Константинов Дмитрий Станиславович
Аспирант, e-mail: konstantinov_dmitrii@rambler.ru
Сафонов Игорь Валерьевич
Магистр
Мохаммед Фаяз Хамим
Магистр
Князев Андрей Андреевич
Бакалавр
Выскребенцев Савелий Кириллович
Специалист
Холодильные системы (ХС) играют важную роль в современных технологиях хранения и транспортировки пищевых продуктов, медикаментов и других товаров, требующих контролируемого температурного режима. Их производство связано с высоким потреблением энергии и материалов, что приводит к значительным выбросам парниковых газов и негативному воздействию на окружающую среду. Внедрение технологий ресурсосбережения в данной отрасли способствует не только снижению экологической нагрузки, но и улучшению экономической эффективности предприятий за счет сокращения затрат на энергоресурсы и сырье.
Целью данного исследования является анализ систем повышения эффективности использования ресурсов в производстве холодильных систем. Исследование направлено на выявление наиболее перспективных технологий и методов, способствующих оптимизации производственных процессов, снижению энергопотребления и внедрению практик рециклинга и повторного использования материалов.
Холодильные системы как фактор эмиссии парниковых газов
Изменение климата является серьезной экологической проблемой современности. Основными драйверами глобального потепления являются антропогенные выбросы парниковых газов, такие как углекислый газ (CO2), метан (CH4) и оксиды азота (NOx), которые накапливаются в атмосфере и усиливают парниковый эффект. По данным Всемирной метеорологической организации, 2023 год стал самым теплым за всю историю наблюдений, а средняя глобальная температура на 1,45 °C превысила доиндустриальный базовый уровень (рис.1).
Рисунок 1. Динамика мирового глобального потепления, °C [1]
Согласно последним исследованиям Международного института холода, на холодильные системы, включая кондиционирование воздуха и тепловые насосы, приходится около 7,8% глобальных выбросов парниковых газов [2]. Из них 37% составляют прямые выбросы фторсодержащих газов (CFCs, HCFCs и HFCs), а 63% – косвенные выбросы, связанные с производством и транспортировкой энергии.
Фторсодержащие газы оказывают на глобальное потепление большее воздействие, чем CO2. Европейский Союз принял Регламент по сжиженным газам, целью которого является сокращение потребления газообразных хладагентов к 2030 году. В результате поставки гидрофторуглеродов (HFCs) на рынок сократились на 47% в период с 2015 по 2019 год, а выбросы уменьшились на 20% в период с 2014 по 2020 год [3].
В России установлен план на снижение потребления гидрофторуглеродов к 2036 году на 85%. Ежегодный объем ввоза, производства и использования в промышленности должен не превышать с 2024 года – 31,6 млн тонн, с 2029 года – 14,6 млн тонн, с 2034 года – 9,7 млн тонн, с 2036 года – 7,3 млн тонн [4].
Для смягчения воздействия холодильных систем на изменение климата необходимо внедрение более экологичных хладагентов и повышение энергоэффективности оборудования.
Теоретические основы эффективного использования ресурсов
По прогнозам, к 2032 году мировой рынок промышленных холодильных систем достигнет 31,62 млрд долларов США (рис.2).
Рисунок 2. Прогноз роста мирового рынка ХС, млрд долларов [5]
Ресурсы в производстве холодильных систем можно классифицировать на два основных типа:
- Материально-технические: сырье, полуфабрикаты и комплектующие, используемые в процессе производства холодильного оборудования, энергия, необходимая для функционирования производственных процессов.
- Трудовые: инженерный, технический и обслуживающий персонал, участвующий в разработке, производстве и обслуживании холодильных систем.
Мировой опыт показывает, что эффективное использование ресурсов в производстве холодильных систем может значительно снизить негативное воздействие на окружающую среду и повысить экономическую эффективность предприятий.
В ряде стран успешно внедряются различные стратегии и подходы к ресурсосбережению. В России в 2023 году была утверждена Климатическая доктрина, которая определяет необходимость технического переоснащения предприятий, замену устаревшего оборудования, внедрение технологий, способствующих энергоэффективному потреблению [6].
В Европе особое внимание уделяется энергоэффективности и использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В 2023 году Европейский Союз утвердил новую директиву по энергоэффективности, которая ставит цель снизить потребление энергии на 11,7% к 2030 году по сравнению с прогнозами на 2020 год [7]. В рамках этого положения вводятся обязательства по ежегодной экономии энергии в размере 1,49% с 2024 по 2030 год, что почти в два раза превышает предыдущие требования в 0,8% за период с 2021 по 2023 годы. В результате этих мер многие европейские производители холодильного оборудования внедряют высокоэффективные технологии и системы управления энергопотреблением.
В США программа Energy Star выдает сертификаты для энергоэффективных моделей холодильников. Выбор покупателями товара с более низким потенциалом глобального потепления (ПГП) хладагента означает, что устройство будет оказывать меньшее воздействие на климат в случае выброса вредных веществ в окружающую среду. По оценкам экспертов, в среднем обычные холодильники потребляет на 35% больше энергии, чем модели, получившие сертификат Energy Star [8].
Успешное внедрение стратегий ресурсосбережения требует комплексного подхода, включающего оптимизацию производственных процессов, внедрение инновационных технологий и систем управления, а также развитие программ поддержки и стимулирования со стороны государства [9]. Это позволяет значительно повысить эффективность использования ресурсов и минимизировать негативное воздействие на окружающую среду.
Стратегии повышения эффективности использования ресурсов
В холодильной промышленности применяются различные стратегии для улучшения ресурсосбережения. Они включают внедрение энергоэффективных технологий, оптимизацию производственных процессов, использование вторичных ресурсов и рециклинг, а также автоматизацию и цифровизацию производства, разработку новых материалов и использование ВИЭ Каждая из этих стратегий направлена на сокращение потребления энергии и материалов, уменьшение отходов и повышение общей производительности [10].
Энергоэффективные технологии являются основным инструментом для снижения энергопотребления и повышения общей эффективности производства. Так внедрение компрессоров с переменной скоростью позволяет автоматически регулировать работу в зависимости от текущих потребностей. Использование современных теплоизоляционных материалов помогает уменьшить потери тепла и повышают общую эффективность системы.
Российская компания «НСК» выпускает средне- и низкотемпературные системы холодоснабжения с винтовыми компрессорами серий FUSHENG, холодильный коэффициент которых до 30% выше по сравнению с поршневыми или одноступенчатыми винтовыми компрессорами. Такие устройства имеют меньшую материалоемкость, энергопотребление и требуют незначительных производственных площадей для их размещения [11].
В США компания Whirlpool Corporation за 2022-2023 гг. инвестировала более 50 млн долларов в обновление производственных линий с целью повышения энергоэффективности. В результате, потребление энергии на предприятии в штате Огайо снизилось на 20%, а общее сокращение объема выбросов парниковых газов составило 25 % [12].
Эффективный метод повышения эффективности использования ресурсов представляет применение испарительного охлаждения в холодильных системах. Основной принцип этой технологии заключается в том, что испарение жидкости поглощает значительно больше тепла, чем необходимо для повышения ее температуры на несколько градусов. Это приводит к снижению температуры воздуха при минимальных затратах энергии. Системы испарительного охлаждения могут потреблять в четыре раза меньше энергии по сравнению с традиционными устройствами с аналогичной охлаждающей мощностью, а в жарком и сухом климате этот показатель может быть до 10 раз ниже.
Использование испарительного охлаждения в регионах с жарким и сухим климатом позволяет снизить эксплуатационные расходы в 20 раз по сравнению с обычными системами компрессионного охлаждения. Дополнительным преимуществом является то, что такая технология может использоваться в сочетании с традиционными методами для предварительного охлаждения, что снижает потребление энергии и улучшает общую производительность систем.
Оптимизация производственных процессоввключает в себя методы бережливого управления, систему «Шесть сигм» и другие подходы, направленные на улучшение эффективности компаний и устройств. Метод бережливого управления направлен на устранение всех видов потерь, например, избыточных запасов, что позволяет существенно повысить общую производительность. Например, внедрение принципов «точно вовремя» (Just-in-Time) позволяет минимизировать запасы и ускорить производственный процесс. Система «Шесть сигм» (Six Sigma) направлена на улучшение качества продукции путем снижения вариативности процессов и устранения дефектов. Этот подход использует статистические методы для анализа и улучшения производственных процессов, что позволяет добиться высокого уровня качества. Внедрение таких механизмов может привести к значительному снижению количества ошибок, что, в свою очередь, уменьшает затраты на их исправление и повышает удовлетворенность клиентов.
В оптимизации производственных процессов применимы системы автоматизированного управления производством MES (Manufacturing Execution System). MES-системы обеспечивают непрерывный мониторинг и контроль всех этапов производства в режиме реального времени. Они интегрируют данные от оборудования, рабочих станций и корпоративных информационных систем, что позволяет своевременно выявлять и устранять проблемы. Благодаря этому компании могут быстро реагировать на изменения и минимизировать простои.
Использование MES-систем способствует повышению гибкости и адаптивности производственных процессов, что имеет значение в условиях меняющегося спроса и высокой конкуренции на рынке. В США компания General Electric Appliances внедрила методы бережного управления, что позволило снизить время на выполнение производственных операций. В рамках усилий по переходу на хладагенты и пенопласты с более низким ПГП, в 100% оконных кондиционеров и осушителей воздуха компании стал использоваться фреон R-32 вместо R-410-a. Было прекращено производство донных морозильных камер Monogram, которые содержали R-134a, и запущено производство новой встроенной донной морозильной камеры с использованием R-600a, хладагента с более низким ПГП [13].
Использование вторичных ресурсов и рециклингявляется важным направлением устойчивого развития.В России компания по производству холодильников «Бирюса» в отчете за 2023 год обозначила уменьшение количества отходов, подлежащих захоронению, за счет использования повторной переработки как одно из ключевых мероприятий по сокращению негативного воздействия на окружающую среду [14].
В США LG Electronics за последние два года переработала более 94,5% производственных отходов, что позволило значительно снизить воздействие на окружающую среду и улучшить экологические показатели. Компания поставила цель увеличить использование переработанной пластмассы до 600 тыс. тонн к 2030 году [15].
Автоматизация и цифровизация производствавключает использование систем промышленного интернета вещей (IoT), искусственного интеллекта (ИИ) и других цифровых технологий. Применение IoT и ИИ позволяет сократить время простоя оборудования за счет предиктивной диагностики неисправностей, а также минимизировать энергопотребление и максимально повысить качество продукции или комфорт для пользователей. Например, системы, оснащенные IoT-сенсорами, могут в реальном времени собирать данные о температуре, давлении и других рабочих параметрах, которые затем анализируются ИИ-алгоритмами для оптимизации работы оборудования и предотвращения потенциальных неисправностей.
В сфере производства холодильных систем ведется разработка новых материалов, которые могут существенно повысить эффективность и экологическую безопасность оборудования. Суспензии наночастиц в традиционных теплоносителях, демонстрируют значительное улучшение теплопередачи. Они могут увеличить коэффициент теплопередачи, что способствует снижению энергозатрат и повышению общей эффективности. Например, добавление углеродных нанотрубок в хладагенты позволяет улучшить их термические свойства и снизить энергопотребление.
Перспективными для применения в холодильных системах может стать применение магнитокалорических материалов, которые изменяют свою температуру под воздействием магнитного поля. Они позволяют создавать системы охлаждения, которые не требуют использования традиционных хладагентов, что снижает их воздействие на окружающую среду. Современные разработки включают использование гадолиния и его сплавов, которые обладают высоким магнитокалорическим эффектом и могут быть использованы для создания эффективных и экологически чистых систем охлаждения.
Ионокалорические технологии, основанные на фазовых переходах в ионных материалах, позволяют достигать высокой эффективности за счет управления теплопередачей на уровне молекул и ионов. Ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли представили новую ионокалорическую систему охлаждения, которая использует фазовый переход из твердого состояния в жидкое для эффективного отвода тепла. Эта технология позволяет сократить энергопотребление до 30% по сравнению с традиционными методами.
В современных условиях глобальных экологических вызовов особое внимание уделяется использованию ВИЭ в различных отраслях промышленности, включая производство холодильных систем. Применение ВИЭ не только способствует снижению углеродного следа, но и повышает общую энергетическую эффективность производственных процессов, обеспечивая устойчивое развитие [16].
Солнечная энергия является одним из наиболее перспективных ВИЭ, который может быть эффективно использован в производстве холодильных установок. Солнечные панели могут быть установлены на крышах производственных зданий для обеспечения электроэнергией различных этапов производства. Это позволяет значительно снизить зависимость от традиционных источников энергии и уменьшить эксплуатационные расходы. Примером успешного применения солнечной энергии в холодильной промышленности является проект датской компании Danfoss по установке солнечных панелей на заводе, что позволило сократить потребление электроэнергии из сети. По прогнозам компании, внедрение ВИЭ в 2023 году позволит сократить выбросы CO2 на 28 000 тонн ежегодно [17].
Геотермальная энергия используется для обеспечения стабильного и эффективного теплообмена в производственных процессах, охлаждения и обогрева помещений, а также поддержания оптимальных температурных режимов для производственного оборудования. Использование биомассы в качестве ВИЭ также находит применение в производстве холодильных систем. Биомасса может быть использована для производства биогаза, который затем используется для генерации тепла и электроэнергии. Это позволит не только эффективно утилизировать отходы, но и сократить потребление ископаемого топлива [18].
Внедрение стратегий повышения эффективности использования ресурсов в производстве холодильных установок является ключевым направлением для снижения энергопотребления и минимизации экологического воздействия. Комплексное применение различных направлений способствует обеспечению соответствия целям устойчивого развития и современным экологическим стандартам.
Особенности внедрения стратегий
Для успешного перехода к более эффективным и экологически безопасным производственным процессам необходимо оценивать риски возникновения технологических, экономических, социальных, организационных, регуляторных и правовых барьеров (таблица 1).
Таблица 1. Основные барьеры и пути их преодоления при внедрении стратегий повышения эффективности использования ресурсов в производстве ХС [19]
Тип барьера | Описание | Пути преодоления |
Технологические | Необходимость модернизации существующих производственных линий и оборудования, сложности интеграции новых технологий с существующими системами | Инвестиции в НИОКР, сотрудничество с технологическими партнерами, обучение и повышение квалификации персонала |
Экономические | Высокие первоначальные затраты на внедрение энергоэффективных технологий, недостаточные финансовые стимулы и государственная поддержка | Создание государственных программ поддержки и субсидий, разработка финансовых инструментов для привлечения инвестиций, внедрение механизмов льготного кредитования |
Социальные и организационные | Сопротивление изменениям со стороны сотрудников и менеджеров, недостаток осведомленности о преимуществах новых технологий | Проведение информационных кампаний, обучение и тренинги для персонала, развитие культуры инноваций в компании |
Регуляторные и правовые | Несоответствие национальных стандартов и регуляторных требований, необходимость соблюдения международных соглашений и обязательств по снижению выбросов | Гармонизация национальных стандартов с международными, участие в разработке международных соглашений, адаптация нормативной базы к новым требованиям |
Успешное внедрение стратегий повышения эффективности использования ресурсов в производстве холодильных систем требует не только технологических и экономических преобразований, но и значительных усилий по изменению организационной культуры и нормативно-правовой среды. Комплексный подход, включающий координированные действия на всех уровнях – от систем управления и обучения сотрудников до регуляторных норм и стандартов – является необходимым условием для достижения устойчивого и долгосрочного успеха. Систематическое устранение барьеров и создание благоприятных условий для инноваций способствуют не только повышению эффективности и снижению затрат, но и улучшению экологических показателей, что важно в условиях глобальных климатических вызовов.
Выводы
Стратегии повышения эффективности использования ресурсов в производстве холодильных установок включают внедрение энергоэффективных технологий, оптимизацию производственных процессов, использование вторичных ресурсов и рециклинг, а также автоматизацию и цифровизацию производства, внедрение новых материалов и использование ВИЭ. Эти методы способствуют значительному снижению потребления энергии и материалов, уменьшению отходов и улучшению общей производительности. Примеры успешного внедрения, такие как модернизация компрессоров и использование ВИЭ, демонстрируют значительные экономические и экологические преимущества, включая снижение затрат на энергию, уменьшение выбросов парниковых газов и повышение конкурентоспособности продукции. Внедрение передовых систем управления, таких как MES и IoT, позволяет более эффективно контролировать и оптимизировать производственные процессы в режиме реального времени, что дополнительно повышает устойчивость и эффективность производства.