ヒートポンプ
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ヒートポンプ（英: heat pump）は、外部から電気・熱などの駆動エネルギーを与えて、低い温度の部分から温度の高い部分へ熱を移動させる装置。
理論上は逆カルノーサイクルが最高効率である。19世紀後半より、熱力学の理論としては確立されていた。
冷却にも加熱にも同じ原理が使える。熱の移送の方向を逆にして同じ装置を加熱にも冷却にも使ったり（エアコンなど）、冷温熱同時取り出し（給湯製氷機など）も可能である。
冷却（冷房・冷蔵・冷凍・製氷）には実用的な代替手段が乏しいため、ほぼ全ての分野でヒートポンプが使われている。加熱（暖房・給湯）の場合、発熱現象そのもの（燃焼など）を利用する従来の方法に徐々に取って代わりつつある。大気・水（地下水・河川・下水道）・排熱から、投入エネルギー（電気が多いがその他の動力・熱のものもある）の3～6倍の熱を回収し省エネルギーを可能とする。
すなわちヒートポンプの特徴は2点あり、ひとつは1世紀以上も歴史がある熱移動による冷却技術と、もうひとつは1970年代後半に実用化された熱回収によって加熱を行う省エネルギー技術である。
目次 |
[編集] 原理
1:凝縮器、2:膨張弁、3:蒸発器、4:圧縮機
赤が高温、青が低温。
広く普及しているヒートポンプは、冷媒または熱媒（本質的に同じもので、加熱に使うか冷却に使うかで呼び名が変わる）に起こる、可逆な発熱現象と吸熱現象の組を利用する。たとえば冷房では、冷媒に室内と室外を往復させ、室内で吸熱現象、室外で発熱現象を起こさせる。冷媒・熱媒の移送には、実際は流体を連続的に循環させることが多い。
ただし、これらとは根本的に動作原理の異なるヒートポンプもある。
[編集] 種類
- 冷媒・熱媒に起こる発熱・吸熱現象を利用するもの
- 蒸気圧縮ヒートポンプ（気体液化ヒートポンプ） - 気化熱と液化熱を利用する。
- スターリングヒートポンプ - スターリングエンジン（温度差からエネルギーを得る）の逆現象
- 化学ヒートポンプ（ケミカルヒートポンプ） - 互いに可逆な発熱反応と吸熱反応を利用する。
- その他の発熱・吸熱現象を利用するもの
- 磁気冷却 - 磁気熱量効果を利用する。
- 熱音響冷却 - 熱音響現象（熱と音波の相互変換）を利用する。
- 温度差を直接生み出すもの
ペルティエ素子は、エネルギーを費やして熱を移送するヒートポンプではあるが、通常のヒートポンプとは大きく動作原理が異なり、冷媒・熱媒を循環等させるポンプや相当する駆動部品もない。そのため、ヒートポンプに含めないこともある。
冷媒・熱媒を移送する（循環させる）動力源による種類もある。これらは動作原理を示したものではない。
[編集] 普及・技術改善の背景
ヒートポンプは地球温暖化問題で削減対象となっているCO2の排出抑制技術として注目されている。近年のさまざまな要素技術の改善（インバータによる運転制御、冷却ファンの高効率化、熱交換器の性能向上、コンプレッサの改良など）の積み重ねにより、ヒートポンプの成績係数（COP）はここ数年で大幅に向上してきた。そのCOPの向上には主に技術改善を促す二つの背景があった。
[編集] 社会的要因
省エネルギー法などによるトップランナー規制が浸透してきたことと、環境負荷の低減効果やCO2削減効果が、機器を選定する上で評価されるようになったのである。ライフサイクルコストや省エネ性・CO2排出抑制も、価格同様導入の判断材料と評価されることで、導入価格が多少増加しても効率の高い機器を選択する需要家が増加した。また、1999年から導入された省エネ法のトップランナー規制は、環境評価の判断材料として、消費者に対して簡単に省エネ性能を明示するラベリング制度と相まって、ヒートポンプ技術の改善に寄与してきた。当時でもルームエアコンはCOPが約3の機種が多く、一次エネルギー換算COPは1.1以上であり、ファンヒーターなどの効率η=0.8程度をはるかに上回る省エネルギー性を保っていた。しかし、トップランナー方式が導入された後、2006年時点でルームエアコンのCOPは6.5前後、パッケージエアコンは5.0弱に向上している。決して革命的な技術が導入されたわけではないが、各部位の性能が向上した結果、相乗効果でCOPが大幅に改善している。
[編集] 日本の気候
日本の気候がヒートポンプを活用する上で適した環境だった。欧米のように暖房中心の国や東南アジアのような冷房中心の国では冷房、暖房のいずれかを行う単機能の機器で済む。日本では夏は冷房、冬は暖房と季節ごと空調種別が異なることと、欧米に比べて温暖湿潤な日本の気候は、空気を熱源とした冷暖両機能を持ち合わせたヒートポンプエアコンが市場から受け入れられやすかった。
冷房と暖房を同じ機器で行えることは、二重に空調設備を導入しなくて済むため、年間を通して機器の稼働率が高まり経済的である。また、ヒートポンプの特徴として室内外の温度差が小さくなればなるほどCOPが向上するため、中間期などでも空調が必要な場合、燃焼式とは異なりカタログ記載値よりもCOPが向上する。 メーカーにとっても、消費者が機器効率の改善を新たな商品価値として評価するこの傾向が開発へのインセンティブとなり、COP向上を目指した開発競争が本格化した。また、日本では熱エネルギーを取り込む技術が発達したため、高効率エアコンだけではなく、ヒートポンプ式の洗濯乾燥機や、自然冷媒ヒートポンプ給湯機が開発されるなど、ヒートポンプの応用技術も拡充している。
[編集] 普及
[編集] 日本
従来から電力会社によって、省エネ化や割安な深夜電力消費によるコスト削減、負荷平準化を成せる機器として、ヒートポンプは業務用氷蓄熱エアコン（商品名：エコアイス）などとして普及を目指していたが、近年家庭向けに自然冷媒ヒートポンプ給湯機（商品名：エコキュート）が開発され、省エネやオール電化の一環として、電力会社が普及促進に力を入れている。背景にはエコロジー意識の向上やCO2排出に対する意識の変化（暖房でも直接燃焼させ熱エネルギーを得るよりCO2排出量が約半減する）などがある。寒冷地用のヒートポンプ給湯もCOP値が4を越えるようになってきている。自然冷媒ヒートポンプ給湯機エコキュート は、CO2排出抑制の切り札として注目されており、機種によっては政府（有限責任中間法人 日本エレクトロヒートセンター）の補助金制度が利用できるものもある。日本では財団法人のヒートポンプ・蓄熱センターが中心となって普及促進に努めている。
[編集] 世界
欧州では2020年までに20%の温室効果ガス排出削減と20%の再生可能エネルギー導入の目標について2007年に合意した。それを受け、欧州委員会は再生可能エネルギー推進に関する新しいEU指令案を含む温暖化対策に関する包括的政策パッケージを2008年1月に発表、同年12月17日に議会で採択した。 この再生可能エネルギー指令案の中でヒートポンプも再生可能エネルギーと定義している。熱源は地中熱並びに空気熱（一定基準以上を満たすもの）としている。 欧州に限らず、国際エネルギー機関 (IEA) も需要側対策としてヒートポンプに高い評価を与えている。2008年5月に開催されたエネルギー大臣会合を前にIEAは6月、「エネルギー技術展望 (ETP) 2008」を発表したが、そのなかで持続可能なエネルギーの未来を実現するための三つのシナリオでエネルギー消費量とCO2排出量の見通しについてその戦略を描いている。シナリオの中で、供給サイドと需要サイドにかかわるヒートポンプも盛り込んだ17の主要なエネルギー技術を取り上げ、その開発状況と普及見通しのロードマップを提示した。このETP2008は2005年の英国グレンイーグルズサミットでIEAに課された技術的可能性の検証を求める要請に答えたものであり、7月に開催された北海道洞爺湖サミットに向けたIEAの回答である。 また、IEAの傘下に組織されたエネルギー技術の実施協定に基づく非営利の組織のひとつであるIEAヒートポンプセンター (HPC) では2008年5月に全世界にヒートポンプが普及することによるCO2削減効果が約8%であることを公表している。 一方で、既にスウェーデンのように国際エネルギー機関へ再生可能エネルギーの普及実績として空気熱利用のヒートポンプを計上している国もある。
[編集] 環境問題
- ヒートポンプによる冷房は、廃熱を屋外に排出するため、ヒートアイランド現象の一因となる。ただし、廃熱の大半は屋外から部屋に侵入した熱の再排出でヒートアイランド現象への寄与はなく、廃熱の量から想像されるほどの効果はない。一方、暖房と給湯は都市の屋外の空気から熱を吸収するため、ヒートアイランド現象の緩和に効果がある。特にヒートポンプ給湯機は夏場でも稼動するため、一年を通して外気温を下げる効果がある。
- 広く使われている蒸気圧縮式ヒートポンプの冷媒・熱媒には、かつて主にフロンが使われており、オゾン層破壊の一因となった。また、代替品である代替フロンとともに、温室効果ガスでもある。ただし、現在の多くの先進国では回収・処分が義務付けられている。
- 化学式ヒートポンプの中には、冷媒・熱媒にアンモニアなど有害物質を使うものがある。
[編集] 関連項目
- 成績係数（Coefficient Of Performance）
- ヒートポンプ・蓄熱センター
- エコアイス
- 地中熱
- 図解 ヒートポンプ: 著者：田中俊六監修 矢田部隆志編, ISBN 4-274-50039-X
- ヒートポンプ入門 - 地球温暖化対策の切り札: 著者：ヒートポンプ研究会 編 矢田部 隆志 著, ISBN 978-4-274-20385-5
- ヒートポンプ・蓄熱白書: 著者：財団法人 ヒートポンプ・蓄熱センター 編, ISBN 978-4-274-20423-4
- ヒートポンプがわかる本: 著者：飛原英治 柳原隆司 松岡文雄 桐野周平 編, ISBN 978-4-889-67086-8
[編集] 外部リンク
- ヒートポンプ・蓄熱情報Web Site 財団法人 ヒートポンプ・蓄熱センター
- Heat pumps Long Awaited Way out of the Global Warming - Information from Heat Pump & Thermal Storage Technology Center of Japan
- エネルギー講座 ヒートポンプ 財団法人 エネルギー総合工学研究所
- ヒートポンプってどんなもの？ 東京電力
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この項目「ヒートポンプ」は、工学・技術に関連した書きかけ項目です。加筆、訂正などをして下さる協力者を求めています。 |
最終更新 2009年9月15日 (火) 12:53 （日時は個人設定で未設定ならばUTC）。
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