ニュース - ヒートポンプによる冷暖房

暖房サイクル中、熱は屋外の空気から取り込まれ、屋内に「汲み上げ」られます。

まず、液体冷媒が膨張装置を通過し、低圧の液体/蒸気混合物に変化します。その後、蒸発器コイルとして機能する屋外コイルに送られます。液体冷媒は外気から熱を吸収して沸騰し、低温の蒸気となります。
この蒸気は逆転バルブを通ってアキュムレータに送られ、蒸気がコンプレッサーに入る前に残りの液体が収集されます。次に、蒸気は圧縮されて体積が減少し、加熱されます。
最後に、逆転バルブが高温になったガスを屋内コイル (凝縮器) に送ります。高温ガスからの熱が室内空気に伝達され、冷媒が凝縮して液体になります。この液体は膨張装置に戻り、サイクルが繰り返されます。屋内コイルは炉に近いダクト内に配置されています。

ヒートポンプが外気から家に熱を伝達する能力は、屋外の温度によって異なります。この温度が低下すると、ヒートポンプの熱吸収能力も低下します。多くの空気熱源ヒートポンプ設置の場合、これは、ヒートポンプの暖房能力が住宅の熱損失と等しい温度 (熱平衡点と呼ばれる) が存在することを意味します。この屋外周囲温度を下回ると、ヒートポンプは居住空間を快適に保つために必要な熱の一部しか供給できず、追加の熱が必要になります。

大部分の空気熱源ヒートポンプには最低動作温度があり、それ未満では動作できないことに注意することが重要です。新しいモデルの場合、この範囲は -15°C ～ -25°C になります。この温度を下回ると、建物に暖房を提供するために補助システムを使用する必要があります。

冷却サイクル

夏の間、家を涼しくするには、上記のサイクルを逆にします。ユニットは室内の空気から熱を奪い、外部に排出します。

加熱サイクルと同様に、液体冷媒は膨張装置を通過し、低圧の液体/蒸気混合物に変化します。その後、蒸発器として機能する屋内コイルに送られます。液体冷媒は室内空気から熱を吸収して沸騰し、低温の蒸気となります。
この蒸気は逆転バルブを通ってアキュムレータに送られ、そこで残りの液体が収集され、次にコンプレッサーに送られます。次に、蒸気は圧縮されて体積が減少し、加熱されます。
最後に、高温になったガスは逆転バルブを通って、凝縮器として機能する屋外コイルに送られます。高温ガスからの熱が屋外の空気に伝達され、冷媒が凝縮して液体になります。この液体は膨張装置に戻り、このサイクルが繰り返されます。

冷房サイクル中、ヒートポンプは室内の空気も除湿します。室内コイルの上を通過する空気中の水分はコイルの表面で凝縮し、コイルの底部にある受け皿に集められます。凝縮水排水管はこのパンを家の排水管に接続します。

霜取りサイクル

ヒートポンプが暖房モードで動作しているときに屋外の温度が氷点近くまたは氷点下に低下すると、外側のコイル上を通過する空気中の水分が凝縮して凍結します。霜の降りる量は、屋外の温度と空気中の水分量によって異なります。

この霜の蓄積により、冷媒に熱を伝達するコイルの能力が低下し、コイルの効率が低下します。ある時点で、霜を取り除く必要があります。これを行うために、ヒートポンプは霜取りモードに切り替わります。最も一般的なアプローチは次のとおりです。

まず、逆転バルブが装置を冷却モードに切り替えます。室外コイルに高温のガスを送り、霜を溶かします。同時に、霜を溶かすために必要な熱量を減らすために、通常はコイルに冷気を吹き付ける屋外ファンが停止されます。
これが起こっている間、ヒートポンプはダクト内の空気を冷却します。通常、暖房システムはこの空気を家全体に分散させて暖めます。

ユニットがいつ霜取りモードになるかを決定するために、2 つの方法のいずれかが使用されます。

デマンドフロスト制御は、気流、冷媒圧力、空気またはコイルの温度、屋外コイル間の圧力差を監視して、霜の蓄積を検出します。
時間温度霜取りは、事前に設定されたインターバルタイマーまたは外側コイルにある温度センサーによって開始および終了されます。このサイクルは、気候とシステムの設計に応じて、30、60、または 90 分ごとに開始できます。

不必要な霜取りサイクルにより、ヒートポンプの季節的なパフォーマンスが低下します。その結果、デマンドフロスト方式は、必要な場合にのみ除霜サイクルを開始するため、一般的により効率的です。

補助熱源

空気源ヒートポンプには最低屋外動作温度（-15°C ～ -25°C）があり、非常に低い温度では加熱能力が低下するため、空気源ヒートポンプ動作用の補助加熱源を検討することが重要です。ヒートポンプによる霜取り時には、補助暖房も必要になる場合があります。さまざまなオプションが利用可能です:

全電気式: この構成では、ヒートポンプの動作は、ダクト内に配置された電気抵抗要素または電気ベースボードによって補われます。これらの抵抗要素はヒートポンプほど効率的ではありませんが、暖房を提供する能力は屋外の温度には依存しません。
ハイブリッドシステム: ハイブリッドシステムでは、空気源ヒートポンプは炉やボイラーなどの補助システムを使用します。このオプションは、新規設置に使用できます。また、セントラルエアコンの代わりにヒートポンプを設置する場合など、既存のシステムにヒートポンプを追加する場合にも適したオプションです。

補助熱源を使用するシステムの詳細については、この冊子の最後のセクション「関連機器」を参照してください。そこでは、ヒートポンプの使用と補助熱源の使用の間で移行するようにシステムをプログラムする方法のオプションについて説明しています。

エネルギー効率に関する考慮事項

このセクションの理解を助けるために、HSPF と SEER が表すものについての説明については、ヒートポンプ効率の概要と呼ばれる前のセクションを参照してください。

カナダでは、エネルギー効率規制により、カナダ市場で製品を販売するために達成する必要がある冷暖房の季節的な最小効率が規定されています。これらの規制に加えて、州または準州によってはより厳しい要件が定められている場合があります。

カナダ全体の最小性能と、市販製品の典型的な範囲を、暖房と冷房に関して以下にまとめます。システムを選択する前に、お住まいの地域で追加の規制が実施されているかどうかを確認することも重要です。

冷房の季節パフォーマンス、SEER:

最小SEER (カナダ): 14
市場で入手可能な製品の範囲、SEER: 14 ～ 42

暖房の季節パフォーマンス、HSPF

最小 HSPF (カナダ): 7.1 (リージョン V の場合)
市場で入手可能な製品の範囲、HSPF: 7.1 ～ 13.2 (リージョン V の場合)

注: HSPF 係数は、オタワと同様の気候を持つ AHRI 気候ゾーン V に対して提供されています。実際の季節効率は地域によって異なる場合があります。カナダ地域におけるこれらのシステムのパフォーマンスをより適切に表現することを目的とした新しいパフォーマンス標準が現在開発中です。

実際の SEER または HSPF 値は、主にヒートポンプの設計に関連するさまざまな要因によって異なります。現在の性能は、コンプレッサー技術、熱交換器の設計、冷媒の流れと制御の改良により、過去 15 年間で大幅に進化しました。

シングルスピードおよび可変速ヒートポンプ

効率を考えるときに特に重要なのは、季節ごとのパフォーマンスを向上させる新しいコンプレッサー設計の役割です。通常、最小規定の SEER および HSPF で動作するユニットは、シングルスピードヒートポンプを特徴としています。現在、システムの容量を変化させて、その時々の住宅の冷暖房需要にさらに適合するように設計された、速度可変の空気熱源ヒートポンプが利用可能です。これにより、システムの需要が低い穏やかな条件下を含め、常にピーク効率を維持することができます。

最近では、カナダの寒い気候での動作に適した空気熱源ヒートポンプが市場に導入されました。これらのシステムは、寒冷地用ヒートポンプと呼ばれることが多く、可変容量コンプレッサーと改良された熱交換器の設計および制御を組み合わせて、穏やかな条件下でも高い効率を維持しながら、低温時の暖房能力を最大化します。これらのタイプのシステムは通常、SEER と HSPF の値が高く、一部のシステムでは SEER が最大 42 に達し、HSPF が 13 に近づきます。

認証、規格、および評価尺度

カナダ規格協会 (CSA) は現在、すべてのヒートポンプの電気的安全性を検証しています。性能基準は、ヒートポンプの冷暖房能力と効率を決定するためのテストとテスト条件を指定します。空気源ヒートポンプの性能試験規格は CSA C656 であり、(2014 年現在) ANSI/AHRI 210/240-2008、ユニタリ空調および空気源ヒートポンプ装置の性能評価と調和されています。また、スプリットシステムセントラルエアコンおよびヒートポンプの性能規格である CAN/CSA-C273.3-M91 も置き換えられます。

サイズ設定に関する考慮事項

ヒートポンプシステムのサイズを適切に設定するには、ご家庭の冷暖房のニーズを理解することが重要です。必要な計算を行うために、冷暖房の専門家に依頼することをお勧めします。冷暖房負荷は、CSA F280-12「住宅用冷暖房機器の必要容量の決定」などの認知されたサイジング方法を使用して決定する必要があります。

ヒートポンプシステムのサイジングは、気候、建物の冷暖房負荷、設置の目的 (暖房エネルギーの節約を最大化するか、1 年の特定の期間に既存のシステムを置き換えるなど) に応じて行う必要があります。このプロセスを支援するために、NRCan は空気源ヒートポンプのサイジングと選択ガイドを開発しました。このガイドと付属のソフトウェアツールは、エネルギーアドバイザーおよび機械設計者を対象としており、適切なサイジングに関するガイダンスを提供するために無料で利用できます。

ヒートポンプのサイズが小さい場合、補助暖房システムの使用頻度が高くなります。小型のシステムでも効率的に動作しますが、補助暖房システムの使用率が高いため、期待されるエネルギー節約が得られない可能性があります。

同様に、ヒートポンプが大きすぎる場合、穏やかな条件下での非効率的な動作により、望ましいエネルギー節約が実現できない可能性があります。補助暖房システムの作動頻度は低くなりますが、暖かい周囲条件では、ヒートポンプが過剰な熱を生成し、ユニットがオンとオフを繰り返すため、不快感、ヒートポンプの磨耗、待機電力の消費が生じます。したがって、最適なエネルギー節約を達成するには、暖房負荷とヒートポンプの動作特性をよく理解することが重要です。

その他の選択基準

サイズ設定とは別に、いくつかの追加のパフォーマンス要素を考慮する必要があります。

HSPF: 実用的な限り高い HSPF を持つユニットを選択します。同等の HSPF 定格を持つユニットの場合は、低温定格である –8.3°C での定常状態の定格を確認してください。カナダのほとんどの地域では、より高い値のユニットが最も効率的なユニットになります。
霜取り: デマンド霜取り制御を備えたユニットを選択します。これにより、霜取りサイクルが最小限に抑えられ、補助エネルギーやヒートポンプのエネルギー使用が削減されます。
サウンド評価: サウンドはデシベル (dB) と呼ばれる単位で測定されます。値が低いほど、室外機から発せられる音響パワーは低くなります。デシベルレベルが高いほど、騒音は大きくなります。ほとんどのヒートポンプの騒音定格は 76 dB 以下です。

インストールに関する考慮事項

空気熱源ヒートポンプは、資格のある請負業者によって設置される必要があります。効率的で信頼性の高い動作を確保するために、機器のサイズ設定、設置、メンテナンスについては、地域の冷暖房専門家に相談してください。中央炉の代替または補足としてヒートポンプの導入を検討している場合、ヒートポンプは通常、炉システムよりも高い空気流量で動作することに注意する必要があります。新しいヒートポンプのサイズによっては、騒音やファンのエネルギー消費の増加を避けるためにダクトにいくつかの変更が必要になる場合があります。請負業者は、お客様の具体的なケースについてアドバイスを提供することができます。

空気熱ヒートポンプの設置コストは、システムの種類、設計目的、ご家庭の既存の暖房設備やダクトによって異なります。場合によっては、新しいヒートポンプの設置をサポートするために、ダクトや電気設備への追加の変更が必要になる場合があります。

運用上の考慮事項

ヒートポンプを操作するときは、いくつかの重要な点に注意する必要があります。

ヒートポンプと補助システムの設定値を最適化します。電気補助システム (ダクト内のベースボードや抵抗要素など) がある場合は、補助システムには必ず低い温度設定値を使用してください。これにより、ヒートポンプがご家庭に提供する暖房量が最大化され、エネルギー使用量と光熱費が削減されます。ヒートポンプの加熱温度設定値より 2°C ～ 3°C 低い設定値を推奨します。システムに最適な設定値については、設置業者に相談してください。
効率的な霜取りをセットアップします。霜取りサイクル中に室内ファンをオフにするようにシステムを設定すると、エネルギー使用量を削減できます。これはインストーラによって実行できます。ただし、この設定では解凍に少し時間がかかる場合があることに注意することが重要です。
温度の低下を最小限に抑えます。ヒートポンプは炉システムよりも応答が遅いため、深い温度低下への対応がより困難になります。 2℃以下の緩やかなセットバックを採用するか、セットバックからの回復を見越してシステムを早期にオンにする「スマート」サーモスタットを使用する必要があります。繰り返しますが、システムに最適なセットバック温度については設置請負業者に相談してください。
気流の方向を最適化します。壁掛け室内機をお持ちの場合は、快適さを最大限に高めるために気流の方向を調整することを検討してください。ほとんどのメーカーは、暖房時は空気の流れを下向きに、冷房時は乗員に向けることを推奨しています。
ファン設定を最適化します。また、快適さを最大限に高めるために、必ずファンの設定を調整してください。ヒートポンプから供給される熱を最大化するには、ファン速度を高速または「自動」に設定することをお勧めします。冷却時には、除湿効果を高めるために、ファン速度を「低速」にすることをお勧めします。

メンテナンスに関する考慮事項

ヒートポンプを効率的かつ確実に動作させ、耐用年数を長くするには、適切なメンテナンスが重要です。すべてが正常に動作することを確認するために、資格のある請負業者にユニットの年次メンテナンスを依頼する必要があります。

年次メンテナンス以外にも、信頼性の高い効率的な運用を確保するためにできる簡単なことがいくつかあります。フィルターが詰まると空気の流れが減少し、システムの効率が低下するため、必ず 3 か月ごとにエアフィルターを交換または掃除してください。また、ユニットへの、またはユニットからの空気の流れが不十分だと、機器の寿命が短くなり、システムの効率が低下する可能性があるため、家の通気口やエアレジスターが家具やカーペットでふさがれていないことを確認してください。

運用費用

ヒートポンプの設置によるエネルギーの節約により、月々の光熱費の削減に役立ちます。光熱費の削減を達成できるかどうかは、天然ガスや灯油などの他の燃料と比較した電気料金と、改修用途では交換されるシステムの種類に大きく依存します。

一般にヒートポンプは、システム内のコンポーネントの数により、炉や電気ベースボードなどの他のシステムと比較してコストが高くなります。地域や場合によっては、この追加コストは光熱費の節約によって比較的短期間で回収できます。ただし、他の地域では公共料金の変動によりこの期間が延長される場合があります。請負業者またはエネルギーアドバイザーと協力して、お住まいの地域のヒートポンプの経済性と、達成できる潜在的な節約量の見積もりを得ることが重要です。