ヒートポンプはどのように動作するのですか?

人々が石油やガスに代わるものを求める中、ヒートポンプは家を暖かく保つための気候に優しい選択肢として宣伝されています。 DW はその背後にある謎を説明します。

ドイツの住宅の約半分は天然ガスで暖房されており、4分の1は石油で暖房されています。 気候危機に直面して国が化石燃料から脱却していく中、多くの人が代替燃料を探している。

ヒートポンプは広く議論されている技術の 1 つです。 しかし、それらは正確にどのように機能するのでしょうか?

ヒートポンプは、外気、地面、または近くの水源から熱を抽出し、蒸発冷却と呼ばれるものを使用して熱を生成します。 うだるような気温の中で冷たい布を肌に当てることがどれほど心地よいかわかるでしょう。 それと同じ効果です。 冷たい水は蒸発して気体になり、体が冷えます。

その背後にある科学は次のとおりです。水から蒸気への移行には多量のエネルギーが必要です。 状態を変化させるために、水分子はそのエネルギーを周囲、この場合は温かい皮膚から引き出します。 このプロセスにより冷却効果がもたらされます。 逆に、蒸発した水が再び液体になると、このエネルギーの多くは熱として空気中に放出されます。

ヒートポンプ、冷蔵庫、エアコンはすべてこれらの移行を利用しています。 冷蔵庫は庫内が冷え、外側が暖かくなります。 ヒートポンプの場合はその逆です。

ヒートポンプの場合、特殊な冷媒が閉じたパイプシステム内を循環します。 冷媒は非常に低い温度、場合によっては摂氏マイナス 50 度 (華氏マイナス 58 度) 未満で蒸発します。

たとえば、地面や空気からの熱によって冷媒が温められ、回路内で蒸発します。 コンプレッサーは冷媒ガスの分子を圧縮し、その温度をさらに高めます。 その後再び液化すると、余分な熱が暖房システムに放出されます。 つまり、ヒートポンプを使用して、家庭、オフィス、その他の屋内スペースを暖めたり冷やしたりできるということです。

ヒートポンプにはさまざまな種類がありますが、環境から熱エネルギーを抽出するという同じ原理ですべて動作します。

水ヒートポンプは、地下水または川や湖からの水を使用できます。 空気源のものは、外部から引き込んだ通常の空気、または産業現場やデータセンターで生成される熱排気で動作します。

地熱ヒートポンプの場合、岩石の密度に応じて、プローブは地中に 100 メートル (328 フィート) 以上掘削されます。 ボーリング孔を地中に深く掘れば掘るほど、地面は暖かくなります。

地下水ヒートポンプはより効率的ですが、高価でもあります。 空気源の種類はほぼどこでも機能しますが、騒音が発生する場合があります。

建物を暖房する過程で、ヒートポンプは地下水を 4 度冷却するか、建物周囲の気温を 10 度下げることができます。

冬の寒い日でも、建物を暖房するのに十分な熱エネルギーが地下、空気、地下水に存在します。 たとえば、スカンジナビアでは、厳しい冬でも多くの人が空気熱源ヒートポンプで暖房を行っています。 これらは摂氏マイナス 20 度の低い温度で空気から熱エネルギーを抽出します。

それでも、寒さの中で動作するにはより多くのエネルギーが必要であり、暖かい天候ではより良く機能します。 ヒートポンプには、バックアップとして電気を使用する加熱ロッドも装備されています。

エネルギーのほとんどは環境から得られますが、デバイスはコンプレッサー、ポンプ、ファンの電気モーターを動作させるために追加の電力を必要とします。 良好な条件下では、1 キロワット時の駆動電力で約 6 キロワット時の熱が発生します。 80 平方メートルの断熱アパートに必要な電力は年間 1,000 キロワット時未満です。

ヒートポンプは、断熱された新しい建物、特に床暖房と大型ラジエーターを備えた建物でより効率的です。 フライブルクに拠点を置くフラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所の調査によると、ドイツの古い住宅では、空気熱源ヒートポンプが 1 キロワット時の電力から約 3 キロワット時の熱を生成しています。 エネルギー源として地下水を使用すると、比較すると平均して 4 倍の熱が発生します。