) и Fusheng.

В отличие от устройств объемного сжатия, для центробежных компрессоров характерно значительное увеличение энергопотребления с ростом коэффициента сжатия (перепада давлений), поэтому они редко применяются в чиллерах с воздушным охлаждением и тепловых насосах. Однако в 2017 году Danfoss Turbocor анонсировала разработку центробежного компрессора для применения в системах с высоким перепадом давлений хладагента (и, соответственно, большой разницей температур испарения и конденсации), обеспечивающего коэффициент сжатия в 6,2.

Керамические подшипники смазываемые хладагентом

Разрабатываются и другие безмасляные технологии, альтернативные магнитной подвеске. Одна из них — смазка подшипников хладагентом. Подшипники в данном случае представляют собой замкнутые в стальное кольцо ролики из керамики с низким коэффициентом трения. Благодаря тому, что для смазки используется чистый жидкий хладагент, вязкость которого существенно ниже вязкости масла, удается добиться значительного снижения потерь на преодоление силы трения без применения сложных электронных схем, необходимых для управления магнитной подвеской.

В 2013 году эту технологию использовала компания Trane в чиллере с двухступенчатым центробежным компрессором, приводимым в движение электромотором на постоянных магнитах. В качестве хладагента использовался R123. Мощность чиллера — 180–390 холодильных тонн (633–1371,5 киловатта).

В 2016 году Carrier представила холодильную машину с двухступенчатым центробежным компрессором, где для смазки подшипников использовался новый хладагент R1233zd(E). В 2018 году начались продажи этой модели в США.

На выставке CRH 2017 компания Dunham-Bush демонстрировала чиллер на базе безмасляного центробежного компрессора с керамическими подшипниками, заправленный хладагентом среднего давления R513A. На CRH 2018 Gree привезла холодильную машину на базе двухступенчатого центробежного компрессора на R1233zd(E).

Один из ведущих производителей подшипников — компания SKF — посвятила долгие годы исследованию и совершенствованию технологии смазки хладагентом, и c поглощением крупного поставщика систем магнитной подвески S2M может предоставить клиентам решения на базе обеих технологий, что должно подстегнуть процесс разработки безмасляных чиллеров для климатической индустрии.

Газовая смазка

В решениях с газовой смазкой подшипников вал компрессора удерживается потоком газообразного хладагента, подаваемого под давлением, или газа, нагнетаемого за счет взаимодействия вала с поверхностью скольжения. Подобная подвеска уже давно использовалась в воздушных компрессорах и агрегатах турбонаддува, но лишь недавно нашла применение в центробежных компрессорах холодильных систем.

Компания LG представила на рынке инверторный чиллер производительностью 300 холодильных тонн (1055 киловатт), в конструкции которого использованы три двухступенчатых безмасляных центробежных компрессора с газовой смазкой. По заявлению компании, коэффициент производительности COP данного устройства равен 6,4, а интегральный показатель эффективности при частичной нагрузке (IPLV) — 11,4.

На сегодняшний день производители из США, Европы и Китая активно ведут исследования и разработку безмасляных технологий для компрессоров центробежного типа, и многие проекты уже доведены как минимум до стадии прототипа.

Расширение диапазонов производительности компрессоров объемного сжатия

Применение мощных спиральных и ротационных компрессоров, использующих хладагенты с высоким рабочим давлением, такие как R410A, позволяет существенно уменьшить размеры теплообменников и трубопроводов высокопроизводительных чиллеров воздушного охлаждения и воздушных тепловых насосов.

В Японии, где производительность ротационных компрессоров, применяющихся главным образом в бытовых системах кондиционирования, доведена до 15 л. с. (11,2 киловатта), компрессоры со сдвоенным ротором широко используются в мощных воздухоохлаждаемых чиллерах и воздушных тепловых насосах, состоящих из стандартных модулей производительностью 30–70 л. с. (22,4–52,2 киловатта) каждый. Объединение большого количества модулей позволяет получить холодильную мощность, сравнимую с холодильной мощностью чиллеров с компрессорами центробежного типа и абсорбционных холодильных машин.

В США растет спрос на чиллеры воздушного охлаждения на базе спиральных компрессоров, обеспечивающих производительность вплоть до 390 холодильных тонн (1371,5 киловатта). При этом большинство воздухоохлаждаемых чиллеров производительностью свыше 300 холодильных тонн (1055 киловатт) используют винтовые компрессоры на R134a.

Что касается чиллеров с водяным охлаждением, то вместо традиционных полугерметичных винтовых компрессоров в холодильных машинах малой производительности все чаще используются небольшие энергоэффективные безмасляные компрессоры центробежного типа. С другой стороны, это обстоятельство подстегнуло разработку мощных высокоэффективных полугерметичных компрессоров.

Недавно компания Trane выпустила водоохлаждаемый чиллер с двойным контуром на базе винтовых компрессоров. Новинка холодильной мощностью до 2700 киловатт работает на хладагенте R1234ze(E). Производитель утверждает, что показатель ее энергоэффективности EER равен 6,3, а значение европейского показателя сезонной энергоэффективности ESEER достигает 9,5. Daikin, в свою очередь, разработала полугерметичный винтовой компрессор производительностью 750 холодильных тонн (2637,6 киловатта), предназначенный для применения в холодильных складах.

По данным BSRIA, в пересчете на единицы холодильной мощности спрос на чиллеры на базе спиральных компрессоров выше, чем на устройства с компрессорами винтового типа, однако в денежном выражении объем этого сегмента рынка на 30% меньше, чем сегмента чиллеров с винтовыми компрессорами.

Улучшение характеристик тепловых насосов и систем утилизации тепла

Популярности тепловых насосов как альтернативы традиционным отопительным системам, вырабатывающим тепловую энергию за счет сжигания топлива, способствует растущая озабоченность проблемами защиты окружающей среды, в частности, стремление сократить выбросы углекислого газа. По источнику тепловой энергии тепловые насосы на основе чиллеров делятся на воздушные и водяные.

Воздушный тепловой насос, как правило, представляет собой чиллер с воздушным охлаждением, переключающийся из режима охлаждения в режим отопления путем изменения направления потока хладагента в контуре. В Китае и Японии от 60 до 70% всех чиллеров с воздушным охлаждением — это тепловые насосы. А вот в США такое оборудование не очень популярно, там в сегменте воздухоохлаждаемых чиллеров доминируют устройства, работающие только в режиме охлаждения.

В Европе растет спрос на усовершенствованные теплонасосные системы, способные одновременно вырабатывать тепло, холод и утилизировать бросовую тепловую энергию за счет четырехтрубного подключения. Рабочий диапазон температур современных воздушных тепловых насосов расширяется, сегодня они способны нагревать воду до 65оС и стабильно работать при наружной температуре до 30оС.

Спрос на чиллерные системы централизованного отопления растет в Китае благодаря быстрому росту городов и государственной политике, направленной на сокращение загрязняющих воздух выбросов, образующихся при сжигании угля. Эта политика способствует разработке мощных систем, утилизирующих и использующих для теплоснабжения бросовое тепло, выделяющееся в ходе промышленных процессов или при производстве электроэнергии. Различные теплоутилизирующие системы производительностью от 1 до 40 мегаватт предлагает Johnson Controls.

Технологией эффективной утилизации бросового тепла являются абсорбционные тепловые насосы. Системы теплоснабжения на базе абсорбционных чиллеров обладают множеством преимуществ, они способны одновременно нагревать и охлаждать воду, не используя озоноразрушающие и фторсодержащие хладагенты. Кроме того, они отличаются значительно меньшим расходом топлива по сравнению с водонагревательными котлами, при этом обеспечивая нагрев до более высоких температур, чем парокомпрессионные тепловые насосы.

Абсорбционные тепловые насосы, источником энергии для которых служит пар, выходящий из паровых турбин электростанций, способны использовать низкопотенциальное тепло для нагрева до 80оС и обеспечивать теплоснабжение целых районов.

Совершенствование данной технологии продолжается. Уже разработаны абсорбционные тепловые насосы для применения в производственных процессах, способные вырабатывать перегретый пар с температурой до 120оС.

Усовершенствование теплообменников для чиллеров

Традиционно в чиллерах используются испарители затопленного типа. Как показано на рис. 6, жидкий хладагент подается в нижнюю часть такого испарителя и заполняет кожух. Отбирая тепло у охлаждаемой воды, текущей по проложенным внутри кожуха трубам, хладагент закипает и всасывается в компрессор при практически нулевом перегреве.

Сегодня на смену испарителям затопленного типа приходят теплообменники с падающей пленкой. По утверждению производителей, применение такого теплообменника позволяет сократить количество заправляемого хладагента на 30 — 40% и уменьшить габариты самого испарителя примерно на 20%.

Как и кожухотрубный испаритель затопленного типа, испаритель с падающей пленкой представляет собой сосуд, в котором жидкий хладагент окружает трубы, по которым проходит охлаждаемая вода. При этом жидкий хладагент подается на трубы через распылители и стекает по ним под действием силы тяжести.

Изначально испарители с падающей пленкой предназначались для мощных чиллеров с компрессорами центробежного типа, но со временем стали использоваться и в составе водоохлаждаемых холодильных машин на базе винтовых компрессоров, а также в чиллерах воздушного охлаждения.

Для уменьшения количества заправляемого хладагента в некоторых воздухоохлаждаемых чиллерах помимо испарителей с падающей пленкой применяются микроканальные теплообменники в качестве конденсатора. Уменьшение количества хладагента в системе — важная задача, решение которой позволяет сократить прямое воздействие климатического и холодильного оборудования на глобальное потепление.

По материалам JARN

Предыдущая статьяЭнергосберегающие агрегаты «ТЕРМОКУЛ» на базе компрессоров Danfoss VLZ, MLZ для предприятий продовольственного ритейла
Следующая статьяЧаплин Владимир Михайлович (1861–1931)

Решение года