ヒートポンプ方式冷暖房の効率が良い理由

 

私は、ヒートポンプ方式の冷暖房の原理を、分っているようでいて、そうでもなかった。勉強して分ったので、要点を書き出しておく。ヒートポンプでは、冷媒と呼ばれる物質（液体／気体）が密閉された配管の中を次のように循環する 。

 

1　気体状態の冷媒を、圧縮機で (断熱) 圧縮すると温度が上がる 

2　 圧縮した高温冷媒から熱を奪う(熱交換1)と温度が下がり、液体 になる 

3　温度が下がって液体となった冷媒の圧力を下げるとさらに温度が下がる 

4 　温度が下がった液体冷媒に熱を与える (熱交換2) と気化 する

 

暖房では、熱交換器1は室内側に、熱交換器2は室外にある。室内の空気を熱交換器1に当てることで、空気が温められる。と同時に 冷媒の熱が奪われ温度が下がり液体になる。 室内器は熱交換のみであり、圧縮機などのその他は屋外器に設置されている。

 

原理は断熱圧縮と断熱膨張による冷媒の温度変化 にあると、私は正しく理解していた。また、断熱圧縮は電気を使う圧縮器で行うと考えたことも間違っていなかった。しかし、断熱膨張も電気を使う特殊な装置を用いているものと思っていた。調べてみると、単に液体弁を開閉するのみであった。冷媒の圧力が高くなっているので、たしかにこれで十分である。私の理解不足は、液体／気体状態変化をはっきりと認識していなかったところにもあった。 

 

ヒートポンプが高効率である理由(原理)はどこにあるのだろうか。その秘密は上の工程4にある。室外の熱交換器に外気を当てると外気の熱が冷媒に吸い込まれるからである。断熱膨張した 冷媒の温度は外気温よりも低くなっているので、こうなる。

 

何か不思議な気がしないだろうか。例えば、外気温は10°Cであり、室内温度は20°Cであったとしよう。冷たい外の空気を使って、室内温度をこれよりも高くできるのである。ヒートポンプは外気の熱を吸い上げて、室内に吐き出しているのである。このとき、消費する電力は圧縮器がほとんどであり、熱交換のための送風器はそんなに電気を喰わない。それで、室内に吐き出される熱エネルギー は、使用する電気エネルギーの約3倍となっている。

よりはっきり理解するために、熱交換機2の代わりに、電気ヒータを使ってみよう。外気の熱は取り込んでいないので、室内の熱エネルギーは、電気ヒータと圧縮器が使用するエネルギ ーの合計以上にはならない。 これは、温風電気ヒータで室内を暖房する場合と同じである。

 冷房の場合には、室内と屋外熱交換機を入れ換えばよい。ただし 、これは実用的でない。冷媒の流れる方向を逆にすればよい。そのために、流れ方向を切り変える (四方) 弁が使われて いる。  

冷房においては、熱を室内から汲み出して屋外に捨てている。屋外の気温が室内よりも高いのに、なぜこれが可能になるか。その理由は、断熱圧縮で高温にしてから、熱交換していることにある。冷房時に吹き出される空気が周りよりも熱いのはそのためである。