ヒートポンプによる冷暖房-その4

暖房サイクルでは、地下水、不凍液混合物、または冷媒（地下配管システムを循環して土壌から熱を奪ったもの）が家の中のヒートポンプユニットに戻されます。 地下水または不凍液混合システムでは、冷媒が充填された一次熱交換器を通過します。 DX システムでは、冷媒は中間熱交換器を使わずに直接コンプレッサーに入ります。

熱は冷媒に伝達され、沸騰して低温の蒸気になります。 開放システムでは、地下水がポンプで汲み出され、池または井戸に排出されます。 閉ループ システムでは、不凍液混合物または冷媒が地下の配管システムにポンプで送り出され、再び加熱されます。

逆転バルブは、冷媒蒸気をコンプレッサーに導きます。 次に、蒸気は圧縮され、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凝縮器コイルに導き、そこでその熱を空気または温水システムに放出して家を暖房します。 熱を放出した冷媒は膨張装置を通過し、そこで温度と圧力がさらに低下してから、最初の熱交換器または DX システムの地面に戻り、サイクルを再開します。

冷却サイクル

「アクティブ冷却」サイクルは、基本的に加熱サイクルの逆です。 冷媒の流れの方向は逆転弁によって変更されます。 冷媒は家の空気から熱を受け取り、DX システム内で、あるいは地下水や不凍液混合物に直接熱を伝えます。 次に、熱は外部、水域または戻り井（開放システムの場合）、または地下配管（閉ループシステムの場合）にポンプで送られます。 この余剰熱の一部は家庭用のお湯の予熱に利用できます。

空気熱源ヒートポンプとは異なり、地中熱源システムは霜取りサイクルを必要としません。 地下の温度は気温よりもはるかに安定しており、ヒートポンプユニット自体は内部にあります。 したがって、霜の問題は発生しません。

システムの部品

地中熱ヒートポンプ システムには、ヒート ポンプ ユニット自体、液体熱交換媒体 (開放システムまたは閉ループ)、および熱からの熱エネルギーを分配する分配システム (空気ベースまたは温水) の 3 つの主要なコンポーネントがあります。建物までポンプで移動します。

地中熱ヒートポンプはさまざまな方法で設計されています。 空気ベースのシステムの場合、内蔵型ユニットはブロワー、コンプレッサー、熱交換器、凝縮器コイルを 1 つのキャビネットに組み合わせています。 分割システムでは、コイルを強制空気炉に追加し、既存のブロワーと炉を使用できます。 温水システムの場合、ソースとシンクの両方の熱交換器とコンプレッサーが 1 つのキャビネット内にあります。

エネルギー効率に関する考慮事項

空気熱源ヒートポンプと同様に、地中熱源ヒートポンプ システムもさまざまな効率で利用できます。 COP と EER が何を表すかについては、前述の「ヒートポンプ効率の概要」セクションを参照してください。 市場で入手可能なユニットの COP および EER の範囲を以下に示します。

地下水または開ループ用途

暖房

• 最小加熱COP: 3.6
• レンジ、加熱 市販製品のCOP：3.8～5.0

冷却

• 最小 EER: 16.2
• 市場で入手可能な製品の範囲、EER: 19.1 ～ 27.5

クローズドループアプリケーション

暖房

• 最小加熱COP: 3.1
• 市販品のレンジ、加熱COP：3.2～4​​.2

冷却

• 最小 EER: 13.4
• 市場で入手可能な製品の範囲、EER: 14.6 ～ 20.4

各タイプの最小効率は、連邦レベルおよび一部の州の管轄区域で規制されています。 地上電源システムの効率は劇的に向上しました。 空気熱源ヒートポンプのメーカーが利用できるコンプレッサー、モーター、制御装置の開発と同じように、地中熱源システムの効率がより高いレベルに達しています。

ローエンド システムでは通常、2 段コンプレッサー、比較的標準サイズの冷媒対空気熱交換器、および特大の表面強化冷媒対水熱交換器が使用されます。 高効率範囲のユニットは、多段または可変速コンプレッサー、可変速室内ファン、またはその両方を使用する傾向があります。 シングルスピードおよび可変速ヒートポンプの説明については、「空気源ヒートポンプ」セクションをご覧ください。

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。 地上電源システムの性能試験規格は、CSA C13256 (二次ループ システム用) および CSA C748 (DX システム用) です。

サイズ設定に関する考慮事項

地中熱交換器がヒートポンプの能力に適切に適合していることが重要です。 バランスが取れておらず、ボアフィールドから引き出されたエネルギーを補充できないシステムは、ヒートポンプが熱を抽出できなくなるまで、時間の経過とともにパフォーマンスが低下し続けます。

空気熱源ヒートポンプ システムと同様に、住宅に必要な熱をすべて供給できるように地上熱源システムのサイズを決めることは一般的に得策ではありません。 費用対効果を高めるために、システムは一般に、家庭の年間暖房エネルギー要件の大部分をカバーできる規模にする必要があります。 厳しい気象条件下で時折発生するピーク暖房負荷には、補助暖房システムを使用することで対応できます。

現在、可変速ファンとコンプレッサーを備えたシステムが利用可能です。 このタイプのシステムは、すべての冷却負荷とほとんどの暖房負荷を低速で満たすことができ、高速は暖房負荷が高い場合にのみ必要となります。 シングルスピードおよび可変速ヒートポンプの説明については、「空気源ヒートポンプ」セクションをご覧ください。

カナダの気候に合わせて、さまざまなサイズのシステムをご用意しています。 住宅用ユニットの定格サイズ (閉ループ冷却) は 1.8 kW ～ 21.1 kW (6 000 ～ 72 000 Btu/h) で、家庭用温水 (DHW) オプションが含まれています。

設計上の考慮事項

空気源ヒートポンプとは異なり、地中熱ヒートポンプでは、地下で熱を収集して放散するために地中熱交換器が必要です。

オープンループシステム

オープンシステムでは、従来の井戸からの地下水を熱源として使用します。 地下水は熱交換器にポンプで送られ、そこで熱エネルギーが抽出され、ヒートポンプの供給源として使用されます。 熱交換器を出た地下水は帯水層に再注入されます。

使用済み水を放出するもう 1 つの方法は、水を地面に戻す 2 番目の井戸である除去井戸を使用することです。 除去井戸は、ヒートポンプを通過したすべての水を処理するのに十分な容量を備えている必要があり、資格のある井戸掘削業者が設置する必要があります。 追加の既存の井戸がある場合は、ヒート ポンプ請負業者に井戸掘削業者を依頼して、それが除去井戸としての使用に適しているかどうかを確認する必要があります。 使用するアプローチに関係なく、システムは環境へのダメージを防ぐように設計される必要があります。 ヒートポンプは単に水に熱を取り除いたり、水に加えたりするだけです。 汚染物質は添加されていません。 環境に戻される水の唯一の変化は、温度のわずかな上昇または低下です。 お住まいの地域のオープンループシステムに関する規制や規則を理解するには、地方自治体に確認することが重要です。

ヒートポンプユニットのサイズとメーカーの仕様によって、オープンシステムに必要な水の量が決まります。 特定のモデルのヒートポンプに必要な水量は通常、リットル/秒 (L/s) で表され、そのユニットの仕様に記載されています。 容量 10 kW (34 000 Btu/h) のヒート ポンプは、動作中に 0.45 ～ 0.75 L/s を消費します。

井戸とポンプの組み合わせは、家庭用水の要件に加えて、ヒートポンプに必要な水を供給できる十分な大きさである必要があります。 ヒートポンプに適切な水を供給するには、圧力タンクを拡大するか、配管を変更する必要がある場合があります。

水質が悪いと、開放システムでは深刻な問題が発生する可能性があります。 ヒートポンプ システムの供給源として、泉、池、川、湖の水を使用しないでください。 粒子やその他の物質によりヒートポンプ システムが詰まり、短期間で動作不能になる可能性があります。 また、ヒートポンプを設置する前に、水の酸性度、硬度、鉄分含有量を検査する必要があります。 請負業者または機器メーカーは、許容される水質レベルと、どのような状況で特殊な熱交換器材料が必要になるかを教えてくれます。

オープン システムのインストールには、多くの場合、地域のゾーニング法やライセンス要件が適用されます。 お住まいの地域に制限が適用されているかどうかについては、地方自治体に問い合わせてください。

閉ループシステム

閉ループ システムは、埋設されたプラスチック パイプの連続ループを使用して、地面自体から熱を取り出します。 DX システムの場合は銅管が使用されます。 パイプは屋内ヒートポンプに接続され、不凍液または冷媒が循環する密閉された地下ループを形成します。 開放システムでは井戸から水を排水しますが、閉ループ システムでは加圧パイプ内で不凍液を再循環させます。

パイプは、次の 3 種類の配置のいずれかで配置されます。

• 垂直: 垂直閉ループ配置は、敷地スペースが限られているほとんどの郊外の住宅に適した選択です。 配管は、土壌の状態とシステムのサイズに応じて、直径 150 mm (6 インチ) の掘削穴に 45 ～ 150 m (150 ～ 500 フィート) の深さまで挿入されます。 U 字型のパイプのループが穴に挿入されます。 DX システムでは穴の直径を小さくできるため、穴あけコストを削減できます。
• 対角線 (角度付き): 対角線 (角度付き) 閉ループ配置は、垂直閉ループ配置と似ています。 ただし、ボーリング穴は斜めになっています。 このタイプの配置は、スペースが非常に限られており、アクセスが 1 か所に制限されている場合に使用されます。
• 水平型: 水平型の配置は、不動産が大きい田舎地域でより一般的です。 パイプは、トレンチ内のパイプの数に応じて、通常、深さ 1.0 ～ 1.8 m (3 ～ 6 フィート) のトレンチに配置されます。 一般に、ヒートポンプ容量 1 トンあたり、120 ～ 180 m (400 ～ 600 フィート) のパイプが必要です。 たとえば、断熱性の高い 185 m2 (2000 平方フィート) の住宅には、通常 3 トンのシステムが必要で、360 ～ 540 m (1200 ～ 1800 フィート) のパイプが必要です。
  最も一般的な横型熱交換器の設計は、同じトレンチ内に並べて配置された 2 本のパイプです。 他の水平ループ設計では、土地面積が限られている場合、各トレンチに 4 つまたは 6 つのパイプを使用します。 面積が限られている場合に使用されるもう 1 つのデザインは、その形状を表す「スパイラル」です。

選択した配置に関係なく、不凍液システムのすべての配管は、装置の耐用年数にわたって漏れのない接続を確保するために、熱融着ジョイント (バーブフィッティング、クランプ、または接着ジョイントではなく) を備えた少なくともシリーズ 100 のポリエチレンまたはポリブチレンである必要があります。配管。 適切に設置されていれば、これらのパイプは 25 ～ 75 年間持続します。 土壌に含まれる化学物質の影響を受けず、優れた熱伝導特性を備えています。 不凍液は地元の環境当局に受け入れられるものでなければなりません。 DX システムは冷凍グレードの銅チューブを使用します。

垂直のボーリング孔とトレンチが適切に埋め戻され、突き固められている（しっかりと詰め込まれている）限り、垂直ループも水平ループも景観に悪影響を及ぼしません。

水平ループの設置では、幅 150 ～ 600 mm (6 ～ 24 インチ) のトレンチを使用します。 これにより、裸のエリアが残り、草の種や芝生を使用して復元できます。 垂直ループはスペースをあまり必要としないため、芝生へのダメージが少なくなります。

水平および垂直ループは資格のある請負業者によって設置されることが重要です。 プラスチック配管は熱融着する必要があり、ボーリング孔のトレミーグラウト注入などによって良好な熱伝達を確保するために、地面と配管の接触が良好でなければなりません。 後者は、垂直熱交換器システムにとって特に重要です。 設置が不適切な場合、ヒートポンプの性能が低下する可能性があります。

インストールに関する考慮事項

空気熱源ヒートポンプ システムと同様に、地中熱源ヒートポンプも資格のある請負業者によって設計および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保証するための機器の設計、設置、保守については、地元のヒートポンプ請負業者に相談してください。 また、すべての製造元の指示に注意深く従ってください。 すべての設置は、カナダ規格協会によって設定された設置基準である CSA C448 シリーズ 16 の要件を満たしている必要があります。

地上電源システムの総設置コストは、サイト固有の条件によって異なります。 設置費用は集電装置の種類や設備の仕様によって異なります。 このようなシステムの増分コストは、5 年間という短い期間にわたるエネルギーコストの節約によって回収できます。 回収期間は、土壌の状態、冷暖房負荷、HVAC 改修の複雑さ、地域の公共料金、交換される暖房用燃料源などのさまざまな要因によって異なります。 地上電源システムへの投資のメリットを評価するには、電力会社に確認してください。 承認された設置に対して、低コストの融資プランやインセンティブが提供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。

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。
• 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。

メンテナンスに関する考慮事項

システムの効率性と信頼性を維持するには、資格のある請負業者に年に 1 回年次メンテナンスを依頼する必要があります。

空気ベースの分配システムを使用している場合は、3 か月ごとにフィルターを交換または清掃することで、より効率的な運用をサポートすることもできます。 また、通気口やレジスターが、空気の流れを妨げる家具、カーペット、その他の物で塞がれていないことも確認する必要があります。

運用費用

地上電源システムの運用コストは、燃料が節約できるため、通常、他の暖房システムよりも大幅に低くなります。 資格のあるヒートポンプ設置業者は、特定の地上電源システムが使用する電力量に関する情報を提供できるはずです。

相対的な節約額は、現在電気、石油、天然ガスのいずれを使用しているか、およびお住まいの地域のさまざまなエネルギー源の相対コストによって異なります。 ヒートポンプを稼働させると、ガスや石油の使用量は減りますが、電気の使用量は増えます。 電気代が高い地域にお住まいの場合、運用コストが高くなる可能性があります。

期待寿命と保証

地中熱ヒートポンプの平均寿命は一般に約20～25年です。 これは、コンプレッサーの熱的および機械的ストレスが少なく、環境から保護されているため、空気源ヒートポンプよりも高くなります。 グランドループ自体の寿命は 75 年に近づきます。

ほとんどの地中熱利用ヒートポンプ ユニットは、部品と修理に関して 1 年間の保証が付いており、一部のメーカーは延長保証プログラムを提供しています。 ただし、保証内容はメーカーによって異なりますので、必ず詳細をご確認ください。

関連機器

電気サービスのアップグレード

一般に、空気源追加ヒートポンプを設置する場合、電力サービスをアップグレードする必要はありません。 ただし、サービスの使用年数と家の総電気負荷により、アップグレードが必要になる場合があります。

全電気式空気熱源ヒートポンプまたは地中熱源ヒートポンプの設置には、通常、200 アンペアの電力供給が必要です。 天然ガスまたは燃料油ベースの暖房システムから移行する場合は、電気パネルのアップグレードが必要になる場合があります。

補助暖房システム

空気熱源ヒートポンプシステム

空気熱源ヒートポンプには最低屋外動作温度があり、非常に低い温度では加熱能力の一部が失われる可能性があります。 このため、ほとんどの空気源設備では、最も寒い日でも室内温度を維持するために補助的な加熱源が必要です。 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。

ほとんどの空気源システムは、設置業者が設定できる次の 3 つの温度のいずれかで停止します。

• 熱平衡点: この温度を下回ると、ヒート ポンプだけでは建物の暖房ニーズを満たすのに十分な能力が得られなくなる温度。
• 経済的バランスポイント: 電気と補助燃料 (天然ガスなど) の比率がこの温度を下回ると、補助システムを使用した方がコスト効率が高いことを意味します。
• カットオフ温度: ヒートポンプの最低動作温度。

ほとんどの補助システムは、次の 2 つのカテゴリに分類できます。

• 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。
  これらのタイプのシステムは、熱的または経済的バランス ポイントに応じて、ヒート ポンプと補助的な動作の間の切り替えをサポートします。
  これらのシステムは、ヒート ポンプと同時に実行することはできません。ヒート ポンプが動作するか、ガス/石油炉が動作するかのどちらかです。
• 全電気システム: 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。
  これらのシステムはヒートポンプと同時に実行できるため、バランスポイントまたはカットオフ温度制御戦略に使用できます。

屋外温度センサーは、温度が事前に設定された制限値を下回るとヒートポンプを停止します。 この温度を下回ると、補助暖房システムのみが作動します。 センサーは通常、経済的バランスポイントに対応する温度、またはヒートポンプの代わりに補助暖房システムを使用して暖房した方が安価な屋外温度になると停止するように設定されています。

地中熱ヒートポンプシステム

地上電源システムは屋外の温度に関係なく動作し続けるため、同様の動作制限を受けません。 補助暖房システムは、地上熱源ユニットの定格容量を超える熱のみを提供します。

サーモスタット

従来のサーモスタット

ほとんどのダクト付き住宅用シングルスピード ヒート ポンプ システムには、「2 段階加熱/1 段階冷却」屋内サーモスタットが設置されています。 第 1 段階では、温度が事前設定レベルを下回った場合にヒートポンプからの熱を要求します。 第 2 段階では、室内温度が希望温度を下回り続ける場合に補助暖房システムからの熱を要求します。 ダクトレス住宅用空気源ヒートポンプは、通常、単段加熱/冷却サーモスタット、または多くの場合、ユニットに付属のリモコンで設定される内蔵サーモスタットとともに設置されます。

使用されるサーモスタットの最も一般的なタイプは、「設定したら忘れる」タイプです。 希望の温度を設定する前に、設置業者がお客様と相談します。 これが完了すると、サーモスタットのことは忘れることができます。 システムを暖房モードから冷房モードに、またはその逆に自動的に切り替えます。

これらのシステムで使用される屋外サーモスタットには 2 つのタイプがあります。 最初のタイプは、電気抵抗補助加熱システムの動作を制御します。 電気炉で使用されるサーモスタットと同じタイプです。 外気温が徐々に低下するにつれて、さまざまな段階のヒーターをオンにします。 これにより、屋外の状況に応じて適切な量の補助熱が提供されるため、効率が最大化され、コストが節約されます。 2 番目のタイプは、屋外温度が指定レベルを下回った場合に、単純に空気熱源ヒートポンプを停止します。

サーモスタットのセットバックにより、ヒートポンプ システムでは従来の暖房システムと同様の利点が得られない可能性があります。 セットバックと温度低下の量によっては、ヒートポンプは、温度を所望のレベルに戻すために必要な熱をすぐに供​​給できない場合があります。 これは、ヒートポンプが「追いつく」まで補助暖房システムが動作することを意味している可能性があります。 これにより、ヒートポンプの設置によって達成できると期待されていた節約額が減少します。 温度低下の最小化については、前のセクションの説明を参照してください。

プログラム可能なサーモスタット

プログラム可能なヒートポンプ サーモスタットは、現在、ほとんどのヒートポンプ メーカーおよびその代理店から入手できます。 従来のサーモスタットとは異なり、これらのサーモスタットは、人がいない時間帯や夜間の温度低下を防ぎます。 これはメーカーごとにさまざまな方法で実現されていますが、ヒートポンプは最小限の補助暖房の有無にかかわらず、家を希望の温度レベルに戻します。 サーモスタットのセットバックやプログラム可能なサーモスタットに慣れている人にとって、これは価値のある投資かもしれません。 これらの電子サーモスタットの一部で利用できるその他の機能は次のとおりです。

• プログラム可能な制御により、ユーザーは時間帯や曜日によって自動ヒートポンプまたはファンのみの動作を選択できます。
• 従来のサーモスタットに比べて温度制御が向上しました。
• 電子サーモスタットが必要な場合にのみ追加の暖房を必要とするため、屋外サーモスタットは必要ありません。
• アドオンヒートポンプの屋外サーモスタット制御は必要ありません。

プログラム可能なサーモスタットによる節約は、ヒート ポンプ システムのタイプとサイズに大きく依存します。 可変速度システムの場合、セットバックによりシステムが低速で動作できるようになり、コンプレッサーの摩耗が軽減され、システム効率の向上に役立ちます。

熱分配システム

ヒートポンプ システムは一般に、炉システムと比較して、より低い温度でより大量の空気流を供給します。 そのため、システムの供給空気流量を調査し、それが既存のダクトの空気流量とどのように比較されるかを調べることが非常に重要です。 ヒートポンプの空気流量が既存のダクトの容量を超えると、騒音の問題が発生したり、ファンのエネルギー使用量が増加したりする可能性があります。

新しいヒートポンプ システムは、確立された慣例に従って設計する必要があります。 設置が後付けの場合は、既存のダクト システムが適切であることを確認するために慎重に検査する必要があります。

述べる：

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