ヒートポンプ

温度は、ある物質や空間にある熱エネルギーの濃さだと考えられます。ある空間や物体にたくさんのエネルギーが詰め込まれていれば、熱くなります。エネルギーが比較的広く散らばっていれば、冷たくなります。

温度が高いほど、物質の分子はより多くの運動エネルギーを持ちます - つまり、固体ではより速く振動し、液体や気体ではより速く動き、より頻繁に衝突します。分子が振動したり衝突したりするとき、私たちはこの運動エネルギーを熱エネルギー（つまり熱）として感じます。つまり温度は、外部からより多くのエネルギーを加えるか、より小さな空間に（より多くの）分子を押し込んでエネルギーを濃くすることで上げられます。

熱力学の基本的な普遍法則に従うと、エネルギーは常に広がろうとし、エネルギー濃度の高い場所から低い場所へ移動し、すべてがつり合って均一になるまで続きます（これをエントロピーといいます - 関連動画を参照）。だから寒い日には、熱エネルギーが暖かい家から冷たい屋外へ逃げていきます。この熱移動は断熱材で遅らせられますが、ヒートポンプは同じ原理をうまく使い、冷媒と呼ばれる特殊な加圧流体を使って、移動そのものを逆向きにします。

ここで冷媒が特に便利なのは、沸点を簡単に変えられることです。

沸点

沸点の科学をもう少し掘り下げましょう。沸騰とは、分子が液体をまとめている分子間力から抜け出せるだけの運動エネルギーを得て、液体が気体へ蒸発することです。液体の中では、この力が絶えず切れたり再び結びついたりしていて、分子は互いの間を動けます。液体を気体に変えるには、分子が完全に離れるのに十分なエネルギーが必要です。水なら通常100°C（212°F）で起きますが、必ずしもぴったりその温度で起きるわけではなく、熱いときに起きる必要すらありません…

たとえば山の上でやかんを加熱すると、実はより低い温度で沸騰することに気づくでしょう。これは高地では大気圧が海面より低く、分子が広がって逃げやすいためで、水が沸騰するのに必要なエネルギーも少なくなります。逆に圧力が高いと、水分子は押し詰められ、沸騰して抜け出すにはより多くのエネルギー - つまりより高い温度 - が必要になります。したがって、圧力は水の沸点を変えられます。

顕熱と潜熱

さて、普通は水のようなものを温める（または冷やす）と、エネルギーを加える（または取り除く）ことで、まず分子の運動エネルギーが増える（または減る）ため温度が変わり、分子はより速く（または遅く）動いたり振動したりします。このエネルギーは顕熱と呼ばれ、何かに触れたときに熱い・冷たいと感じるものです。

でも、もうひとつ仕掛けがあります - 水が沸点に達すると、温度はそれ以上上がらなくなります。代わりに、熱エネルギーのすべてが突然、分子をつないでいる結びつきを切って分子同士を引き離し、水を水蒸気に変えるために使われます。水の温度（正確には、できた水蒸気の温度）は、すべての水が蒸発するまで再び上がり始めません。氷が固体から液体へ溶けるときも同じです。これは潜熱と呼ばれ、とても大きなエネルギーです。実際、水を蒸発させるには、そもそも水を沸点まで温めるのに必要だったエネルギーの7倍が必要です。

だから同じ外気温でも湿度の高い日は空気がより暖かく感じられます（または天気予報で気温とは別に「体感」温度が示される理由です） - 空気中の追加の水蒸気は、乾いた空気より多くの熱エネルギーを含んでいるからです（つまり、この追加の潜熱をすべて含んでいます）。

汗が体を冷やす仕組みもこれです: 汗が蒸発すると、潜熱として大量の体熱を吸収し、その熱を皮膚から運び去ります。空気中にすでに蒸発した水が多い湿った環境では、この過程が遅くなり、ずっと暑く感じます。

水が蒸気から再び液体へ凝縮するときには、逆のことが起こります。水を沸騰させるために熱を加えたときと同じように、凝縮すると大量のエネルギーを放出します。このように、何かが相変化するとき - つまり沸騰、融解、凝縮、凍結するとき - 結びつきが切れたり作られたりするため、「潜」熱エネルギーを吸収または放出する必要があります。

温度と圧力

つまり、熱を加えたり取り除いたりすると温度は変わりますが、圧力を変えたときにも似たことが起こります。

圧力は固体、液体、気体にかけられますが、気体は分子の間に空間があり、分子が比較的広がっているため、簡単に圧縮できます。一方で液体と固体は、すでにある以上に分子を近づけて押し込めないため、同じようには圧縮できません。液体の場合、圧力をかけると、分子が離れて気体になるのが難しくなります。蒸気は、臨界温度より低ければ、積極的に冷やさなくても直接液体へ圧縮できる気体の一種です。これはすべての気体で可能なわけではありません、つまり、すべての蒸気は気体ですが、すべての気体が蒸気ではありません。

水蒸気は圧力がかかると凝縮しやすくなり、それが分子同士をより近づける助けになることはわかっています。しかし十分な圧力があれば、冷やさなくても水蒸気をそのまま液体へ圧縮できます。すると蒸気が液体へ凝縮するとき、その潜熱エネルギーをすべて放出します。逆に、十分低い圧力では、液体の分子は実際に熱を加えなくても広がります。そして分子がばらばらになって蒸発すると、周囲から潜熱エネルギーを吸収します。

ただし、ここでちょっとした綱引きが起きます。気体や蒸気を圧縮するとき、圧力をかけると温度も上がります。分子をより小さな空間へ押し込む（または同じ空間により多くの分子を入れる）と、分子の濃度が高まります - 分子同士が近づき、衝突がより頻繁になり、より多くの運動エネルギーがその空間に集中します。

ここからが少し複雑です - 圧力を上げると、相反する効果が起きます: 蒸気分子は押し詰められるため凝縮しやすくなりますが、同時に温度も上がるため、凝縮しにくくなります。

蒸気の沸点（または凝縮点）は圧力によって上がっていて、つまり、この新しい高圧条件で蒸気を気体のまま保つには、より多くのエネルギー投入とより高い温度が必要になります。

つまり、蒸気自身の温度が変わらなければ、圧力が加わることで新しい沸点を下回り、凝縮する寸前にかなり近づきます。

でももちろん、蒸気自身の温度も変わっていて、圧力の結果として上がっています。ですから圧力は沸点を上げる一方で蒸気の温度も上げ、この同時の温度上昇が凝縮を妨げ、上がり続ける沸点より上で蒸気を気体の状態に保ちます。

蒸気を実際に凝縮させるには、さらに圧力を上げる - 上昇する沸点が同時に起きる温度上昇を上回るまで - か、熱を積極的に取り去って冷やし、追加された運動エネルギーをすべて逃がして温度を新しい沸点より下げる必要があります。

これを見ると、温度、沸点、圧力がどれほど密接につながっているかわかります。何かの温度（または相）を変えるには、1）顕熱（または潜熱）エネルギーを積極的に加えるか取り除く、または2）圧力を変える方法があり、それによって潜熱を吸収または放出させられます。そして液体や気体に圧力をかけると、その沸点（つまり蒸発または凝縮する温度）が上がります。

もちろん、これは水以外の化合物にも当てはまります: 加圧式デオドラントのスプレーが肌に冷たく感じるのは、放出時の急速な減圧によって液体エアロゾル分子（とそのエネルギー）が気体として広がり、温度が急激に下がるからです。

ヒートポンプは、従来のボイラーや暖房炉、電気ヒーターのように熱を生み出すわけではありません。代わりに、この熱力学の原理を使って、すでにある熱を自然な流れとは逆に移動させます。つまり、屋外から低品位（つまり広く分散した）熱エネルギーを集め、室内で濃縮するのです。これは、密閉ループ内の冷媒を使い、4つの主要部品で動かして実現します: コンプレッサー、膨張弁、そして蒸発器と凝縮器と呼ばれる2つの熱交換器です。実はこれは、冷蔵庫やエアコンで使われる仕組みとまったく同じで、ただ逆向きに働いています（つまり、熱を外へ出すのではなく家の中に集めます）。まずは、基本的に逆向きに動くエアコンである空気-空気ヒートポンプから見ていきましょう:

• ステップ1: 通常の大気圧では、冷媒の沸点はとても低く、約-50℃（-58°F）です。サイクルの始まりでは、非常に低い圧力の下で、沸点に近い温度にある、とても冷たい液体と蒸気の混合状態です。
  冷媒は蒸発器と呼ばれる管のコイルを通り、屋外の空気（ファンでコイルに吹きつけられる）から熱を吸収し始めます。冷媒はとても冷たいので、外が比較的寒くても、氷点下（℃）の気温^†でも、空気が冷媒そのものより暖かいかぎり熱を吸収します。熱を吸収すると温まり、低い沸点をすぐに超えて気体へと蒸発します。その際には、さらに多くのエネルギー、つまり潜熱も吸収します。
• ステップ2: これで冷媒は、低圧の完全なガス状蒸気になります。まだ比較的冷たい（せいぜい屋外の気温と同じ）ものの、追加で吸収した潜熱のおかげで、かなりのエネルギーを蓄えています。
  次に冷媒ガスはコンプレッサー.を通ります。これにより気体に圧力がかかって圧縮され、分子同士とそのエネルギーがより小さな空間に押し込まれます（つまり、分子の衝突回数が増えて運動エネルギーが上がる）ので、温度も上がります。
  蒸気を熱くするのは、この圧縮です。これで冷媒はかなり熱くなり、通常は約50-70℃（120-160°F）になって、沸点も上がっているにもかかわらず気体のままでいられるほどの温度になります。
• ステップ3: 次に冷媒は室内ユニットへ入り、凝縮器.と呼ばれる別のコイルを通ります。冷媒は室内の空気よりかなり熱い（エネルギーがより濃縮されている）ため、熱は自然に放出されて部屋へ流れ出します。その際、冷媒は冷えていきます。凝縮器コイル内で圧力が上がったことで高くなった新しい沸点を下回るまで、ほんの少し冷えれば十分です。するとすぐに液体へ凝縮し、部屋や家全体を暖められるほど大量の潜熱を放出します。
• ステップ4: 冷媒は今や、熱エネルギーの大半を使い切った高圧の冷たい（室温に近い）液体で、減圧する膨張弁を通ります。これにより管内の圧力が下がり、冷媒は膨張できます - すると分子は広がり、残ったエネルギーも外へ散らせます。これで冷媒は再び液体と蒸気の混合状態に戻り、急にとても冷たくなって、また蒸発器を通ってさらに熱を集める次のサイクルを始められます。

これは、圧力、相変化、潜熱を操作することで、大量のエネルギーを動かせることを示しています。これは、顕熱だけで基本的な温度差を使って動かせる量よりずっと多いです。対照的に、ラジエーター内のお湯は、感じられる顕熱（潜熱と比べればかなり少ないことがわかっています）をすぐに放散するため、部屋全体を暖めるには、ラジエーターを通してより多くのお湯を常に補充しなければなりません。ヒートポンプ内の冷媒は、同じ量の熱を届けるのに、もっと低い流量で済みます。ありがたいことに、ヒートポンプはボイラーや水式暖房システムとも組み合わせられ、ラジエーター、床暖房、家庭用給湯を循環する水へ熱を移せます（ヒートポンプの種類を参照）。

^† 注: 温度が0℃未満でも、熱や熱エネルギーはまだ存在しています - ただとても分散しているだけです。0℃そのものは、通常の大気圧での水の融解・凝固点を基準にした連続的な温度尺度（摂氏温度）の、任意の目印です。そのため、摂氏温度はゼロを下回り、マイナスの数値になります。

本当の「絶対零度」は、エネルギーの絶対尺度であるケルビン温度に基づいており、あらゆる物質で理論上可能な最低温度、つまりエネルギーが絶対的な最小値になる温度を示します。ケルビン温度は0 K未満にはならず、これは-273℃に相当します。負のエネルギーはありえないからです。この温度より上なら、ヒートポンプは理論上は動かせます。実際には、現代のヒートポンプは-20℃（つまり253 K）という低温の空気からもエネルギーを取り出せます。これより高い条件で性能が悪い場合は、たいてい技術そのものではなく設計や設置が原因です。

ヒートポンプは、熱をつくるのではなく、電気を使って熱をある場所から別の場所へ移します。これに対して従来の暖房システムは、電気抵抗（電気ヒーターで使われる「抵抗加熱」）か、炉やボイラーで石炭やガスなどの化石燃料を燃やして熱をつくります。

この違いにより、ヒートポンプはずっと高効率です。一般的なガス炉やボイラーの効率は高くても約90%で、燃焼で生まれたエネルギーの一部は、水蒸気が放出される際に熱い煙とともにどうしても逃げます（回収されない潜熱の形で）。電気ヒーターの場合、化石燃料を燃やして発電所でつくられ、変圧器や何マイルもの送電線を通って届く送電網の電気を使っても、遠くで燃やされた化石燃料に含まれる元の化学エネルギーの約40%しか使えません。

一方、ヒートポンプが使う電気は比較的少なく、室内機と室外機のファンを回し、コンプレッサーを動かすために使われます。回路内の冷媒は自然に、自発的に相変化し-ヒートポンプはそれが起きる適切な条件をつくるだけです。つまり、適切に設計され-設置されたヒートポンプなら、消費する電気の3倍以上のエネルギーを移動させられます（つまり300%）。理想的な条件では（「暖房システム」を参照）、これは5倍超、最大で8倍も高効率になります（500-800%）。

効率 = エネルギー出力（得られる熱）÷ エネルギーまたは燃料の入力（支払うもの）

住んでいる場所によっては、電気料金は通常、ガス料金よりかなり高くなります。たとえば英国では、電気はガスの約3倍の価格です。ですが、特に送電網や政策がより環境にやさしくなって電気とガスの価格差が縮まり、電気料金が下がるにつれ、ヒートポンプは300%を超える効率で動かせるため、ガスボイラーより運転費が安くなることがあります。

最も安く、最も効率のよい選択肢は、再生可能エネルギー由来の電力でヒートポンプを動かすことです。ですが、ヒートポンプが化石燃料由来の電気で動いていても、従来の暖房システムより効率がよく、安くなることがあります。効率指標がわずか2.5のヒートポンプでは、発電所で燃やされた天然ガスの元のエネルギーの40%しか使えないかもしれませんが、消費したエネルギーの2.5倍を移動させるためにその電力を使うことで、その40%を100%まで高めます-その結果、現地でガスを燃やして得られる90%の効率さえ上回ります。

ヒートポンプの効率が実際の性能や運転費にどうつながるかは、次によって決まります：

• 家の大きさ：大きい家ほど、暖めるのに多くのエネルギーが必要です。
• 断熱：断熱性の高い家は熱を保ち、ヒートポンプをより低い、効率のよい温度で動かせます。
• システムの設計と設置：設置が悪かったり古い機種だったりすると性能が悪く、ボイラーより費用がかかることもありますが、最新機種を適切に設置すれば大きく節約できます。

ヒートポンプにはいくつか種類がありますが、基本の仕組みはどれも同じです。最も一般的なタイプは、空気から熱を取り出します：

• 空気-空気ヒートポンプは、要するに逆向きに動くエアコンです。どちらもファンコイル式の熱交換器を2つ使い、ファンが冷媒入りの各コイルに空気を吹きつけて、熱を吸収または放出させます。エアコンとの違いはほとんどありませんが、冷媒が熱を運ぶ向きは逆です - エアコンでは、熱を吸収する蒸発器は室内に、熱を放出する凝縮器は屋外にあります。
  空気-空気ヒートポンプは部屋をより早く暖められ、ときには冷房にも切り替えられます。ここでは蒸発器と凝縮器を入れ替えることができ、追加のバルブが冷媒の流れを反転させるため、コンプレッサーを逆回転させる必要はありません。これにより冷房と除湿の効果も得られます：蒸発器コイルは周囲から熱を吸収するため、周りをかなり冷たくします - 水蒸気はコイルに触れると空気中から凝縮し、その結果、部屋の湿度が下がります。
  価格は安く、家具の配置に合わせて柔軟に設置できます；ただし、ふつう居住空間では快適性が低く（音がうるさく、風が当たり、空気の乱れを生み、温度が何度も上がりすぎたり下がりすぎたりします）、家全体に熱を均等に届けにくいため、複数の部屋に室内機を置くシステムや、建物全体に暖かい空気を送るダクトシステムが必要になることがよくあります。さらに、生活用温水には別の暖房手段が必要です。
• 空気-水ヒートポンプは、コイルまたは金属板の熱交換器を使い、冷媒から、ラジエーターや床暖房を流れる水、または家庭用貯湯タンク内の水へ熱を移します（これらは別のシステムです - ラジエーターの水で入浴したくはありませんよね！）。このシステムは暖まるのが遅い一方、冷めるのも遅いです。そのため、より快適で安定した環境に向いています。これにより、貯湯タンクをエネルギー貯蔵の一種としても使えます。ただし、かなり高価で、配管やラジエーターの大幅な改修が必要になる場合があります（これらは壁の場所を取り、家具でふさがれることもあります）。さらに、米国のように、そもそも温水式システムが設置されていない地域もあります。
• 複合システムは、部屋に応じてラジエーターとファンコイルの両方を使えます。たとえば浴室にはラジエーター、ほかの部屋にはファンユニットを置きます。一方、熱回収システムは、夏に通常なら屋外へ排出されるエアコンの排熱を利用し、その代わりに生活用温水を暖められます。

空気熱源ヒートポンプのユニットにも、さまざまな構成があります：

• スプリット型ユニットは昔から最も一般的で、熱交換ユニットを室内と屋外に1つずつ置きます。コンプレッサーと膨張弁は通常、騒音の影響を抑え、室内スペースを節約するために室外機に置かれます。冷媒は配管を通って屋外と屋内の間を循環し、スペースを有効活用できるよう、各ユニットを離して設置できます。
• モノブロックユニットは、現在ますます人気が高まっています。通常は空気-水ヒートポンプで、2つの熱交換器と冷媒回路全体が1つの室外機に収められ、配管が温水を室内のラジエーターへ送ります。これにより、家へ出入りする特注の冷媒配管が不要になり、時間、費用、リスクを減らせます。

空気熱源ヒートポンプはほとんどの条件で効果的に働きますが、-20°C未満では苦戦することがあります。エアコンが空気を除湿できるのと同じように、冬には屋外コイルやユニット上で水が凝縮して凍り、霜がたまることがあります。これは簡単に対処できます（たとえば、システムが冷凍サイクルを自動的かつ一時的に逆転させ、霜を溶かします）が、時間とともに平均効率が下がる可能性があります（ただし、新しい能動的な霜取り・着霜防止技術もあります）。

地中熱源ヒートポンプは、地中の温度が空気中より安定していて変動も少ないため、特に暖房が最も必要な冬には、低温では一般に、空気熱源より高効率で効果的です。これは、コレクターと呼ばれる、循環する流体（通常は水と不凍液の混合液）の別の閉ループを使い、地面から熱を吸収し（冷房のため逆向きに動かす場合は熱を地面へ放出し）、蒸発器を通じて冷媒へ熱を移します。コレクターには主に2種類あります：

• 水平アレイは、浅い溝に配管を敷設する方式です。配管がより広く分散しているほど（密集していないほど）、取り出せる熱が多くなり、効率も高くなります。これにより、熱を取り出しすぎて地面を凍らせるリスクも下がります（これは大きな損害につながることがあります）。最も効率のよいコレクターは、できるだけ広い地面を1本の連続したループで覆います。
• 垂直アレイは必要なスペースがずっと少なく、地中深くまで届きます（既存の地下インフラが許す範囲まで - 地盤調査が必要です！）。これには2つの異なる構成があります：
• • 閉ループ - 深いボーリング孔を掘り、そこに1本の長い配管ループを入れ、その後埋め戻します。一般的な住宅では、各孔の深さによって複数のボーリング孔が必要になる場合があります。
  • 開ループは帯水層を利用します。つまり、コレクターループを流れる熱媒体として地下水を直接使います。より効率的ですが（熱移動の地点・障壁が1つ少ない）、より専門的な知識と保守が必要です（汚れた水では、システムフィルターを定期的に清掃する必要があります）。

地中熱源ヒートポンプは、熱を伝え補充する地中の水に頼ることが多く、その働きは土壌の空隙率と透水性によって決まります。もっと簡単な選択肢は、水域から直接熱を取り出すことです。

水熱源ヒートポンプは地中熱源ヒートポンプよりさらに高効率で安定することがあり、同じように閉ループまたは開ループを使います：水中を通る別の閉じたコレクター流体ループを使うか、水源の水を直接使います（これも効率を上げますが、定期的な清掃が必要です）。水が補充される速さ（そして利用できる熱が補充される速さ）は重要です - 流れる水は、近くの水を補充する活発な流れのない静水より効果的なことがあります。また、効率を最大化し、すでに使われた冷たい水を再循環させないためには、上流で熱を取り出し、使われて熱を失った水を下流へ流すほうがよいです。

地中熱源・水熱源ヒートポンプは、初期設置費用がはるかに高く、十分な土地や水へのアクセスも必要ですが、効率が高いぶん、長期的には運転コストをより大きく節約できる可能性があります。ただし、空気熱源ヒートポンプは大幅に進化し、条件の差をかなり縮めました - 今では熱源の温度や安定性よりも、水配管設計と暖房システム自体の最適化に重点が置かれています。

システムのセンサーと制御:

• スマートサーモスタット - 暖房を何度もオン・オフするのではなく、小さな調整で温度を細かくコントロールし、安定した暖房を保つのに役立ちます。
• 外気温補償 - 屋外温度を検知するセンサーを使い、家の中の温度に影響が出る前に、先回りして暖房を調整します。

温水式システムの水温:

• 大きなラジエーターと大きな貯湯タンクは、一定の温度でより多くの水、つまりより多くの熱エネルギーをためられます。つまり、小型のタンクやラジエーターと同じ量の熱をためるのに、より低い水温で済みます（つまり、より低い熱密度で）。これにより水と周囲の温度差が小さくなり、熱の移動が遅くなります。そのため家が暖まる速度は落ちますが、大きなラジエーターは熱を放出する表面積も大きいため、遅い熱移動を補えます。さらに、より安定して熱を届け、タンクや接続配管から熱が無駄に逃げていく速度を遅くすることで、安定性も高まります。
  さらに、これにより暖房システム全体をより低い送水温度で動かせます。熱が水へ移るには冷媒が水より高温でなければならないため、水が低温なら冷媒の目標温度も低く保てます。熱移動を起こすには熱源のほうが常に高温である必要があるため、送水温度やタンク温度が高いとヒートポンプはより高温で動かざるを得ませんが、送水温度やタンク温度が低ければ冷媒温度も低くできます。
  冷媒の目標温度が低いほど、ヒートポンプが乗り越える必要のある屋外熱源との温度差も小さくなります。したがってコンプレッサーは、冷媒の圧力と温度を上げる仕事が少なくなり、電力消費を減らして効率を上げられます。
• 成層化（つまり、貯湯タンク内で自然に温度勾配 - または「サーモクライン」 - ができること）は、冷媒から熱を受け取る水の温度を下げ、熱移動の速度を上げたり、より高温の冷媒が必要になるのを減らしたりできます。そのため、熱交換器コイルは、暖かい水の下に重い冷たい水がたまるタンク底部に置くほうがよいのです。
  このため、このサーモクラインを強める背が高く細いタンクを使い、家じゅうのラジエーターから戻る冷水を、ほかの冷水と一緒にタンク底部へ送るほうがよいです（タンク内の水をかき混ぜないよう、低い圧力と流速で）。

配管と熱交換器:

• より強力な熱交換器なら、水をより速く温めたり、システム全体の温度差がより小さくても水を温めたりできます。たとえば、長いコイルやリブ付きコイルは表面積が大きく、熱移動を高められます。ただし:
• • 流路を長くしすぎたり細くしすぎたりすると、冷媒の流量が制限され、届けられる熱も減ります。するとポンプはより強く働く必要があり、ヒートポンプ内の冷媒に必要な入口温度が上がります。
  • コイルの内径を広くしすぎると圧力が下がり、流体の流れが遅くなります。その結果、管の内壁に沿って断熱層ができ、熱移動が妨げられます。
  
  これは、ラジエーターまで続く配管や、ラジエーター内部を通る水管とコイルにも当てはまります。ラジエーターでの熱移動を最大にしつつ、接続配管からの熱損失を最小にするには、配管を細かく調整してバランスを取る必要があります。

（Technology Connections & Heat Geekの情報に基づくおまけコンテンツ）