ヒートポンプに関する最大の誤解を信じてはいけない

もしあなたが華氏マイナス460度（摂氏マイナス240度）より暖かい地域に住んでいる100%の人々の一人なら、朗報です。おそらくヒートポンプの設置資格があるはずです。この温室効果ガス排出削減のスーパーヒーローは、熱を発生させるのではなく、凍えるような外気の暖かささえも家の中に取り込みます。空気が華氏マイナス460度、つまり絶対零度よりも温かい場合、そこには熱エネルギーが存在します。

「寒く感じるからといって、エネルギーが全く利用できないわけではありません」と、エネルギー業界のための政策NGO、規制支援プロジェクトでヒートポンプを研究するジャン・ロゼノウ氏は言う。「実は、空気中にはまだたくさんのエネルギーが残っているんです。」

当然のことながら、ヒートポンプは絶対零度近くで動作するように設計されていません。しかし、最も頑丈なヒートポンプは、華氏0度をはるかに下回る温度でも動作可能です。極寒の場所でも、ヒートポンプは追加の電気機器（いわばスペースヒーター）を使用して、家の予備暖房として使用できます。そこで、現代のヒートポンプに関する最も根強い誤解の一つ、「外が寒くなるとヒートポンプは役に立たなくなる」という誤解を解きましょう。

ヒートポンプが極寒の気候では実際には機能しないとしても、ヨーロッパで最も寒い気候に耐え、冬の平均気温が摂氏0度（華氏32度）前後になる北欧諸国には誰もそのことを伝えていない。2021年時点で、ノルウェーでは世帯の60%にヒートポンプが設置されている。2022年には、フィンランドはヨーロッパで人口一人当たりのヒートポンプ設置台数が最も多く、スウェーデンも同様にヒートポンプ技術に全力を注いでいる。米国では、アラスカでヒートポンプが飛ぶように売れており、昨年メイン州は10万台の設置目標を予定より大幅に前倒しで達成したと発表した。これらの地域は、まさに太陽が降り注ぐカリフォルニアとは程遠い。（米国全体では、ヒートポンプの販売台数は現在、ガス暖房器の販売台数を上回っている。）

ヒートポンプは完全電動式なので、風力や太陽光などの再生可能エネルギーがますます豊富に供給される電力網で稼働でき、さらに大容量のバッテリー電源も備えています。そのため、ヒートポンプは脱炭素化に不可欠な機器となっています。今年初めに行われた調査によると、全米の人々がヒートポンプを導入すれば、住宅部門の排出量を36～64%削減し、米国全体の排出量を5～9%削減できる可能性があることが明らかになりました。ヒートポンプの潜在能力が最大限に発揮されていないのは、寒冷地で稼働できないからではなく、迅速に設置できる熟練労働者が不足しているからです。

実のところ、ヒートポンプがガス暖房に取って代わるかどうかではなく、どれだけ早く取って代わるかが問題です。「人類史上初めて、私たちは家庭や家族にとって、主要な暖房源として燃焼を捨て去りつつあります」と、ヒートポンプをベースとした家庭用空調システムを製造するQuilt社の共同創業者兼CEO、ポール・ランバート氏は言います。「これまで私たちは、薪、石炭、天然ガス、石油のいずれかを燃やしてきました。」

対照的に、ヒートポンプは冷媒を循環させ、その圧力、ひいては温度を変化させることで機能します。これは、屋外の空気から熱エネルギーを奪い、夏にはその逆の作用でエアコンのように機能します。長年にわたり、様々な部品や冷媒の改良に伴い、これらの機器はますます効率化してきました。「すべては冷媒次第です」と、ヒートポンプを製造するTrane Technologiesの住宅用HVAC（暖房、換気、空調）エンジニアリング・テクノロジー担当副社長、ケイティ・デイビス氏は言います。「膨張と収縮を繰り返しています。つまり、どのサイクルで運転しているかによって、液体から気体、液体から気体、液体から気体、あるいはその逆の反応をしているのです。」

非常に寒い冬の気候では、冷媒の沸点が通常-55～-59°F（摂氏マイナス55度～マイナス59度）であることが非常に重要です。そのため、外気温が氷点下であっても、「冷媒は沸騰します」とデイビス氏は言います。「熱伝達が非常に良好になります。」

メーカーは寒冷地向けに特別に設計されたヒートポンプを製造しており、気温が氷点下になっても連続運転が可能です。Trane社は、2025年の発売を目指して、蒸気噴射技術を採用した独自の寒冷地用ヒートポンプを開発中です。これは自動車エンジンの燃料噴射のように機能しますが、コンプレッサー内の閉ループサイクルに冷媒を噴射する点が異なります。これにより、ヒートポンプの熱エネルギー抽出能力が向上します。「この蒸気噴射コンプレッサーを追加することで、システムをこのような極寒の気温でも稼働させるために必要な容量が追加されました」とデイビス氏は述べています。テストでは、Trane社のプロトタイプは華氏マイナス23度（-23°F）で動作しました。

科学者が様々な暖房技術の効率を計算する際、彼らは「成績係数」（COP）を考慮します。これは、消費エネルギーと発生する熱量の比率です。ある技術が100%効率の場合、COPは1です。つまり、1単位のエネルギーが投入され、1単位の熱が放出されるということです。例えば、ガス暖房器は熱を発生させ、それを家の中に送り込みますが、その熱の一部は燃焼中に失われるため、最も効率的なモデルでさえCOPは1未満です。

全体的に見て、ヒートポンプはガス暖房のように熱を発生させるよりも、熱を移動させる方がはるかに効率的です。化石燃料ではなく電気で稼働することで、ヒートポンプはCOP3（エネルギー1単位あたり熱3単位）を達成できますが、極端な場合には、条件やモデルによってはCOPが最大6に達することもあります。

昨年発表された研究で、ローズナウ氏と彼の同僚は、気温の低下に伴ってヒートポンプの効率がどのように低下​​するかをデータに基づいて検証しました。その結果、マイナス10℃（華氏14度）でも、機器はCOP2、つまり200%の効率を維持できることが分かりました。この研究では、寒冷地用ヒートポンプをより過酷な環境下でも検証しました。マイナス30℃（華氏-22度）という過酷な環境下では、三菱製ヒートポンプはCOP1.5～2、東芝製ヒートポンプはCOP1～1.5という結果が出ました。

「これらは実際に現実世界で稼働している建物で、実際に人が住んでいました」とローズナウ氏は言います。「確かに、予想通り性能は低下します。しかし、氷点下になると性能が急激に低下するという主張は、私たちが分析したデータによっては全く裏付けられていません。」

言い換えれば、ヒートポンプは気温が急激に下がると効率が低下する可能性がありますが、それでも冷たい空気から熱エネルギーを取り出すことができます。熟練した技術者がヒートポンプを適切に設置していれば、家の容積と、そのエリアが耐える最低気温の両方を考慮してサイズが決定されているはずです。「本当に寒い日には、必要な最大出力があります」とロゼナウ氏は言います。「気温が下がり、ヒートポンプの電力消費量は増加しますが、それでも快適な温度を保つのにちょうど良い量の熱を供給してくれます。」

消費者のこうしたコストを相殺するため、政府は化石燃料への増税を実施し、その税収を公共料金の引き下げに充てるという方法があります。また、ヒートポンプの設置に対する税額控除や補助金の支給も考えられます。例えば、米国のインフレ抑制法では、ヒートポンプへの切り替えと、その稼働に必要な追加の電気工事に対し、数千ドルの補助金が支給されています。この法案は、断熱材や窓など、建物を耐候性にする手段である耐候化も対象としています。耐候化は住宅の保温性を高め、ヒートポンプの効率を高めます。ヒートポンプの稼働頻度が減れば、消費電力も減り、運用コストも削減されます。

北欧諸国のように極寒の冬には、一部のヒートポンプは内蔵のバックアップ電気ヒーターを使用して機器の霜取りと室内への暖房供給を維持します。これは通常、気温が-10℃（14℉）を下回ると作動します。しかし、COPが1であっても、暖房炉でガスを燃焼させるよりも効率的です。

それでも、適切な気候に適した最新のヒートポンプと、熱を閉じ込める適切な断熱材があれば、バックアップ暖房が必要になるような気温の低下はまれで、短時間で済むはずです。「95%程度の人は、住んでいる場所で最も寒い日でさえ、バックアップシステムを使うことすらありません」とキルトのランバート氏は言います。（キルト社によると、同社のシステムにはバックアップ暖房が組み込まれていないのは、非常に低い気温でも能力を維持できるほど効率的だからです。）「実際に使うのはわずか5%ですが、それでも暖房負荷のごく一部に過ぎません。」

未来の住宅は完全電化され、ヒートポンプが極寒の冬の夜でも冷暖房の両方を提供します。雪男のように、寒い時期にヒートポンプが機能しないというのは神話です。