Теплові насоси типу повітря-вода: ринковий аналіз

ЯПОНІЯ: Глобальний консенсус визнає теплові насоси, особливо системи типу повітря-вода, ключовими для декарбонізації, і ця технологія знаходить політичну підтримку в сенсі скорочення викидів вуглецю. Однак темпи впровадження теплових насосів значно відрізняються через регіональні відмінності в кліматі, економічному розвитку, енергетичній інфраструктурі та політичній підтримці. Політичні відмінності та відмінності в енергетичній стабільності також сприяють нерівномірним темпам ринкового проникнення, включаючи такі регіони, як Європа, де політика субсидування в різних країнах суттєво розбігається.

Чому теплові насоси типу повітря-вода?

Теплові насоси типу повітря-вода виділяються, особливо порівняно з геотермальними системами, завдяки їх нижчій початковій вартості та привабливим економічним стимулам. Це призвело до їх широкого впровадження в багатьох сферах застосування, включаючи житлове, комерційне, промислове та централізоване теплопостачання.

В Європі теплові насоси типу повітря-вода прокладають шлях до декарбонізації. Незважаючи на виклики, що виникають через глобальну політичну та економічну невизначеність, цей шлях підкріплений науково-технічним прогресом, що обумовлює більш екологічне та безпечне майбутнє.

Японська інноваційна технологія теплових насосів з повітряним джерелом тепла стала свідком двох десятиліть потужного зростання, зумовленого провідними вітчизняними брендами. Яскравим прикладом є водонагрівач на базі теплового насосу Eco Cute – сучасна технологія підготовки гарячої води для побутових потреб (ГВП). Наразі, на третьому десятилітті свого існування, Eco Cute перетворилася на надійне та ефективне рішення, демонструючи високу продуктивність.

У Китаї північні регіони пережили бум екологічно чистих систем опалення та комерційного гарячого водопостачання, головним чином у відповідь на ініціативу Перетворення Вугілля на Електроенергію Coal-to-Electricity. Відданість Австралії екологічній відповідальності робить впровадження технології теплових насосів природним прогресом. Очікується, що майбутня політика декарбонізації стане каталізатором зростання ринку в цій країні, а також у Сполучених Штатах, тоді як водонагрівач на базі теплового насосу готові до подальшого розвитку в обох регіонах.

Типи теплових насосів типу повітря-вода

У цьому матеріалі видання JARN характеризує тепловий насос як електричну систему на водній основі, що в основному використовується для опалення приміщень та/або підготовки гарячої води для санітарно-побутових потреб. Крім того, деякі моделі можуть пропонувати опцію пасивного охолодження, якщо вони обладнані як реверсивні системи.

Моноблочні, спліт-системи та рішення з циліндричним водяним баком

Зовнішні блоки теплових насосів типу повітря-вода випускаються у двох основних конфігураціях: моноблочні та спліт-системи.

Моноблочні системи більші та містять усі основні компоненти, такі як компресор, конденсатор, випарник, клапани та розширювальний бак, в одному зовнішньому блоці. Ці системи легко встановлюються та не потребують трубопроводів для холодоагенту. Деякі моделі мають окремий гідроблок, в інших гідроблок інтегрований безпосередньо в зовнішній блок. Моноблочна конструкція широко застосовується в таких країнах, як Німеччина та Велика Британія.

Спліт-системи, з іншого боку, є більш компактними, але вимагають встановлення трубопроводів для холодоагенту, що часто вимагає кваліфікованих монтажників кондиціонерів. Гідроблок або гідравлічний модуль спліт-системи встановлюється всередині приміщення та включає конденсатор, клапани, насоси та розширювальний бак.

Перевага моноблочних та спліт-систем варіюється від регіону до регіону та залежить від місцевих практик опалення та кліматичних умов. У холодніших регіонах ризик замерзання водопровідних труб вважається проблемою для моноблоків, встановлених зовні, незважаючи на можливість працювати за температури нижче нуля завдяки їх конструкції. І навпаки, спліт-системи є кращими через меншу площу зовнішнього розташування.

Тенденції дизайну змістилися в бік переваги більш компактних зовнішніх блоків, причому спліт-системи є лідерами в енергоефективності порівняно з їх моноблочними аналогами.

Спеціалізовані системи ГВП на базі теплового насосу типу повітря-вода з інтегрованим циліндричним водяним баком оптимізовані виключно для підготовки побутової гарячої води. Зазвичай вони працюють з потужністю менше 3 кВт та використовують холодоагент R134a. Ці системи можна доповнити сонячними тепловими фотоелектричними панелями для підвищення енергоефективності.

Гібридні системи

Гібридні системи теплових насосів поєднують тепловий насос з газовим/мазутним бойлером або фотоелектричною системою, працюючи як тепловий насос, коли температура вище 5-6ºC, і перемикаючись на газову систему, коли температура знижується. Ця універсальна технологія є ключовою у переході до низьковуглецевого майбутнього. Через такі фактори, як місцеві погодні умови, ціни на енергоносії та витрати на викопне паливо, приблизно дві третини Європи наразі використовують гібридні рішення. Водночас теплові насоси типу повітря-вода більше підходять для застосовування в інших регіонах.

Привабливість гібридних систем зростає, особливо на ринку охороні здоров’я та в інших секторах, що прагнуть диверсифікувати свої джерела енергії. Інтерес серед кінцевих користувачів можна ще більше підвищити за рахунок зниження цін на нафту та газ.

Гібридні системи пропонують універсальні варіанти енергопостачання замість покладання на одне джерело енергії. Визнаючи їх потенціал, майже всі великі виробники інвестують у розробку гібридних систем. Їх зростаюча популярність очевидна на виставках по всій Європі, де кількість представлених гібридних систем неухильно зростає.

В контексті нестабільної політики субсидування в різних країнах, гібридні системи теплових насосів мають вищу комерційну привабливість.

Реверсивні моделі

У теплішому кліматі Південної Європи, де охолодження є необхідним майже цілий рік, інтегровані теплові насоси типу повітря-вода мають всі шанси на успіх на ринку, тоді як реверсивні моделі теплових насосів типу повітря-вода набирають обертів. Підчас спекотного літа реверсивні системи з циліндричним водяним баком можуть генерувати охолоджену воду для охолодження та гарячу воду для санітарних потреб, водночас забезпечуючи опалення в холодну погоду. Ці інноваційні та складні системи були впроваджені в численні нові елітні житлові комплекси, що сприяло згодом їх помітній присутності на ринку.

Такі країни, як Італія та Іспанія, з високим попитом на кондиціонери повітря, вітають теплові насоси типу повітря-вода, оснащені функціями рекуперації тепла. Натомість у країнах, де побутові кондиціонери повітря менш поширені, як то Німеччина та Велика Британія, ці системи не отримали значного попиту на ринку.

Теплові насоси для внутрішніх приміщень

Різні виробники представили універсальні (все в одному) внутрішні блоки, призначені для охолодження, опалення та підготовки побутової гарячої води. Їх компактна конструкція спрощує монтаж, заощаджуючи час і простір, а також оптимізує обслуговування.

У деяких інтегрованих системах гідроблоки та пов’язані з ними баки встановлюються всередині приміщень, наприклад, на кухнях, де вони гармонійно доповнюють інтер’єр.

Деякі теплові насоси типу повітря-вода можуть керувати температурами декількох теплоносіїв, що дозволяє системі одночасно задовольняти різні потреби в опаленні в окремих системах. Крім того, ці моделі пропонують двозонне керування охолодженням. У регіонах з суворими зимами радіатори, що використовують променеве тепло, можуть забезпечити значне тепло без необхідності використання основного вентилятора. Мікровентилятори, що споживають мінімум енергії та працюють тихо, забезпечують стабільну та комфортну температуру із зниженою циркуляцією повітря.

Теплові насоси в багатоквартирних будинках

Теплові насоси стали провідною технологією для стандартних нових односімейних будинків у багатьох країнах, зокрема в Європі. Однак водночас відбувається також розповсюдження теплових насосів на багатоквартирні будинки, оскільки міська міграція призводить до високої щільності проживання.

Типові європейські багатоквартирні будинки складаються з трьох або більше житлових одиниць на одній ділянці, що вміщують приблизно вісім-дев’ять осіб. Впровадження теплових насосів у таких багатоквартирних будинках пропонує значну, але невикористану можливість для масової декарбонізації в секторі міського будівництва, особливо в опаленні. Тим не менш, встановлення зовнішніх блоків у таких умовах продовжує створювати труднощі.

Розширення застосувань

Технологія теплових насосів типу повітря-вода швидко рухається до диверсифікації та систематизації. Дизайн продукції стає все більш різноманітним. На додаток до традиційних спліт-систем та інтегрованих типів, на ринок поступово виходять нові конструкції, включаючи паралельні системи та рішення з водяним контуром, з метою задоволення вимог різних типів будівель та різного використання.

Водночас, застосування теплових насосів типу повітря-вода розширюється починаючи від опалення житлових приміщень та гарячого водопостачання до обігріву басейнів, комерційних водонагрівачів для квартир, спліт-систем з водяним контуром та інших проектів. Це розширення сприяє постійним інноваціям у сфері енергоефективності продукції, систем керування та методів інсталяції.

Більше того, у деяких європейських країнах відпрацьовуються рішення, що інтегрують фотоелектричні панелі, засоби накопичення енергії та теплові насоси, тоді як рівень енергетичної самодостатності та експлуатаційну ефективність будівель можна покращити за допомогою інтегрованих систем фотоелектричного накопичення та опалення. Ця тенденція вказує на те, що теплові насоси типу повітря-вода еволюціонують від окремих або індивідуальних систем до інтелектуальних та низьковуглецевих інтегрованих енергетичних рішень, які відіграватимуть дедалі важливішу роль у глобальній енергетичній трансформації.

Нагрівання води

В Японії теплові насоси широко використовуються не лише в сегменті ГВП, але й відіграють вирішальну роль у сфері послуг, таких як готелі та ресторації. Використання теплових насосів стало однією з глобальних моделей практики декарбонізації.

У Китаї найперша популяризація теплових насосів типу повітря-вода почалася в комерційному гарячому водопостачання, особливо в регіоні дельти річки Yangtze, найбільш економічно динамічному та впливовому регіоні Китаю. Потім технологія швидко поширилася на південь Китаю. Цей процес поширення теплових насосів наочно демонструє значний внесок цієї технології у скорочення викидів CO2.

Навіть у Сполучених Штатах попит на комерційне гаряче водопостачання продовжує зростати. На кліматичних виставках, таких як AHR Expo, багато виробників демонструють свої новітні теплові насоси. Особливо в штатах з позитивною політикою охорони навколишнього середовища, державні та місцеві органи влади активно просувають цю продукцію.

У більшості регіонів Європи зими вельми холодні, що робить опалення будинків необхідним. Однак велика кількість гарячої води, як правило, не потрібна, оскільки основне використання – саме для душу. Таким чином, європейський ринок теплових насосів типу повітря-вода складається переважно з систем лише для опалення приміщень, але також включає моделі, що забезпечують як опалення, так і гаряче водопостачання. Крім того, попит на продукцію, що пропонує лише гаряче водопостачання, зростає в таких країнах, як Франція та Німеччина.

Раніше опалювальні системи теплої підлоги були дуже популярними в Європі, але деякі замовники також обирали радіатори опалення. У цих випадках теплові насоси типу повітря-вода підключаються до внутрішніх блоків, а також радіаторів, однак продажі таких систем досить низькі порівняно з підлоговим опаленням.

Комерційні системи гарячого водопостачання

По всій Європі використання теплових насосів типу повітря-вода у комерційних системах гарячого водопостачання зростає, незважаючи на різну динаміку ринку.

Встановлено багато високопродуктивних теплових насосів типу повітря-вода, які слугують екологічно чистою заміною традиційним електричним водонагрівачам та бойлерам на мазуті. Ці системи стають все більш поширеними в комерційних приміщеннях середнього розміру, включаючи житлові комплекси, готелі та медичні заклади. Зокрема, теплові насоси типу повітря-вода, що забезпечують подачу теплоносія високої температури, набувають популярності в таких закладах, як ресторації, салони краси та фітнес-центри, що сприяє постійному зростанню їх частки на ринку. Хоча більшість комерційних теплових насосів типу повітря-вода використовують холодоагент R410A або R32, ринок водонагрівачів на базі теплового насосу Eco Cute, що використовують CO2 для виробництва води високої температури, також розширюється. У відповідь виробники почали виводити на ринок малопродуктивні системи Eco Cute, причому відтепер доступні як варіанти з повітряним джерелом тепла, так і геотермальні рішення.

Водонагрівачі Eco Cute на CO2

У комерційному секторі нагрівання води є критично важливою операцією. Нормативна база щодо європейських холодоагентів вимагає поступової відмови від певних робочих сумішей, що створює стратегічну можливість для виробників отримати конкурентну перевагу, впроваджуючи продукцію на основі CO2 раніше за інші альтернативи.

Перша модель Eco Cute в Японії

Японські виробники стали піонерами у розробці водонагрівачів Eco Cute, що використовують холодоагент CO2 спеціально для морозного клімату Північної Європи. Спочатку моделі Eco Cute низької потужності повільно освоювалися на європейському ринку завдяки таким факторам, як сумісність з якістю води.

Хоча потреба в трубопроводах високого тиску для холодоагенту CO2 призводить до збільшення початкових витрат, чудові екологічні переваги та здатність системи генерувати гарячу воду високої температури виявляються вигідними. Ця технологія має значний потенціал для розширення на житловому та ширшому комерційному ринках.

Регіональні характеристики

Системи опалення на основі гарячої води є основою європейських опалювальних традицій, причому кожний регіон має свої особливості щодо теплових насосів через різні кліматичні умови та звичаї.

Для задоволення цього розмаїття, виробники розширюють асортимент своєї продукції. Європейський ринок сегментований на три кліматичні зони: теплу, холодну та надзвичайно холодну.

У теплих зонах Італії та Іспанії спостерігається високий попит на реверсивні теплові насоси, здатні опалювати та охолоджувати повітря, що робить ці країни центральними на європейському ринку кондиціювання повітря. У цих країнах з’явилася перевага тепловим насосам типу повітря-вода виконання спліт, продажі яких здійснюються переважно через канали кондиціювання повітря.

Натомість у холодніших регіонах, таких як Австрія та Німеччина, кондиціювання повітря традиційно не було необхідністю, але нещодавні кліматичні зміни почали стимулювати розширення ринку. У цих регіонах естетичний вплив зовнішніх блоків на міський ландшафт є ключовим фактором, і преміальна продукція користується великим попитом.

Нарешті, скандинавські країни з їх суворими зимами потребують надійних опалювальних рішень. Теплові насоси типу повітря-вода у цих регіонах повинні надійно працювати в надзвичайно холодних умовах, водночас враховуючи естетичні міркування.

Різноманітність Європи також поширюється на мови, оскільки тут розмовляють понад 50 мовами, а 24 офіційно визнані в Європейській Унії. Отже, контролери теплових насосів мають забезпечувати багатомовні дисплеї та інструкції. Виробники, що базуються за межами Європи, часто покладаються на свої європейські філії для надання багатомовних послуг.

Теплові насоси типу повітря-вода для холодного клімату

Історично продажі теплових насосів типу повітря-вода були відносно обмеженими в холоднішому кліматі. До факторів, що сприяли цьому, належали конкуренція збоку альтернативних систем опалення та зниження продуктивності теплових насосів в надзвичайно холодних умовах. Однак, досягнення в технології теплових насосів типу повітря-вода відтепер пропонують покращену функціональність за нижчих температур, що відкриває шлях для ширшого впровадження в регіонах, що традиційно залежали від викопного палива для опалення.

Виробники розробили теплові насоси типу повітря-вода, здатні забезпечувати надійне опалення та виробництво гарячої води навіть підчас суворих зим. Ці системи підтримують стабільну ефективність за температур до –15ºC та залишаються працездатними до –28ºC.

Нижчі потужності в житловому застосуванні

З огляду на те, що Європейська Унія зосереджується на комплексній ефективності будівель через Директиву про Енергетичну Ефективність Будівель EPBD та пов’язані з нею норми, нове будівництво в Європі все частіше включає покращену ізоляцію. Покращена ізоляція означає, що теплові насоси типу повітря-вода нижчої потужності, які нагрівають воду за знижених температур, можуть адекватно забезпечувати теплом сучасні радіатори та системи теплої підлоги. Наприклад, будинок, для якого зазвичай потрібна модель теплового насоса типу повітря-вода потужністю 16 кВт, відтепер може задовільнитися моделлю 8 кВт, за умови, що будинок має високоефективну ізоляцію. У відповідь на цю тенденцію виробники скорочують свої пропозиції, включивши моделі потужністю приблизно 5 кВт.

Цей перехід до моделей нижчої потужності має на меті оптимізувати масове виробництво та знизити витрати. В результаті, середня ціна за одиницю може знизитися, що зробить теплові насоси типу повітря-вода більш доступними. Нижчі ціни, ймовірно, стимулюватимуть подальший інтерес та попит на ринку на ці енергоефективні опалювальні рішення.

Зниження робочого шуму

Європейська Комісія вважає шумове забруднення серйозною проблемою для здоров’я, що спонукає до введення суворих норм щодо шуму на всьому континенті. У відповідь виробники впроваджують інновації для створення тихіших зовнішніх блоків.

Австрія, Німеччина, Швейцарія та деякі інші європейські країни застосовують суворі стандарти контролю робочого шуму для зовнішніх блоків, причому Німеччина впроваджує найсуворіші правила. Ці країни також розглядають можливість ще жорсткішого контролю. У холодному кліматі робота зовнішніх блоків теплових насосів типу повітря-вода може бути особливо шумною, що створює проблеми для розробки продукції: наприклад, обладнання, що розроблено для французького ринку, може не відповідати суворішим німецьким стандартам.

В результаті, сертифікований низький рівень шуму може забезпечити тихим моделям теплових насосів типу повітря-вода конкурентну перевагу. Виробники зосереджені на підвищенні ефективності компресора та модернізації конструкцій вентиляторів для досягнення нижчого рівня робочого шуму від зовнішніх блоків.

Інтелектуальні теплові насоси типу повітря-вода

Декілька виробників вдосконалюють свої теплові насоси типу повітря-вода за допомогою сервісів Smart Cloud, що дозволяє користувачам дистанційно керувати системами опалення та гарячого водопостачання, включаючи моніторинг споживання енергії. Через хмарний портал користувачі можуть керувати своїми блоками з будь-якого місця. Ці портали пропонують переваги, включаючи енергозбереження, підвищений комфорт, віддалений доступ, підвищену ефективність та покращене управління ресурсами.

Теплові насоси типу повітря-вода, інтегровані з інтелектуальними мережевими контролерами, додають гнучкості реагуванню на попит на електроенергію та встановлюють стандартизований інтерфейс для включення теплових насосів до інтелектуальної мережі. Ці теплові насоси типу повітря-вода можуть адаптувати свою роботу на основі сигналів, які отримує контролер, оптимізуючи таким чином використання енергії в режимі реального часу.

Проблеми з холодоагентом

Хоча холодоагент R32 широко використовується в теплових насосах типу повітря-вода по всій Європі, впровадження робочої рідини R290 також зростає, особливо в Німеччині. Завдяки своєму високому профілю безпеки, R290 все частіше застосовується в моноблочних системах, про що свідчать виставки; однак брак належним чином навчених монтажників уповільнив зростання їх частки на ринку. Наразі, за експертними оцінками, теплові насоси типу повітря-вода на R290 становлять близько 10% європейського ринку. Тим часом холодоагенти з низьким показником Потенціалу Глобального Потепління GWP, такі як R454C, привертають увагу як перехідні варіанти, пропонуючи баланс між дотриманням екологічного законодавства та вимогами безпеки.