寒冷地における空気熱源ヒートポンプ

空気熱源ヒートポンプの主な制限は、屋外温度が氷点下に達すると性能が大幅に低下することです。

ヒートポンプは、特に可変冷媒流量システムで使用される場合、暖房および空調の効率的なソリューションとして浮上しています。 冷房モードでは最も効率的な空調システムに匹敵し、電気のみを使用しながら低コストの燃焼暖房と競合できます。 従来の抵抗ヒーターと比較して、ヒートポンプは特定のモデルや動作条件に応じて 40 ～ 80 パーセントの範囲で節約を実現します。

空気熱ヒートポンプが外気と直接熱交換するのに対し、地中熱ヒートポンプは安定した地中の温度を利用して高い効率を実現します。 地中熱源システムは高価で設置が複雑であることを考慮すると、空気熱源ヒートポンプが最も一般的な選択肢です。

空気熱源ヒートポンプの主な制限は、屋外温度が氷点下に達すると性能が大幅に低下することです。 設計エンジニアは、ヒートポンプを指定する際に地域の天候の影響を考慮し、予想される最低温度に対する適切な対策がシステムに装備されていることを確認する必要があります。

極度の寒さは空気熱源ヒートポンプにどのような影響を与えるのでしょうか?

氷点下で空気源ヒートポンプを使用する場合の主な課題は、屋外コイル上の氷の蓄積を制御することです。 ユニットはすでに冷えている外気から熱を奪うため、湿気がコイルの表面にたまりやすくなり、凍結する可能性があります。

ヒートポンプ除霜サイクルは屋外コイルの氷を溶かす可能性がありますが、サイクルが継続している間、ユニットは空間を暖房することができません。 屋外の温度が低下すると、氷の形成を補うためにヒートポンプがより頻繁に除霜サイクルに入る必要があり、これにより屋内空間に供給される熱が制限されます。

地中熱ヒートポンプは外気と熱交換しないため、氷点下温度の影響を比較的受けません。 ただし、既存の建物、特に混雑した都市部の下での掘削は困難な場合があります。

寒冷地向けの空気熱源ヒートポンプの指定

氷点下で空気源ヒートポンプを使用する場合、霜取りサイクル中の熱損失を補う主な方法は 2 つあります。

バックアップ加熱システム (通常はガスバーナーまたは電気抵抗ヒーター) を追加します。
着霜対策機能を内蔵したヒートポンプを仕様。
空気熱源ヒートポンプ用のバックアップ暖房システムはシンプルなソリューションですが、システムの所有コストが増加する傾向があります。 設計上の考慮事項は、指定されたバックアップ加熱のタイプに応じて変わります。

電気抵抗ヒーターはヒートポンプと同じエネルギー源で動作します。 ただし、特定の加熱負荷に対してより多くの電流を消費するため、配線容量の増加が必要になります。 抵抗加熱はヒートポンプ動作よりも効率がはるかに低いため、システム全体の効率も低下します。
ガスバーナーは、抵抗ヒーターよりもはるかに低い運転コストを実現します。 ただし、ガスの供給と排気システムが必要なため、設置コストが高くなります。
ヒートポンプ システムでバックアップ暖房を使用する場合、サーモスタットを適度な温度に設定することをお勧めします。 これにより、霜取りサイクルの頻度とバックアップ暖房システムの動作時間が最小限に抑えられ、総エネルギー消費量が削減されます。

寒さ対策機能を内蔵したヒートポンプ

大手メーカーの空気熱源ヒートポンプは通常、屋外温度が -4°F まで耐えられると評価されています。 ただし、ユニットが寒さ対策で強化されている場合、動作範囲は -10°F または -20°F 以下にまで広がる可能性があります。 以下は、除霜サイクルの影響を軽減するためにヒートポンプ メーカーが使用する一般的な設計機能の一部です。

一部のメーカーは、ヒートポンプが除霜サイクルに入ったときに熱を供給し続けることができる蓄熱器を備えています。
凍結を防ぐために、高温の冷媒ラインの 1 つが室外機を循環するヒート ポンプ構成もあります。 霜取りサイクルは、この暖房効果が十分でない場合にのみ作動します。
ヒートポンプ システムで複数の室外ユニットを使用する場合、それらの室外ユニットが同時にではなく順番に除霜サイクルに入るようにプログラムできます。 このようにして、システムは霜取りによって暖房能力を完全に失うことはありません。
室外ユニットには、直接降雪からユニットを保護するハウジングを装備することもできます。 このように、ユニットはコイル上に直接形成される氷のみを処理する必要があります。
これらの対策は霜取りサイクルを完全に排除するものではありませんが、暖房出力への影響を軽減できます。 空気熱源ヒートポンプ システムで最良の結果を達成するには、最初に推奨される手順は、地域の気象を評価することです。 このようにして、最初から適切なシステムを指定できます。 これは、不適切なインストールをアップグレードするよりも簡単で安価です。

ヒートポンプ効率を高めるための補完策

エネルギー効率の高いヒートポンプ システムを導入すると、冷暖房費が削減されます。 ただし、建物自体は、夏の冷房の必要性と冬の暖房の必要性を最小限に抑えるように設計することもできます。 適切な断熱性と気密性を備えた建物外壁は、断熱性が低く空気漏れが多い建物と比較して、冷暖房の必要性を最小限に抑えます。

換気制御は、建物のニーズに応じて空気の流れを調整することにより、冷暖房の効率にも貢献します。 換気システムが常に最大の空気流量で動作する場合、調整する必要がある空気量はより多くなります。 一方、換気が占有状況に応じて調整される場合、調整が必要な総空気量は少なくなります。

建物にはさまざまな冷暖房構成が導入できます。 ただし、建物のニーズに応じて設置を最適化すると、所有コストが最小限に抑えられます。

マイケル・トビアスによる記事
参考文献: Tobias, M. (nd)。 Cookieを有効にしてください。 スタックパス。 https://www.contractormag.com/green/article/20883974/airsource-heat-pumps-in-cold-weather。
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