空気熱源ヒートポンプは超低温環境にどのように対処するのでしょうか?

空気熱源ヒートポンプは、その効率性と環境上の利点により市場で注目を集めています。ただし、パフォーマンスはいくつかの要因によって大きく異なる場合があります。寒い気候では、これらのポンプの効率が低下し、暖房中の霜の形成が効率と信頼性の両方に重大な影響を与える可能性があります。これらの課題に対処するために、技術と設計が進歩し、さまざまな環境における空気源ヒートポンプの機能と応用が強化されています。

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多段圧縮技術の進歩

可変周波数圧縮技術は、空気熱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 1 つです。低温条件下では、コンプレッサーの回転数を上げることで排気量を大幅に増加させることができ、空気熱源ヒートポンプの加熱能力が向上します。ただし、可変周波数技術はシステムのエネルギー効率を改善しません。暖房能力と低温エネルギー効率を同時に向上させるために、多段圧縮技術を開発しました。

圧縮段数とサイクル構造に応じて、多段圧縮空気源ヒートポンプは、カスケードサイクルと二段/多段圧縮などに分けることができます。低い周囲温度での単段圧縮システムの加熱能力を向上させるには、準二段圧縮として知られる、圧縮プロセス中に冷媒を圧縮チャンバーに直接注入することができます。準 2 段階圧縮サイクルには 2 段階圧縮の特徴があるため、この記事ではこれを 2 段階圧縮サイクルの範囲に含めて説明します。

カスケード空気源ヒートポンプ

周囲温度が低いため、システムの圧力比が高く、圧縮仕事が大きく、スロットル損失が大きく、最終的にはヒートポンプのエネルギー効率が低くなります。損失を削減し、効率を向上させるために、カスケード空気源ヒートポンプシステムは、単一サイクルの代わりに 2 つの蒸気圧縮サイクルを直列に使用し、単段サイクルの圧縮比を下げます。

図に示すように、カスケードシステムは 2 つの独立した蒸気圧縮サイクルで構成され、1 つは低温段階サイクル、もう 1 つは高温段階サイクルです。これら 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、低温サイクルでは凝縮器、高温サイクルでは蒸発器としても機能します。冬には、低温サイクルは蒸発器を介して外気から熱を吸収し、その熱を高温サイクルの熱源として機能させるために高温に上昇させます。高温サイクルでは、室内暖房に必要な温度まで熱をさらに高めます。

カスケード空気源ヒートポンプを使用することで、サイクルの圧縮比が大幅に低下し、全体の圧縮損失とスロットリング損失が低減され、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、さまざまな作業条件に応じて、カスケードサイクルの高温段階と低温段階で異なる冷媒を使用することができます。カスケードシステムは 2 つのシンプルな 1 段システムを使用して実装できるため、暖房および給湯用途で長年使用されています。しかし、カスケードサイクルにおける中間熱交換器の熱交換における温度差により、必然的に一定の効率損失が生じます。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が必要となるため、単段サイクルに比べてコストが高くなります。

二段圧縮空気源ヒートポンプの利点

二段圧縮空気源ヒートポンプは 2 つの冷凍サイクルを接続しており、カスケードシステムの簡略化された形式とみなすことができます。図に示すように、使用されるさまざまなエコノマイザーに基づいて、二段圧縮空気源ヒートポンプは、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 つのタイプに分類できます。

フラッシュタンクシステムの場合、室内凝縮器から出た液体冷媒は二相に絞られてからフラッシュタンクに入り、そこで二相冷媒は飽和蒸気と飽和液体に分離されます。飽和蒸気冷媒は低圧段コンプレッサーからの冷媒排出と混合され、高圧段コンプレッサーによって再度圧縮され、飽和液体は第 2 膨張弁によって絞られ、室外蒸発器に入り蒸発してガスになります。低圧段コンプレッサーに入り、その後フラッシュタンクからの中圧ガスと混合します。

中間熱交換器システムでは、凝縮器出口からの液冷媒が直接主流と分岐流の 2 つの経路に分かれます。分岐流冷媒は中間圧力まで絞られて中間熱交換器に入り、そこで低温の冷媒が主流冷媒を過冷却状態まで冷却し、分岐流冷媒は熱を吸収して飽和蒸気または過熱状態になり、排気と混合します。低圧段コンプレッサーからの圧力は高圧段コンプレッサーに入り、さらに圧縮されます。中間熱交換器の主流出口からの過冷却された冷媒は、蒸発器を通って絞られ、最終的に低圧段圧縮機に戻り、中間圧力まで圧縮され、分流冷媒と混合されます。

多用途性を実現する準デュアルステージ圧縮

図に示すように、準二段圧縮空気源ヒートポンプ (メイクアップシステムとも呼ばれます) は二段圧縮システムと非常によく似ています。違いは、準二段圧縮では、フラッシュタンクまたは中間熱交換器からの冷媒が、2 つの直列圧縮機の間ではなく、圧縮機の圧縮室に注入されることです。

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考えることができ、特別に設計されたメイクアップコンプレッサーを使用して 2 台のコンプレッサーを置き換えることにより、2 台のコンプレッサー間のオイル均等化の問題を回避し、システムコストを削減します。さらに重要なことは、補給ブランチのバルブを閉じることにより、準デュアルステージシステムをシングルステージサイクルモードに柔軟に切り替えることができるため、冬と夏における準デュアルステージヒートポンプの性能を最適化できることです。このため、近年、低温ヒートポンプには擬似二段圧縮技術が広く適用されています。

冷媒の交換

環境に優しく効率的な冷媒への移行は、空気熱源ヒートポンプの進歩において極めて重要です。 R22 や R410A などの従来の冷媒は、R290、R32、R744、R161 などの代替冷媒に置き換えられています。これらの冷媒にはそれぞれ、特に環境への影響、効率、安全基準に関して、利点と考慮事項があります。技術の進歩に伴い、これらの代替手段の採用と高度なシステム設計の組み合わせにより、空気熱源ヒートポンプの性能と適用性が向上し続けます。

継続的な革新と研究を通じて、空気源ヒートポンプはより堅牢で効率的になり、より広範囲の気候や用途に適したものになっています。高度な圧縮技術の統合と環境に優しい冷媒への移行がこの進化の中心であり、持続可能で効率的な暖房ソリューションへの道を切り開きます。

結論

空気熱源ヒートポンプは冷暖房技術の最前線にあり、従来のシステムに代わる持続可能で効率的な代替手段を提供します。多段圧縮技術と環境に優しい冷媒の採用により、これらのシステムは継続的に進化し、より優れた性能、適応性、環境への影響を提供しています。現在進行中の研究と技術革新により、空気熱源ヒートポンプは住宅用および商業用の幅広い用途にとってさらに魅力的な選択肢となり、持続可能な冷暖房の未来を前進させます。