Мировой рынок чиллеров и воздушного оборудования
Общие положения
Из‑за торговой войны между США и Китаем устойчивость международной торговли ослабла, функционирование финансовых рынков основных развитых государств столкнулось с рядом сложностей. Кроме того, росла нестабильность национальной политики многих стран. Согласно данным Международного валютного фонда (МВФ), в первой половине 2018 года глобальная экономика выросла на 3,8%, во второй половине показатель роста уменьшился до 3,2%.
Коммерческие системы кондиционирования представляют собой индикатор экономического процветания. Замедление роста в Китае — крупнейшем рынке мира, наблюдавшееся во второй половине 2018 года, сказалось на положении Юго‑Восточной Азии, Латинской Америки и Ближнего Востока. Экономика США продолжила плавный рост, вместе с ней стабильно рос и рынок чиллеров. В Европе ускоренный переход на новые хладагенты и необходимость в замене чиллеров обеспечили постепенное восстановление рыночных показателей. Индия привлекает значительное количество зарубежных инвестиций, особенно в производство оборудования, и рынок промышленных и коммерческих чиллеров год от года показывает ощутимый рост.
По данным JARN, спрос на чиллеры в мире достиг в 2018 году 8,4 миллиарда долларов США, что на 6,3% больше показателя 2017 года. Основными рынками чиллеров стали Китай, США и страны Европы, их доли составили 29,7, 15,3 и 17,2% соответственно.
Китайский рынок в 2018 году вырос на 2% и достиг объема в 2,5 миллиарда долларов США. Продажи чиллеров в Китае росли высокими темпами на протяжении двух десятилетий. С началом замедления китайской экономики эпоха ежегодного прироста на двузначное число процентов подошла к концу. Тем не менее ощутимый рост сохранился в сегменте воздушно‑ и водоохлаждаемых чиллеров на базе компрессоров спирального типа, в то время как сегмент чиллеров с водяным охлаждением на базе компрессоров винтового типа не показывает заметного роста из‑за давления со стороны модульных чиллеров со спиральными компрессорами и безмасляных чиллеров на базе центробежных компрессоров с магнитной подвеской. В Китае проводится политика поощрения энергосберегающих и экологически безопасных технологий, поэтому многие местные компании осваивают производство безмасляных чиллеров на базе компрессоров с магнитной подвеской, а также непосредственно самих компрессоров такого типа.
Однако усиление торговой войны между США и Китаем продолжает негативно сказываться на уверенности бизнеса и инвестиционной привлекательности китайской экономики. Экспортные поставки сопряжены с огромными трудностями. Китай уменьшает инвестиции в общественную инфраструктуру.
США, второй по величине рынок чиллеров в мире, показал рост на 13,1% и достиг объема в 1,3 миллиарда долларов. В стране растет спрос на безмасляные устройства, в том числе с магнитной подвеской. Применение двухступенчатых компрессоров, безмасляных подшипников и новых хладагентов на основе смесей гидрофторолефинов (ГФО) способствует снижению энергопотребления и повышению экологичности сегмента чиллеров. Увеличивается доля холодильных машин на основе спиральных компрессоров с инверторным приводом и устройств для размещения на кровле. Соединенные Штаты являются крупным экспортером чиллеров на базе компрессоров центробежного типа, три ведущих американских бренда занимают лидирующие позиции в этом сегменте мирового рынка.
Япония, третий рынок по величине, показала в 2018 году хороший рост. Подготовка к Олимпийским играм 2020 года в Токио способствует заметному росту спроса на чиллеры, в частности на холодильные машины абсорбционного типа, продажи которых, в пересчете на количество штук, выросли на 9,4% по сравнению с 2017 годом. Модульные чиллеры, способные работать в режиме теплового насоса, становятся все более и более популярными. Они находят широкое применение как в коммерческом, так и в промышленном секторах. Продажи устройств такого типа за год выросли на 5,8%. Некоторые производители решили объединить чиллер и VRF в гибридную систему, сочетающую преимущества обоих видов оборудования. Часть японских компаний принялась за освоение зарубежных рынков. Однако производство в Японии не дает продукции конкурентного преимущества в цене. Для расширения присутствия за рубежом японские производители активизируют разного рода сотрудничество с иностранными климатическими компаниями, в ряде случаев путем их поглощения.
Индийский рынок в 2018 году вырос на 7,4% — до 290 миллионов долларов США — и привлек большое количество инвесторов. Промышленное развитие страны ускоряется, и международные компании открывают здесь свои научно‑исследовательские центры. В дополнение к потребностям внутреннего рынка производственные мощности Индии способны удовлетворить спрос Юго‑Восточной Азии, Ближнего Востока и Африки. Местные производители чиллеров начали активно конкурировать с иностранными производителями на местном и зарубежных рынках. Абсорбционные холодильные машины, изготовленные в Индии, становятся все более конкурентоспособными и востребованными в мире.
Рынок чиллеров четырех стран Юго‑Восточной Азии — Таиланда, Индонезии, Малайзии и Вьетнама — достиг в 2018 году суммарного объема в 254,9 миллиона долларов США, что на 4,2% выше показателя предыдущего года. Эскалация торгового конфликта между США и Китаем способствует ускорению перевода производства электронных компонентов из Китая в страны Юго‑Восточной Азии. Практически все крупные компании, выпускающие электронное оборудование, обзавелись фабриками на территории Вьетнама. Местный рынок, на котором реализуются крупные проекты, демонстрирует хорошие перспективы. Таиланд и Малайзия известны солидной производственной базой, способной обеспечить стабильность и качество выпускаемых чиллеров.
Юго‑Восточная Азия и Индия — очень перспективные рынки. Одновременно с экономическим ростом в странах региона увеличивается объем инвестиций в инфраструктурные проекты, такие как строительство аэропортов, железных и автомобильных дорог. Помимо высокого рыночного потенциала Юго‑Восточная Азия и Индия весьма привлекательны в качестве производственной базы, и многие производители из Японии, США и Китая увеличивают свои инвестиции в регион.
Растущий спрос заставляет ведущие мировые бренды развивать местное производство в Юго‑Восточной Азии и Индии, которое в сочетании с местным же потреблением является наиболее подходящей моделью для сегмента такого оборудования, способной обеспечить производителю определенные конкурентные преимущества. Кроме того, традиционным рынком для продукции фабрик Юго‑Восточной Азии является не только сама Юго‑Восточная Азия, но и Австралия.
В Юго‑Восточной Азии имеется множество мелких производителей центральных систем кондиционирования. Проблемой, в свою очередь, является формирование рынка с разумными ценами и честной конкуренцией. В Сингапуре — пионере проведения политики энергосбережения в регионе — все большее внимание к себе привлекают чиллеры на базе компрессоров с магнитной подвеской как оборудование, отличающееся высочайшей энергоэффективностью.
Европейский рынок вырос на 9,9% — до 1,4 миллиарда долларов США. Для Европы характерно активное внедрение природных хладагентов и смесей на основе гидрофторолефинов (ГФО). Вступление в силу нового регламента по фторсодержащим газам привело к созданию системы квот. По сравнению с VRF‑системами системы кондиционирования на основе чиллеров требуют меньшего количества хладагента, что способствует росту рынка чиллеров. Производители из Азии усиливают свое присутствие в регионе и объединяют усилия с местными компаниями.
Масштаб ближневосточного рынка чиллеров в 2018 году не изменился, однако темп его роста замедлился. Причиной стагнации стала экономическая и политическая нестабильность в регионе. Производители из США продолжают доминировать, в сегменте абсорбционных чиллеров конкуренцию им составляют южнокорейские компании. Основа ближневосточного рынка чиллеров — сегмент холодильных машин высокой холодопроизводительности
Рынок Океании вырос на 2% — до 122 миллионов долларов США. В Австралии растет спрос на новейшие чиллеры на базе компрессоров с магнитной подвеской. Подобные устройства, использующие ГФО‑хладагенты, широко применяются в новостройках. Под влиянием европейской культуры воздушного кондиционирования сегмент чиллеров на базе винтовых компрессоров переживает бум продаж.
Экономика Латинской Америки в значительной мере зависит от Китая. Особенно справедливо это утверждение для южноамериканских стран, богатых природными ресурсами. Для таких стран Китай — и основной торговый партнер, и главный инвестор. В настоящее время экономическому росту в регионе препятствуют, во‑первых, политика США в отношении стран Центральной и Южной Америки, а во‑вторых — косвенным образом — торговая война США и Китая. По сравнению с предыдущим годом в 2019 году местный рынок чиллеров сократился на 2,2% — до 266,2 миллиона долларов США. Доминируют на рынке производители из США, но южнокорейские и китайские производители наращивают инвестиции с целью расширить свое присутствие в регионе.
Рыночные тенденции
Центральные системы кондиционирования на основе чиллеров состоят из собственно чиллера и воздушного оборудования — приточно‑вытяжных агрегатов и фэнкойлов, а также насосов для подачи охлаждающей и охлажденной воды, трубопроводов, градирен для отвода тепла и ряда других элементов. Общая стоимость такой системы зависит как от составляющих ее агрегатов, так и от области применения. В денежном выражении объем спроса на воздушное оборудование примерно равен спросу на чиллеры.
Области применения чиллеров
Чиллеры представляют собой основной компонент систем центрального кондиционирования воздуха. С их помощью получают холод для производственных процессов промышленных предприятий, а также осуществляют комфортное кондиционирование крупных объектов. Наиболее мощные системы используются для тепло‑ и холодоснабжения целых кварталов. Кроме того, благодаря широкому диапазону рабочих температур чиллеры и устройства обработки воздуха все чаще находят применение в холодильной индустрии.
Небольшие чиллеры широко используются на объектах жилого и коммерческого назначения. Ранее наиболее распространенным типом компрессоров для таких чиллеров были спиральные компрессоры, но сегодня в их конструкции все чаще применяются более дешевые ротационные компрессоры мощностью до 3,7 кВт.
В Европе широкое распространение получили тепловые насосы «воздух — вода», представляющие собой разновидность воздушных чиллеров с режимом теплового насоса. Европейский рынок таких устройств вырос в 2018 году на 14,3% по сравнению с предыдущим годом и достиг объема в 368 900 единиц оборудования.
В качестве экологически чистого решения внедрение тепловых насосов «воздух — вода» во многих странах субсидируется государством. В Китае, где действует программа популяризации такого оборудования, продажи тепловых насосов «воздух — вода» весьма активны.
Быстрый рост сегмента чиллеров на базе компрессоров спирального типа
Сегмент чиллеров со спиральными компрессорами производительностью свыше 5 кВт продолжает стабильно расти. В Китае имеются серьезные перспективы для роста потребности в чиллерах на базе компрессоров спирального типа с водяным охлаждением конденсатора, а также в мощных воздушных чиллерах — тепловых насосах.
Помимо Китая сегмент чиллеров на базе спиральных компрессоров растет на Ближнем Востоке, в Европе и Юго‑Восточной Азии. Расширяется область применения модульных устройств холодопроизводительностью свыше 352 кВт, которые постепенно вытесняют с рынка водоохлаждаемые чиллеры с винтовыми компрессорами.
Чиллеры на основе спиральных компрессоров используются в качестве низкотемпературных тепловых насосов, и повышение теплопроизводительности позволяет применять их для отопления в Северном Китае. Модульные чиллеры совершенствуются в направлении повышения холодопроизводительности, и сегмент устройств мощностью от 33 до 51 кВт демонстрирует высокий темп роста.
Производители компрессоров, в свою очередь, активно разрабатывают спиральные компрессоры производительностью от 30 до 37 кВт для мощных систем кондиционирования.
Чиллеры возвращаются на прежние позиции в Европе
C 2015 года европейский рынок чиллеров переживает период восстановления. На протяжении последних 20 лет он 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. В Европе чиллеры отвоевывают утраченные позиции у VRF‑систем. По оценкам экспертов, в некоторых странах популярность чиллеров способна привести к сокращению рыночной доли VRF‑систем до 15%.
Судя по всему, популярность чиллеров в Европе продолжит расти. В этом регионе базируется множество предприятий, специализирующихся на изготовлении компрессоров, которые являются ключевым компонентом любой холодильной машины. Использование высокоэффективных компрессоров европейских производителей — залог качества и надежности чиллеров из Европы. Японские, американские и китайские компании в своем стремлении закрепиться в регионе ведут политику агрессивных слияний и поглощений в отношении европейских производителей.
Пример популярного решения — гибридная рекуперационная система от Mitsubishi Electric, обладающая свойствами как VRF‑системы, так и традиционного чиллера.
Чиллеры на базе компрессоров центробежного типа с магнитной подвеской
Основные потребители холодильных машин на базе компрессоров центробежного типа с магнитной подвеской — США, Китай, Германия, Италия и Австралия. Помимо Danfoss Turbocor разработку компрессоров с магнитной подвеской ведут уже многие производители кондиционеров воздуха и традиционных компрессоров. Развертывание производства и открытие научно‑исследовательского центра Danfoss в Китае способствовали ускорению роста данного сегмента. Среди других компаний, выпускающих центробежные компрессоры с магнитной подвеской, следует упомянуть Johnson Controls (JCI), Daikin, Gree и Midea. В 2018 году TICA приобрела Smardt — крупнейшего производителя холодильных машин на базе компрессоров центробежного типа с магнитной подвеской.
Технологии, применяемые в таких устройствах, непрерывно развиваются. Новая линейка чиллеров Smardt D‑класса оптимизирует генерацию постоянного тока за счет возобновляемых источников энергии. Питание от постоянного тока позволяет избежать потерь энергии и обойтись без дорогостоящего оборудования для преобразования тока. Модуль iPCM, входящий в комплектацию каждого DC‑чиллера, отдает излишки энергии в распределительную сеть.
LG India приступила к производству безмасляных чиллеров на базе центробежных компрессоров с магнитной подвеской холодильной мощностью от 914 до 7737 кВт. Коэффициент производительности (COP) этих устройств достигает 7, а интегральный показатель производительности при частичной нагрузке (IPLV) — 12. Данные чиллеры отличаются компактностью, долгим сроком службы, низким уровнем шума и высокой точностью регулирования температуры.
На выставке China Refrigeration (CRH) компания Hanbell представила ряд компрессоров для систем кондиционирования, холодоснабжения и тепловых насосов. Кроме того, была продемонстрирована линейка безмасляных центробежных компрессоров RTM. Гвоздем экспозиции стал высокоэффективный компрессор RE с холодопроизводительностью до 1055 киловатт, что на 15% больше, чем у традиционных центробежных компрессоров со смазкой, использующих индукционные электродвигатели. COP новинки достигает 6,76, а IPLV — 11,57.
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 Ухане (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 азиатские 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).
Утилизация бросового тепла абсорбционными чиллерами
Дымовые газы электростанций и бросовое тепло промышленных предприятий могут быть утилизированы при помощи абсорбционных чиллеров. Полное использование бросового тепла может принести огромную экономическую и социальную выгоду. В дополнение к углю и природному газу многие крупные энергетические компании включают абсорбционные чиллеры в схему энергораспределения. Это, в свою очередь, способствует увеличению числа абсорбционных чиллеров на рынке.
Вместе с дымом, образующимся при сжигании природного газа для нужд отопления в Северном Китае, впустую выбрасывается около 10% тепловой энергии. Сегодня компании, занимающиеся теплоснабжением, не хотят терять эти проценты. Кроме того, они стремятся сделать дымовые газы безвредными для окружающей среды. Таким образом, рынок утилизации тепла в Северном Китае имеет огромный потенциал роста.
Многие компании постепенно осознают важность бережного использования энергии, что приводит к росту спроса на небольшие абсорбционные чиллеры. Лидером в данном сегменте оборудования является компания Yazaki.
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. Наибольшее внимание в последнее время привлекают смеси ГФО.
Компания AGC выводит на рынок хладагент AMOLEA‑1224yd, а также AMOLEA серий Х и Y, представляющие собой смеси на основе ГФО‑1123.
Компания Arkema разработала хладагенты R457A и R465A с ПГП менее 150 для замены R404A, ПГП которого равен 3922. Для чиллеров низкого давления Arkema предлагает ГФО‑хладагент R1233zd, а для среднего давления — смесь ГФО R516A. Кроме того, на своем заводе в Калверт‑Сити, штат Кентукки, компания производит хладагент R32.
Хладагент XP30, выпущенный на рынок компанией Chemours, нашел применение в чиллерах низкого давления Trane. Вывод ГФУ в Европе стимулирует переход сегмента коммерческого охлаждения на смеси ГФО. Значительное распространение в этом сегменте получил хладагент Opteon XP40. В сегменте чиллеров растет спрос на Opteon XP10, применение которого позволяет не превышать отпущенные квоты. Кроме того, Chemours предлагает несколько вариантов для замены R410A, в том числе XL41, являющийся также альтернативой R32. ПГП XL41 на 25% ниже, чем у R32.
На симпозиуме, прошедшем в Кобэ в 2018 году, Стивен Куджак, директор направления исследований хладагентов следующего поколения компании Trane, представил «Обновление перечня хладагентов нового поколения с низким ПГП для чиллеров». Для чиллеров большой мощности в Trane используют хладагенты низкого давления. Среди хладагентов нового поколения есть три заслуживающих внимания негорючих, высокоэффективных и отличающихся крайне низким ПГП решения: R514A, R1233zd(E) и R1224yd(Z). Trane стала первой компанией, предложившей использовать в чиллерах R514A и R1233zd(E). На симпозиуме также были представлены результаты исследований R1224yd(Z).
Центры обработки данных и облачные сервисы
Согласно исследованию, проведенному фирмой Grand View Research, мировой рынок систем охлаждения дата‑центров достиг в 2018 году объема в 8,6 миллиарда долларов США. Совокупный средний годовой прирост на период с 2019 по 2025 год прогнозируется на уровне 13,5%.
В дата‑центрах применяется воздушное и жидкостное охлаждение. Для охлаждения могут использоваться как полупромышленные кондиционеры воздуха, так и центральные системы кондиционирования, в состав которых входят чиллеры. Чиллерные системы отличаются высокой эффективностью охлаждения, однако для них характерен большой расход энергии, необходимой для подачи охлаждающей воды и работы вентиляторов. Развитие направления обработки данных ведет к росту тепловой нагрузки и энергопотребления дата‑центров. Жидкостное охлаждение больших компьютеров (мейнфреймов) вновь набирает популярность. У этой технологии есть ряд слабых мест, таких как риск протечки, но при этом она отличается заметно большей эффективностью по сравнению с воздушным охлаждением. В случае погружного охлаждения сервер помещается непосредственно во фторсодержащую инертную среду. При этом отсутствует выделение тепла в помещение серверной, и, следовательно, нет необходимости в кондиционировании воздуха. Благодаря совершенствованию технологий охлаждения коэффициент использования энергии (PUE) дата‑центров приближается к идеальному значению — 1. Среди компаний, занимающихся системами погружного охлаждения, следует назвать Green Revolution Cooling, Align и Fujitsu.
Все больше производителей приходят к выводу, что продавать комплексные прикладные решения выгоднее, чем торговать просто чиллерами. Они создали множество различных бизнес‑моделей, таких как энергоменеджмент здания, включая системы кондиционирования, освещения, охранной сигнализации, а также управление, мониторинг и обслуживание объекта. В связи с этим производителям приходится искать бизнес‑партнеров, чтобы использовать имеющиеся преимущества.
Информационные технологии продолжают развиваться. Применение решений «Интернета вещей» и облачных технологий позволяет улучшить характеристики чиллеров, прежде всего повысить их экономичность.
Технологические новшества
Проблемы, с которыми сталкивается сегодня индустрия отопления, вентиляции и воздушного кондиционирования, связаны с повышением энергоэффективности систем и постепенным отказом от использования ГФУ‑хладагентов, отличающихся высоким потенциалом глобального потепления (ПГП). Существующие системы воздушного кондиционирования коммерческого назначения грубо можно разделить на две категории: системы непосредственного расширения (DX), в том числе VRF‑системы, и системы, использующие воду, охлажденную чиллерами.
В системах, использующих охлажденную воду, необходимо снижать энергопотребление не только чиллеров, но и прочего оборудования, такого как насосы и вентиляторы. Современный поход к проектированию чиллеров предполагает повышение их энергоэффективности не только при номинальной нагрузке, но и в нерасчетных условиях при различных режимах работы. Для этого используют компрессоры с частотным регулированием, а также безмасляные компрессоры, рассчитанные на применение новых хладагентов и отличающиеся высокой эффективностью.
В регионах, где значительную часть времени наружный воздух остается сухим и холодным, все чаще используется свободное охлаждение (фрикулинг). Интеграция системы фрикулинга в конструкцию чиллера позволяет существенно снизить энергопотребление компрессора.
Повышение эффективности чиллерных систем
Водяные системы центрального кондиционирования предназначены для обеспечения охлаждения или обогрева нескольких помещений одновременно с использованием воды в качестве вторичного тепло‑ или холодоносителя. Основные компоненты такой системы — чиллеры с воздушным или водяным охлаждением, а также воздушное оборудование — приточно‑вытяжные установки и фэнкойлы. К вспомогательным компонентам относятся градирни, водяные насосы, трубопроводы и устройства управления.
Чтобы свести энергопотребление системы к минимуму, необходимо не только подобрать чиллер с оптимальными параметрами, но и надлежащим образом управлять всей системой центрального кондиционирования, в том числе насосами и вентиляторами воздушного оборудования. В ряде случаев суммарная электрическая мощность, потребляемая насосами и вентиляторами, может превышать энергопотребление чиллера.
Один из эффективных методов управления — регулирование расхода воды при помощи насосов с частотно‑регулируемым приводом (VFD). Рассматриваемые водяные системы центрального кондиционирования состоят из первичного и вторичного контуров. Традиционно насосы с VFD‑приводом регулируют поток воды во вторичном контуре, в зависимости от потребности в охлаждении или обогреве. С недавних пор расход воды в первичном контуре также стали регулировать, чтобы снизить энергопотребление насосов, а также лучше сбалансировать и оптимизировать расходы в первичном и вторичном контурах.
В перспективе рабочий диапазон чиллеров для таких систем может быть расширен. Кроме того, необходим усовершенствованный цифровой контроллер, способный оптимизировать всю систему и учитывающий все рабочие характеристики чиллеров, насосов и вентиляторов.
Снижение энергопотребления с помощью фрикулинга
В режиме свободного охлаждения (фрикулинга) в чиллерных системах тепло из помещения отводится наружу без использования компрессора. Это возможно в случае, когда температура воздуха снаружи ощутимо ниже температуры в помещении. Там, где необходимость в охлаждении сохраняется круглый год, например в центрах обработки данных, фрикулинг является эффективным способом существенно снизить энергопотребление чиллеров.
Существует разновидность систем фрикулинга, в которых холодный наружный воздух напрямую подается в обслуживаемое помещение или пространство либо охлаждающая вода из градирни подается напрямую в трубопровод охлажденной воды. Такие решения называются соответственно воздушными или водяными экономайзерами.
Другой подход заключается в отводе тепла от воды из помещения к охлаждающей воде за счет циркуляции хладагента в режиме термосифона без использования чиллера. Если температура наружного воздуха достаточно низка для конденсации паров хладагента, жидкий хладагент за счет гравитации будет стекать из конденсатора обратно в испаритель и охлаждать воду. Таким образом, холодильный цикл будет работать без включения компрессора. В ряде современных чиллеров воздушного охлаждения подобные системы фрикулинга стали неотъемлемой частью конструкции.
Новые хладагенты с низким ПГП для чиллеров
Чиллеры центробежного и винтового типов используют разнообразные хладагенты низкого, среднего и высокого давления. Следовательно, выбор новых альтернативных хладагентов представляет собой серьезную техническую задачу, решение которой окажет существенное влияние на конструкцию и себестоимость чиллеров и компрессоров.
Принятая в 2016 году Кигалийская поправка к Монреальскому протоколу установила график прекращения производства и потребления ГФУ‑хладагентов с высоким ПГП.
Внимание: для оценки производительности использованы термодинамические расчеты.
Пока поставщики хладагентов разрабатывают перспективные альтернативы, ведущие производители чиллеров оценивают эти альтернативы с точки зрения применимости для непосредственной замены, изучают характеристики и разрабатывают холодильные машины, рассчитанные на заправку новыми хладагентами низкого и среднего давления. Некоторые результаты этой работы представлены в таблице 1. В целом создание чиллеров, использующих новые хладагенты низкого давления, сводится к поиску наиболее приемлемого компромисса между ПГП, огнеопасностью, эффективностью и размерами компрессора.
R1234ze(E) как альтернатива хладагенту среднего давления R134a впервые был использован в Европе. В то же время R513A более предпочтителен с точки зрения требований к пожарной безопасности. R1233zd(E) и R514A на сегодняшний день являются основной альтернативой хладагенту низкого давления R123 для использования в чиллерах на базе компрессоров центробежного типа. Кроме того, в 2018 году был внедрен недавно разработанный хладагент R1224yd(Z), предназначенный для замены R245fa в чиллерах на базе компрессоров центробежного типа.
Расширение модельного ряда безмасляных чиллеров на базе центробежных компрессоров с магнитной подвеской
Одной из наиболее значительных инноваций в климатической технике стало появление безмасляных чиллеров на базе компрессоров с магнитной подвеской. Безмасляная технология сделала явью мечты индустрии холодильных компрессоров, решив сразу множество проблем, связанных с контролем уровня масла, а также существенно повысив эффективность как при полной, так и при частичной нагрузке за счет уменьшения механических потерь.
На волне успеха небольших безмасляных центробежных компрессоров с прямым приводом Turbocor, представленных Danfoss в начале 2000‑х годов, многие ведущие производители чиллеров, такие как YORK, Daikin Applied и Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems (MHI), сумели создать мощные безмасляные компрессоры и чиллеры с собственными вариантами магнитной подвески. Следом за ними последовали азиатские производители (табл. 2).
Помимо компаний, перечисленных в таблице 2, на сегодняшний день более 20 производителей выпускают различные чиллеры, используя безмасляные компрессоры Danfoss. В этих чиллерах применяется как традиционный ГФУ‑хладагент R134a, так и современные альтернативы с низким ПГП, например R1234ze(E) и R513A. Чиллеры с магнитной подвеской сегодня охватывают все наиболее востребованные диапазоны мощностей и постепенно становятся основным типом холодильных машин с компрессорами центробежного типа на рынке.
Прочие безмасляные технологии
В дополнение к магнитной подвеске появились и другие безмасляные технологии, такие как смазка шариковых подшипников жидким хладагентом и газовая смазка подшипников скольжения. Они находят применение в чиллерах на базе центробежных компрессоров с водяным охлаждением.
Керамические шариковые подшипники, смазываемые жидким хладагентом, позволяют заметно снизить механические потери, так как вязкость хладагента существенно ниже вязкости масла. При этом не требуется применение сложных электронных схем, необходимых для управления магнитной подвеской. В настоящее время проведены и опубликованы фундаментальные исследования смазывающих свойств хладагентов.
Подшипники качения, смазываемые газообразным хладагентом, применяются в безмасляных чиллерах на базе компрессоров центробежного типа относительно недавно. Существует две разновидности таких подшипников. В одной из них вал компрессора удерживается потоком газообразного хладагента, подаваемого под давлением в зазор подшипника, в другой — газом, нагнетаемым за счет взаимодействия вала с канавками на поверхности подшипника скольжения. Подобная подвеска уже давно использовалась в воздушных компрессорах и агрегатах турбонаддува, но лишь недавно нашла применение в чиллерах систем кондиционирования.
Усовершенствования чиллеров на базе компрессоров винтового типа
Винтовые компрессоры — это вид ротационных устройств объемного сжатия, разработанных специально для применения в чиллерах и тепловых насосах средней и большой производительности. Существует множество разновидностей винтовых компрессоров: с одним, двумя и тремя роторами, полугерметичные и открытого типа, одно‑ и двухступенчатые. Преимущества данного типа компрессоров, такие как отсутствие помпажа при больших перепадах давления, а также проcтота конструкции, состоящей из двух парных роторов, обусловливают широту областей применения: промышленные холодильные установки, водо‑ и воздухоохлаждаемые чиллеры, системы аккумуляции льда, тепловые насосы… Кроме того, винтовые компрессоры могут работать с самыми разными хладагентами — ГФУ, ГФО, аммиаком, диоксидом углерода, пропаном.
В
Однако с появлением больших спиральных компрессоров мощностью
В настоящее время исследования чиллеров на базе компрессоров винтового типа ведутся в нескольких направлениях.
Первое — внедрение управления скоростью вращения компрессора с помощью частотного регулирования (VFD). Традиционное регулирование при помощи заслонок приводит к значительным потерям из‑за байпасирования при работе с неполной нагрузкой. Изменение скорости вращения для регулирования производительности без использования заслонок избавляет от потерь из‑за потока через заслонки. Кроме того, уменьшение скорости вращения ротора значительно сокращает потери на преодоление сил трения. В результате существенно повышается эффективность компрессоров и при полной, и при частичной нагрузках. На сегодняшний день ряд чиллеров на базе винтовых компрессоров изначально имеют функцию регулирования скорости вращения.
Второе — изменение объемного отношения (VVR). Традиционные винтовые компрессоры имеют фиксированное объемное отношение (отношение объема всасывания к объему нагнетания), определяемое конструкцией. Это приводит к потерям при нагрузках, отличных от номинальной. Технология VVR автоматически подстраивает объемное отношение в соответствии с рабочими параметрами, устраняя потери.
Третье — эффективность маслоотделителей. В винтовых компрессорах масло впрыскивается в процессе сжатия, чтобы заполнить зазор между парными роторами и заодно охладить газ на линии нагнетания. Сокращение утечки масла с нагнетаемым хладагентом является жизненно важным для обеспечения стабильной и эффективной работы чиллера.
Четвертое — эффективность высокотемпературных тепловых насосов. Высокотемпературные тепловые насосы на базе компрессоров винтового типа способны обеспечить подачу горячей воды и пара с температурой 90—120°C. В настоящее время они рассматриваются как ресурсосберегающая альтернатива традиционным бойлерам для использования в системах отопления, позволяющая существенно сократить парниковые выбросы.
Абсорбционные чиллеры
Абсорбционные устройства, в отличие от парокомпрессионных холодильных машин с электрическим приводом компрессора, охлаждают или нагревают воду за счет тепловой энергии, получаемой из различных источников, и не используют фторсодержащие газы.
Китай представляет собой крупный рынок абсорбционных чиллеров, обеспечивающий почти 40% мирового спроса на оборудование этого типа. В совокупности на долю Восточной Азии (Китая, Японии и Южной Кореи) приходится около 70% мирового рынка абсорбционных чиллеров.
В 1980—1990‑е годы озоноразрушающие свойства хлорфторуглеродов (ХФУ), использовавшихся в качестве хладагентов, стали препятствием для дальнейшего развития сегмента парокомпрессионных чиллеров с электрическим приводом. Это заставило ведущих производителей США разрабатывать высокоэффективные абсорбционные чиллеры двойного действия, использующие в качестве источника энергии тепло, выделяющееся при сжигании мазута или газа. Эти попытки потерпели неудачу, так как оказалось, что такие чиллеры отличаются меньшей экономичностью и более высокой начальной стоимостью по сравнению чиллерами с электрическим приводом, например на базе компрессоров центробежного типа.
Однако использование тепла в качестве первичного источника энергии делает оптимальным применение абсорбционных чиллеров там, где мазут или газ имеются в изобилии, а возможности обеспечения электроэнергией ограниченны, или же при наличии бросового тепла. В контексте новейших тенденций использования нескольких источников энергии для систем тепло‑ и холодоснабжения все большее распространение получают комбинированные системы с применением абсорбционных устройств, например тригенерационные установки, вырабатывающие одновременно холод, тепло и электроэнергию. Современные исследования в области абсорбционных технологий направлены на создание тепловых насосов, использующих низкопотенциальную энергию бросового тепла небольшой температуры, и разработку систем центрального теплоснабжения, обеспечивающих нагрев теплоносителя до 110°C за счет энергии бросового тепла.
По материалам JARN
Моделирование вывода ГФУ в Евросоюзе
Вывод ГФУ в ЕС: точка отсчета
Европейский союз (ЕС) приступил к сокращению потребления гидрофторуглеродов (ГФУ) в 2015 году. Целевые показатели сокращения измеряются в тоннах CO2‑эквивалента. В качестве точки отсчета взят базовый уровень, представляющий собой среднегодовое значение потребления за период с 2009 по 2012 год, равное 183 миллионам тонн CO2‑эквивалента.
90% потребления приходилось на три вещества: R134a, R125 и R143a (рис. 1). Среднее значение потенциала глобального потепления (ПГП) гидрофторуглеродов, потреблявшихся в период расчета базового уровня, составляло 2160.
Вывод ГФУ в ЕС: финишная черта
График вывода ГФУ в ЕС предусматривает ряд последовательных ограничений разрешенного к потреблению количества вновь произведенных ГФУ. Последнее ограничение вступает в силу в 2030 году и представляет собой сокращение потребления новых ГФУ на 79% базового уровня.
В ряде публикаций конечным целевым показателем вывода называется уменьшение среднего ПГП используемых ГФУ до 450. Однако это не соответствует действительности, так как величина сокращения в рамках вывода измеряется не значением ПГП, а количеством CO2‑эквивалента. Таким образом, целевой показатель для ЕС — это уменьшение потребления новых ГФУ до 38 миллионов тонн CO2‑эквивалента.
Моделирование рынка
Чтобы спрогнозировать будущее ГФУ, необходимо учесть комплекс факторов, связанных с выводом ГФУ из потребления. Исторически главные потребители ГФУ — холодильная техника, оборудование для кондиционирования воздуха и тепловые насосы. На их долю приходилось 84% потребления ГФУ в период расчета базового уровня (рис. 2). Рынок HVAC&R-cистем растет, и вывод из обращения ГФУ способствует все более широкому внедрению инновационных решений в этой отрасли.
Полномасштабная модель «Перспективы ГФУ», разработанная Европейским партнерством по энергии и окружающей среде (EPEE), содержит прогноз потребления ГФУ в 2030 году. В основе модели — разделение рынка на множество отдельных секторов и учет ключевых характеристик для каждого сектора, таких как темп роста, использующиеся в новом оборудовании виды хладагентов, показатели утечек и коэффициент утилизации хладагентов по окончании эксплуатации.
Прогноз для рынка ГФУ в ЕС на 2030 год
Для рынков, использовавших ГФУ в
Несмотря на рост рынка, физическое количество хладагентов (в метрических тоннах), как ГФУ, так и их альтернатив, сократится на 24%. Падение связано с сокращением потерь хладагента в результате утечек и уменьшением количества заправляемого хладагента.
Общее потребление вновь произведенных ГФУ сократится почти на 80% (в пересчете на тонны СО2‑эквивалента). Среди причин сокращения — переход ряда рыночных сегментов на использование хладагентов, не содержащих ГФУ, в новом оборудовании, значительное сокращение утечек, повторное использование ГФУ, собранных из утилизируемого оборудования. На повторно используемые хладагенты действие ограничивающих квот не распространяется.
Часть рыночных сегментов полностью откажется от использования ГФУ к 2030 году, например, бытовые и небольшие коммерческие холодильники, автомобильные кондиционеры воздуха, мощные чиллеры систем кондиционирования, вспененные изоляционные материалы. Место ГФУ в этих сегментах займут гидрофторолефины (ГФО), аммиак, диоксид углерода (СО2), углеводороды.
Часть рыночных сегментов перейдет на альтернативные ГФУ с более низким ПГП, такие как ГФУ‑32 и смеси ГФУ и ГФО. Отличительная характеристика таких сегментов — средний размер — слишком большой для безопасного использования альтернативных горючих хладагентов и слишком малый для того, чтобы применение альтернатив, приемлемых для более мощного оборудования, было экономически выгодным.
Для небольшого числа сегментов на сегодняшний день нет решений с низким ПГП, например для медицинских ингаляторов. Согласно прогнозу, к 2030 году потребление ГФУ в этих сегментах сохранится. При этом остается вероятность появления альтернативных решений и в этой сфере.
Объем заправки хладагента для многих типов холодильных систем, кондиционеров воздуха и тепловых насосов к 2030 году уменьшится благодаря применению инновационных технологий, что сократит размеры «банка хладагентов», несмотря на рост рынка.
Коэффициенты утечек хладагента из холодильных систем, кондиционеров воздуха и тепловых насосов к 2030 году заметно снизятся благодаря усилиям производителей оборудования.
Моделирование показывает, что достичь целевого показателя сокращения использования вновь произведенных ГФУ на 79% будет непросто, но возможно. На рисунке 3 представлено прогнозируемое распределение различных видов ГФУ на рынке к 2030 году.
Модель демонстрирует, что средний ПГП ГФУ, которые будут использоваться в 2030 году, составит примерно 1300. Рисунок 4 показывает доли различных веществ на рынке в 2030 году в процентах базового уровня потребления.
Выраженное в метрических тоннах количество всех газов, использующихся в традиционных областях применения ГФУ, сократится к 2030 году примерно на 25%. Средний ПГП всех газов на рынке будет равен примерно 400.
По материалам JARN
Моторы вентиляторов и сопутствующее оборудование — новейшие тенденции
Мотор вентилятора — это двигатель, вращающий крыльчатку. Вентиляторы делятся на несколько типов производительности по воздуху, статическому давлению, направлению потока и уровню шума. Различают осевые, канальные, центробежные и диаметральные (тангенциальные) вентиляторы. Каждый из этих типов имеет свою специфическую область применения.
Если говорить о кондиционерах воздуха, то осевые вентиляторы в основном используются в наружных блоках бытовых сплит‑систем, канальные — в наружных блоках VRF‑систем, а также во внутренних четырехпоточных блоках кассетного типа. Центробежные вентиляторы устанавливаются во внутренние блоки канального типа и на обращенную внутрь помещения сторону оконных кондиционеров. Вентиляторы тангенциального типа находят применение во внутренних блоках бытовых сплит‑систем, а также в воздушных завесах и другом подобном оборудовании.
Осевые вентиляторы подходят для систем канальной вентиляции с небольшим сопротивлением сети и значительным расходом воздуха. Вентиляторы центробежного типа могут использоваться в каналах с высоким сопротивлением сети для обеспечения постоянного расхода воздуха. Канальные вентиляторы устанавливаются в каналы, сопротивление сети в которых лежит в диапазоне между низким и высоким, для обеспечения различных расходов воздуха. Тангенциальные вентиляторы могут использоваться в каналах с низким сопротивлением сети для создания постоянного расхода воздуха с низким уровнем шума.
Перечисленные типы вентиляторов получили свои названия по форме рабочего колеса. Эти формы разработаны на основе исследований в области гидродинамики и использования метода копирования природных форм.
Помимо формы рабочих колес вентиляторы различаются по типу моторов. Если взять за основу взаимное расположение мотора и крыльчатки, моторы можно разделить на две большие группы: с внутренним и внешним ротором. Первая группа — это более традиционные моторы с валом, к которому крепится крыльчатка вентилятора. Ротор моторов второй группы расположен с внешней стороны и вращается вокруг находящегося в центре статора. Такая конструкция чуть дороже традиционной, однако отличается компактностью и способна создавать более высокий крутящий момент.
В зависимости от вида электропитания различают моторы переменного (AC) и постоянного (DC) тока. Как правило, в вентиляторах бытовой техники используются моторы переменного тока, так как именно такой ток подается через бытовую электросеть. В автомобильном оборудовании применяются моторы постоянного тока, питающиеся от аккумулятора.
В последние годы спрос на энергосберегающее оборудование способствовал распространению бесщеточных моторов постоянного тока (BLDC), в том числе для привода вентиляторов в бытовых кондиционерах. В BLDC‑моторах используется та же технология для регулирования скорости вращения, что и в инверторных компрессорах. По данным японской исследовательской компании Fuji Keizai, в 2018 году общее количество малых моторов в мире составляло примерно 6,6 миллиарда штук. Из них 2,2 миллиарда единиц — моторы вентиляторов. Доля BLDC‑моторов — 1 миллиард изделий, ожидается, что к 2025 году их количество увеличится до 1,2 миллиарда штук.
Один из ведущих производителей вентиляторов и моторов к ним — компания ebm‑papst — приступила к производству электронно‑коммутируемых (EC) двигателей, использующих те же принципы, что и BLDC в 1965 году, став пионером в этой области. С помощью EC‑моторов от ebm‑papst, использующих EC‑технологию GreenTech, можно добиться сокращения энергопотребления до 30%. Кроме того, технология позволяет отслеживать скорость вращения, температуру, условия эксплуатации, получать сообщения об отклонениях в работе мотора. Для этого используются различные каналы связи — Интернет, SMS, электронная почта и Bluetooth.
В системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, где в качестве источника тепла и холода выступает чиллер, а воздух в помещения подается через устройства воздухообработки, устройства управления и исполнительные элементы подбираются как самостоятельные компоненты при проектировании. От этих компонентов, которые называют сопутствующим оборудованием, во многом зависит производительность системы.
Компания Belimo — всемирно известный производитель исполнительных элементов, регулирующих клапанов и датчиков. В сегменте исполнительных элементов компании принадлежат примерно треть рынка США и почти две трети европейского рынка. Компания производит и двигатели, и электронную начинку исполнительных элементов. Этими элементами можно управлять дистанционно, используя Belimo Cloud. Более того, модель Belimo Energy Valve способна сама накапливать данные, анализировать их и затем принимать меры по повышению эффективности работы теплообменников и всей системы в целом.
Как отмечалось выше, совершенствование таких компонентов, как вентиляторы и исполнительные элементы, идет в направлении повышения эффективности и расширения функциональных возможностей за счет использования облачных технологий и «Интернета вещей».
По материалам JARN
Японские производители кондиционеров воздуха укрепляют технологическую базу
По данным Японского банка развития (DBJ), в 2019 финансовом году (заканчивается 31 марта 2020 года) внутренние инвестиции в экономику Японии покажут значительный рост, достигнув суммарного показателя в 11,5% для всех отраслей, за исключением энергетики. Соответственно инвестиции в индустрию отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха также вырастут. В последние годы японские производители систем воздушного кондиционирования уделяли повышенное внимание строительству исследовательских центров, задача которых заключается в укреплении технологической базы, расширении бизнеса и создании дополнительной стоимости.
Компания Daikin вложила в создание Центра технологий и инноваций (TIC) в Йодогаве приблизительно 38 миллиардов иен (355,8 миллиона долларов США). Объект приступил к работе в ноябре 2015 года. Целью открытия центра стало создание дополнительной стоимости для продукции Daikin, которая должна стать номером 1 в мире по уровню технологического совершенства и степени специализации.
Mitsubishi Electric построила центр технологий воздушного кондиционирования в составе производственного комплекса Shizuoka Works, вложив примерно 5 миллиардов иен (46,8 миллиона долларов США). Центр, введенный в эксплуатацию в июне 2019 года, служит развитию климатического бизнеса компании, способствует усилению способности создавать бытовые и полупромышленные кондиционеры воздуха, пригодные для использования во всем мире, и ускорению разработки новых продуктов. Объединение в одном здании подразделений по проектированию, созданию прототипов и тестированию, ранее разбросанных по всему производственному комплексу, призвано улучшить взаимодействие между различными отделами и создать синергетический эффект от объединения их усилий.
Fujitsu General запустила Центр инноваций и коммуникаций (ICC) при штаб‑квартире в Кавасаки в июле 2019 года. Инвестиции в создание центра оцениваются в 6,4 миллиарда иен (59,5 миллиона долларов США). Центр должен стать базой по созданию дополнительной стоимости путем внедрения инноваций в производственные процессы и получения эффекта синергии от взаимодействия подразделений компании и разработчиков со стороны.
Кроме того, в октябре 2019 года таиландское подразделение Fujitsu General открыло вторую фабрику в Таиланде. Подразделение планирует увеличить свою производственную мощность до 3,4 миллиона единиц продукции в год, то есть почти в 1,9 раза за период с 2018 по 2022 год. Достичь этого компания намерена за счет расширения производства и использования технологии «Интернета вещей» на обеих фабриках. В развитие фабрик подразделение намерено вложить около 8 миллиардов иен (74,2 миллиона долларов США) до 2021 года.
4 октября 2019 года Johnson Controls‑Hitachi Air Conditioning объявила об открытии нового Глобального центра разработок в г. Кади в индийском штате Гуджарат. Современный центр, в создание которого вложено 22,5 миллиона долларов США, будет способствовать внедрению инноваций и разработке бытовых и полупромышленных кондиционеров как для индийского рынка, так и для стран Юго‑Восточной Азии, Ближнего Востока и Европы.
Toshiba Carrier строит технологический корпус на фабрике Fuji в префектуре Сидзуока, чтобы укрепить свои позиции в области исследований и разработки. Окончание строительства было намечено на конец декабря 2019 года. Общий объем инвестиций составит примерно 6 миллиардов иен (55 миллионов долларов США). Цель компании — обеспечить условия для устойчивого роста и дальнейшего ускорения развития международного бизнеса. Открытие технологического корпуса на фабрике Fuji — исследовательском, административном и производственном центре компании — должно способствовать активизации разработки новых продуктов и технологий.
Почему японские производители решили вкладывать деньги в технологическое развитие именно сейчас? На это есть две причины. Первая — это рост операционной прибыли производителей кондиционеров воздуха. Есть компании, объем продаж и, соответственно, прибыль которых держатся на самом высоком за всю их историю уровне на протяжении уже 6 лет подряд. Многие другие компании фиксируют рост продаж как на внутреннем рынке, так и за рубежом.
Вторая возможная причина — развитие технологий. Все производители, упомянутые выше, активно действуют на глобальной сцене. Сильнейшая сторона японского производителя — технологическое превосходство. Японские технологии известны во всем мире. Так зачем производителям из Японии инвестировать в развитие технологий? Возможно, чтобы дифференцироваться от конкурентов, обеспечив себе еще больший отрыв. В последние годы китайские и другие зарубежные производители смогли существенно повысить свой технологический потенциал. Чтобы оставаться мировым лидером в области инноваций, Японии следует играть на опережение. Капитальные инвестиции в ближайшие годы будут одной из стратегий, направленных на покорение мира японскими компаниями. Это позволяет надеяться на очередной скачок в развитии японских HVAC&R-технологий.
По материалам JARN
