空気源ヒートポンプは超低温環境にどのように対応できるのでしょうか?

近年、空気源ヒートポンプは大きな注目を集め、市場で人気を博しています。しかし、空気源ヒートポンプの性能に大きく影響する要因がいくつかあります。第一に、空気源ヒートポンプの性能は、周囲温度が低い条件下では著しく低下します。第二に、加熱プロセス中の霜付き問題は、エネルギー効率と信頼性に深刻な影響を与えます。近年、多くの研究者や技術者が、これらの問題を解決するために、空気源ヒートポンプ技術の改良に多大な労力を費やしてきました。

PART 01 マルチレベル圧縮技術

可変周波数圧縮技術は、空気源ヒートポンプの加熱能力を向上させる効果的な方法の一つです。低温条件下では、圧縮機の回転速度を上げることで吐出量を大幅に増加させ、空気源ヒートポンプの加熱能力を向上させることができます。しかし、周波数変換技術ではシステムのエネルギー効率を向上させることはできません。低温時の加熱能力とエネルギー効率を同時に向上させるために、多段圧縮技術が開発されました。

多段圧縮空気熱源ヒートポンプは、圧縮段とサイクル構造の違いにより、カスケードサイクルと二段/多段圧縮に分けられます。単段圧縮システムの低温環境における加熱能力を向上させるため、圧縮過程において冷媒を圧縮室に直接注入する方法があり、これを擬似二段圧縮と呼びます。二段圧縮サイクルの特性を考慮し、本稿では二段圧縮サイクルの範囲に含めます。

1.1 積層型空気熱源ヒートポンプ

周囲温度が低いため、システム圧力比が高く、圧縮動力が大きく、絞り損失が大きいため、ヒートポンプのエネルギー効率が低下します。損失を低減し、効率を向上させるために、積層型空気熱源ヒートポンプシステムでは、単一サイクルではなく2つの蒸気圧縮サイクルを直列に接続することで、単段サイクルの圧縮比を低減しています。

カスケードシステムは、低温段サイクルと高温段サイクルという2つの独立した蒸気圧縮サイクルで構成されています。これらの2つのサイクルは、共通の中間熱交換器を介して接続されており、中間熱交換器は低温サイクルの凝縮器として、また高温サイクルの蒸発器として機能します。冬季には、低温サイクルは蒸発器を介して周囲の空気から熱を吸収し、その熱を高温サイクルの熱源として供給します。高温サイクルでは、この熱が再び室内暖房に必要な温度まで昇温されます。

積層型空気源ヒートポンプを使用することで、サイクルの圧力比が大幅に低下し、総圧縮損失と絞り損失が低減し、空気源ヒートポンプのエネルギー効率が向上します。さらに、異なる動作条件に応じて、カスケードサイクルの高温段と低温段に異なる冷媒を使用できます。積層システムは、2つのシンプルな単段システムを使用して実装できるため、長年にわたり暖房および給湯アプリケーションに使用されています。ただし、カスケードサイクルの中間熱交換器の伝熱温度差により、必然的に一定の効率損失が発生します。さらに、カスケードサイクルでは、2台のコンプレッサーと追加の熱交換器を使用する必要があり、単段サイクルに比べて高価です。

1.2 二段圧縮空気熱源ヒートポンプ

二段圧縮空気熱源ヒートポンプは、2つの冷凍サイクルを連結したもので、カスケードシステムの簡略化された形態と見ることができます。下図に示すように、二段圧縮空気熱源ヒートポンプは、使用されるエコノマイザーの違いに基づいて、フラッシュタンク（FT）システムと中間熱交換器（IHX）システムの2つのカテゴリに分類できます。

フラッシュタンクシステムでは、室内凝縮器から排出された液冷媒は二相に絞り込まれ、フラッシュタンクに入ります。二相冷媒はフラッシュタンク内で飽和ガスと飽和液に分離されます。飽和ガス冷媒は低圧段圧縮機から排出された冷媒と混合された後、高圧段圧縮機で再び圧縮されます。飽和液は第二膨張弁で絞り込まれ、室外蒸発器に入り、蒸発してガスになります。その後、低圧段圧縮機に入り、フラッシュタンク内で中圧ガスと混合されます。

中間熱交換器システムでは、凝縮器出口の液体冷媒が直接、主冷媒と分岐冷媒の2つの流れに分割されます。分岐冷媒は中圧に絞られ、中間熱交換器に入ります。低温の冷媒は主冷媒を過冷却状態まで冷却します。分岐冷媒は熱を吸収して飽和ガスまたは過熱状態になり、低圧段圧縮機の排気と混合されて高圧段圧縮機に入り、さらに圧縮されます。中間熱交換器の主出口で過冷却された冷媒は絞られ、蒸発器を通過し、最終的に低圧段圧縮機に戻り、そこで中圧まで圧縮されて分岐冷媒と混合されます。

1.3 準二段圧縮空気熱源ヒートポンプ

準二段圧縮空気熱源ヒートポンプ（補助空気システムとも呼ばれる）は、二段圧縮システムと非常によく似ています。違いは、準二段圧縮システムでは、直列接続された2台のコンプレッサーの代わりに、中間空気供給ポートを備えたコンプレッサーが使用されることです。準二段圧縮システムでは、フラッシュタンクまたは中間熱交換器からの冷媒は、2台のコンプレッサーの間ではなく、コンプレッサーの圧縮室に注入されます。

したがって、準二段ヒートポンプは、二段ヒートポンプの簡略化された形態と見なすことができ、特別に設計された給気コンプレッサーを使用して2つのコンプレッサーを置き換えることで、2つのコンプレッサー間のオイルバランスの問題を回避し、システムコストを削減します。さらに重要なのは、給気分岐のバルブを閉じることで、準二段システムは単段循環モードに柔軟に切り替えることができ、冬と夏における準二段ヒートポンプの性能を最適化することです。そのため、近年、準二段圧縮技術は低温ヒートポンプに広く応用されています。

PART 02 冷媒の交換

現在、空気熱源ヒートポンプシステムではR22とR410Aが最も一般的に使用されている冷媒であり、主な代替冷媒としてはR290、R32、R744、R161、および一部のHFC混合冷媒が挙げられます。しかし、R744を除くすべての中低GWP冷媒はある程度の可燃性を有しており、その使用にあたっては、充填量などの特殊要件を考慮し、関連する安全規格または規制を遵守する必要があります。

純粋な冷媒代替品としては、R290はR22と同等の運転圧力と容量を持ち、エネルギー効率はR22よりも高いものの、可燃性があるため、主に小規模なチャージシステムに適しています。メーカーは、R290を使用したスプリットエアコンや空気源ヒートポンプを展示しています。R32の運転圧力と容量はR410Aに近く、エネルギー効率もR410Aと同等、あるいはR410Aをわずかに上回っています。

現在、R32は市場の様々なタイプの空調機器に適しており、日本、中国、韓国、欧州など多くの国と地域でスプリットユニットに使用されています。一部のメーカーは、マルチスプリットユニットなど、他のタイプのシステムにもR32を使用しています。R744は、冷房モード、特に外気温が高い場合のエネルギー効率が低いため、暖房・冷房分野での応用範囲が限られています。しかし、R744のトランスクリティカルサイクルは、高温の温水において大きな利点を有しています。

純冷媒に加えて、空気熱源ヒートポンプ専用に設計された混合冷媒も多数あり、これらは主にR32、R125、R134a、R152a、R161、R1234yf、R1234ze、R600a、R1270、R290などの2種類以上の純冷媒で構成されています。一部の混合冷媒は、R444B、R446A、R447Aなどの独自の番号が付けられていますが、他の多数の混合冷媒は現在も継続的に開発されています。これらの混合冷媒は、多くの場合、動作圧力と容量がR22またはR410Aに似ており、GWPは150から1000の範囲で、可燃性レベルは1（高GWP冷媒）または2L（中GWP冷媒）です。現在、混合作動流体の大部分は量産されておらず、関連する技術データはまだ公開されていません。