なぜヒートポンプは家庭の空調管理に最適な選択肢として推奨されるのか？

ヒートポンプは、エネルギー消費、費用、排出量を減らせる可能性がある住宅の冷暖房方式です。氷点下でも動作し、寒冷地向けの一部機種は−25℃（−13°F）まで暖房できます。実際の能力と効率は機種や設置条件によって異なります。

ヒートポンプとは何か？

ヒートポンプは熱を移動させる装置です。燃料の燃焼や電気抵抗だけで熱を作る代わりに、周囲の熱を利用します。冬は外気、地中、水などから熱を取り込みます。冷房に対応する可逆式システムは夏に循環方向を切り替え、室内を冷やします。

ヒートポンプの魅力

利点は環境面に限りません。高いエネルギー効率は光熱費の削減につながり、同じ設備で冷暖房できれば年間を通じた快適性も得られます。実際の節約額は建物、気候、エネルギー料金によって変わります。

効率性

成績係数COPは、供給した熱量と使用した電力の比率です。COPが2～4なら、電力1単位に対して熱を2～4単位供給します。周囲から取り込んだエネルギーも移動させるためです。COPはさらに高い場合もあり、運転条件によって変化します。
電気抵抗ヒーターのCOPは約1です。一方、ガス暖房機の年間燃料利用効率AFUEは100％未満です。一般的には約80～95％で、一部の高効率機は約98.5％に達します。

エネルギー源のコスト

節約額は地域の電気、天然ガス、その他の燃料価格に左右されます。電気が安くガスが高ければヒートポンプに有利です。ガスが安い地域では費用面の利点が小さくなる場合があります。利用できる熱1kWh当たりの費用などで比較する必要があります。

気候

従来の空気熱源ヒートポンプは温暖な気候を得意としていました。可変速圧縮機などを備えた寒冷地向け機種は低温でも運転できます。補助暖房の必要性は、建物の熱損失、設備容量、地域の最低気温でその機種が発揮する能力によって決まります。

一つのシステムで冷暖房

可逆式ヒートポンプは冷房にも対応します。別々の暖房設備と冷房設備を一つにまとめられますが、節約効果は比較する機器によって異なります。

長期的な節約

初期費用は従来方式の一部より高い場合があります。それでも効率向上によって運転費が下がれば、時間をかけて投資の一部を回収できる可能性があります。

コスト削減

特に電気抵抗暖房や高価な燃料を置き換える場合、エネルギー消費と料金を減らせます。補助金や税制優遇も、要件を満たす場合には採算性を改善します。

環境への影響

電気式ヒートポンプは住宅内での燃料使用を減らせます。ただし総排出量は、発電方法、効率、製造、冷媒漏えいにも左右され、エネルギー使用だけから生じるわけではありません。
国際エネルギー機関IEAは2022年、分析した政策シナリオにおいて、ヒートポンプの普及が2030年の世界の年間排出量を少なくとも5億トンのCO₂相当分減らす可能性があると推計しました。これはシナリオ上の潜在量で、すでに達成された削減ではありません。

続く技術開発

研究者はヒートポンプの設計や制御に人工知能も活用しています。一例がフラウンホーファーISEのAI4HPプロジェクトです。目的には次の内容が含まれていました。

変化する環境に合わせて運転を調整し、エネルギー効率と快適性を改善するとともに、故障検知と診断で保守を支援するスマートヒートポンプの開発。

研究目標は、快適性を損なわずエネルギーを最大20％節約し、排出量も減らすことでした。すべての設備で保証された効果ではありません。

ヒートポンプはどのように機能するか？

ヒートポンプは熱移動と冷凍サイクルを利用します。閉じた回路内の冷媒が圧力、温度、状態を変えながら、二つの環境の間で熱を運びます。

暖房運転では、圧縮機が気体の冷媒を圧縮し、圧力と温度を上げます。高温の気体は熱交換器である凝縮器を通り、室内の空気や暖房用水に熱を渡して液体になります。

高圧の液体は膨張弁を通過します。圧力と温度が下がり、一部が蒸発して、低温の液体と蒸気の混合物になります。

混合物は蒸発器で外気などの熱源から熱を吸収します。残った液体が蒸発し、気体が圧縮機へ戻ることでサイクルが繰り返されます。

高効率の理由は熱を移動させることにあります。供給する熱のすべてを消費電力だけから作るわけではありません。電力は圧縮機、ファン、必要に応じた循環ポンプや補助機器を動かします。供給熱には周囲から得たエネルギーも含まれるため、COPは1を超えます。

可逆式システムは冷房時に循環方向を切り替えます。室内から熱を取り込み屋外へ放出するため、同じ設備で冷暖房できます。

ヒートポンプのさまざまなタイプ

同じ基本原理を、異なる熱源や設置方式に適用したさまざまな種類があります。選択は気候、建物、利用可能な場所によって変わります。

熱源

• 地中:地中熱ヒートポンプは地面から熱を取り込みます。比較的安定した地中温度が高効率に役立ちます。
• 外気:最も一般的な方式で、外気から熱を取り込みます。通常は地中配管を使う設備より設置しやすい方式です。
• 水:適した設備では湖や井戸などを熱交換に利用できます。

設置

• ダクト式:住宅の空気ダクトに接続して、集中式の暖房と冷房を提供します。
• ダクト不要のミニスプリット:ダクトがない住宅に適し、部屋や区域ごとに温度を調整できます。

気候

• 寒冷気候:寒冷地向け機種は可変速圧縮機などを使用します。地域の気温での能力と効率を確認する必要があります。
• 温暖気候:標準機種は、比較的温暖な地域の一般的な冷暖房需要に対応します。

政府の取り組み

2023年にはカナダと米国が住宅の省エネルギー改修を支援していました。カナダにはCanada Greener Homes Grantと州の制度がありました。米国の該当する連邦税額控除は2023年から、要件を満たすヒートポンプ費用の30％、最大2,000ドルを対象としていました。ENERGY STARは機種のエネルギー性能や適格性を判断する目安となっていました。

業界の主要企業

多くの企業がヒートポンプを製造しています。以下は関連製品を扱う主な上場企業です。ほかにもLGエレクトロニクス、パナソニック、三菱などが製造しています。

*以下の市場数値は原文が書かれた2023年当時のもので、現在の相場ではありません。時価総額と1株当たり利益は米ドル建てです。*

1.  Carrier Global Corporation

CARR 価格チャート

Carrierは、ヒートポンプを含む暖房、換気、空調システムを開発・製造しています。住宅と商業施設向けに幅広い製品を提供し、革新性、持続可能性、エネルギー効率を重視するHVAC業界の主要企業です。

2.  Lennox International, Inc.

LII 価格チャート

Lennox International (LII )は、高効率ヒートポンプを含む暖房・換気・空調システムの主要メーカーです。技術、信頼性、省エネルギー性能を重視し、住宅市場と商業市場に製品を供給しています。

3. Trane Technologies plc

TT 価格チャート

Trane Technologies (TT )は、ヒートポンプを含む暖房、冷房、換気システムを世界で提供しています。住宅と商業施設向け製品の耐久性と効率を重視し、環境負荷を抑えながら利用者の快適性を高める設計に取り組んでいます。

まとめ

ヒートポンプは、特に供給する有効熱量当たりの費用が代替方式より低い場合、効率的な冷暖房の選択肢になります。経済面と環境面の成果は設置、建物、気候、エネルギー価格に依存します。寒冷地向け技術や適切な支援制度は、その魅力を高める可能性があります。

社会がより持続可能な暮らしへ移行するなかで、ヒートポンプもその転換に貢献できます。