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ヒートポンプ

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア(Wikipedia)』
エアコン
電気でんき冷蔵庫れいぞうこ
給湯きゅうとうエコキュート

ヒートポンプえい: heat pump)とは、大気たいきちゅうねつげ、ねつエネルギーに転換てんかんするしくみをいう[1]

ねつ媒体ばいたい半導体はんどうたいひとしもちいて低温ていおん部分ぶぶんから高温こうおん部分ぶぶんねつ移動いどうさせる技術ぎじゅつである。手法しゅほうはいくつかあるが主流しゅりゅう気体きたい圧縮あっしゅく膨張ぼうちょうねつ交換こうかんわせたもので、一般いっぱん家庭かていでもみられる製品せいひんでヒートポンプを使つかっているものとして冷凍れいとう冷蔵庫れいぞうこエアコン、ヒートポンプしき給湯きゅうとうなどがある。

家電かでん製品せいひん分類ぶんるいの「ヒートポンプ」は、「ヒートポンプしき給湯きゅうとう」をしめし、冷蔵庫れいぞうこやエアコンなどはヒートポンプしきとはばない。

概要がいよう[編集へんしゅう]

19世紀せいき後半こうはんより、ねつ力学りきがく理論りろんとしては確立かくりつされていた。当初とうしょねつ移動いどうによる冷却れいきゃく技術ぎじゅつとして利用りようはじまり、その1970年代ねんだい後半こうはんにはねつ回収かいしゅうによって加熱かねつおこなしょうエネルギー技術ぎじゅつとしても利用りようされるようになった。

冷却れいきゃくにも加熱かねつにもおな原理げんり使つかえる。ねつ移送いそう方向ほうこうぎゃくにしておな装置そうち加熱かねつにも冷却れいきゃくにも使つかったり(エアコンなど)、冷温れいおんねつ同時どうじし(給湯きゅうとう製氷せいひょうなど)も可能かのうである。

冷却れいきゃく冷房れいぼう冷蔵れいぞう冷凍れいとう製氷せいひょう)には実用じつようてき代替だいたい手段しゅだんとぼしいため、すべての分野ぶんやでヒートポンプが使つかわれている。

加熱かねつ暖房だんぼう給湯きゅうとう)の場合ばあい発熱はつねつ現象げんしょうそのもの(燃焼ねんしょうなど)を利用りようする従来じゅうらい方法ほうほう徐々じょじょってわりつつある。大気たいき地中ちちゅうねつみず地下水ちかすい河川かせん下水道げすいどう)・はいねつとうから、投入とうにゅうエネルギー(電気でんきおおいがその動力どうりょくねつのものもある)よりもおおねつエネルギーを回収かいしゅうして利用りようする[2]適切てきせつ条件下じょうけんか利用りようすればしょうエネルギー温暖おんだんガス排出はいしゅつりょう削減さくげん可能かのうであり、地球ちきゅう温暖おんだんへの対策たいさく技術ぎじゅつひとつにもげられている[3]

原理げんり[編集へんしゅう]

気体きたい液化えきかヒートポンプのしくみ。
1:凝縮ぎょうしゅく、2:膨張ぼうちょうべん、3:蒸発じょうはつ、4:圧縮あっしゅく
あか高温こうおんあお低温ていおん

理論りろんじょうぎゃくカルノーサイクル最高さいこう効率こうりつである。

気化きかねつ+凝縮ぎょうしゅくねつ
冷蔵庫れいぞうこ冷凍庫れいとうこエアコンなどで使つかわれるヒートポンプでは、ねつ媒体ばいたい気化きかねつおよび凝縮ぎょうしゅくねつもちいて周辺しゅうへん環境かんきょうちゅう空気くうきみずいわねつのやりりをおこなう。ねつ媒体ばいたい機器きき用途ようとによってかたわり、冷却れいきゃく機器ききであれば冷媒れいばい加熱かねつ機器ききであればねつなかだちともばれる。
ねつ媒体ばいたいもちいるヒートポンプによるねつ移動いどうでは可逆かぎゃくぎゃく順番じゅんばん可能かのう)な発熱はつねつ現象げんしょうと吸熱現象げんしょうとも利用りようする。冷暖房れいだんぼうでは、ねつ媒体ばいたい減圧げんあつすることにより周囲しゅういより温度おんどしつない冷房れいぼう)または屋外おくがい暖房だんぼう)の空気くうきから吸熱させる。周囲しゅういから吸熱したねつ媒体ばいたい加圧かあつすることにより温度おんどげ、屋外おくがい冷房れいぼう)または室内しつない暖房だんぼう)の空気くうきたいして発熱はつねつさせる。ねつ媒体ばいたいとなる流体りゅうたい連続れんぞくてき循環じゅんかんさせることがおおい。
格子こうし振動しんどう
ペルティエ素子そしなどの半導体はんどうたいもちいたヒートポンプ機器ききでは電流でんりゅうねつでん素子そしながすことにより素子そし内部ないぶ格子こうし振動しんどう人工じんこうてきこしてねつ移動いどうおこなう。おも精密せいみつ温度おんど管理かんりもとめられる医療いりょうよう機器きき小型こがた冷温れいおんもちいられる。

種類しゅるい[編集へんしゅう]

ペルティエ素子そし半導体はんどうたいヒートポンプ)

動作どうさ原理げんり動力どうりょくげん熱源ねつげんとうおうじて、下記かきのような分類ぶんるいがある。

動作どうさ原理げんりによる分類ぶんるい[編集へんしゅう]

ねつ輸送ゆそう原理げんりにより、下記かきのように分類ぶんるいされる。

ペルティエ素子そしは、エネルギーをついやしてねつ移送いそうするヒートポンプではあるが、通常つうじょうのヒートポンプとはおおきく動作どうさ原理げんりことなり、冷媒れいばいねつなかだち循環じゅんかんとうさせるポンプや相当そうとうする駆動くどう部品ぶひんもない。そのため、ヒートポンプにふくめないこともある。

動力どうりょくげんによる分類ぶんるい[編集へんしゅう]

冷媒れいばいねつなかだち移送いそうする(循環じゅんかんさせる)動力どうりょくげんによる分類ぶんるいもある。これらは動作どうさ原理げんりしめしたものではない。

熱源ねつげん用途ようとによる分類ぶんるい[編集へんしゅう]

熱源ねつげん用途ようとおうじて、下記かきのような分類ぶんるいがある。

効率こうりつ[編集へんしゅう]

ヒートポンプの成績せいせき係数けいすう(COP)はさまざまな要素ようそ技術ぎじゅつ改善かいぜんインバータによる運転うんてん制御せいぎょ冷却れいきゃくファンのこう効率こうりつねつ交換こうかん性能せいのう向上こうじょうコンプレッサ改良かいりょうなど)のかさねにより大幅おおはば向上こうじょうしてきた。おも技術ぎじゅつ改善かいぜんうながふたつの背景はいけいがある。

しょうエネルギーほうなどによるトップランナー方式ほうしき浸透しんとうしてきたことと、環境かんきょう負荷ふか低減ていげん効果こうかやCO2削減さくげん効果こうかが、機器きき選定せんていするじょう評価ひょうかされるようになったのである。ライフサイクルコストしょうエネせい・CO2排出はいしゅつ抑制よくせいも、価格かかく同様どうよう導入どうにゅう判断はんだん材料ざいりょう評価ひょうかされることで、導入どうにゅう価格かかく多少たしょう増加ぞうかしても効率こうりつたか機器きき選択せんたくする需要じゅよう増加ぞうかした。また、1999ねん平成へいせい11ねん)から導入どうにゅうされたしょうエネほうのトップランナー方式ほうしきは、環境かんきょう評価ひょうか判断はんだん材料ざいりょうとして、消費しょうひしゃたいして簡単かんたんしょうエネ性能せいのう明示めいじするしょうエネラベリング制度せいどあいまって、ヒートポンプ技術ぎじゅつ改善かいぜん寄与きよしてきた。当時とうじでもルームエアコンはCOPがやく3の機種きしゅおおく、いちエネルギー換算かんさんCOPは1.1以上いじょうであり、ファンヒーターなどの効率こうりつηいーた=0.8程度ていどをはるかに上回うわまわしょうエネルギーせいたもっていた。しかし、トップランナー方式ほうしき導入どうにゅうされたのち2006ねん平成へいせい18ねん時点じてんでルームエアコン(家庭かていよう)のCOPは6.5前後ぜんこう、パッケージエアコン(業務ぎょうむよう)は5.0じゃく向上こうじょうしている。けっして革命かくめいてき技術ぎじゅつ導入どうにゅうされたわけではないが、かく部位ぶい性能せいのう向上こうじょうした結果けっか相乗そうじょう効果こうかでCOPが大幅おおはば改善かいぜんしている。

環境かんきょう性能せいのう[編集へんしゅう]

ヒートポンプをもちいることで、地中ちちゅうねつ大気たいきねつはいねつなどを移動いどうさせて給湯きゅうとう暖房だんぼうひとし利用りようできる。実働じつどうにおける環境かんきょう性能せいのう機器きき自体じたい性能せいのうのほか、稼働かどうじょうきょう設置せっち地域ちいき気候きこう駆動くどうもちいる電力でんりょく排出はいしゅつげん単位たんいとう左右さゆうされる。稼働かどう条件じょうけんによっては化石かせき燃料ねんりょう直接ちょくせつ燃焼ねんしょう比較ひかくして温暖おんだんガス排出はいしゅつりょうえる場合ばあいもありるが、適切てきせつ条件下じょうけんか利用りようすれば、しょうエネルギーや、温暖おんだんガス排出はいしゅつりょう削減さくげん可能かのうである[11]とく駆動くどうもちいる電力でんりょく排出はいしゅつげん単位たんい重要じゅうようであり、原子力げんしりょく再生さいせい可能かのうエネルギー・ガスふくあいサイクル火力かりょく発電はつでんとうによる比較的ひかくてきてい炭素たんそ電力でんりょくをよりおお利用りようすることで環境かんきょう性能せいのうがる[11][12]しょうエネルギー技術ぎじゅつ地球ちきゅう温暖おんだんへの対策たいさく技術ぎじゅつひとつにもげられ、IPCC[3]国際こくさいエネルギー機関きかん[13]・シンクタンク[14]ひとしによって普及ふきゅう国際こくさいてき推奨すいしょうされている。

日本にっぽん条件じょうけんにおいて大気たいきねつ給湯きゅうとうもちいた場合ばあいエコキュート)は、成績せいせき係数けいすう(COP)が1.82かつ火力かりょく発電はつでんのみの平均へいきん排出はいしゅつげん単位たんい計算けいさんした場合ばあいはガスしき給湯きゅうとうよりも排出はいしゅつりょうえるが、日本にっぽん電力でんりょく平均へいきんてき排出はいしゅつげん単位たんい場合ばあい成績せいせき係数けいすうがよりたかい(3.16)場合ばあいはガス給湯きゅうとうまさると報告ほうこくされている[15][16]

ヒートポンプを状況じょうきょう[編集へんしゅう]

日本にっぽん[編集へんしゅう]

ヒートポンプは温度おんどげる数少かずすくない実用じつようてき手段しゅだんであるため、高度こうど成長せいちょう以降いこう冷凍れいとう冷蔵庫れいぞうこ冷房れいぼうとしてひろ普及ふきゅうし、暖房だんぼうとしても利用りようされるようになった。

日本にっぽん気候きこうはヒートポンプを活用かつようするじょうてきした環境かんきょうだった。欧米おうべいのように暖房だんぼう中心ちゅうしんくに東南とうなんアジアのような冷房れいぼう中心ちゅうしんくにでは冷房れいぼう暖房だんぼうのいずれかをおこなたん機能きのう機器ききむ。日本にっぽんではなつ冷房れいぼうふゆ暖房だんぼうぶしごと空調くうちょう種別しゅべつことなることと、欧米おうべいくらべて温暖おんだん湿潤しつじゅん日本にっぽん気候きこうは、空気くうき熱源ねつげんとしたひやだんりょう機能きのうわせたヒートポンプエアコン市場いちばかられられやすかった。

冷房れいぼう暖房だんぼうおな機器ききおこなえることは、じゅう空調くうちょう設備せつび導入どうにゅうしなくてむため、エアコンのみで暖房だんぼう十分じゅうぶん気温きおん地域ちいきでは年間ねんかんとおして機器きき稼働かどうりつたかまり経済けいざいてきである。また、ヒートポンプの特徴とくちょうとして室内しつないがい温度おんどちいさくなればなるほどCOPが向上こうじょうするため、中間なかまなどでも空調くうちょう必要ひつよう場合ばあい電熱でんねつしき燃焼ねんしょうしきとはことなりカタログ記載きさいよりもCOPが向上こうじょうする。

メーカーにとっても、消費しょうひしゃ機器きき効率こうりつ改善かいぜんあらたな商品しょうひん価値かちとして評価ひょうかするこの傾向けいこう開発かいはつへのインセンティブとなり、COP向上こうじょう目指めざした開発かいはつ競争きょうそう本格ほんかくした。また、日本にっぽんではねつエネルギーを技術ぎじゅつ発達はったつしたため、こう効率こうりつエアコンだけではなく、ヒートポンプしき洗濯せんたく乾燥かんそうや、自然しぜん冷媒れいばいヒートポンプ給湯きゅうとう開発かいはつされるなど、ヒートポンプの応用おうよう技術ぎじゅつ拡充かくじゅうしている。

2000年代ねんだい家庭かていけに自然しぜん冷媒れいばいヒートポンプ給湯きゅうとう商品しょうひんめいエコキュート)が開発かいはつされ、温水おんすい機器ききにも使用しようされるようになった。自然しぜん冷媒れいばいヒートポンプ給湯きゅうとうは、しょうエネやオール電化でんか一環いっかんとして、電力でんりょく会社かいしゃ普及ふきゅう促進そくしんちかられている。背景はいけいにはエコロジー意識いしき向上こうじょうやCO2排出はいしゅつたいする意識いしき変化へんか暖房だんぼうでも直接ちょくせつ燃焼ねんしょうさせねつエネルギーをるよりCO2排出はいしゅつりょうやく半減はんげんする)などがある。寒冷かんれいようのヒートポンプ給湯きゅうとうもCOPが4をえるようになってきている。自然しぜん冷媒れいばいヒートポンプ給湯きゅうとうエコキュート は、CO2排出はいしゅつ抑制よくせいふだとして注目ちゅうもくされており、機種きしゅによっては政府せいふ有限ゆうげん責任せきにん中間なかま法人ほうじん 日本にっぽんエレクトロヒートセンター)の補助ほじょきん制度せいど利用りようできるものもある。日本にっぽんでは財団ざいだん法人ほうじんヒートポンプ・蓄熱ちくねつセンター中心ちゅうしんとなって普及ふきゅう促進そくしんつとめている。

EU[編集へんしゅう]

欧州おうしゅうでは2020ねんまでに20 %の温室おんしつ効果こうかガス排出はいしゅつ削減さくげんと20 %の再生さいせい可能かのうエネルギー導入どうにゅう目標もくひょうについて2007ねん合意ごういした。それをけ、欧州おうしゅう委員いいんかい再生さいせい可能かのうエネルギー推進すいしんかんするあたらしいEU指令しれいあんふく温暖おんだん対策たいさくかんする包括ほうかつてき政策せいさくパッケージを2008ねん1がつ発表はっぴょう同年どうねん12がつ17にち議会ぎかい採択さいたくした。 この再生さいせい可能かのうエネルギー指令しれいあんなかでヒートポンプも再生さいせい可能かのうエネルギー定義ていぎしている。熱源ねつげんみずねつ地中ちちゅうねつ空気くうきねつ一定いってい基準きじゅん以上いじょうたすもの)としている。

国際こくさいエネルギー機関きかん[編集へんしゅう]

国際こくさいエネルギー機関きかん (IEA) も需要じゅようがわ対策たいさくとしてヒートポンプにたか評価ひょうかあたえている。2008ねん5がつ開催かいさいされたエネルギー大臣だいじん会合かいごうまえにIEAは6がつ、「エネルギー技術ぎじゅつ展望てんぼう (ETP) 2008」を発表はっぴょうしたが、そのなかで持続じぞく可能かのうなエネルギーの未来みらい実現じつげんするためのみっつのシナリオでエネルギー消費しょうひりょうとCO2排出はいしゅつりょう見通みとおしについてその戦略せんりゃくえがいている。シナリオのなかで、供給きょうきゅうサイドと需要じゅようサイドにかかわるヒートポンプもんだ17の主要しゅようなエネルギー技術ぎじゅつげ、その開発かいはつじょうきょう普及ふきゅう見通みとおしのロードマップを提示ていじした。このETP2008は2005ねん英国えいこくグレンイーグルズサミットでIEAにされた技術ぎじゅつてき可能かのうせい検証けんしょうもとめる要請ようせいこたえたものであり、7がつ開催かいさいされた北海道ほっかいどう洞爺湖とうやこサミットけたIEAの回答かいとうである。

また、IEAの傘下さんか組織そしきされたエネルギー技術ぎじゅつ実施じっし協定きょうていもとづく営利えいり組織そしきのひとつであるIEAヒートポンプセンター (HPC) では2008ねん5がつぜん世界せかいにヒートポンプが普及ふきゅうすることによるCO2削減さくげん効果こうかやく8%であることを公表こうひょうしている。

一方いっぽうで、すでスウェーデンのように国際こくさいエネルギー機関きかん再生さいせい可能かのうエネルギー普及ふきゅう実績じっせきとして空気くうきねつ利用りようのヒートポンプを計上けいじょうしているくにもある。

環境かんきょう問題もんだい[編集へんしゅう]

  • 夏季かきのエアコンによる冷房れいぼうは、はいねつ屋外おくがい排出はいしゅつするため、ヒートアイランド現象げんしょう一因いちいんとなる。ねつ大半たいはん太陽熱たいようねつであるが、それにくわえヒートポンプを運転うんてんするためについやしたエネルギーもほぼぜんっぱいねつとなって屋外おくがい排出はいしゅつされる。たとえば、消費しょうひ電力でんりょく1 kWで冷凍れいとう能力のうりょく5 kWのヒートポンプがあった場合ばあい、そのはいねつは6 kWになる。このため、多数たすうのヒートポンプ機器きき稼動かどうする都市としではヒートアイランド現象げんしょう助長じょちょうする。
  • ひろ使つかわれている蒸気じょうき圧縮あっしゅくしきヒートポンプの冷媒れいばいねつなかだちには、かつておもフロン使つかわれており、オゾンそう破壊はかい一因いちいんとなった。また、代替だいたいひんである代替だいたいフロンとともに、温室おんしつ効果こうかガスでもある。ただし、現在げんざいおおくの先進せんしんこくでは回収かいしゅう処分しょぶん義務付ぎむづけられている。
  • 化学かがくしきヒートポンプのなかには、冷媒れいばいねつなかだちアンモニアなど有害ゆうがい物質ぶっしつ使つかうものがある。
  • 家庭かていようヒートポンプは作動さどうにファンを駆動くどうさせるためにてい周波しゅうはおん発生はっせいし、騒音そうおん問題もんだい発展はってんするケースがある。

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

注釈ちゅうしゃく[編集へんしゅう]

  1. ^ 灯油とうゆ燃料ねんりょうとする火花ひばな点火てんか内燃ないねん機関きかんは、灯油とうゆオクタン価おくたんかひくい(およそ40程度ていど[4])ため圧縮あっしゅくおおきくできずねつ効率こうりつおとる。石油せきゆ発動はつどう参照さんしょうのこと。[疑問ぎもんてん]

出典しゅってん[編集へんしゅう]

  1. ^ 山田やまだ浩幸ひろゆき『まるごとわかるまいの建築けんちく設備せつび 快適かいてき環境かんきょうつく設備せつび設計せっけいかんがかたム社むしゃ、2013ねん、151ぺーじ 
  2. ^ 民生みんせい部門ぶもんにおける革新かくしんてきなエネルギー利用りようによる温暖おんだん対策たいさく技術ぎじゅつちょうこう効率こうりつヒートポンプ-、平成へいせい20ねんがつ30にち総合そうごう科学かがく技術ぎじゅつ会議かいぎ (PDF)
  3. ^ a b IPCC AR4, 6.4.16 Summary of mitigation options in buildings
  4. ^ 禁断きんだんのクルマ実験じっけんしつ ガソリンエンジンを軽油けいゆ灯油とうゆ作動さどう”. グーネット (2017ねん12月8にち). 2023ねん8がつ22にち閲覧えつらん
  5. ^ EERE, Air-Source Heat Pumps
  6. ^ EERE, Heat Pump Systems
  7. ^ a b EERE, Geothermal Heat Pumps
  8. ^ EERE, Types of Geothermal Heat Pump Systems
  9. ^ 岩手いわてけん二戸ふたどのガイア融雪ゆうせつシステム(世界せかい最初さいしょ融雪ゆうせつシステム)
  10. ^ いちれいHitachi Plant Technologies Develops a Solar Activated Air Conditioning System, Hitachi, January 2011 (PDF)
  11. ^ a b R.Dones, T.Heck, LCA-based evaluation of ecological impacts and external costs of current and new electricity and heating systems, MRS Proceedings of the 2005 Fall Meeting, Symposium G - べつばんPDF (PDF)
  12. ^ Greenhouse gas emission reduction options: modeling and implications, S.Hirschberg, Energy, Volume 30, Issues 11-12, August-September 2005, Pages 2025-2041
  13. ^ IEA, Energy Technology Perspectives
  14. ^ Pathways to a Low-Carbon Economy : Version 2 of the Global Greenhouse Gas Abatement Cost Curve, McKinsey & Company
  15. ^ 環境かんきょうめんからみたオール電化でんか問題もんだいかんする提言ていげん特定とくてい営利えいり活動かつどう法人ほうじん 地球ちきゅう環境かんきょう大気たいき汚染おせんかんがえる全国ぜんこく市民しみん会議かいぎ(CASA)、ぜん大阪おおさか消費しょうひしゃ団体だんたい連絡れんらくかい, 2008ねん (PDF)
  16. ^ 東京電力とうきょうでんりょくによる試算しさん結果けっか解説かいせつ

参考さんこう文献ぶんけん[編集へんしゅう]

  • 田中たなか俊六しゅんろく 監修かんしゅう矢田部やたべ隆志たかし へん図解ずかい ヒートポンプ』。ISBN 4-274-50039-X 
  • 矢田部やたべ 隆志たかし ちょ、ヒートポンプ研究けんきゅうかい へん『ヒートポンプ入門にゅうもん - 地球ちきゅう温暖おんだん対策たいさくふだ』。ISBN 978-4-274-20385-5 
  • 財団ざいだん法人ほうじん ヒートポンプ・蓄熱ちくねつセンター へん『ヒートポンプ・蓄熱ちくねつ白書はくしょ』。ISBN 978-4-274-20423-4 
  • はら英治えいじ柳原やなぎはら隆司たかし松岡まつおか文雄ふみお桐野きりの周平しゅうへい へん『ヒートポンプがわかるほん』。ISBN 978-4-889-67086-8 

関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]

外部がいぶリンク[編集へんしゅう]