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エコキュートはなぜ凄いのか

ヒートポンプ、CO2冷媒、COPの3つのキーワードから、エコキュートについてお話します。なぜ次世代省エネ給湯器といわれるのか、なぜ地球温暖化の切り札といわれるのか、その凄さをご説明いたします。

※以下にご案内する内容は、平成17年に作成しました。従って現在では若干事情が変わっている事もありますが、基本的なことでは変わりないのでそのまま掲載させていただいてます。
平成23年10月 ㈱りらいふ 長渕圭司

◇エコキュート 3つのキーワード
エコキュートとは、自然に存在する気体、二酸化炭素(CO2)を冷媒に採用したヒートポンプ給湯器の愛称のことです。

2000年にCO2ヒートポンプ給湯器としては世界で初めて日本が開発し、翌年に市場に出回りました。現在、家庭用、業務用の民生向けに製造されているエコキュートのメーカーは20社以上もありますが、CO2を冷媒としたヒートポンプ給湯器はすべてエコキュートと呼ばれています。

エコキュートの凄さをご理解していただくためには、3つのキーワードがあります。ひとつはヒートポンプ、そしてCO2冷媒、最後にCOPです。他にもあるかもしれませんが、この3つのキーワードをそれぞれご説明することでエコキュートとはなんぞや?の疑問にお答えできるかと思います。
※最近ではCOPよりもjis(年間給湯保温効率)で省エネ性能を表示されていますが、ここではわかりやすいようにCOPでご説明させていただいてます。

◇ヒートポンプ
営業マンがお客様にエコキュートのご説明をするときに、まずお伝えするのがこのヒートポンプです。「エコキュートは空気の熱をヒートポンプで利用してお湯を作るんですよ、だから省エネなんです・・・」大体こんな感じでご説明しながら本筋(商談です)に入ります。この営業マンの言葉は不十分ですがウソではありません。エコキュートはヒートポンプによって空気から熱を奪い、その熱を水に移してお湯を作ります。

ヒートポンプとは

最終的なお湯の温度は90度前後の高温になり、冷たい水で薄めて使用できるお湯とし
て使います。普通ならここで疑問が生じるはずです。「空気の熱でお湯(90度)を沸かす、と言っても、夏場でせいぜい35度、冬場なら0度以下の時もあるでしょう?それでお湯が作れるの?」一般の生活感覚では理解しがたい理屈だと思います。まさにそこにエコキュートの凄さが隠されているのです。

実はエコキュートの秘密は空気から熱をくみ出すヒートポンプにあります。ヒートポンプは従来からあるエアコンや冷蔵庫、業務用ではビル空調から製氷、冷凍にいたるまで、様々な設備に活用されています。基本的にエコキュートのヒートポンプはエアコンなどそれらのヒートポンプと同じ原理です。

冷媒として使われる気体は圧縮されて高圧になると熱くなる性質があります。逆に高圧から低圧へと膨張させれば冷たくなります。エアコンの冷暖房はその原理を応用して、ヒートポンプで空気に存在する熱を少しずつ汲み上げ、移動させているわけです。この場合の空気に存在している熱(エネルギー)というのは必ずしも高温である必要はありません。

私たちがいつも慣れ親しんでいる熱で云えば、水が氷になる0度から蒸発する100度くらいが感覚的に適当かと思います。100度の熱を利用して90度のお湯を沸かす、と言うなら素直に理解はできますよね。しかし、0度の空気にも熱エネルギーは存在し、そこから熱を汲み上げてお湯を作ることが可能なのです。理論的に熱エネルギーは、物質の電子や原子の動きが完全に停止する-273度(絶対零度)まで存在するそうです。

エコキュートのヒートポンプは外気温が-10度までなら、熱エネルギーを汲み上げ、お湯を沸かせます。但し、空気の熱を利用してお湯を沸かすのですから、暖かい空気であればあるほど効率は上がります。冬場より夏場のほうが効率は上がり、寒い地域よりも暖かい地域の方が適しているとも言えます。

もともと給湯器と云えば、燃料を燃やしてお湯を沸かすボイラーなどの燃焼式が中心でした。燃料の安い灯油やガス給湯器の方が電気の給湯器よりもはるかに効率も性能も良い、とされてきました。近年、ヒートポンプ技術の改良が格段に進み、コンプレッサーの高効率化や、インバーター技術や電子制御等の融合により、それまで空調や冷凍部門にしか利用できなかったヒートポンプが給湯にも使えることが分かりました。

しかも、熱効率や省エネ性能の優秀さはもちろん、結果的にユーザーが負担する燃料費(電気代)も大きく節減できることも立証されました。今後もヒートポンプの性能向上は期待され、省エネルギー法に伴う措置のひとつ、トップランナー方式の導入で更に技術革新は進み、エコキュートを始め、エアコンや冷蔵庫などに利用されているヒートポンプは、地球温暖化防止の切り札として注目されています。

◇CO2冷媒
ヒートポンプで重要な役割を担っているのが冷媒です。冷媒とは簡単に言えば熱の運び役です。冷媒の種類は大きく分けて、人工的に合成されたフロンと、もともと自然界に存在する自然冷媒の2種類があります。フロンはエアコンや冷蔵庫などに使われていましたが、塩素を含む従来のフロンはオゾン層を破壊することから規制が始まり、現在ではR410AやR407Cなどの代替フロンに切り替わりつつあります。

これらの代替フロンは取り扱いも容易なので、家庭用や業務用エアコンに多く使われています。しかし、地球温暖化係数が高いのが難点で、廃棄する際は回収が義務付けられています。

地球環境に負荷の少ない自然冷媒としては、アンモニアやブタンなどがあります。しかし、毒性や可燃性の問題点や、水をお湯に替えるために必要な大きな熱エネルギーを運ぶ冷媒としては不十分でした。その点、CO2は無毒で不燃性な上、コンプレッサーで圧縮して高圧にすると、“超臨界”と呼ばれる状態(液体と気体の中間)となり、高温になった熱を水などに移しやすい性質があります。

早くからこのCO2を給湯器に適した冷媒として注目していた電力中央研究所や各電力会社、デンソー等が共同開発し、2001年に世界で初めてエコキュートとして世に送り出すことに成功しました。では、エコキュートのヒートポンプでCO2冷媒が具体的にどのようにお湯をわかしているのでしょうか?簡単にその仕組みをご説明します。

ヒートポンプのしくみ2

外気温が15度とした前提でご説明しましょう。コンプレッサーに入る前の冷媒温度は10度です。コンプレッサーに入り、圧縮された冷媒(CO2)は“超臨界”となり100度以上の高温となります。高温の冷媒は熱交換器を通り、水道の水を加熱します。加熱されたお湯は貯湯ユニットに貯められます。一方、水に熱を奪われた冷媒は20度程度まで冷め、次の膨張弁により一気に圧力を下げられます。急速に膨張した冷媒は外気温(15度)よりも-10度ほど下がります。5度の低温になった冷媒は空気用熱交換器を通り、空気に触れて暖められ、10度まで上昇します。この部分が冒頭の営業マンの言葉にある「空気の熱を利用して・・・」の種明かしです。エコキュートはこの工程を繰り返すことでお湯を作り、蓄えます。

このようにヒートポンプでお湯を沸かし、ご家庭やお店での実用に耐えられる製品として可能になったのは、CO2という優れた自然冷媒を利用できることで初めて実現しました。しかも、エコキュートのCO2はアンモニアを製造する際に発生した副産物をリサイクル利用しているので、温暖化防止にも貢献し、環境にも、省エネにも優れた次世代給湯器として今後も普及していくことは間違いないと言われています。

◇COP
エコキュートのカタログには必ず「業界最高!COP4,5」 など、COPの数値を示す説明があります。COPとはエネルギー消費効率のことで、英語でCoeffcient of Performance の略です。エネルギー消費効率とは、投入したエネルギーがどれくらいの仕事をしてくれるか?を数字で表したものです。具体的には、COP4,5のエコキュートであれば、1の電気入力で4,5の熱エネルギーを得ることができることになります。

ここで比較するために他の給湯器のCOPはどれくらいでしょうか?ガスや石油の給湯器は、燃焼による排熱などのロスがありますので、COPは0,8程度です。最新の潜熱回収型でさえ、COP0,95が限界でしょう。光熱費が安い、と言われている電気温水器ではどうでしょう? 電気温水器は電熱ヒーターですから、1の電気入力に対し、0.9の熱エネルギーしか得られません。という事はCOP0.9です。

このようにエコキュート以外の給湯器では決して投入したエネルギーを超える仕事はしてくれないのです。電気温水器の光熱費が安い、のは電力会社の電力負荷平準化対策の深夜電力割引制度を利用しているから経済的なのであって、電気温水器そのものが効率の良い省エネ給湯器であるからではありません。エコキュートや他のヒートポンプ給湯器(冷媒にR410Aを採用)のCOPは年々効率が上がり、2010年頃までにはCOP5を達成するのは間違いないと言われています。
※2011年9月 パナソニックが発売した業務用エコキュートはCOP5.1を実現しています。

現にエアコンではCOP6以上の製品も市場に出ており、10年前のエアコンの光熱費と比べれば半分以下まで下がっています。エコキュートの光熱費もCOP4,5の性能であれば、4人家族の平均的なご家庭で使われる給湯コストは1カ月、1000円程度で済み、ガス給湯器のそれと比較すれば、1/5程度だと言われています。

なぜエコキュートが1の電気を4,5倍もの熱エネルギーにして返してくれるのでしょうか?ここまでの説明をご理解いただけたならすでにお解りでしょう。それは残りの3,5の熱エネルギーを空気から取り出しているからです。それを可能にしているのが、先にご説明した優秀なヒートポンプとCOP冷媒のお陰なのです。

このようにエコキュートやエアコンなどに利用されている高効率ヒートポンプの性能は年々向上し、住宅用、業務用の空調から給湯まで幅広い分野に亘り普及が望まれています。仮に家庭、業務用における熱需要をヒートポンプ方式に置き換えた場合、CO2の排出削減量は年間約1億トンにものぼると試算されています。この数字は京都議定書目標削減達成計画の民生部門に割り振られた削減量(年間約6000万トン)を上回る数字となり、ヒートポンプの普及だけで、達成が困難とされている日本の6%削減目標に希望の明かりが見えてくるのは言うまでもありません。

ご家庭やお店、工場でお使いのエアコンはもとより、給湯器もいつかは古くなって交換する時がくるはずです。そんな時は是非共このホームページを思い出してください。同じ買い換えるのなら、環境にも家計にも負担の少ない高効率ヒートポンプエアコン、給湯器をお選びくださるようお願い申し上げます。

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