低炭素技術空気熱源ヒートポンプの種類と特徴

概要：空気源ヒートポンプは、低温環境へのアクセスが容易なことから、優れた応用可能性を秘めており、様々なタイプが開発されています。空気源ヒートポンプにはそれぞれ独自の特性と適用範囲があり、用途シナリオに応じて適切な製品を選択できます。 

空気源ヒートポンプの低温熱は、遍在する空気から得られるため、廃熱資源が乏しいプロジェクトで広く利用されており、幅広い応用可能性を秘めています。空気源ヒートポンプは急速な発展を遂げており、様々なタイプの製品が市場に登場しています。

空気源ヒートポンプにはさまざまなタイプがあり、それぞれ特徴があります。この記事では、一般的な空気源ヒートポンプをいくつか紹介します。

電気圧縮空気熱源ヒートポンプ

電気圧縮空気熱源ヒートポンプは最も一般的なタイプであり、多くの地域で石炭を電気に変換する主な技術です。

電気圧縮式空気熱源ヒートポンプは、電気駆動の電動モーターを用いてコンプレッサーを回転させ、低圧冷媒蒸気を高圧に加圧することで凝縮温度を高めます。凝縮器では、冷媒蒸気が凝縮して放熱し、外部加熱を得ると同時に、冷媒蒸気は液化冷媒となります。液化冷媒はスロットルバルブによって減圧され、蒸発温度が低下します。蒸発器は外気の熱を吸収し、液化冷媒は低圧冷媒蒸気に蒸発して次のサイクルのコンプレッサーに入ります。

電動圧縮空気熱源ヒートポンプは、コンプレッサーと絞り弁を用いて冷媒を高圧部と低圧部に分割し、低温空気から暖房する機能を実現します。この過程で少量の電力が消費され、このエネルギーも暖房システムに供給されます。電動圧縮空気熱源ヒートポンプはユニット容量が小さく、家庭用暖房に適しています。一方、集中暖房（住宅地への暖房供給など）に使用する場合は、設置場所が多く、設置面積も大きくなります。

電気圧縮式空気熱源ヒートポンプの主な問題は霜の発生です。冷媒の蒸発温度が空気の露点温度よりも低い場合、エアヒーターの表面に霜が発生し、熱伝達効率に影響を与えます。霜取りプロセスはエネルギー消費量を増加させ、快適性にも影響を及ぼします。多くのメーカーがエネルギーアイランドやマルチゾーン熱交換器などの技術を開発していますが、この問題を根本的に解決する方法はまだありません。

電気圧縮式空気源ヒートポンプの温度上昇幅は比較的大きく、圧縮機の形式によって単段圧縮式、多段圧縮式、中間空気供給式など様々な形式に分類されます。特にCO2作動流体の適用により、電気式高温空気源ヒートポンプの選択肢は広がります。

ガス圧縮空気熱源ヒートポンプ

ガス圧縮式空気源ヒートポンプは、ガスエンジンから得られる運動エネルギーによってコンプレッサーを回転させます。その他の部品の動作は電気式圧縮式空気源ヒートポンプと同じです。圧縮空気源ヒートポンプユニットは比較的小型で、ガスエンジンの出力は高くないため、自動車のエンジンで駆動できます。

ガス圧縮式空気源ヒートポンプにも霜の問題があります。駆動エネルギーとしてガスを使用するため、排気ガスによる除霜が可能で、電気圧縮式空気源ヒートポンプに比べて温熱快適性が向上します。しかし、ガス圧縮式空気源ヒートポンプは比較的コストが高いという欠点があります。

アンモニア吸収空気熱源ヒートポンプ

アンモニア水吸収空気熱源ヒートポンプは吸収サイクル原理を採用し、作動流体はアンモニア水溶液です。高温熱源で濃アンモニア溶液を加熱し、アンモニアガスを蒸発させて希薄アンモニア溶液を形成します。高圧アンモニアガスの凝縮は外部加熱を提供しながら液体アンモニアを生成します。液体アンモニアは絞り込み後に低温蒸発し、外気から熱を吸収してアンモニアガスを形成します。希薄アンモニア溶液にアンモニアが吸収され、外部に熱を放出し、得られた濃アンモニア溶液は次のサイクルに入ります。

このプロセスでは、冷媒としてアンモニア、吸収剤として水を使用します。液体アンモニアの蒸発温度は非常に低く、低温の空気の熱を吸収することができます。しかし、装置の運転中、アンモニアは気液二相変化を起こし、内部圧力が高くなり、漏れやすくなります。漏れたアンモニアガスは一定の危険性を伴うため、適切な保護と換気が必要です。

アンモニア水吸収空気熱源ヒートポンプも単体の容量は比較的小さいため、熱負荷が大きい場合は複数台を並列運転する必要があります。

この機器には霜の問題もありますが、ユニット自体は高温熱（ガス、蒸気など）で駆動されるため、霜取りは比較的容易で、暖房の快適性への影響もほとんどありません。

臭化リチウム吸収空気熱源ヒートポンプ

上記の空気源ヒートポンプはいずれも、霜付きと霜取りの問題を抱えています。それぞれ独自の解決策はありますが、暖房の快適性にも影響を与え、さらに重要なことに、ヒートポンプのCOP（運転効率）を低下させ、エネルギー消費量を増加させます。臭化リチウム吸収式空気源ヒートポンプは、霜付きの問題を完全に解決します。

臭化リチウム吸収式空気熱源ヒートポンプは、廃熱回収に吸収サイクルを採用しています。従来の臭化リチウム吸収サイクルでは、冷媒として水を、吸収剤として臭化リチウム水溶液を使用します。冷媒は水であり、冷凍温度は0℃以上である必要があります。0℃未満では水が凍結し、運転不能に陥る可能性があります。これは、従来の臭化リチウム吸収式ヒートポンプが0℃以下の温度で熱を吸収できない理由でもあります。

この問題を解決するために、臭化リチウム吸収空気源は溶液噴霧法を使用して空気から熱を抽出し、0℃で水が凍結する問題を回避し、低温廃熱回収を実現します。

臭化リチウム吸収式空気源ヒートポンプはユニット容量が大きいため、家庭用暖房には適していません。セントラル暖房、特にボイラー室の省エネ改修に適しています。臭化リチウム吸収式空気源ヒートポンプは、スプレー熱交換方式を採用しており、溶液を用いて空気から熱を吸収します。霜の問題がないだけでなく、高湿度空気中の水蒸気の潜熱を吸収することで、熱抽出効率を向上させます。

臭化リチウム吸収式空気熱源ヒートポンプは、南部の集中暖房プロジェクトに適しています。空気の湿度が高くても霜が降りることはなく、むしろ廃熱回収を促進します。

まとめ

空気源ヒートポンプの市場は広大で多様であり、様々な省エネ暖房シナリオに適しています。用途シナリオの特性に基づいて適切なタイプの空気源ヒートポンプを選択することで、より良い暖房効果が得られます。