ジェレミー・クック
抵抗通電加熱は、電流が電気抵抗媒体を通過し、エネルギーを熱として放出する、最も単純な電気加熱方法です。実際、この熱放出は電気プロセスに固有のものであり、通常は ヒートシンク や冷却ファンなどのデバイスを使用して回避および/または管理する必要がある非効率性です。
抵抗加熱の役割では、この非効率性（熱）が製品となり、エネルギー出力/入力ベースで理論的には100% の効率になります。
残念ながら、100% の効率では、化石燃料の燃焼に比べて住宅や建物の電気暖房を実用的にするには不十分です。しかし、別の解決策もあります。それは電気ヒートポンプです。ヒートポンプは、電気エネルギーを直接熱エネルギーに変換するのではなく、あるエリア（つまり屋外）から熱を吸収して輸送し、それを屋内に送り込むことで、熱出力と電気エネルギー入力を乗算します。抵抗電熱と比較したヒートポンプの効率とコスト削減は非常に魅力的です。
ヒートポンプの性能と動作
ヒートポンプの性能は、システムの性能係数 (COP) によって測定され、次の式で表されます: 作業入力x COP = 熱出力。
抵抗加熱コイルのCOPは1ですが、ヒートポンプは2または3 (設計と熱条件によってはそれ以上) のCOPを達成できます。必要な熱出力をCOPで割ると、必要なエネルギー入力が得られます。通常は、等価抵抗加熱入力の一部になります。
ヒートポンプのエネルギー輸送は、ヒートポンプ回路内の低沸点流体 (冷媒) を使用して、熱サイクルによって行われます。これは、冷蔵庫が密閉された空間から熱を排出して食品を冷たく保つという熱サイクルと同じですが、逆のサイクルです。
屋内暖房装置のプロセスを簡素化:
1.低沸点の熱流体（冷媒）は、高圧、高温の過熱蒸気としてコンプレッサーから排出されます。
2.液体が室内熱交換器に入ります。エネルギーは流体から失われ、熱として室内の空気に加えられ（ファンによる強制空気流により）、液体が凝縮して高圧のわずかに冷たい液体になります。
3.膨張弁は流体を低温、低圧の液体/蒸気混合物に変換します。
4.液体は屋外の熱交換器に入ります。液体に外部からエネルギーが加えられ（ファンによる強制空気流により）、液体が蒸発します。流体は、低圧、低温、わずかに過熱された蒸気として熱交換器から出ていきます。
5.流体はコンプレッサーに入り、高温、高圧、過熱蒸気に変化し、サイクルが再び始まります。
このサイクルの重要な概念は、ステップ2でエネルギーが環境に放出され、室内空間が暖められる一方で、ステップ4でエネルギーが外部から吸収され、室内に輸送されるというものです。同じ概念を逆に実行して、エアコンの形で屋内空間を冷却します。
冷媒の沸点は通常、0º (FまたはC) よりはるかに低くなります。たとえば、R410Aの沸点は -48.5ºC (-55.3ºF) です。このサイクルの鍵となるのは、流体を沸騰させるには大量のエネルギー入力が必要であり、凝縮時に大量のエネルギーが放出されることです。
現代のヒートポンプの進歩
ヒートポンプ の一般的な概念はおよそ2世紀にわたって理解されており、何十年にもわたって温暖な気候の家庭や建物の暖房に使用されてきました。しかし最近まで、ヒートポンプは米国北部やカナダのような寒冷な気候では実用的ではありませんでした。最近の進歩により、この制限は変化しつつあります。
非常に低い沸点を持つ高性能冷媒（例：R410Aの沸点 -55.3ºC）により低温動作が可能になり、改良された熱交換器の設計により屋外からより多くの熱を集めることができます。
高度なモーター ドライバーを使用する可変速コンプレッサーにより、暖房機器は完全にオンまたはオフにするのではなく、必要に応じて速度を上げたり下げたりすることができます。
改良された IGBTゲート ドライバー や シリコン カーバイド ベースのデバイス、および閉ループ制御と高度な予測ヒート ポンプ メンテナンスを可能にする 電流検出製品 は、このテクノロジーを将来的に進化させるのに役立ちます。高度な磁気部品や インダクタ、さらにはコネクタなどのその他のコンポーネントにより、熱交換器は長期にわたる信頼性を維持しながら最高の効率で稼働できるようになります。
将来のヒートポンプの可能性
この記事では、屋外の空気を利用して屋内空間を暖房するという観点からヒートポンプに焦点を当てていますが、ヒートポンプ給湯器でも同じ技術を使用できます。これらのコンセプトは、地中熱ヒートポンプ設備に埋設された熱交換器を使用して実装することもでき、地球のほぼ均一な温度を利用して、より冷たい屋外の空気が提供するよりも容易に利用できるエネルギー源を作り出します。ヒートポンプは、化石燃料や抵抗オプションに代わって、工業プロセスにも採用される可能性があります。
熱交換器の利点と化石燃料の削減に向けた現在の取り組みを考慮すると、近い将来、暖房用熱交換器の使用が拡大すると予想されます。電気的および機械的な設計の改善により、これらのユニットの効率も向上することが期待でき、将来的にはさらに魅力的な選択肢となるでしょう。
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