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知ると「そうだったのか!」 エコキュート(ヒートポンプ)のしくみ
2011年03月17日-----------------------------------
地震による被害にあわれた皆様、
ご家族ご親族、知人ご友人が被害にあわれた皆様へ
心よりお見舞い申し上げます。
一日も早い復興を祈っております。
オーナーズ・スタイル編集長 上田英貴
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こんにちは。
大家さんのための賃貸経営マガジン「オーナーズ・スタイル」
編集長の上田です。
木曜日は「雑学いろいろコラム」です。
エコキュートをご存知でしょうか。
「空気の熱でお湯を沸かす・・・という装置でしょ?」
と、すぐに答えが返ってきそうです。
テレビCMなどからもよくこうしたフレーズが
聞こえてきます。
そのとおり、エコキュートは、
空気の熱を利用してお湯を沸かす機械であることに
間違いありません。
では、「空気の熱を利用してお湯を沸かす」というのは、
具体的にはどんな仕組みによるものなのでしょうか。
そこには、「ヒートポンプ」という技術が隠されています。
エコキュートの正式名称を
「自然冷媒ヒートポンプ式電気給湯器」
などと、いいます。
そこで、この
「エコキュートに使われているヒートポンプ」
の仕組みについて、
今日は簡単に説明してみましょう。
その前に、
「気体には、圧縮すると温度が上がり、
膨張すると温度が下がる性質がある」
と、いうことをご存知でしょうか。
19世紀に発見された単純な原理です。
よく知られた原理ではあるのですが、
これを応用して、
エコキュート、つまり給湯機として一般製品化することは
過去、とても難しいことでした。
これを日本が世界に先駆けて広く一般化。
技術的にも世界をリードしている分野のひとつと
されています。
では、
エコキュートに使われているヒートポンプの仕組みが
お湯を生み出す過程です。
まず、外の空気を装置の中に取り込みます。
この際、ファンを回すため、電力が使われます。
空気はある程度の熱をつねに含んでいますが、
(もちろん冬は低く、夏は高いですね)
その熱を利用して、装置の中にある「冷媒」を温めます。
冷媒は、「空気熱交換器」という装置の中を通される際、
取り込んだ空気の熱で、
まず幾分か、
温められるわけです。
次に、温められた冷媒が送られる先には、
「圧縮機」があります。
ここでおさえておきたいのですが、
この「冷媒」なるもの、気体です。
圧縮機は、気体である冷媒を
機械の力で圧縮するわけです。
そこで先ほどの「原理」を思い出してください。
すでに空気熱によってある程度温められている冷媒は、
圧縮機の中で、
ぎゅーっと圧縮されます。
そのことにより、冷媒はますます、
熱く、熱くなるのです。
このアツアツになった冷媒を
今度は「水熱交換器」という装置に導きます。
水熱交換器には水が通る管も導かれていて、
ここで、
アツアツになった冷媒の熱が水に伝わります。
水が温められます。
温められた水は当然、温水となり、
ここでめでたく、
「お湯が完成!」と、なるわけです。
さて、このあとですが、
水を温め終わった冷媒は、水に熱を「渡して」しまったため、
その温度をある程度下げています。
これを今度は「膨張弁」という装置に送ります。
ここでもやはり、先ほどの原理がはたらきます。
冷媒は、膨張弁で膨張させられることにより、
さらにその温度を下げます。
そして、ふたたび、
最初に出てきた空気熱交換器へと導かれ・・・
外から取り込まれた空気と、また出会うわけです。
閉じた空間の中でぐるぐると循環を繰り返す冷媒が、
熱くなったり、冷やされたり、
大活躍する仕組みです。
ちなみに、
圧縮機で圧縮された時点での冷媒の温度は、
水熱交換器内で隣接する水の温度を
90度に上げられるほどの高温となっています。
ですので、
通常、これを「冷媒」とは呼びますが、
人間の視点でいう「熱さ」を蓄え、
それを水に伝えるという意味で、
「熱媒」としてみると、
以上に説明した流れがより理解しやすいでしょう。
エコキュートでは、この冷媒(熱媒)として、
いろいろな利点から、
二酸化炭素(CO2)が使われています。
ヒートポンプのシステムには、エコキュートのほかにも、
地中の熱を利用するもの、
水の熱(たとえば湖沼・川など)を
使うもの、
あるいはCO2とは別の冷媒を使うものもあります。
そして、すでにお気づきの方もいらっしゃるでしょう。
冷蔵庫やエアコンも、
「冷媒に加圧・減圧をすることで熱をコントロールする
ヒートポンプの仕組み」
を利用した機械です。
実は、ヒートポンプは、
温めるよりも先に、主に冷やす手段として、
われわれの身近なものとなっていたわけです。
そうした中で、エコキュートを規定すれば、
・空気熱をもとに
・CO2冷媒サイクルによって給湯することを目的とした
・ヒートポンプシステム
と、いうことになりそうです。
ところで、
エコキュートのこうした仕組みを知った人からは、
疑問が湧きそうです。
「エコ、エコというが、
結局、機械は電気で動いている。そこのところはどうなんだ?」
そのとおりです。
確かに、空気を取り込むファンや圧縮機を動かすため、
エコキュートには電力が使われます。
但し、注目したいのは、その効率です。
もともと空気が含んでいる自然の熱を生かす
仕組みであるため、
投入される電気エネルギー1に対して、
エコキュートが生み出すエネルギーは3以上になると
いわれています。
節電による省エネという点においては、
とても効果が高いのです。
空気の熱の助けを借りて、
消費電力を大幅に抑える。
これが、エコキュートが「エコ」である理由です。
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