新世代のエンジニアは、ヒートポンプを限界まで押し上げることができることに気づきましたが、どれだけの熱を取り出せるかは設定によって異なります。
写真：ティム・グルーバー/ニューヨーク・タイムズ
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イングランド北部、ピーク・ディストリクトの端にある築100年の家の外では、ヒートポンプのファンブレードが高速で回転している。外気を冷媒コイルに吸い込み、その空気から熱を吸収しているのだ。空気熱源ヒートポンプはすべてこの仕組みで、寒い日でも熱を吸収できる。しかし、このヒートポンプは特別だ。国内で最も効率的なヒートポンプの一つなのだ。
「僕はそこで2位なんです」と、フィズのオーナーで元化学教師のロブ・リッチー氏は、英国内外のヒートポンプのオンラインランキングのようなサイト、HeatPumpMonitor.orgでのシステムの順位について語った。「重要じゃないって言うべきなんだけど、実は重要なんです。そこにいられるのは嬉しいことです」
本稿執筆時点でのリアルタイムデータによると、リッチーのヒートポンプは1キロワット時の電力消費に対して5.5キロワット時の熱を供給しており、これは成績係数（COP）5.5に相当します。リッチーのヒートポンプを製造したViessmann社のアクティブ・トランジション・サポート・リーダー、エマ＝ルイーズ・ベネット氏は、COP5以上を達成することは「本当に素晴らしい」と述べています。英国では、平均的なヒートポンプのCOPは2～3程度です。
ソーシャルメディアに精通した配管工や、環境に配慮した住宅リフォーム業者の間では、暖房システムの動画をオンラインで共有する人が増えており、ヒートポンプが人気です。脱炭素化を進め、気候変動の壊滅的な影響を抑制するための競争において、化石燃料を燃料とするボイラーや炉から家庭用暖房システムを切り替えることは不可欠です。国際エネルギー機関（IEA）は、ヒートポンプがその戦いの重要な武器になると予測しています。国際エネルギー機関（IEA）は、ヒートポンプは世界全体でCO2排出量を5億トン削減できると推定しています。これは、ヨーロッパのすべての自動車を道路からなくすのに相当します。
新世代の暖房エンジニアたちは、ヒートポンプの性能を限界まで引き出せることに気づいています。設置業者は、余分なエネルギーを消費することなく部屋を暖める低温暖房システムの設計に細心の注意を払うことで、驚異的な効率レベルを達成しています。
ヒートポンプは、物理的な原理により、1キロワット時の電力で数キロワット時の熱を供給できます。装置内に封入された冷媒は、例えば外気によってわずかに温められると容易に蒸発します。そして、コンプレッサーが温められたガスを加圧することで、さらに熱を放出します。このプロセスに必要な電力はわずかですが、冷媒の温度を数℃も上昇させることができます。
リッチー氏は約10年前にシェフィールド近郊の一戸建て住宅に引っ越して以来、屋根裏に断熱材とソーラーパネルを設置してきましたが、建物の構造は必ずしも効率的に室内を暖かく保つのに最適とは言えません。住宅の壁は薄い空洞で断熱材がほとんど入っておらず、標高240メートルの高地に住んでいるため、外気温は比較的低いのです。しかし、ヒートポンプとソーラーパネルのおかげで、年間2,700ポンド（3,420ドル）の光熱費を節約できていると推定しています。これは、ヒートポンプが環境の厳しい古い住宅でも効果的に機能することを示していると彼は言います。
このシステムは地元の設置業者であるデイモン・ブレイクモア氏によって設計されました。ブレイクモア氏はHeatPumpMonitor.orgを定期的にチェックし、競合他社のシステムと比較して自社のシステムがどれほど優れているかを確認しています。リッチー氏のヒートポンプは現時点ではトップではありませんが、注目すべき存在だとブレイクモア氏は強調します。なぜなら、今年9月に1年間分のデータが蓄積されれば、365日間の季節平均COP（SCOP）が5を達成する、リーダーボードに名を連ねる最初の空気熱源機器になる可能性があるからです。これは、ヒートポンプが1年間を通してどれだけ優れたパフォーマンスを発揮したかを示す平均値です。暖房需要を左右する夏と冬の天候の変化は、システム全体の効率など、様々な要因に影響を与える傾向があります。
ブレイクモア氏は、ベネット氏が言うところの「SCOPチェイサー」の一人であり、設置するシステムの効率を最大化することに情熱を注いでいる。英国には、小規模ながらも非常に目立つそうした人々のグループがあり、FacebookやXboxで互いにフォローし合い、互いのポッドキャストに出演し合い、HeatPumpMonitor.orgで上位ランキングを目指して競い合っている。この効率化競争に参画している団体の一つが、ブレイクモア氏を含む複数の優秀な設置業者を育成してきたHeat Geekである。
HeatPumpMonitor.orgを運営するOpen Energy Monitor（OEM）の共同設立者、グリン・ハドソン氏は、暖房業界で台頭しつつある小規模な競争について、「特に予想していたわけではありません」と語る。「しかし、設置業者は自分の仕事に誇りを持っています。設置した設備の写真をソーシャルメディアで披露するのも大好きです。配管レイアウトは彼らにとって非常に重要なのです。」
現在、リーダーボードには170台以上のヒートポンプが登録されています。そのほとんどは英国にあります。ハドソン氏は、ランキング上位は設置業者にとって顧客へのサービス販売の助けになると付け加えます。設置が不十分なヒートポンプは、住宅所有者に寒気を覚えさせたり、莫大な光熱費を負担させたりすることになりかねないため、これは非常に重要です。
ご自身のヒートポンプをオンラインリーダーボードに追加したい場合は、暖房システムに温度と電力のメーターを複数取り付ける必要があります。これらのメーターは、電力入力と熱出力のデータをリアルタイムで記録し、測定値は10秒ごとにOEMに自動的に送信されます。ヒートポンプのCOPを数ヶ月、あるいは数年にわたって追跡することも可能ですが、必要なキットは決して安くはありません。ハドソン氏によると、一般的なモニタリングシステムの費用は、ヒートポンプシステム本体の価格に加えて500ポンドから700ポンドかかるとのことです。
それでも、査読済みの分析ではないにしても、英国でヒートポンプがどの程度うまく機能するかについて、ある程度の知見を得ることは価値があるとハドソン氏は示唆する。このデータセットは全体として、研究者や政策立案者がこれまでよりも大規模にヒートポンプの性能を研究するのに役立つ可能性がある。また、ライブデータにアクセスできることで、設置業者は機器の故障を迅速に把握できる。性能を追跡するのは単純に楽しい。「信じられないくらいすごい」とハドソン氏はリッチー氏の高いCOPについて語る。「理解しがたいほどだ」。
HeatPumpMonitor.orgは現時点では他に類を見ないリソースです。実際のヒートポンプの性能データを見つけるのは困難な場合があります。WIREDは数週間かけてウェブをくまなく調べ、専門家にも話を聞き、ロブ・リッチーの現行SCOPに勝てるヒートポンプシステムの事例を探しましたが、候補となるものはほんの一握りしか見つかりませんでした。
「ヒートポンプの実際の性能データをもっと集めようとしている組織はいくつかあるが、見つけるのは困難だ」と、米国パデュー大学でヒートポンプの効率を研究しているケビン・キルヒャー氏は言う。
住宅や企業の電化に重点を置く非営利団体Rewiring Americaは、100基のヒートポンプ設置に取り組んでおり、最終的には効率性の観点から調査したいと考えている。米国では、ヒートポンプの性能測定には更なる課題がある。米国の住宅暖房システムの多くは、ヨーロッパで一般的な水入りラジエーターではなく、強制空気分配方式を採用している。温度モニターを水道管に取り付ける方が簡単だからだ。
英国では、独立研究機関「Energy Systems Catapult」がヒートポンプ設備のサンプルに関するデータを公開しており、最も優れた設備では365日SCOPが約4.4を達成している。
「イギリス全土でそんな基準を設定できるなんて、笑っちゃうよ。目指すべきはそこだ」と、イングランド南東部の配管工ハーランド・ガスコット氏は言う。彼はビーガンになり、環境保護のためにガスボイラーからヒートポンプに切り替えた。彼自身のヒートポンプ設備は、SCOPが4を超える傾向があるという。
高い SCOP を達成するための重要な要素としては、流れの温度を低く保つこと、天候補正を可能にして外の気温が穏やかなときに暖房しすぎないこと、部屋に熱を効率的に分配する大型のラジエーターを追加すること、寒くて湿気の多い天候ではヒートポンプが凍結しやすいため、テクノロジーを使用してヒートポンプをインテリジェントに解凍することなどが挙げられます。
「霜が降り始める時期を予測できるアルゴリズムを開発しました」とキルヒャー氏は述べ、小規模で積極的な除霜サイクルによって全体的な効率を向上できると説明した。ヴィスマン社のベネット氏は、リッチー氏の設備に搭載されているヒートポンプには、室内暖房を中断することなく自動的に除霜できるバッファーが組み込まれており、これにより、一定速度でゆっくりと稼働しながら室温を維持することができると付け加えた。
オーストリアに拠点を置くヒートポンプ製造業者ラムダ社は、近々発売される最新の空気源モデルは、暖房需要が比較的低い物件（例えば、35℃の適度な流量で稼働できる床暖房付きの住宅）で使用される限り、SCOP 6を達成できると述べている。
しかし、ラムダ社のヒートポンプは「最も安いわけではない」と製品マネージャーのマヌエル・クラール氏は認めている。「この話題にあまり興味がない人や、COPの意味を知らない人は、たいてい私たちの製品を購入しないでしょう。」
Lambda社のヒートポンプは、冷媒としてR290（プロパン）を使用しています。これは、市場に出回っている一部の旧式の冷媒よりも効率が高く、環境にも優しいと考えられています。R290は、低温暖房が不可能な建物にも適しています。ラジエーターを例えば50℃まで加熱しながらも、比較的良好なSCOP（熱効率）を維持できるためです。
Lambda のデータによれば、ある顧客は空気熱源ヒートポンプを使用して床暖房システムに 35 度の水を供給し、2 年間で SCOP 5.87 を達成しましたが、これは独立した検証が行われていません。
原理的には空気熱源装置よりも効率的なヒートポンプの種類もいくつかあります。空気から熱を吸収する代わりに、地面や水域から熱を集めることもできます。ただし、このようなシステムはコストが高くなる傾向があります。
ヴィト・エナジーのディレクター、パトリック・ウィーラー氏は、顧客の私道に掘削孔を掘削して設置した最近の事例について説明してくれた。液体で満たされたパイプが掘削孔から屋根まで伸び、太陽光パネルの下を通ってさらに熱を集める。この仕組みは「一つの大きなループ」を形成しているとウィーラー氏は説明する。
「最終的に、これまで設置した中で最も効率的なヒートポンプシステムになりました」と彼は付け加えます。「最終的には年間熱効率係数が6程度になることを期待しています。」 結果は時が経てば分かるでしょう。システムがフル稼働してからまだ1ヶ月ほどしか経っていません。そして、この方法は資金に余裕がない人には向いていません。設置費用は6万ポンドで、これには新しい床暖房システムの費用は含まれていません。
スコットランドの産業用暖房システムサプライヤーであるスター・リフリゲーション社は、熱源として水を利用することが特に効率的であると指摘しています。グループのサステナブル開発ディレクターであるデイブ・ピアソン氏によると、ある提案では、ヒートポンプが60℃の廃水を利用して加熱ループ内の流体の温度を60℃から70℃に上げることになっていたそうです。このシステムの理論的なCOPは10を超えていました。「しかし、まだ建設されていません」とピアソン氏は言います。
キルヒャー氏によると、ヒートポンプのCOPには「カルノー限界」と呼ばれる根本的な限界があります。簡単に言うと、理論上の最大COPは常に、屋外の熱源と室内温度の差に比例して制限されるということです。この差が大きいほど、実現可能な最高COPは低くなります。さらに、システム自体の効率低下も避けられません。例えば、ヒートポンプのコンプレッサーの効率が100%になることは決してありません。
巨大なSCOPを目指し、カルノー限界に近づくのは良いことだが、それに執着しすぎると気が散ってしまう可能性があるとウィーラー氏は強調する。「ずっと気になっていたんです。みんなSCOPの話ばかりしているんです」と彼は言う。「私たちが参考にすべきなのは、特定のタイプの住宅の1平方メートルあたりのコストです」
HeatPumpMonitor.org では、さまざまな利用可能な電気料金に基づいて、リストされている設備をランニングコストで並べ替えることができます。これにより状況が若干変わり、選択したオプションに応じて Ritchie のシステムが数段下がります。
イギリスの元物理学者、マイケル・デ・ポデスタ氏は、太陽光パネル、外壁断熱材、そしてSCOP3.5で稼働するヒートポンプを備えた住宅を所有しています。これはリッチー氏や他の人々のシステムほど高くはありませんが、実際には問題ではありません。デ・ポデスタ氏のシステムのランニングコストはごくわずかだからです。ヒートポンプとその他の家電製品の年間電気代はわずか250ポンドです。これは、室内温度を20℃に保ったままでも実現可能な金額です。
昨年、デ・ポデスタ氏は「COP羨望は無意味」と題したブログ記事を投稿し、断熱性が非常に高い住宅（彼の住宅のように）では、ヒートポンプのSCOPは実際には低下すると説明しました。これは、ヒートポンプが主に給湯に使用されているためであり、特に春と夏には顕著です。人々は給湯を50℃以上に加熱する傾向があるため、ヒートポンプは短時間ではあるものの、比較的ハードな運転を強いられ、効率が阻害されているように見えることがあります。
「奇妙な効果が現れます」とデ・ポデスタ氏は言う。「暖房の量を減らすと平均SCOPは良くなりますが、全体的なSCOPも下がります。」ウィーラー氏はこれを「サマー・ドラッグ」効果と呼んでおり、SCOP値に固執すると誤解を招く可能性がある理由の一つとなっている。
しかし、SCOPをめぐる設置業者間の競争は時間の無駄ではないとデ・ポデスタ氏は言う。「これは健全で、良い競争です。」
リッチー氏自身も、高性能ヒートポンプが注目を集めていることを喜んでいる。WIRED以外の出版物も含め、多くの関係者から問い合わせを受けている。「この件で有名になりたいわけではない」と彼は断言するが、これらのシステムの認知度向上に貢献できたことは喜ばしい。「ヒートポンプは間違いなく支持するよ。本当に素晴らしいシステムだと思う」
