ヒートポンプとは？仕組みやメリット・デメリットをわかりやすく解説

ヒートポンプとは？

ヒートポンプとは、空気などに存在する熱を集めて、別の場所へ移動させる技術や機器のことです。

たとえば、エアコンの冷房は部屋の熱を外に運び、暖房は外の熱を部屋へ運んでいます。ストーブのように燃料を燃やして熱を生み出すのではなく、もともと存在する熱を移動させて、空間を暖めたり冷やしたりするのが特徴です。

ヒートポンプは、元々存在する熱を「集めて運ぶ」ため少ないエネルギーで効率よく熱を利用できます。そのため、燃焼して熱を発生させる燃焼式の暖房と比べてCO2₂排出量を抑えやすいという利点があります。

エアコンのほか、エコキュートや冷蔵庫、洗濯乾燥機など私たちの身近な家電にも幅広く採用されています。

ヒートポンプの仕組み

ヒートポンプは、熱が高温から低温へ移動する性質と、冷媒の状態変化を利用して、効率よく熱を移動させる仕組みです。

冷媒とは熱を運ぶ役割を担う物質で、圧縮すると高温・高圧に、膨張させると低温・低圧になる性質を持ちます。この性質を利用し、外部から熱を集めて別の場所へ移動させます。

ここでは、エアコンを例にとって説明しましょう。

1. 室外機内で冷媒の圧力を下げ、外気より低温の状態をつくることで、温度差によって空気中の熱を取り込む
2. 圧縮機で冷媒を圧縮し、温度を上げる
3. 室内機から高温になった冷媒が熱を放出し、部屋を暖める
4. 膨張弁で圧力を下げることで温度が低下した冷媒が室外機に戻る

このサイクルを繰り返すことで、電気で熱を生み出すのではなく、熱を移動させて暖冷房を行います。

ヒートポンプの構造

ヒートポンプは、冷媒が配管内を循環しながら各装置を通過することで、熱を移動させる構造です。おもな構成要素とそれぞれの役割は以下のとおりです。

ヒートポンプの種類・熱源

ヒートポンプは、方式によって圧縮式と吸収式に分類できます。圧縮式は冷媒を圧縮・膨張させて熱を移動させ、吸収式は気化熱を利用して熱を移動させる方式です。

ここでは、圧縮式と吸収式のそれぞれの特徴を見ていきましょう。

圧縮式ヒートポンプ（空気を圧縮・膨張させる）

圧縮式ヒートポンプは、空気をおもな熱源として利用し、冷媒を圧縮・膨張させることで熱を移動させる方式です。

圧縮機を電気モーターやガスエンジンで駆動し、冷媒を循環させることで、熱を集めて放出します。

構造が比較的シンプルで効率が高く、家庭用・業務用エアコンや冷蔵庫、給湯器など幅広い機器に採用されています。

吸収式ヒートポンプ（水の気化熱を利用）

吸収式ヒートポンプは、水を冷媒として用い、その気化熱を利用して熱を移動させる方式です。

冷媒の蒸発・吸収・再生・凝縮というサイクルで熱を循環させ、圧縮機の代わりに熱エネルギーを利用して動作します。

電力使用量を抑えられる一方、設備が大きくなるため、おもに産業用施設や地域熱供給などで利用されています。

ヒートポンプ式とヒーター式の違い

熱を生み出す方法には、ヒートポンプ式とヒーター式があります。

ヒーター式は、電気やガスを使ってその場で熱を発生させる方式です。一方、ヒートポンプ式は、外気などに含まれる熱エネルギーを集めて移動させる仕組みで、電気はおもに圧縮機を動かす動力源として使われます。

従来のように熱を「作る」のではなく、自然界にある熱を「利用する」点が、両者の大きな違いです。

ヒートポンプ式はヒーター式と比較して省エネ

従来はヒーター式で電気やガスのみで熱を発生させていました。対してヒートポンプ式は空気中の熱エネルギーを利用し、電気はおもに装置を動かすための動力として使われます。そのため、同じ熱量を得る場合でも必要な電力量を抑えやすい仕組みです。

たとえば洗濯乾燥機では、ヒートポンプ式はヒーター式に比べて消費電力が大幅に低くなる傾向があり、この差が日常的な電気代の違いにつながります。

ヒートポンプが使われているおもな用途・電化製品

ヒートポンプは、冷暖房や給湯など、さまざまな家庭用電化製品に利用されています。おもな用途は以下のとおりです。

• エアコン
• 給湯器
• 洗濯乾燥機
• 冷蔵庫
• 床暖房

ここでは、各電化製品の基本的な仕組みを解説します。

エアコン

エアコンは、ヒートポンプを利用した代表的な家庭用電化製品です。冷房時には室内の空気に含まれる熱を室外へ移動させ、室内を涼しくします。

一方、暖房時には室外の空気中に含まれる熱を集め、室内へ運ぶことで部屋を暖めます。冷媒の流れを切り替えることで、1台で冷房と暖房の両方を行えるのが特徴です。

給湯器（エコキュート）

エコキュートは、ヒートポンプを利用して空気中の熱を取り込み、お湯を作る給湯器です。電気で水を直接温める電気温水器と比べ、少ない電力で多くの熱を利用できるため、消費電力量は約4分の1程度に抑えられます。

使用する電力量が少ない分、発電に伴うCO2排出量も低減でき、環境負荷の小さい給湯方式といえます。

洗濯乾燥機

洗濯乾燥機には、ヒーター式とヒートポンプ式の2種類があります。ヒーター式は電気で直接温度を上げるのに対し、ヒートポンプ式は空気中の熱を利用するため、同じ乾燥でも必要な電力量が少なくなり、電気代を抑えられます。

以下は、ヒーター式とヒートポンプ式を比較した表です。

• 1日1回使用し、1カ月は30日と仮定。

• 電力量料金単価は全国家庭電気製品公正取引協議会が示す31円/kWhを使用。

冷蔵庫

冷蔵庫は冷気を作り出しているのではなく、ヒートポンプの仕組みを使って庫内の熱を外へ運び出すことで冷やしています。

冷媒が気化する際に庫内の熱を吸収し、その後、圧縮機で高温・高圧の状態となった冷媒が背面などの放熱部から熱を外部へ放出します。このように、庫内の熱を外へ移動させることで、内部を低温に保っています。

床暖房

床暖房には、ヒートポンプ方式を採用した温水式床暖房があります。室外機で空気中に含まれる熱を集め、その熱を利用して温水を作り、床下の配管に循環させることで床面を暖めます。

電気で直接発熱させるのではなく、自然界にある熱を移動させて活用する仕組みのため、消費電力を抑えながら安定した暖房運転ができる点が特徴です。

ヒートポンプのメリット

ヒートポンプ式の電化製品は、空気中などの環境熱を活用することで、消費電力量を抑えやすく、電気代の削減やCO2排出量の低減につながる点がメリットです。

それぞれを具体的に解説します。

エネルギー効率が高く、電気代が安くなりやすい

ヒートポンプは、電力消費を抑えながら熱エネルギーを有効活用できる、高効率な熱利用技術です。電気は熱を生み出すためではなく、空気中などにある熱を移動させるための動力として使われます。

そのため、同じ冷暖房効果を得る場合でも消費電力量が少なくなり、結果として電気代を抑えやすくなります。

空気などの環境熱を利用するため、環境へのダメージが少ない

ヒートポンプ式の冷暖房機は、電気ヒーターやガス・石油などの燃焼式暖房のように熱を直接つくるのではなく、空気中の熱など周囲にある環境熱を取り込み、移動させて利用します。

燃料を燃やさないため、同じ暖房効果を得る場合でもエネルギー消費を抑えやすく、従来の燃焼式暖房と比べてCO2排出量を低減しやすい点が特徴です。環境への負荷を抑えやすい暖房方式といえます。

冷暖房のどちらにも利用できる

ヒートポンプは、冷房と暖房のどちらにも利用できる点もメリットです。電気ヒーターやガス・石油ストーブなどの従来の暖房機器は、熱を発生させて暖めることしかできません。

一方、ヒートポンプは熱を移動させる仕組みのため、熱の流れを切り替えることで、室内を冷やすことも暖めることも可能です。1台で冷暖房の両方に対応できます。

ヒートポンプのデメリット

ヒートポンプには多くのメリットがある一方で、導入時のコストや使用環境による制約といったデメリットもあります。ここでは、ヒートポンプの代表的なデメリットについて解説します。

初期費用が高くなる

ヒートポンプのデメリットとして代表的なのが、初期費用が高くなりやすい点です。

ヒーターなどの加熱部に加えて、圧縮機や凝縮器といった機構が必要になるため、構成が複雑になり、機器コストが上がりやすくなります。

その結果、従来の暖房機器と比べて導入価格が高めになる傾向があります。

故障リスクが高く保守費用がかかる

ヒートポンプ式は構成部品が多く、仕組みが複雑なため、故障リスクが相対的に高まりやすい点もデメリットです。圧縮機や熱交換器などの部品が多いことから、定期的な点検やメンテナンスが必要となり、保守費用が発生しやすくなります。

たとえば、ヒートポンプ式の洗濯乾燥機では、数年単位で圧縮機モーターの不具合が発生するケースもあり、長期使用を前提とする場合は維持管理コストを考慮する必要があります。

外気温が低いとエネルギー効率が悪くなる

ヒートポンプは空気中などの環境熱を取り込んで運転するため、外気温が極端に低い条件ではエネルギー効率が低下する場合があります。

また、外気中に利用できる熱量が少なくなると、同じ暖房効果を得るためにより多くの電力が必要になることもデメリットとして挙げられます。

ヒートポンプ方式の電化製品を使用して省エネしよう！

ヒートポンプは、冷媒を使って熱を移動させることで、効率よく冷暖房や給湯を行う技術です。電気はおもに装置を動かすために使われるため、従来のヒーター式と比べて消費電力量を抑えやすく、電気代の削減につながります。

CO2排出量も抑えやすく、環境負荷が小さい点も特徴です。エアコンをはじめ、給湯器や洗濯乾燥機など、身近な家電にも多く採用されています。ヒートポンプ方式の家電を選ぶことは、日々の省エネと家計の見直しにつながります。

電気代が気になる方は、契約プランの見直しも効果的です。電気料金シミュレーションで、毎月の電気代がどれくらい変わるか確認してみましょう。