Тенденции мирового рынка в области оборудования и технологий в 2022 году

• 13 Января 2023

Согласно Докладу о глобальном состоянии зданий и сооружений за 2021 год, подготовленному Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП), на здания приходится 36% мирового потребления энергии и 37% выбросов CO₂, связанных с энергообеспечением. Энергопотребление, связанное с эксплуатацией зданий, является причиной до 27% выбросов CO₂ при производстве энергии. Таким образом, доля зданий в общем объеме парниковых выбросов весьма велика.

Поскольку потребление энергии, связанное с системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК), обычно составляет около 40% от общего энергопотребления коммерческих зданий, сокращение выбросов CO₂, вызванных работой систем ОВК, является актуальной задачей.

Система водяного охлаждения

Для большинства крупных коммерческих зданий, торговых центров, отелей и производственных помещений обычно используется центральная система охлаждения и отопления с водой в качестве теплоносителя. Эта система состоит из гидравлической системы/системы водяного охлаждения, обеспечивающей охлаждение и обогрев, и системы обработки воздуха, которая подает кондиционированный воздух в жилые помещения с помощью приточно-вытяжных вентиляционных установок.

С точки зрения уменьшения углеродного следа зданий система водяного охлаждения обладает рядом преимуществ. Поскольку большая удельная теплоемкость и высокая плотность воды делают ее одним и из наиболее эффективных теплоносителей, системы водяного охлаждения могут накапливать тепло или холод в виде воды или льда, а затем гибко использовать его в ответ на колебания в поступлении энергии от возобновляемых источников. Охлаждающая вода также может использоваться в качестве теплоносителя в системах естественного охлаждения для передачи энергии воздуха в помещении наружному воздуху.

Приточно-вытяжные установки могут гибко контролировать параметры приточного воздуха с помощью высокоэффективных фильтров или путем подмеса наружного воздуха, создавая здоровый микроклимат в помещениях. В силу перечисленных особенностей центральная система кондиционирования с контурами водяного охлаждения считается наиболее эффективной системой ОВК для крупных зданий и сооружений.

Рис. Система водяного охлаждения

Как показано на рисунке, система водяного охлаждения состоит из первичного контура, проходящего через чиллеры, и вторичного контура для воздушного оборудования. Такая схема с двумя контурами была разработана в середине 1950-х годов и использовалась в течение почти 70 лет как наиболее эффективное решение для кондиционирования воздуха на объектах коммерческого назначения. В последнее время такие системы нашли применение в жилых зданиях и на небольших промышленных объектах. Повышению эффективности таких систем способствовало внедрение регулирования расхода воды при помощи насосов с переменной скоростью потока, использующих частотно-регулируемые приводы (VFD) как в первичном, так и во вторичном контурах.

Рис. Энергопотребление чиллера и вентилятора
градирни

В такой системе важно максимизировать эффективность не только каждого компонента, такого как чиллеры и водяные насосы, но и всей системы в целом. Например, при снижении энергопотребления вентиляторов градирен энергопотребление чиллеров возрастет из-за повышения температуры охлаждающей воды. На рисунке ниже отмечена точка минимума суммарной потребляемой мощности чиллеров и вентиляторов градирен. Аналогичным образом потребляемая мощность чиллеров связана с мощностью водяных насосов.

Чтобы минимизировать годовое потребление энергии за счет учета динамического поведения всех компонентов, контроль за отоплением, вентиляцией и кондиционированием здания осуществляет усовершенствованная система управления энергопотреблением здания (BEMS).

Типы чиллеров и новые хладагенты

Водяное и воздушное охлаждение

Типы чиллеров, использующихся в системах ОВК, и диапазоны их мощности представлены в таблице ниже.

Холодильная мощность чиллеров с воздушным охлаждением конденсатора лежит в диапазоне от 35 до 2110 кВт. При этом 80% таких холодильных машин имеют мощность в диапазоне от 105,5 до 880 кВт. Для мощностей выше 105,5 кВт традиционно использовались чиллеры с компрессорами винтового типа, однако с появлением мощных спиральных компрессоров стандартом стало применение чиллеров с несколькими компрессорами спирального типа для мощностей до 880 кВт.

Поскольку температура конденсации насыщенного пара в чиллерах с воздушным охлаждением намного выше, чем в водоохлаждаемых чиллерах, их энергопотребление примерно на 30% выше, чем у последних, которым, в свою очередь, необходимо дополнительное питание для градирен и водяных насосов.

Цена собственно чиллера для устройств с водяным охлаждением ниже, чем с воздушным. Однако суммарная величина капитальных затрат для водяного охлаждения выше, если принимать во внимание расходы на дополнительное оборудование, такое как градирни, водяные насосы и водопровод. Кроме того, чиллеры с водяным охлаждением требуют дополнительных расходов на обработку воды и подпитку градирен, и стоимость этих услуг в настоящее время растет.

В последнее время нехватка воды становится серьезной проблемой. Кроме того, в США и Европе зафиксированы случаи болезни легионеров, вызванные застоем охлаждающей воды в градирнях.

Рис. Структура поставок чиллеров в Японию и США

Выбор воздушного или водяного охлаждения для чиллеров делается на основе детального анализа, учитывающего такие факторы, как климатические условия, холодопроизводительность, часы работы и обстановку в месте монтажа, различающиеся в зависимости от страны и региона.

На рисунке показано сравнение поставок чиллеров (в денежном выражении) для США и Японии. Доля чиллеров с воздушным охлаждением в общем объеме поставок примерно одинакова для обеих стран и составляет около 50%. Однако распределение доли чиллеров с водяным охлаждением в странах различается: на рынке США доминируют чиллеры с компрессорами центробежного типа, а в Японии — абсорбционные чиллеры.

Новые альтернативные хладагенты с низким ПГП для чиллеров

Поскольку процесс ограничения использования хладагентов с высоким потенциалом глобального потепления (ПГП) ускоряется, были успешно разработаны многообещающие альтернативные хладагенты с низким ПГП на основе гидрофторолефинов (ГФО), и на рынок были выпущены новые продукты, использующие эти хладагенты.

Так как в чиллерах используются компрессоры разных типов, включая центробежные, винтовые, спиральные и поршневые, для них разработаны различные хладагенты высокого и низкого давления. В таблице ниже перечислены новейшие альтернативные хладагенты с низким ПГП.

Таблица. Альтернативные хладагенты с низким ПГП для чиллеров

Тенденции производства чиллеров

Чиллеры с водяным охлаждением на базе компрессоров центробежного типа

100 лет истории

В этом году исполняется 100 лет с тех пор, как доктор Уиллис Кэрриер изобрел чиллер с водяным охлаждением на базе многоступенчатого центробежного компрессора, использующий хладагент низкого давления под названием диэлен (ненасыщенный гидрохлоруглерод (гидрохлоролефин) R-1130, 1,2-дихлорэтилен), и представил его в Нью-Джерси, США, в 1922 году. Почти век чиллеры с компрессорами центробежного типа оставались основным решением для организации крупных систем кондиционирования воздуха и охлаждения промышленных процессов, и по-прежнему занимают 30% в структуре общего спроса на чиллеры в стоимостном выражении.

За последние 100 лет было в чиллерах на базе центробежных компрессоров реализовано множество технических инноваций:

• Конец 1970-х: разработка управления скоростью с помощью частотно-регулируемых приводов.
• 1980–1990-е годы: использование передовых технологий моделирования, таких как вычислительная гидродинамика (CFD), для создания высокоэффективных рабочих колес.
• 1990-е годы: переход от R-11, хлорфторуглеродного (ХФУ) хладагента низкого давления, к R134a — озонобезопасному хладагенту среднего давления.
• 2000-е годы: разработка безмасляных центробежных холодильных компрессоров для ОВК.
• 2010-е годы: разработка передовых чиллеров, заправленных новыми хладагентами с низким ПГП.

Заметной технологической особенностью последнего десятилетия является расширение диапазона мощностей безмасляных чиллеров на базе центробежных компрессоров с магнитной подвеской, доля которых в сегменте чиллеров с центробежными компрессорами в настоящее время составляет около 30%.

Тенденции в области хладагентов низкого и среднего давления

Разработка альтернативных хладагентов для чиллеров с компрессорами центробежного типа идет в двух направлениях: низкое и среднее давление. Хладагенты низкого давления теоретически имеют более высокую эффективность цикла, но требуют в пять-шесть раз большего объема всасываемого газа, чем хладагенты среднего давления, для получения той же холодильной мощности. Это, в свою очередь, ведет к увеличению размеров компрессора. Решения относительно выбора хладагента обычно принимаются путем нахождения компромисса между стоимостью и производительностью.

В сегменте низкого давления были разработаны перспективные хладагенты, такие как R1233zd(E) и R1224yd(Z). Они негорючи (A1) и обладают сверхнизким ПГП. Хладагент R1233zd(E) впервые был использован для чиллеров с центробежными компрессорами в 2014 году. После этого многие ведущие производители чиллеров представили новинки, заправляемые R1233zd(E). R1233zd (E) в настоящее время стал основным хладагентом на рынке чиллеров с центробежными компрессорами.

В 2018 году Ebara выпустила серию чиллеров с центробежными компрессорами на хладагенте R1224yd(Z), производительность которого в 1,6 раза больше, чем у традиционного хладагента R123. Для модернизации существующих чиллеров, использующих R123, в настоящее время широко применяется хладагент низкого давления R514A со сверхнизким ПГП.

Что касается альтернативы R134a, то хладагентов среднего давления, обладающих как сверхнизким ПГП, так и негорючими свойствами, пока нет.

Первым хладагентом среднего давления с низким ПГП, использованным для чиллеров на базе винтовых и центробежных компрессоров на европейском рынке, стал R1234ze(E). По характеристикам R1234ze(E) близок к R134a, но при этом он умеренно горюч (A2L).

Компания Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems (MHI Thermal Systems) анонсировала в 2022 году большую серию чиллеров на центробежных компрессорах мощностью от 1055 до 18990 кВт, использующих хладагент R1234yf. Этот диапазон мощностей шире, чем у существующих чиллеров на R1234ze(E).

В странах, где действуют строгие требования к воспламеняемости, в качестве альтернативы, совместимой с традиционным R134a для чиллеров с компрессорами центробежного и винтового типа, чаще всего используется хладагент среднего давления R513A. В 2020 году компания Danfoss объявила, что намерена использовать новый негорючий хладагент R515B для своих центробежных компрессоров. R515B представляет собой азеотропную смесь R1234ze(E) и R227ea и имеет более низкий ПГП, чем R513A.

Эти альтернативные хладагенты среднего давления с низким ПГП используются в соответствии с правилами соответствующих стран и регионов.

Чиллеры с воздушным охлаждением/воздушные тепловые насосы

Увеличение мощности за счет модульной конструкции

Средняя производительность чиллеров с воздушным охлаждением в последнее время увеличивается. Для крупных проектов, где необходима холодильная мощность свыше 3500 кВт, все чаще используют несколько больших чиллеров с воздушным охлаждением вместо водоохлаждаемых чиллеров с компрессорами центробежного типа.

Мощность чиллера модульного типа может быть оперативно увеличена в соответствии с требованиями клиентов, в настоящее время такие устройства широко распространены на японском рынке. Чиллеры модульного типа состоят из модулей мощностью от 22,3 до 52,2 кВт с независимыми контурами хладагента, оснащенных несколькими спиральными и/или ротационными компрессорами. Объединяющий множество стандартизированных модулей чиллер может развивать холодильную мощность до 3500 кВт, что близко к производительности чиллеров с компрессорами центробежного типа. На одной и той же конструктивной платформе могут быть созданы модули различных типов, включая работающие только на охлаждение, воздушные тепловые насосы и модули с рекуперацией тепла, сочетая которые можно удовлетворить запросы самых требовательных заказчиков.

Одной из ключевых технологий чиллеров модульного типа является создание равномерного потока воздуха при объединении нескольких воздушных конденсаторов, и производители предлагают различные оптимизированные варианты конструкции.

Недавно были выпущены линейки чиллеров модульного типа, использующих хладагент R32 с низким ПГП, и способных развивать холодильную мощность в диапазоне от 45 до 835 кВт.

Прогресс в сегменте воздушных тепловых насосов

В контексте отказа от отопления за счет сжигания мазута для сокращения выбросов CO₂ в Китае, Японии и Европе получили широкое распространение реверсивные чиллеры с воздушным охлаждением — воздушные тепловые насосы. В то же время, устройства подобного типа не популярны в регионах США с холодными зимами. Вместо этого в Соединенных Штатах используются водяные тепловые насосы. Дело в том, что теплопроизводительность воздушного теплового насоса сильно зависит от температуры наружного воздуха, и в суровом холодном климате трудно получить достаточное отопление. Исходя из физики парокомпрессионного цикла, при снижении температуры наружного воздуха с 7°C до -10°C теплопроизводительность воздушного теплового насоса уменьшится на 45%.

Для решения этой проблемы разработаны различные технологии, такие как двухступенчатое сжатие с системами экономайзеров, впрыск газа в процессе сжатия и высокоэффективные воздушные теплообменники для минимизации разморозки. Благодаря этим технологиям современные воздушные тепловые насосы могут нагревать воду до 60°C и работать при температуре наружного воздуха до -17°C. Разработки воздушных тепловых насосов для холодного климата будут продолжены.

Абсорбционные чиллеры

В отличие от парокомпрессионных чиллеров с электрическим приводом, абсорбционный чиллер-нагреватель производит охлажденную воду, используя тепловую энергию, и может одновременно поставлять горячую воду, поэтому такие системы особенно подходят для районов, где имеется много природного газа и нефти, не хватает электричества или имеются достаточные источники отработанного тепла.

За последние несколько десятилетий эффективность чиллеров на базе винтовых и центробежных компрессоров с электроприводом значительно повысилась и намного превышает эффективность абсорбционных чиллеров по потреблению первичной энергии. Спрос на абсорбционные холодильные машины, работающие на энергии сжигания газа и жидкого топлива, снизился на основных рынках, таких как Китай и Япония. Между тем, в контексте последних тенденций, способствующих эффективному использованию отработанной энергии, распространение получают паровые абсорбционные чиллеры.

Землетрясение 2011 года в Японии вызвало серьезные проблемы с электроснабжением, в результате чего была признана важность децентрализации источников энергии для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. С тех пор спрос на абсорбционные чиллеры в Японии перестал снижаться или даже немного увеличился.

Производители абсорбционных чиллеров в настоящее время сосредотачиваются на устройствах с паровым нагревом, использующих отработанную энергию систем когенерации, и тепловых насосах, приводимых в действие низкопотенциальным бросовым теплом.

В качестве современных крупных систем централизованного холодоснабжения и отопления в Японии обычно устанавливаются паровые абсорбционные чиллеры в сочетании с независимой системой когенерации, производительность которых эквивалентна производительности чиллеров на центробежных компрессорах.

Технологии повышения энергоэффективности чиллеров

Повышение эффективности чиллера за счет противотока

Последовательный противоток — это метод повышения эффективности чиллеров путем распределения теплообменников на два или четыре контура хладагента и направления потоков охлажденной и охлаждаемой воды в противоположных направлениях для снижения разницы температур охлаждающей и охлаждаемой воды на выходе каждого чиллера. Снижение этой разницы температур позволяет заметно повысить эффективность чиллеров на базе компрессоров центробежного типа.

Рис. Пример последовательного противотока

На рисунке представлен пример простой системы с двумя компрессорами, конденсаторами и испарителями, позволяющей уменьшить разницу температур примерно на 10%, что приводит к повышению эффективности на 5-10% в зависимости от параметров эксплуатации. В общем, величина повышения эффективности в такой системе определяется числом компрессоров/теплообменников и температурными параметрами.

В системах централизованного охлаждения большая разница температур вызвана, в основном, с низкой скоростью потока воды для снижения энергопотребления насосов. В этом случае противоточная схема показывает себя довольно действенным решением, обеспечивая повышение эффективности примерно на 20% при использовании четырех контуров. В большинстве систем централизованного охлаждения на Ближнем Востоке используется подобная схема с противотоком.

Снижение энергопотребления за счет естественного охлаждения (фрикулинга)

На объектах, где тепловая нагрузка на систему охлаждения велика, а температура наружного воздуха в течение года опускается заметно ниже проектных значений охлажденной воды, например, в центрах обработки данных и на промышленных предприятиях, широко используется естественное охлаждение (фрикулинг), позволяющее существенно снизить энергопотребление, так как в этом режиме не задействуются компрессоры чиллеров.

Рис. Схема фрикулинга с водяным
экономайзером

Традиционно фрикулинг использовался с водоохлаждаемыми чиллерами, а в качестве теплоносителя выступала охлаждающая вода. Однако в последнее время получила широкое распространение система естественного охлаждения для воздушноохлаждаемых чиллеров, называемая водяным экономайзером.

На рисунке приведен пример системы фрикулинга для чиллера с воздушным охлаждением конденсатора, в которой водяной экономайзер подключен к контуру хладагента, и может одновременно охлаждать и воду, и хладагент. Такая система может работать в нескольких режимах в зависимости от температуры наружного воздуха и потребности в охлаждении.

Источник