ニュース - ヒートポンプによる冷暖房

導入

家を冷暖房したり、光熱費を削減したりするためのオプションを検討している場合は、ヒートポンプシステムを検討するとよいでしょう。ヒートポンプはカナダで実証済みの信頼できる技術であり、冬には熱を供給し、夏には冷房を供給し、場合によっては温水を住宅に供給することで、年間を通じて住宅を快適に制御できます。

ヒートポンプは、さまざまな用途で、また新築住宅と既存の冷暖房システムの改修の両方において優れた選択肢となります。冷却専用システムからヒートポンプへの移行コストが非常に低い場合が多いため、既存の空調システムを置き換える場合のオプションとしても利用できます。さまざまなシステムの種類やオプションが豊富にあるため、ヒートポンプがご家庭に適した選択肢であるかどうかを判断するのは難しい場合があります。

ヒートポンプを検討している場合、次のような多くの疑問があるでしょう。

どのようなタイプのヒートポンプが利用可能ですか?
年間の冷暖房需要のうち、ヒートポンプはどれくらいの量を提供できますか?
私の家庭や用途にはどのくらいのサイズのヒートポンプが必要ですか?
ヒートポンプのコストは他のシステムと比較してどれくらいですか?また、光熱費はどれくらい節約できますか?
家に追加の変更を加える必要がありますか?
システムにはどの程度の保守が必要ですか?

この小冊子にはヒートポンプに関する重要な事実が記載されており、より多くの情報を得ることができ、ご家庭に適した選択をするのに役立ちます。この小冊子では、これらの質問をガイドとして使用して、最も一般的なタイプのヒートポンプについて説明し、ヒートポンプの選択、設置、操作、保守に関係する要素について説明します。

対象とする訪問者

この小冊子は、システムの選択と統合、運用とメンテナンスに関する十分な情報に基づいた意思決定をサポートするために、ヒートポンプ技術に関する背景情報を探している住宅所有者を対象としています。ここで提供される情報は一般的なものであり、具体的な詳細はインストールとシステムのタイプによって異なる場合があります。この小冊子は、お客様の設置がお客様のニーズと希望の目的を確実に満たすことを保証する請負業者またはエネルギーアドバイザーとの協力に代わるものではありません。

家庭のエネルギー管理に関する注意事項

ヒートポンプは非常に効率的な加熱および冷却システムであり、エネルギーコストを大幅に削減できます。家をシステムとして考える場合、空気漏れ（亀裂や穴から）、断熱が不十分な壁、天井、窓、ドアなどの領域からの家からの熱損失を最小限に抑えることをお勧めします。

これらの問題に最初に取り組むことで、より小型のヒートポンプを使用できるようになり、それによってヒートポンプ装置のコストが削減され、システムがより効率的に動作できるようになります。

これを行う方法を説明した多数の出版物が、Natural Resources Canada から入手できます。

ヒートポンプとは何ですか?またその仕組みは何ですか?

ヒートポンプは、建物に暖房、冷房、場合によっては温水を効率的に供給するために、カナダだけでなく世界中で数十年にわたって使用されてきた実績のある技術です。実際、冷蔵庫とエアコンは同じ原理と技術を使用して動作するため、ヒートポンプ技術を日常的に使用している可能性があります。このセクションでは、ヒートポンプの仕組みの基本を説明し、さまざまなシステムタイプを紹介します。

ヒートポンプの基本概念

ヒートポンプは、低温の場所（ソース）から熱を抽出し、より高温の場所（シンク）に送る電気駆動のデバイスです。

このプロセスを理解するには、自転車で丘を越える場合を考えてみましょう。自転車とライダーは高い場所から低い場所へ自然に移動するため、丘の頂上から麓まで行くのに努力は必要ありません。ただし、坂を登る場合は、バイクが自然な動きの方向に逆らって移動するため、より多くの作業が必要になります。

同様に、熱は温度の高い場所から温度の低い場所へ自然に流れます（たとえば、冬には建物内部の熱が外部に失われます）。ヒートポンプは、追加の電気エネルギーを使用して自然な熱の流れに対抗し、寒い場所で利用可能なエネルギーを暖かい場所に送り出します。

では、ヒートポンプはどのようにして家を暖めたり冷やしたりするのでしょうか? エネルギーがソースから抽出されると、ソースの温度が低下します。家庭を熱源として使用すると、熱エネルギーが除去され、この空間が冷却されます。これは、ヒートポンプが冷却モードで動作する仕組みであり、エアコンや冷蔵庫で使用されているのと同じ原理です。同様に、シンクにエネルギーが追加されると、その温度が上昇します。家をシンクとして使用すると、熱エネルギーが追加され、空間が加熱されます。ヒートポンプは完全に可逆的であるため、家の暖房と冷房の両方が可能で、一年中快適さを提供します。

ヒートポンプのソースとシンク

ヒートポンプシステムのソースとシンクの選択は、システムのパフォーマンス、資本コスト、運用コストを決定する上で非常に役立ちます。このセクションでは、カナダの住宅用途における一般的なソースとシンクの概要を説明します。

出典: カナダではヒートポンプによる住宅の暖房に 2 つの熱エネルギー源が最も一般的に使用されています。

空気源: ヒートポンプは、暖房期には外気から熱を取り込み、夏の冷房期には熱を外部に排出します。
屋外の温度が低い場合でも、抽出して建物に供給できる大量のエネルギーがまだ利用可能であることを知ると驚くかもしれません。たとえば、-18°C の空気の熱量は、21°C で含まれる熱量の 85% に相当します。これにより、ヒートポンプは寒い天候でも十分な暖房を提供できます。
空気源システムはカナダ市場で最も一般的であり、カナダ全土で 700,000 台以上のユニットが設置されています。
このタイプのシステムについては、「空気源ヒートポンプ」セクションで詳しく説明します。
地中熱源: 地中熱源ヒートポンプは、冬には土、地下水、またはその両方を熱源として使用し、夏には住宅から除去される熱を排除するための貯留層として使用します。
これらのヒートポンプは空気源ユニットほど一般的ではありませんが、カナダのすべての州で広く使用されるようになってきています。その主な利点は、地面を一定の温度源として使用するため、極端な温度変動の影響を受けないことであり、その結果、最もエネルギー効率の高いタイプのヒートポンプシステムが得られます。
このタイプのシステムについては、「地中熱ヒートポンプ」セクションで詳しく説明します。

シンク: カナダでは、熱エネルギー用の 2 つのシンクが、ヒートポンプによる住宅の暖房に最も一般的に使用されています。

室内の空気はヒートポンプによって加熱されます。これは次の方法で行うことができます。建物内の水は加熱されます。この水は、温水システムを介してラジエーター、輻射床、ファンコイルユニットなどの端末システムに供給するために使用できます。
- 中央ダクトシステムまたは
- 壁掛けなどのダクトレス室内機。

ヒートポンプ効率の概要

炉とボイラーは、天然ガスや灯油などの燃料の燃焼を通じて空気に熱を加えることによって空間を暖房します。効率は継続的に向上していますが、依然として 100% を下回っています。これは、燃焼から得られるすべてのエネルギーが空気の加熱に使用されているわけではないことを意味します。

ヒートポンプは異なる原理で動作します。ヒートポンプに入力された電力は、2 つの場所の間で熱エネルギーを伝達するために使用されます。これにより、ヒートポンプがより効率的に動作し、通常の効率をはるかに上回る効率が得られます。

100%、つまり、ポンプに使用される電気エネルギーの量よりも多くの熱エネルギーが生成されます。

ヒートポンプの効率は、ソースとシンクの温度に大きく依存することに注意することが重要です。急な坂道を自転車で登るにはより多くの努力が必要になるのと同じように、ヒートポンプのソースとシンクの間の温度差が大きくなると、よりハードな作業が必要となり、効率が低下する可能性があります。季節効率を最大化するには、ヒートポンプの適切なサイズを決定することが重要です。これらの側面については、「空気源ヒートポンプ」および「地中熱源ヒートポンプ」のセクションで詳しく説明します。

効率の用語

メーカーのカタログではさまざまな効率指標が使用されているため、初めて購入する人にとってシステムのパフォーマンスを理解するのがやや混乱する可能性があります。以下は、一般的に使用される効率に関する用語の内訳です。

定常状態の指標: これらの測定値は、「定常状態」、つまり実際の季節や温度の変動がない状態でのヒートポンプの効率を表します。そのため、ソースとシンクの温度やその他の動作パラメータが変化すると、その値が大幅に変化する可能性があります。定常状態のメトリクスには次のものが含まれます。

性能係数 (COP): COP は、ヒートポンプが熱エネルギーを伝達する速度 (kW 単位) と、ポンピングに必要な電力量 (kW 単位) の比です。たとえば、ヒートポンプが 3 kW の熱を輸送するために 1 kW の電気エネルギーを使用した場合、COP は 3 になります。

エネルギー効率比 (EER): EER は COP に似ており、ヒートポンプの定常状態の冷却効率を表します。これは、特定の温度におけるヒートポンプの冷却能力 (Btu/h) をワット (W) 単位の電気エネルギー入力で割ることによって求められます。暖房および冷房におけるヒートポンプの効率を表現するために使用できる COP とは異なり、EER は定常状態の冷却効率を記述することに厳密に関連付けられています。

季節パフォーマンス指標: これらの尺度は、季節全体の「実際の」気温の変化を組み込むことにより、暖房または冷房の季節にわたるパフォーマンスをより正確に推定できるように設計されています。

季節指標には次のものが含まれます。

暖房季節パフォーマンス係数 (HSPF): HSPF は、同じ期間に使用される総エネルギー (ワット数) に対する、暖房シーズン全体にわたってヒートポンプが建物に供給するエネルギー (Btu 単位) の比率です。

長期的な気候条件の気象データ特性は、HSPF を計算する際の暖房季節を表すために使用されます。ただし、この計算は通常、単一の地域に限定されており、カナダ全土のパフォーマンスを完全には表していない可能性があります。一部のメーカーは、リクエストに応じて別の気候地域用の HSPF を提供できます。ただし、通常、HSPF は米国中西部と同様の気候を表す地域 4 で報告されます。リージョン 5 は、ブリティッシュコロンビア州の内陸部からニューブランズウィック州まで脚注 1 まで、カナダの州の南半分の大部分をカバーします。

季節エネルギー効率比 (SEER): SEER は、冷房シーズン全体にわたるヒートポンプの冷却効率を測定します。これは、冷房期間中に提供される合計冷房量 (Btu 単位) を、その期間中にヒートポンプによって使用される合計エネルギー (ワット時単位) で割ることによって求められます。 SEER は、夏の平均気温 28°C の気候に基づいています。

ヒートポンプシステムの重要な用語

ヒートポンプを調査する際に遭遇する可能性のある一般的な用語をいくつか紹介します。

ヒートポンプシステムコンポーネント

冷媒はヒートポンプ内を循環する流体であり、熱の吸収、輸送、放出を繰り返します。流体は、その場所に応じて、液体、気体、または気体と蒸気の混合物になります。

逆転弁は、ヒートポンプ内の冷媒の流れの方向を制御し、ヒートポンプを暖房モードから冷房モードに、またはその逆に切り替えます。

コイルは、ソース/シンクと冷媒の間で熱伝達が行われるチューブのループです。チューブには、熱交換に利用できる表面積を増やすためのフィンが付いている場合があります。

蒸発器は、冷媒が周囲から熱を吸収し、沸騰して低温の蒸気になるコイルです。冷媒が逆転バルブからコンプレッサーに流れるとき、アキュムレーターは気体に蒸発しなかった余分な液体を収集します。ただし、すべてのヒートポンプにアキュムレータが搭載されているわけではありません。

コンプレッサーは冷媒ガスの分子を圧縮し、冷媒の温度を上昇させます。このデバイスは、ソースとシンクの間で熱エネルギーを伝達するのに役立ちます。

コンデンサーは、冷媒が周囲に熱を放出して液体になるコイルです。

膨張装置は、コンプレッサーによって生成された圧力を下げます。これにより温度が下がり、冷媒は低温の蒸気と液体の混合物になります。

室外機は、空気熱源ヒートポンプによって室外空気との間で熱がやり取りされる場所です。このユニットには通常、熱交換器コイル、コンプレッサー、膨張弁が含まれています。見た目も動作もエアコンの室外機と同じです。

屋内コイルは、特定のタイプの空気熱源ヒートポンプにおいて、屋内空気との間で熱が伝達される場所です。一般に、室内ユニットには熱交換器コイルが含まれており、加熱または冷却された空気を占有空間に循環させる追加のファンも含まれる場合があります。

プレナムはダクト設備でのみ見られ、空気分配ネットワークの一部です。プレナムは、家中に加熱または冷却された空気を分配するシステムの一部を形成する空気コンパートメントです。これは通常、熱交換器のすぐ上または周囲の大きなコンパートメントです。

その他の規約

容量または電力使用量の測定単位:

Btu/h、つまり英国熱量単位は、暖房システムの熱出力を測定するために使用される単位です。 1 Btu は、典型的な誕生日のろうそくから発せられる熱エネルギーの量です。この熱エネルギーが 1 時間にわたって放出されると、1 Btu/h に相当します。
1 kW (キロワット) は 1000 ワットに相当します。これは 100 ワットの電球 10 個に必要な電力量です。
トンはヒートポンプの能力の尺度です。これは 3.5 kW または 12,000 Btu/h に相当します。

空気熱源ヒートポンプ

空気熱源ヒートポンプは、暖房モードでは屋外の空気を熱エネルギー源として使用し、冷房モードではエネルギーを排出するシンクとして使用します。これらのタイプのシステムは、通常、次の 2 つのカテゴリに分類できます。

空気-空気ヒートポンプ。これらのユニットは家の中の空気を加熱または冷却し、カナダにおける空気熱源ヒートポンプ統合の大部分を占めています。インストールのタイプに応じてさらに分類できます。

ダクト付き: ヒートポンプの屋内コイルはダクト内にあります。空気はコイルを通過することで加熱または冷却されてから、ダクトを介して家のさまざまな場所に分配されます。
ダクトレス：ヒートポンプの室内コイルを室内機内に設置。これらの室内機は通常、占有空間の床または壁に設置され、その空間の空気を直接加熱または冷却します。これらの単位の中には、ミニ分割とマルチ分割という用語が表示される場合があります。
- ミニスプリット: 1 台の室内ユニットが家の中に設置され、1 台の室外ユニットが電力を供給します。
- マルチスプリット：家に複数の室内ユニットがあり、1 台の室外ユニットで電力を供給します。

空気-空気システムは、内部と外部の温度差が小さいほど効率が高くなります。このため、空気-空気ヒートポンプは一般に、より大量の暖かい空気を供給し、その空気をより低い温度 (通常は 25 ～ 45°C) に加熱することで効率を最適化しようとします。これは、供給する空気量は少ないものの、その空気を高温 (55°C ～ 60°C) に加熱する炉システムとは対照的です。炉からヒートポンプに切り替える場合は、新しいヒートポンプを使い始めるときにこのことに気づくかもしれません。

空気水ヒートポンプ: カナダではそれほど一般的ではありませんが、空気水ヒートポンプは水を加熱または冷却し、低温ラジエーター、輻射床、ファンコイルユニットなどの温水 (水ベース) 分配システムを備えた家庭で使用されます。暖房モードでは、ヒートポンプが温水システムに熱エネルギーを供給します。冷房モードではこのプロセスが逆になり、熱エネルギーが温水システムから抽出されて屋外の空気に排出されます。

温水システムの動作温度は、空気水ヒートポンプを評価する際に重要です。空気水ヒートポンプは、水をより低い温度、つまり 45 ～ 50°C 未満に加熱するときにより効率的に動作するため、輻射床やファンコイルシステムに適しています。 60°C を超える水温を必要とする高温ラジエーターでの使用を検討する場合、これらの温度は一般にほとんどの住宅用ヒートポンプの制限を超えるため、注意が必要です。

空気熱源ヒートポンプの主な利点

空気熱源ヒートポンプを設置すると、さまざまなメリットが得られます。このセクションでは、空気源ヒートポンプが家庭のエネルギー使用量にどのようなメリットをもたらすかを検討します。

効率

空気源ヒートポンプを使用する主な利点は、炉、ボイラー、電気ベースボードなどの一般的なシステムと比較して、暖房効率が高いことです。 8°C では、空気熱源ヒートポンプの成績係数 (COP) は通常 2.0 ～ 5.4 の範囲になります。これは、COP が 5 のユニットの場合、ヒートポンプに供給される電力 1 kWh ごとに 5 キロワット時 (kWh) の熱が伝達されることを意味します。外気温度が低下すると、ヒートポンプは屋内と屋外のより大きな温度差で動作する必要があるため、COP は低くなります。 –8°C では、COP は 1.1 ～ 3.7 の範囲になります。

季節ベースでは、市場で入手可能なユニットの暖房季節性能係数 (HSPF) は 7.1 から 13.2 まで変化します (地域 V)。これらの HSPF の推定値はオタワと同様の気候の地域のものであることに注意することが重要です。実際の節約額は、ヒートポンプの設置場所によって大きく異なります。

省エネ

ヒートポンプの効率が向上すると、エネルギー使用量が大幅に削減されます。実際の住宅の節約額は、地域の気候、現在のシステムの効率、ヒートポンプのサイズと種類、制御戦略など、多くの要因によって異なります。多くのオンライン計算ツールを利用して、特定のアプリケーションでどの程度のエネルギー節約が期待できるかを簡単に見積もることができます。 NRCan の ASHP-Eval ツールは無料で利用でき、設置業者や機械設計者が状況についてアドバイスするために使用できます。