ヒートポンプ

ヒートポンプは、仕事を投入して低温側から高温側へ熱を移す装置です。熱を仕事へ変える熱機関とは逆向きのサイクルで、暖房、冷房、冷蔵、給湯に使われます。

熱機関では熱効率を使いますが、ヒートポンプでは投入仕事より大きな熱量を運べるため、成績係数 COP で評価します。

蒸気圧縮冷凍サイクル

代表的なヒートポンプは蒸気圧縮冷凍サイクルです。冷媒を圧縮、凝縮、膨張、蒸発させながら熱を運びます。

線図では、横軸に比エンタルピー、縦軸に圧力をとります。圧縮機仕事、凝縮器で放出する熱、蒸発器で吸収する熱が、エンタルピー差として直接読めます。

ヒートポンプや冷凍機は、熱機関の逆向きに動くサイクルです。熱機関では高温側から熱を受け取り、仕事を出し、低温側へ熱を捨てます。冷凍サイクルでは仕事を入れ、低温側から熱を吸い上げ、高温側へ熱を捨てます。

線図や線図では、サイクルの向きが熱機関と逆になります。この向きを間違えると、COP と熱効率の意味を取り違えます。ヒートポンプは熱を作る装置ではなく、仕事を使って熱の流れを逆向きにする装置です。

蒸気圧縮サイクルでは線図が特に便利です。おおまかには、圧縮は右上へ、凝縮は高圧側で左へ、膨張弁はほぼ鉛直下向き、蒸発は低圧側で右へ進みます。

理想化すると、膨張弁は断熱で軸仕事もない絞り過程なので

です。この過程では仕事を取り出せず、圧力を落とすだけなので、エントロピーは増えます。膨張機で仕事を回収できれば理論上は効率を上げられますが、小型機では複雑さやコストの方が大きくなりがちです。

線図では、圧縮機仕事と熱交換量が横方向の距離として読めます。縦軸は圧力なので、高圧側が凝縮器、低圧側が蒸発器に対応します。

読む手順は次の通りです。

蒸発器出口に液が残ると圧縮機を傷めるため、通常は少し過熱を持たせます。凝縮器出口を少し過冷却すると、膨張弁後の気液混合のうち液体割合が増え、蒸発器で吸える熱が増えます。

暖房として使う場合、目的は高温側へ渡す熱です。暖房 COP は

です。冷房・冷凍として使う場合、目的は低温側から吸い取る熱なので

です。同じ装置でも、暖房 COP は冷房 COP より 1 だけ大きい関係になります。

理想的なカルノーサイクルなら

です。高温側と低温側の温度差が小さいほど COP は高くなります。逆に、寒い外気から高温の室内や給湯タンクへ熱を上げるほど、圧縮機に必要な仕事は増えます。

線図では、蒸発器と凝縮器での熱交換を温度差として見ます。冷媒と空気・水の温度差が大きいほど熱交換器は小さくできますが、不可逆性が増えて COP は下がります。熱交換器を大きくし、流路損失を小さくし、圧縮機効率を上げることが、実機の性能改善につながります。

主な損失は次の通りです。

ヒートポンプの「効率」を読むときは、熱効率ではなく COP を使う点が重要です。熱を作っているのではなく、低温側にある熱を仕事で高温側へ移しているため、COP は 1 を超えることができます。

COP を上げる基本は、圧縮機が作る温度差を小さくすることです。暖房なら、外気温度に近い蒸発温度で熱を吸い、室内や水に必要な最低限の凝縮温度で熱を捨てるのが有利です。冷房なら、室内空気に近い蒸発温度で熱を吸い、外気に近い凝縮温度で捨てます。

線図上では、蒸発圧力を上げ、凝縮圧力を下げるほど、圧縮機のエンタルピー上昇が小さくなります。ただし熱交換には有限の温度差が必要なので、熱交換器の面積、風量、霜付き、騒音、コストとの兼ね合いになります。

実機で見るべき点は次の通りです。

カタログ上の COP だけでなく、外気温、負荷率、霜付き、給湯温度など、実際に使う条件でのサイクル点を見ることが重要です。