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Aug 01, 2023

家庭用電気ヒートポンプは将来のクリーンで環境に優しい技術となる可能性がある

Credito: DANA SMITH Le pompe di calore forniscono un metodo di riscaldamento ecologico ed efficace.

クレジット: デイナ・スミス

ヒートポンプは、化石燃料ではなく電気を使用して家庭を暖房する環境に優しい効果的な方法を提供します。 新しい設計により、効率が向上し、より多くの条件に適したものになりました。

革新的な考え方により、電気機器に長年付きまとっていた問題が解決されました。科学者も環境活動家もその可能性に興奮しています。

Chris Baraniuk 著 2023/01/11

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これは Zhibiin Yu を何年も悩ませていたエンジニアリングの問題でした。しかし今、彼にはそれを解決する絶好のチャンスが訪れました。 新型コロナウイルス感染症パンデミックによる最初のイギリスのロックダウン中、家に閉じこもっていた熱エンジニアは、突然ヒートポンプの効率を改良するのに必要な時間をすべて手に入れた。ヒートポンプとは、その名が示すとおり、熱を屋外から家庭に移動させる電気機器である。 。

ポンプはガスヒーターよりもはるかに効率的ですが、空気から熱を吸収する標準モデルは氷ができやすく、効率が大幅に低下します。

英国のグラスゴー大学で働くユウ氏は、この問題について数週間考えた。 彼は論文を次々と読みました。 そして彼はアイデアを思いつきました。 ほとんどのヒートポンプは、生成する熱の一部を無駄にします。そして、その廃熱を捕捉して転用できれば、霜取りの問題を解決し、ポンプの全体的なパフォーマンスを向上できる可能性があることに彼は気づきました。 「熱を回復する解決策を突然見つけました」と彼は思い出します。 「本当に素晴らしい瞬間でした。」

Yu 氏のアイデアは、200 年前のヒートポンプ技術を現在よりもさらに効率的にすることを目的とした最近のイノベーションの 1 つであり、世界中でヒートポンプの導入がさらに進む可能性があります。 国際エネルギー機関 (IEA) によると、現在までに世界中の暖房要件のうち、ヒートポンプによって満たされているのはわずか約 10% です。 しかし、現在のエネルギー危機と、気候変動と戦うために化石燃料の消費量を削減する圧力が高まっているため、これらのデバイスはおそらくこれまで以上に重要になっています。

2020 年のロックダウンに関するブレーンストーミング以来、ユウ氏と同僚は、残った熱を小さな水タンクに蓄えるヒートポンプの実用的なプロトタイプを構築してきました。 2022 年の夏に発表された論文では、その設計がヒートポンプのエネルギー使用量削減にどのように役立つかについて説明しています。 さらに、この残留熱の一部を冷気にさらされるヒートポンプの一部に別個に経路変更することにより、デバイスは、家への熱供給を停止することなく、必要に応じて自動的に霜取りを行うことができます。

このアイデアは、ヒートポンプの動作原理そのものに基づいています。つまり、熱を捕らえることができれば、それを利用することができます。 ヒートポンプを特別なものにしているのは、熱を生成するだけでなく、環境から熱を捕らえて家の中に移動し、最終的にはその熱をラジエーターや強制空気暖房システムなどに伝達するという事実です。 これは、ヒートポンプ内を流れる冷媒のおかげで可能になります。 冷媒が熱に遭遇すると、たとえ寒い日の空気中にほんの少しでも熱があれば、そのわずかな熱を吸収します。

次に、コンプレッサーが冷媒を高圧にし、その温度を家を暖房できるレベルまで上昇させます。 これは、圧力の増加により冷媒分子が互いに近づき、その運動が増加するために機能します。 冷媒はその後再び膨張し、膨張しながら冷却され、このサイクルが繰り返されます。 サイクル全体を逆に実行することもでき、夏の暑いときにヒートポンプで冷却することができます。

最も一般的な設計である空気源ヒートポンプは、屋外の空気から熱を捕捉します。

ヒートポンプの魔法は、使用する電力ごとに数キロワット時の熱を移動できることです。 ヒートポンプの効率は通常、成績係数 (COP) の観点から測定されます。 たとえば、COP が 3 の場合、1 kWh のジュースから 3 kWh の暖かさが得られることを意味します。これは実質的に 300 パーセントの効率です。 デバイスから得られる COP は、天候やその他の要因によって異なる場合があります。

これは強力な概念ですが、古い概念でもあります。 英国の数学者、物理学者、技術者のケルビン卿は、はるか昔の 1852 年に暖房にヒート ポンプ システムを使用することを提案しました。最初のヒート ポンプは数年後に設計および製造され、液体から塩を抽出するために塩水を加熱するために工業的に使用されました。 1950 年代、石炭在庫が不足していたときに英国議会の議員がヒートポンプについて議論しました。 そして、1973 年から 1974 年の石油危機後の数年間、ヒートポンプは暖房用の化石燃料の代替品として宣伝されました。 「希望は将来のヒートポンプにある」と、ある評論家は1977年のエネルギー評論誌で書いた。

今、世界はエネルギー供給をめぐって新たな計算に直面している。 世界最大の天然ガス供給源の一つであるロシアが 2022 年 2 月にウクライナに侵攻すると、ガス価格が高騰しました。その結果、ヒートポンプが脚光を浴びることになりました。ヒートポンプは、いくつかの例外を除いて、ガスではなく電気で動作するためです。 同月、環境活動家ビル・マッキベン氏は「平和と自由のためのヒートポンプ」というタイトルのブログ投稿を書き、広くシェアされたが、その中でロシア大統領に言及し、米国はヒートポンプを展開すれば「プーチン大統領の腎臓を平和的に殴ることができる」と主張した。アメリカ国民の化石燃料への依存度を下げながら、大規模な政策を実現する。 ヒートポンプは、たとえば家庭用ソーラーパネル、または主に再生可能エネルギーによって供給される電力網から電力を引き出すことができます。

グリーン電力でデバイスを実行することは、気候変動との戦いにも役立つ可能性があると、ワシントンDCの独立研究機関であるリソース・フォー・ザ・フューチャーの経済学者で上級研究員であるカレン・パーマー氏は指摘する。彼は、エネルギー効率を高めるための政策分析の共著者である。 2018 年資源経済年次レビュー。 「何か他の分野で技術的な進歩がなければ、建物内のエネルギー需要のために電気の利用を増やす方向に進む必要があるでしょう」と彼女は言います。

このビデオでは、ヒートポンプの原理を説明します。

クレジット: この古い家

IEA は、ヒートポンプは世界全体で、2030 年に二酸化炭素排出量を少なくとも 5 億トン削減できる可能性があると推定しています。これは、今日のヨーロッパのすべての自動車が排出する年間 CO2 排出量に相当します。

ヒートポンプはその長い歴史と潜在的な利点にもかかわらず、一部の国では普及するのに苦労しています。 その理由の 1 つはコストです。この装置はガス暖房ユニットよりも大幅に高価であり、天然ガスは数十年にわたって比較的安価なままであるため、住宅所有者には切り替えの動機がほとんどありませんでした。

また、ヒートポンプは寒冷地、特に大量の熱を必要とする断熱性の低い住宅ではうまく機能しないという認識も長い間ありました。 たとえば、住宅にすきま風が入りやすい英国では、一部の住宅所有者は長い間、ガスボイラーの方が安全な選択肢であると考えてきました。ガスボイラーはラジエーターに高温のお湯（華氏約 140 ～ 160 度）を供給でき、暖房が容易になるためです。部屋。 対照的に、ヒートポンプは水を約 100 度まで加熱するときに最も効率が高くなる傾向があります。

しかし、外気温が華氏マイナス 10 度まで下がった場合でも正常に動作する最新の空気源装置が市場に複数あることを考えると、寒冷気候の問題は一部の人が考えているほど問題ではないことは間違いありません。 たとえば、ノルウェーはヒートポンプ導入において世界をリードする国の一つとみなされています。 パーマーさんの米国の自宅にはヒートポンプと、バックアップとして炉があります。 「本当に寒くなったら、炉に頼ることができます」と彼女は言います。

ヒートポンプ設計の革新により、さらに効率が高く、断熱レベルの低い住宅に適した、さらに潜在的には安価なユニットが生み出されています。 たとえば、Yu 氏と彼の同僚の新しい空気源ヒートポンプ設計は、同等の機能を備えた既存のヒートポンプ設計よりもコストを抑えながら、COP を 3% ～ 10% 改善できる可能性があると述べています。 彼らは現在、この技術の商業化を検討している。

ユウ氏の研究は革新的だと、エネルギー システム エンジニアで現在は英国のデ モンフォート大学を退職したリック グリノー氏は言います。 「これは私が実際には思いつかなかった方法であることを認めざるを得ません」と彼は言います。

グラスゴー大学の熱工学者 Zhibin Yu 氏が設計したこの新しいヒートポンプは、廃棄されるはずの余熱を蓄え、それを家の暖房やポンプ自体の一部の霜取りに利用します。 これにより、システムの効率が向上します。

さらに多くのアイデアが進行中です。 たとえば、グリノー博士は、暖かい季節に地中に熱を蓄え、天候が涼しくなったときにヒートポンプで熱を利用できるようにする実験を行った。 彼の設計では、循環流体を使用して太陽熱温水パネルからの過剰な熱を土壌の浅いボーリング穴に移動させます。 それによって土壌の温度が華氏約22度上昇し、最大で華氏約66度になると同氏は言う。 次に、冬に空気が寒くなると、ヒートポンプがこの蓄えた熱の一部を取り出してより効率的に動作させることができます。 この技術はすでに市場に出ており、英国の一部の設置業者によって提供されている、とGreenough氏は指摘する。

しかし、現在のほとんどのヒートポンプは依然として比較的低い出力温度しか生成しないため、隙間風が吹きやすい家の所有者は、ヒートポンプを設置する際に追加の断熱コストを負担する必要があるかもしれません。 幸いなことに、高温ヒートポンプという解決策が現れつつあるかもしれません。

「私たちはこう言いました。『家を徹底的に断熱しなくても、実際にガスボイラーを 1 対 1 で置き換えることができるヒートポンプを作ってみませんか?』ヒートポンプを製造するヴァッテンフォール社。 Vattenfall とそのオランダ子会社 Feenstra は、2023 年にデビューする予定の高温ヒートポンプの開発で提携しました。

エアコンが逆回転するのと同様に、ここに設置されているようなヒートポンプは冷媒を使用して屋外から熱を捕らえ、屋内に移動して家を暖房します。

クレジット: PHYXTER HOME SERVICES

彼らの設計では、冷媒として CO2 を使用しています。 しかし、ヒート ポンプ システムの高温高圧の動作条件により、ガスの凝縮や冷却が非常に困難になるため、冷媒が熱を十分に吸収できるようにするには、冷媒の温度を下げる方法を見つける必要がありました。ヒートポンプループの最初に戻るときに、もう一度空気を送ります。 この目的を達成するために、彼らはシステムに「バッファ」を追加しました。それは、上の熱い水の下に冷たい水の層が置かれる水槽です。 ヒートポンプは、タンクからの下層の冷たい水を使用して、必要に応じて冷媒の温度を調整します。 しかし、タンクの上部にある、最高華氏 185 度の高温の水をラジエーターに送ることもできます。

Wolfswinkel 氏は、この装置は従来の低温ヒートポンプよりも効率がわずかに低く、条件に応じて COP が 300 パーセントに対して約 265 パーセントであることを認めています。 しかし、それでもガスボイラー（効率95パーセント以下）よりは優れており、電気料金がガス料金より大幅に高くない限り、高温ヒートポンプの運転コストは依然として安くなる可能性があります。 さらに、気温が高いということは、住宅所有者がすぐに断熱材をアップグレードしたりラジエーターを大型化する必要がないことを意味すると、ウルフスウィンケル氏は指摘する。 これは、人々がより迅速に電化暖房に移行するのに役立つ可能性があります。

重要なテストは、オランダの住宅所有者がそれを選択するかどうかでした。 パイロット試験の一環として、ヴァッテンフォール氏とフィーンストラ氏は、アムステルダムからほど近いヘームスケルクの町にあるさまざまな規模の 20 世帯にヒートポンプを設置しました。 数年間のテストを経て、2022年6月に住宅所有者に、自宅に保管していた古いガスボイラーを引き取るか、高温ヒートポンプを恒久的に使用するかの選択肢を与えた。 「全員がヒートポンプに切り替えました」とヴォルフスウィンケル氏は言う。

状況によっては、ヒートポンプを各家庭に設置することは、近隣全体にサービスを提供する 1 つの大規模なシステムを構築するよりも効率が悪い可能性があります。 グラスゴーに拠点を置く Star Renewable Energy は、約 10 年にわたり、ノルウェーのフィヨルドに接続された地域暖房システムなど、近くの川や海の入り江から暖かさを引き出す地域システムを構築してきました。 「熱」という言葉を聞いて最初に思い浮かぶのはスカンジナビアのフィヨルドではないかもしれません。しかし、フィヨルドの深部の水は実際には華氏 46 度というかなり安定した温度を保っており、ヒートポンプはこの温度を利用することができます。

地中熱源および水源ヒートポンプは、地面または水域から熱を捕捉するという点で空気源ポンプとは異なります。

地域暖房システムは非常に長いパイプを介してこの水を引き込み、冷媒（この場合はアンモニア）の加熱に使用します。 その後、冷媒の圧力が 50 気圧まで大幅に上昇すると、その温度は華氏 250 度まで上昇します。 高温の冷媒は、その熱を地域暖房ループ内の水に伝え、その水の温度を華氏 195 度まで上昇させます。 この広大なシステムは、ドラメン市の建物の暖房に必要な温水の 85 パーセントを供給します。

「そのようなことは非常にエキサイティングです」とグリノー氏は言います。

すべての家庭がヒートポンプに適しているわけではありません。 また、どの予算でも対応できるわけではありません。 ユ氏自身は、自宅のガスボイラーの交換費用が依然として法外な費用であると述べています。 しかし、それは彼が将来やりたいと夢見ているものです。 効率が向上し続け、複数の国で売上が増加しているため、ヒートポンプを批判する人たちにとって、ヒートポンプを無視することはますます困難になっています。 「最終的には、誰もがヒートポンプに切り替えることになると思います」とユウ氏は言う。

10.1146/knowable-011123-2

Chris Baraniuk は、北アイルランドのベルファストに住むフリーランスの科学ジャーナリストであり、自然愛好家です。 彼の作品は、BBC、ガーディアン、ニュー・サイエンティスト、サイエンティフィック・アメリカン、ハカイ・マガジンなどで出版されています。

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