ヒートポンプの効率低下を引き起こす要因は何ですか?
化石燃料暖房に代わる重要なソリューションとして高く評価されているヒートポンプ技術は、世界中で急速に導入が進んでいます。しかし、多くの設備が実稼働において理論上の効率レベルを達成できていないため、その根本原因が精査されています。
英国のエネルギー節約トラスト（EST（東部基準時））による調査で、驚くべき事実が明らかになりました。 英国で設置されているヒートポンプの83%が性能不足そのうち87%は3つ星評価の最低エネルギー効率基準を満たしていません。
ETHチューリッヒは複数の大学と共同で、中央ヨーロッパ10カ国における1,023台のヒートポンプの実際の運用データを分析しました。その結果、同一温度条件下でも、ユニット間で性能に大きなばらつきがあることがわかりました。 一部のデバイス間の性能係数（警官）の差は2～3倍に達した。この発見により、業界ではヒートポンプの効率に影響を与える重要な要素を再検討するようになりました。
01 機器と設置に関する問題
ヒートポンプの効率が低い主な原因は、機器自体と設置品質にあります。ESTの調査では、 設置部門における無秩序な業界管理 中核的な問題として。
ESTの事業開発責任者であるサイモン・グリーン氏は率直にこう述べています。「正しく設置・使用すれば、ヒートポンプ技術は英国のCO₂排出量を大幅に削減できる可能性があります。しかし、現状は当社の推定とは大きく異なります。」
英国では、住宅用ヒートポンプの設置を担当する暖房給湯産業協議会（HHIC）が、 消費者が適切な製品を選択できるように支援する人材が不足している専門家の指導がないため、選択ミスが頻繁に発生し、ユーザーは建物の特性に合わない機器を購入することがよくあります。
機器の老朽化も効率を低下させる要因の一つです。現代の空気熱源ヒートポンプメーカーは、メンテナンスガイドの中で次のように記しています。 コンプレッサーや熱交換器などの主要部品は時間の経過とともに摩耗します密閉性が不十分だと冷媒が漏れて冷暖房効率が低下し、電気系統の老朽化は動作の安定性に直接影響を及ぼします。
02 環境と設計要因
環境条件は効率に影響を与える2番目に大きな変数です。周囲温度は空気熱源ヒートポンプの暖房効率に決定的な影響を与えます。 気温の低下は効率を大幅に低下させる。
設置場所も同様に重要です。熱源やラジエーターの近くに設置すると、空気の流れが制限され、熱交換効率が直接的に低下します。室内の湿度や空気質も、暖房性能に連鎖的な影響を及ぼします。
ETHチューリッヒの大規模データ分析により、 地中熱ヒートポンプは平均COP4.90を達成し、空気熱源ユニットの平均4.03を大きく上回った。重要なのは、地中熱効率は屋外温度の変動の影響を受けにくく、より安定した性能を発揮することです。
研究では、重要な設計上の欠陥も明らかになった。 ヒートポンプシステムの7～11％は大きすぎるが、約1％は小さすぎる。このサイズの不一致により、最適な条件での動作が妨げられ、エネルギーの無駄が発生します。
03 不適切な操作とメンテナンス
ヒートポンプ システムのメンテナンス状態は、長期的な効率に直接影響します。 定期的なメンテナンスは正常な動作を確保するための鍵ですしかし、この基本的な要件は実際には無視されることが多いのです。
メンテナンスが不十分だと部品の詰まりや損傷が発生する可能性があり、標準的でないメンテナンス方法は新たな問題を引き起こします。冷媒充填量が適切でないと（過充填でも不足でも）、暖房効率が著しく低下します。熱交換器に不適切な洗浄剤を使用すると、同様に性能が低下します。
ヨーロッパの研究によれば、 加熱曲線の設定を1℃下げると、平均ヒートポンプ効率が0.11COP上昇し、家庭のエネルギー消費量が2.61%削減される。多くのユーザーはこのような最適化方法を認識しておらず、その結果、最適ではない操作が長期間にわたって継続されます。
冷媒の問題も、効率低下の一般的な原因の一つです。冷媒の熱伝導能力が不十分だと、サイクルあたりの有効熱交換量が低下します。一部のメーカーはコスト削減のために低品質の冷媒を使用したり、輸送中に冷媒漏れが発生して設計水温に達しなかったりすることがあります。
04 システム構成とサイズに関する問題
不適切なシステム構成は、非効率性の根深い原因です。給湯専用ヒートポンプは、暖房用ヒートポンプに比べてCOP値が大幅に低くなります。 給湯にはより高い流量温度が必要エネルギー需要特性のこの違いは、設計時に見落とされがちです。
サイズの問題は住宅用途において特に深刻です。ETHチューリッヒのチームは、サイズの適切さを評価するための利用指標を開発し、次のような結果を得ました。 システムが大きすぎたり小さすぎたりすることは非常に一般的です。
産業界においては、システム統合の手法が全体の効率に決定的な影響を与えます。セメント工場のCO₂回収プロジェクトにおける研究では、 高温ヒートポンプを統合することで、クリンカーの増分コストを32％削減できます。しかし、このような最適化を実現するには、正確なシステム設計と統合能力が必要であり、多くの設置業者にとって課題となっています。
中国で人気のデュアルサプライシステム（冷暖房一体型）は、革新的な設計により全体的なエネルギー効率を向上させます。夏は壁掛け式の室内機から冷媒を供給し、冬は床下の放射暖房システムから温水を循環させます。これは、中国の伝統的な健康法「足温頭冷」に合致しています。最適化された構成により、大幅な効率向上が実現します。
05 ソリューションと将来の展望
ヒートポンプの効率課題に対処するには、技術革新と政策調整の両方が必要です。 香港科技大学（香港科技大学）の研究者による画期的な成果は、ティ₇₈注記₂₂弾性合金に関するものである。従来の金属に比べて20倍の温度変化効率を実現し、カルノー効率限界の90％に達します。
この材料は弾性変形によって加熱と冷却を行うため、固体ヒートポンプ技術に新たな道を開きます。研究チームは現在、この合金をベースにした産業用ヒートポンプのプロトタイプを開発中です。
運用監視とインテリジェントな調整は、実質的な効率向上をもたらします。欧州の研究者は、 標準化された設置後パフォーマンス評価手順 ユーザーが設定を最適化できるように支援するデジタルツールの開発。加熱曲線を下げるなどの簡単な調整で、大幅なエネルギー節約が実現します。
政策設計の見直しが必要だ。ドイツの経験から、 電気料金の高騰はヒートポンプの導入を妨げる可能性があるエネルギー税制を合理的に調整し、電力を天然ガスに対してより競争力のあるものにすることで、化石燃料による暖房の置き換えが加速するだろう。
産業用途には大きな可能性が秘められています。高温ヒートポンプを導入したセメント工場のCO₂回収プロジェクトは、この技術が排出量を削減すると同時に、クリンカーの増分コストを32%削減できることを実証しています。再生可能電力の拡大と高温ヒートポンプ技術の成熟に伴い、こうしたソリューションはエネルギー集約型産業における脱炭素化の中核技術となる可能性があります。
ヒートポンプ技術の今後の発展の道筋は明確になりつつあります。 HKUSTの材料科学者が開発したTi₇₈注記₂₂弾性合金は、実験室で優れた性能を発揮します。産業界は新たな領域を開拓しています。セメント工場の炭素回収プロジェクトでは、高温ヒートポンプと機械的蒸気再圧縮（MVR）を組み合わせることで、排出量を削減しました。 二酸化炭素₂回収コストは1トンあたり125.9ユーロこれらのイノベーションが研究室から市場に移行するにつれて、ヒートポンプは世界のエネルギー転換において真に重要な力となるでしょう。