ヒートポンプ 外部からエネルギーを与えて、熱を移動させる環境装置

ヒートポンプの原理とトレンド

ヒートポンプは外部から電気や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のこと。元になる原理は、気体には圧縮すると温度が上昇し、膨張すると温度が下降する性質があるというもので、1824 年にフランスの物理学者カルノーが発見しました。この単純な原理を用いて、大気や水などの熱を集め、冷却または加熱に用いるシステムがヒートポンプです。

熱の移動方向を逆にして同じ原理が使えるので、エアコンなどのように同じ装置で冷却と加熱の両方に使えます。冷却には他に代替手段がないため、従来からほとんどすべての冷却装置に採用されていましたが、加熱分野での利用は、従来は燃料の燃焼による発熱現象を利用するものが一般的でした。
 
近時は技術の進歩で投入エネルギーの数倍もの熱を回収できるものが開発されたため、加熱分野でもガスや石油を燃料とする燃焼型のものから徐々にヒートポンプ式の加熱装置に代替されつつあります。

 Hpump3気体は圧縮すると温度が上がり、膨張すると温度が下がる。また、熱は高い方から低い方へ流れるという基本原理がある。ヒートポンプは、熱力学のこの二つの基本原理を応用した技術で、冷暖房や冷凍・冷蔵など、家庭用にも業務用にもすでに広く用いられている。ここ数年の技術革新によってエネルギー効率が大幅に向上、従来の冷却用以外にも給湯や暖房へと用途が広がっている(出典:東京電力)

省エネ技術としてのヒートポンプ

通常、燃焼式システムの場合、暖房や給湯用に熱をつくる場合は、主に化石燃料を燃やすことによって熱を生み出すため、CO2が発生します。これに対して、ヒートポンプは火をたかずにエネルギーを得るシステムで少しの動力で、空気中などに存在する無尽蔵の熱を取り出しますから、CO2削減に大きな効果があります。ヒートポンプが日本中の空調・給湯・加温機器に普及したとすると、日本全体のCO2排出量の約10%削減できるという試算があります。

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近年はインバーター制御や熱交換機の性能向上、コンプレッサの改良など要素技術の進歩で、成績係数(COP)が大幅に向上しました。その背景には、トップランナー方式の導入で環境負荷の低減効果やライフサイクルコストや省エネ性能などを購買の基準にする環境意識の高い一般消費者が増えてきたことにあるようです。家電製品に導入された省エネラべリング制度もヒートポンプ技術の向上に寄与しています。
 
ヒートポンプ技術は日本が圧倒的に世界をリードする画期的な省エネ技術です。家庭用自然冷媒ヒートポンプ給湯機「エコキュート」と同様の製品が、実は欧州でも研究されていましたが、製品化には至らず、日本が世界に先駆けて製品化に成功しました。ヒートポンプが熱を取り込む際に使う冷媒の開発技術や、ヒートポンプでつくり出した熱を蓄える蓄熱槽に使われる素材開発技術で、非常に優れたものを持っていたことが、日本が世界に先駆けることのできた理由です。
 
欧米では、ヒートポンプによって利用可能になる空気の熱や地中熱なども、風力発電や太陽光発電と同じく「再生可能エネルギー」と位置づけ、その利用の促進に努めています。欧州に限らず、国際エネルギー機関(IEA)もヒートポンプに高い評価を与えています。

ヒートポンプの応用技術

熱媒体を移動させたり圧縮・膨張行程でヒートポンプを作動させる動力源により、電気モーターによる電気ヒートポンプやガスエンジンによるガスヒートポンプがある。

電気式のものは、初期のころから電力会社によって、省エネ化や割安な深夜電力によるコスト削減、負荷平準化を実現できる機器として業務用氷蓄熱エアコン(商品名:エコアイス)などで普及を目指したが、近年インバーターによる運転制御や熱交換器の性能向上で家庭向けに登場したCO2冷媒を使用するヒートポンプ式給湯器(商品名:エコキュート)の発売で急激に普及してきた。

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エコキュートは自然のエネルギーを利用する給湯システム。エコキュートのキーテクノロジーは、環境への負荷を大幅に抑える自然冷媒(CO2)を使ったヒートポンプで、燃焼式の給湯システムに比べ、高い省エネルギー効果を生む。圧縮機で最高100気圧まで加圧すると、冷媒の温度が上昇し、熱交換器を通して隣接する水を90℃という高温にできる(出所:財団法人ヒートポンプ・蓄熱センター)

家庭用分野では、その他にも「高効率ヒートポンプエアコン」、「ヒートポンプ洗濯乾燥機」、「高効率冷蔵庫」、「ヒートポンプ床暖房システム」などが実用化されていますし、商業施設向けでは、「高効率ヒートポンプ式空調設備」、「業務用ヒートポンプ給湯機」、ヒートポンプでつくり出した熱を蓄熱して効率よく利用する「蓄熱式ヒートポンプ」などがあります。

工場や都市開発の分野では、工場での排熱を利用する「未利用熱利用ヒートポンプ」があります。冷凍機など工場の廃熱を効率的に回収する仕組みを採用することで、80℃程度の高温水が供給できるようになり、燃焼式ボイラーの代替が可能となり、食品工場向けの殺菌用蒸気発生装置や大型給湯器なども登場しています。電力会社は、家庭用だけでなく工場でも「オール電化」をはかり、産業用電力の販売増に結び付ける戦略です。

ヒートポンプによる日本のCO2削減可能性

平成21年施行の改正省エネ法では、中小規模のオフィスビル、店舗、病院、スーパーなどの建物についても企業が所有するものについては、建物のエネルギー使用量の合計が一定数以上であれば規制対象となった。

消費する電力の3~6倍の熱エネルギーを生みだすヒートポンプは、日本が世界に誇る環境技術で、民生部門(業務・家庭部門)と産業部門における、冷暖房や給湯、100℃未満の加熱・乾燥などのすべてをヒートポンプで代替した場合、約13億トンのCO2を削減できるといわれている。これば実に日本全体の排出量の10%に相当する量で、今後ヒートポンプ応用機器へのシフトが日本の国際公約であるCO2の25%排出量削減を達成する鍵となろう。

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