読書ガイド
ヒートポンプは最近、特にヨーロッパで大流行しており、一部の国では化石燃料ストーブやボイラーの設置を禁止し、エネルギー効率の高いヒートポンプなどのより環境に優しい選択肢を導入する動きが出ています。（炉は空気を熱し、パイプを通して家中に送り届けます。一方、ボイラーは水を熱し、温水や蒸気で暖房します。）今年、米国政府はヒートポンプの設置に対する税制優遇措置を開始しました。ヒートポンプは従来の炉よりも初期費用は高額になる傾向がありますが、長期的にははるかに効率的です。
新エネルギー車の分野では、バッテリー容量の限界から、業界はヒートポンプに注目するようになりました。そこで、ヒートポンプとは何か、そしてその機能を改めて理解する良い機会かもしれません。
最も一般的なヒートポンプのタイプは何ですか?
最近の話題を考えると、すでにヒートポンプおそらく、家にも車にも複数台あるでしょう。ただ、ヒートポンプとは呼ばず、「冷蔵庫」や「エアコン」と呼ぶでしょう。
実は、これらの機械はヒートポンプ、つまり比較的冷たい場所から比較的熱い場所へ熱を移動させる機械です。熱は熱い場所から冷たい場所へ自然に流れます。しかし、冷たい場所から熱い場所へ熱を移したい場合、「ポンプ」する必要があります。最も分かりやすい例えは、水です。水は本来は丘を流れ下りますが、丘を上るにはポンプで汲み上げる必要があります。
何らかの冷蔵施設（空気、水など）に含まれる熱を温蔵施設に送り込むと、冷蔵施設は冷え、温蔵施設は熱くなります。冷蔵庫やエアコンはまさにこの仕組みで、熱を必要のない場所から別の場所へ移動させているのです。そのため、多少の熱の無駄は気になりません。
ヒートポンプを使った実用的なチラーの作り方は？
重要な洞察はヒートポンプ 19世紀初頭、ジェイコブ・パーキンスを含む多くの発明家が、冷却のために蒸発した揮発性液体を無駄にすることなく、この方法で冷却できることに気づきました。彼らは、これらの蒸気を大気中に放出する代わりに、集めて液体に凝縮し、その液体を冷却剤として再利用する方がよいと主張しました。
冷蔵庫やエアコンはまさにそのためのものです。液体冷媒を蒸発させ、その冷たい蒸気を使って冷蔵庫や車内の熱を吸収します。そして、そのガスを圧縮し、再び液体に戻ります。この液体は元の状態よりも高温になっているため、保持している熱の一部は（場合によってはファンの助けを借りて）容易に周囲の環境（屋外やキッチンなど）に放出されます。
そうは言っても、あなたはヒートポンプについて非常によくご存知です。ただ、それをエアコンや冷蔵庫と呼び続けているだけです。
さて、もう一つ思考実験をしてみましょう。窓用エアコンをお持ちなら、実際に実験してみるのも良いでしょう。逆向きに設置します。つまり、操作パネルを窓の外に設置します。涼しく乾燥した天候の時に試してみましょう。何が起こるでしょうか？
ご想像の通り、裏庭に冷たい空気を吹き込み、家の中に熱を放出します。つまり、熱を運び続け、家の中を暖めてより快適な空間にしてくれます。確かに外の空気は冷やされますが、窓から離れるとその効果は最小限に抑えられます。
家を暖めるヒートポンプが完成しました。これが最善策ではないかもしれませんヒートポンプですが、ちゃんと使えます。しかも夏になったら逆さまにしてエアコンとしても使えます。
もちろん、実際にそうするのはやめましょう。もし試しても、最初の雨でコントローラーに水が入ってしまうと、間違いなく故障してしまいます。代わりに、同じ原理で家を暖める市販の「空気熱源」ヒートポンプを購入しましょう。
もちろん、問題はウォッカが高価なので、ワインを冷やすのにウォッカを使うとすぐになくなってしまうことです。たとえウォッカの代わりに安価な消毒用アルコールを使ったとしても、すぐに出費に文句を言うようになるでしょう。
これらの装置の中には、いわゆるリバースバルブを備えたものがあり、これにより同じ装置で二重の役割を果たすことができます。つまり、以下に説明するように、外部から熱を送り込むことも、内部から熱を送り出すこともできるため、暖房と空調の両方を提供できます。
なぜヒートポンプは電気ヒーターよりも効率的なのでしょうか?
ヒートポンプは熱を発生させるのに電気を必要としないため、電気ヒーターよりも効率的です。ヒートポンプ確かに熱は発生しますが、それよりも重要なのは、屋外の熱を家の中に送り込むことです。家の中に放出される熱と電動コンプレッサーに送られるエネルギーの比率は、成績係数（COP）と呼ばれます。
電気加熱素子によって生成された熱をすべて供給する単純な電気暖房機の COP は 1 です。一方、ヒートポンプの COP は 1 桁高くなることがあります。
しかし、ヒートポンプのCOPは固定値ではありません。熱が送り出される2つの貯水槽の温度差に反比例します。つまり、それほど冷たくない貯水槽からそれほど暑くない建物に熱を送り出す場合、COPは大きくなり、ヒートポンプの電力利用効率が非常に高いことを意味します。しかし、非常に冷たい貯水槽からすでに暖かい建物に熱を送り出そうとすると、COPは低下し、効率が低下します。
結果は直感的に予想通りです。つまり、屋外の熱貯蔵庫として見つけられる最も暖かいものを使用するのが最善です。
外気を蓄熱体として利用する空気熱源ヒートポンプは、冬の暖房シーズン中は外気が非常に冷たいため、この点では最悪の選択肢です。地中熱ヒートポンプ（地熱ヒートポンプとも呼ばれます）は、冬でも中深部の地中はかなり暖かいため、より優れた選択肢となります。
ヒートポンプに最適な熱源は何ですか?
地中熱源の問題ヒートポンプ問題は、この地中にある熱源にアクセスする方法が必要だということです。家の周りに十分なスペースがあれば、溝を掘り、数メートルといった適切な深さにパイプを複数埋めることができます。そして、これらのパイプに液体（通常は水と不凍液の混合液）を循環させ、地面から熱を吸収します。あるいは、地面に深い穴を掘り、そこに垂直にパイプを設置する方法もあります。ただし、いずれの方法も費用がかかります。
幸運な少数の人々が利用できるもう一つの戦略は、近くの水域から熱を抽出することです。これは、パイプを一定の深さまで水中に沈め、そこから熱を取り出すというものです。これは水熱源ヒートポンプと呼ばれます。中には、建物から排出される空気や太陽熱温水から熱を取り出すという、より珍しい方法を採用したヒートポンプもあります。
極寒の気候では、可能であれば地中熱ヒートポンプを設置するのが理にかなっています。スウェーデン（人口一人当たりのヒートポンプ数が最も多い国の一つ）では、ほとんどのヒートポンプが地中熱ヒートポンプであるのは、おそらくこのためです。しかし、スウェーデンでさえ空気熱ヒートポンプの割合が高く、ヒートポンプは温暖な気候の住宅暖房にしか適していないという一般的な主張（少なくとも米国では）を覆しています。
したがって、どこに住んでいても、高額な初期費用を負担できるのであれば、次に家の暖房方法を決めるときには、従来のストーブやボイラーではなく、ヒートポンプの使用を検討してください。
投稿日時: 2023年10月19日