Воздушные тепловые насосы: возможности и ошибки маркетинга

Опубликовано: 21 июля 2010 г.

536

А. Суслов

Появившиеся в Европе в конце прошлого века низкотемпературные модели тепловых насосов принципиально изменили существовавшие ранее представления о технических возможностях этого оборудования, что качественно повлияло на потребительские приоритеты и структуру европейского рынка. Низкотемпературные воздушные тепловые насосы (НВТН) стали наиболее востребованным типом теплонасосных установок. Объемы их продаж на национальных европейских рынках измеряются сегодня сотнями тысяч штук и десятками миллионов евро. Это совершенно очевидно проявилось в странах Северной Европы – с наиболее холодным климатом.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

В ходе нынешнего кризиса ситуация с НВТН не оказалась в застое. Более того, на фоне общего спада в климатической отрасли стала очевидной поразительная закономерность: постепенное исчезновение на рынке отдельных видов продукции приводит к повышению спроса на НВТН.

В 2009 г. падение рынка чиллеров в России составило 50–55 %, а сплит-систем, по предварительным оценкам, – в два–три раза. Компенсировать эти потери «кондиционерщики» могли бы именно за счет освоения рынка НВТН для теплоснабжения. Однако ни со стороны поставщиков, ни со стороны потребителей эта техника особого внимания до сих пор не удостоилась.

Основная причина – ряд проблем, связанных с недостаточной осведомленностью потенциально заинтересованных субъектов. Также дефицит необходимой информации о технических особенностях и возможностях НВТН успел породить массу всевозможных толков, преимущественно скептических. Поэтому необходимы конкретные сведения, позволяющие прояснить истинное положение дел.

История появления

По мере массового распространения сплит-систем и насыщения ими европейского рынка к концу 1970-х гг. задача поиска новых сфер сбыта становилась все более актуальной. Поскольку интерес к тепловым насосам наметился уже тогда, идея расширения области применения за счет создания НВТН, отвечающих европейским требованиям, полностью соответствовала этой задаче.

Понятно, что необходимо было добиться гарантированной надежности и как

можно меньшего падения теплопроизводительности аппаратов при низких температурах. Для работы в таких условиях воздушному тепловому насосу необходимы опции, аналогичные тем, что обеспечивает зимний комплект низкотемпературному кондиционеру. Это, во-первых, подогрев картера компрессора и надежные средства для удаления из внешнего блока конденсата и наледи и, во-вторых, – возможность регулирования интенсивности поглощения тепла теплообменником внешнего блока в зависимости от наружной температуры.

Поскольку оптимальное решение этих задач означало выход на грандиозный европейский рынок теплоснабжения, идея начала реализовываться не одной компанией, а была подхвачена всеми ведущими производителями. В результате такой кооперации появилось множество блестящих фирменных решений. Часть из них достаточно очевидна и понятна, другие же сформировались в результате основательных исследований, которые не прекращаются до сих пор и охраняются институтами защиты интеллектуальной собственности.

То есть появление НВТН – следствие многолетних целеустремленных усилий всей отрасли в целом. Свидетельством этому служит богатство и многообразие их ассортимента, представленного на европейском рынке.

Не вдаваясь в технические аспекты таких непременных атрибутов современных НВТН, как интегрированные в сплит-системы инверторы и фреон R410A, можно с уверенностью утверждать, что появление именно этих двух составляющих сыграло существенную роль в нынешнем становлении НВТН. И если R410А – это просто фреон, на котором сегодня работают большинство низкотемпературных воздушных тепловых насосов (по совокупности индивидуальных характеристик он наиболее для них подходит), то алгоритмы работы инверторов, которыми оборудованы все без исключения современные НВТН, являются фирменными ноу-хау.

В 2000-х появление новых НВТН приобретает тотальный характер. Сегодня в Европе нет уже ни одного заметного бренда, в программе поставок которого не присутствовали бы эти аппараты.

Отечественные заблуждения

В то время как на европейском рынке доступны уже десятки моделей НВТН от всех заметных мировых производителей, в нашей стране предлагаются лишь несколько – от пары наиболее уважаемых представителей отрасли.

Эти образцы подсознательно ассоциируются с сплит-системами 1970-х, на которые они похожи внешне. Поэтому и от современных НВТН подспудно ожидают тех же неприятностей, которые возникали в случае эксплуатации традиционных сплит-систем при более низкой, чем это разрешалось производителями, температуре.

Одной из причин такого заблуждения становится то, что технические средства, обеспечивающие НВТН необходимыми им дополнительными опциями, визуально, как правило, никак не фиксируются. Во-вторых, появившиеся у нас сегодня НВТН анонсированы для работы на обогрев всего лишь до –25 °С. При этом на нашем рынке давно уже присутствуют куда более низкотемпературные (до –34,4 °С) образцы воздушных тепловых насосов, которые никогда, кстати, не позиционировались поставщиками в этом качестве.

Хотя массовое использование НВТН у нас практически еще не началось,

потенциально заинтересованным соискателям хорошо известно о том, что с понижением наружной температуры эффективность воздушных тепловых насосов падает, а само использование этой техники также ограничено неким температурным минимумом. У нас нигде официально не публиковались значения минимальных температур, при которых современные НВТН сохраняют работоспособность, поэтому у заинтересованных потребителей до сих пор отсутствуют основные аргументы, необходимые для принятия обоснованного решения по установке этой, еще малознакомой для нас, техники.

Графики зависимости коэффициента энергоэффективности COP от наружной температуры типичных современных НВТН, полученные Центром прикладных научных исследований VTT (Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus) в Финляндии, представлены на рис. 1. Несмотря на индивидуальные различия всех трех диаграмм, очевидны интересующие нас общие закономерности. Нижняя граница использования современных НВТН и предел их энергетической целесообразности (COP ≥ 1) лежат в районе –30 °C и даже ниже.

Достаточность этих параметров для успешного применения НВТН в климатических условиях России ранее была обоснована теоретически и практически (Суслов А.В. Применение воздушных тепловых насосов в условиях холодного климата// Аква-Терм. 2009. № 3).

Холод как аргумент

Больше всего объективному восприятию темы мешает суждение: раз с понижением наружной температуры происходит уменьшение производительности НВТН, то использование их в России рационально только в южных регионах.

Справедливо абсолютно противоположное заключение. Этому наглядно подтверждает опубликованное в прошлом году в Норвегии исследование. В нем сравнивалась экономия, достигаемая теплоснабжением НВТН типа «воздух–воздух» в наиболее теплом и наиболее холодном населенных пункта Норвегии – Бергене (расчетная температура для которого составляет –10 °С, как в с. Псху, Абхазия) и Рёросе (–40 °С, как в Красноярске). В качестве испытуемого объекта рассматривался деревянный дом с отапливаемой площадью 115 м²и окнами площадью 12 м² с двойным остеклением.

Отопительный сезон в Норвегии начинается осенью, когда температура опускается ниже 11 °С, и длится до тех пор, пока весной она не станет выше 9 °С. Для простоты расчетов принимают, что отопительный сезон длится, пока температура воздуха ниже 10 °С.

Графики тепловых потерь рассматриваемого объекта для обоих регионов показаны на рис. 2. Кривые с указанием продолжительности температурных градаций, более детально характеризующие климат обоих регионов, изображены на рис. 3, а отопительные графики – на рис. 4.

Площадь окрашенной области под кривой отопительного графика соответствует количеству тепла, которое в состоянии поставить НВТН, неокрашенной – тепла, которое необходимо обеспечить дополнительным источником. Дополнительный источник тепла целесообразно привлекать с момента, когда НВТН перестает обеспечивать ощутимый вклад в теплоснабжение.

Для оценки эффективности теплоснабжения тепловым насосом существует параметр SPF (Seasonal Performance Factor) – сезонный коэффициент энергоэффективности или сезонный СОР, который представляет собой отношение общего количества тепла Q_tot , полученного за определенный период времени, к суммарным энергозатратам ΣP_w на выработку этого тепла:

SPF = Q_tot/ ΣP_{w .}

Экономия энергии ΔE_totвыразится следующим образом:

ΔE_tot= Q_tot(1 – 1/ SPF), кВт·ч.

Результаты расчетов для выбранных норвежских городов выглядят так, как показано в табл.

Таблица. Результаты расчетов эффективности теплоснабжения исследуемых объектов

Место расположения объекта	Берген	Рёрос
Средняя температура, °С	7,58	0,32
SPF	3,1	1,8
Энергопотребление, кВт∙ч	8820,72	17489,65
Вклад теплового насоса, кВт∙ч	7524,00	13740,00
Экономия энергии, кВт∙ч	5096,90	6106,67
Экономия энергии, %	100	119,8

Таким образом, оказалось, что в холодном регионе, даже при гораздо меньшем SPF, применение НВТН позволит сэкономить почти на 20 % больше энергии, чем в теплом, где менее продолжителен отопительный сезон, а значит, и период использования теплового насоса. То есть полностью реализовать преимущества НВТН удается именно в регионах с холодным климатом.

Сравнение с конкурентом

И, наконец, последний формальный аргумент, с которым приходится сталкиваться при обсуждении перспективы использования НВТН – это якобы их недостаточная эффективность для теплоснабжения в России по сравнению с грунтовыми тепловыми насосами (ГТН).

По данным маркетинговой группы «Текарт», объем российского рынка ГТН за период с 2004 по 2007 гг. увеличился с 46 до 627 шт. совокупной тепловой мощностью 15,65 МВт. В период кризиса выяснилось, что, несмотря на столь успешное начало, ГТН, в отличие от НВТН, не обладают абсолютным иммунитетом к стагнации.

Потенциальным потребителям хорошо известно о величине затрат на установку ГТН – по сведениям фирм, занимающихся их продажами и монтажом, реальным обладателем ГТН становится только один из нескольких десятков соискателей.

Данная статистика наглядно отображает потенциал спроса на тепловые насосы среди той части населения, которой при явном дефиците информации уже стали известны их преимущества.

Понятно, что в два–три раза меньшая стоимость НВТН могла бы привлечь гораздо больше клиентов, и это увеличило бы оборот российского рынка тепловых насосов, по меньшей мере, в несколько раз. С появлением современных НВТН доля ГТН в Швеции и Эстонии снизилась до 19, в Финляндии – до 12,5, в Норвегии – до 4 %, а из 2 млн тепловых насосов, ежегодно устанавливаемых в США, на грунтовые приходится чуть более 2 %.

Причина полного отсутствия интереса к НВТН в России – явное преувеличение энергетического превосходства ГТН. Конкретных исследований на этот счет у нас пока не проводилось, а суждение основывается на буквальном сравнении коэффициентов преобразования COP. Для предметной оценки объективности этого можно воспользоваться данными эксперимента WP-Effizienz, проводимого в настоящий момент в Германии под техническим руководством мюнхенского Института Фраунгофера по солнечным энергосистемам (Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme).

С марта 2007 г. силами восьми производителей – Alpha-InnoTec, Bosch Thermotechnik, Hautec, NIBE, Stiebel Eltron, Vaillant и Viessmann, двух сервисных компаний EnBW и E.ON и Министерства экономики и технологий Германии (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie) финансируются натурные испытания различных типов тепловых насосов. Они проводятся с целью выяснения реальной эффективности систем теплоснабжения с тепловыми насосами различных типов на более чем 100 объектах, практически равномерно расположенных по всей территории Германии.

Предметом исследований является скрупулезное определение значений коэффициента SPF, который в этом случае в общем виде выражается так:

SPF = (Q_от+Q_гвс)/(E_компр.+ Е_н/в+ E_эн,),

где Q_оти Q_гвс– количество тепла, полученного от теплового насоса для отопления и ГВС, E_компр.,Е_н/в, E_эн – расход энергии компрессором, насосами и вентиляторами контура испарителя, дополнительным электронагревателем, соответственно.

Значения SPF подсчитываются ежемесячно для каждого из исследуемых объектов. Завершить эксперимент и подвести окончательные итоги планируются летом 2010 года. Промежуточные результаты публикуются регулярно. В одном из последних отчетов приведены средние значения SPF, подсчитанные почти за три года испытаний для систем теплоснабжения с тепловыми насосами типа «воздух–вода» и «грунт–вода». Эти данные показаны на рис. 5.

Из графиков видно, что среднее за период испытаний значение сезонного коэффициента энергоэффективности для систем теплоснабжения с грунтовыми тепловыми насосами SPF_g= 3,8, а для систем с тепловыми насосами «воздух–вода» SPF_a= 3,0, что прекрасно согласуется с официальной статистикой. Экономия от эксплуатации таких систем выразится следующим образом:

Е = (1 – 1/SPF) · 100, %.

Для тепловых насосов «грунт–вода» он составит 73,68, а для аппаратов типа «воздух–вода» 66,67 %.

Разница невелика, что и следует учитывать при выборе типа теплового насоса, определении срока его окупаемости.

С определенной степенью достоверности результаты WP-Effizienz можно использовать в качестве ориентира и применительно к нашей стране (по крайней мере, для большей части ее европейской территории, где климат схож с германским).

Для особо холодных регионов России (Заполярье) в отношении НВТН можно ориентироваться на значение SPF = 1,8, полученное в описанном выше исследовании, а вот для грунтовых тепловых насосов, безусловно, требуются дальнейшие, более тщательные, уточнения.

Рис.1. Зависимость COP современных НВТН температуры:

а) НВТН «ординарного» европейского бренда AWI25AHL+AEI25AH китайской сборки;

минимальная наружная температура не заявлена;

б) НВТН «продвинутого» японского бренда MSZ-FD25VA+MUZ-FD25VABH таиландской

сборки; минимальная наружная температура –25 °C;

в) НВТН «воздух–вода», внешний блок AOYA24LALL (производство – Япония), гидромодуль

WSYA080DA с двумя дополнительными электронагревателями (Франция); минимальная наружная температура –20 °C

Рис. 2. Графики потребности испытуемого объекта в тепле