ヒートポンプシステムにアップグレードする方法

この記事は、This Old House Magazine 2023年夏号に掲載されました。 購読方法についてはここをクリックしてください.

AC システムの追加または交換をお考えですか? 電気を利用したエネルギー効率の高い HVAC 機器の設置に利用できる政府のリベートや税額控除を利用したいと考えているかもしれません。 良いニュースです。どちらの場合も、ヒート ポンプ、特に空調された空気を家に届ける設置が簡単な空気源ヒート ポンプを検討するのに今が最適な時期です。

基本的な技術は何十年も前から存在していますが、これらのヒートポンプは大幅に進化し、寒いときでも暖房を提供します。 従来の暖房システムよりも最大 50% 効率的に気候を改善し、新しいエアコンと同じ効率で冷房します。 装置。 それは、ヒートポンプがエネルギーを生み出すのではなく、エネルギーを伝達するためです。 夏にはエアコンと同じように働き、室内の空気から熱を取り出して外に排出します。

冬にはその逆で、氷のように寒い日であっても屋外で熱を集めて屋内に持ち込みます。 このシステムは電気で駆動されるため、石油、天然ガス、プロパンに依存する家庭用燃焼システムよりもクリーンで環境に優しいです。 また、屋上のソーラーパネルで自家発電すれば、暖房と冷房をほぼカーボンニュートラルにすることができます。

現在、寒冷地用の空気熱源ヒートポンプの多くは華氏マイナス 15 度まで確実に動作し、暖房、冷却、家庭用温水を供給する水源システムもあります。 昨年のインフレ抑制法のおかげで、政府の奨励金によってヒートポンプへの更新コストも大幅に削減できます (詳細については、住宅資金、44 ページを参照)。 ヒートポンプベースの HVAC システムに切り替えるために知っておくべきことは次のとおりです。

冷却サイクルの内部

ヒートポンプを動力源とする強制空気システムが AC モードの場合、室内空気からの熱がエア ハンドラー内の冷たい冷媒のコイルに伝達されます。 ブロワーはその冷気を押し出し、冷気はダクト内を移動し、供給レジスターを介して供給されます (戻りレジスターは室内の空気を循環させてシステムに戻します)。 冷媒はヒートポンプ内で圧縮され、熱が集中して屋外の温度よりも熱くなります。 その熱は、それほど熱くない屋外の空気に移動します。 冬にはシステム全体が逆転するため、暖かい冷媒が室内の空気を加熱し、膨張して温度が下がりすぎて外気よりも寒くなります。 屋外の熱を吸収し、圧縮されて室内の空気よりも暖かくなり、その暖かさが涼しい家に伝わります。

ヒートポンプの種類

ヒートポンプは、熱源と伝達媒体によって定義されます。 ここでは、空気源システムがどのように機能するか、および地上源技術の基礎について概要を説明します。

空対空ヒートポンプ

空対空ヒートポンプは最も手頃な価格のタイプで、住宅に簡単に組み込むことができます。 温暖な気候では何十年も使用されてきましたが、ここ 5 年間の新技術により、積雪地帯でも実行可能な選択肢になりました。 冬の最低気温が華氏 40 度を超える地域に限定されなくなり、今日の寒冷地用ヒートポンプは、屋外温度が華氏 -15 度まで下がった場合でも、効率的に家を暖めることができます。 空対空ヒートポンプ システムの主なコンポーネントは次のとおりです。

閉冷媒ループ (A)

この液体は沸点が低く、沸騰または蒸発するときに熱を吸収します。 冷媒はパイプの閉回路内を移動し、家の内部 (冷房用) または外部 (暖房用) から熱を吸収し、反対側に排出します。 AC モードでは、室内コイルが蒸発器として機能します。 暖房モードでは室外コイルになります。

コンプレッサー(B)

これにより冷媒が超高圧化され、吸収された熱が集中し、沸騰してガスになります。 で
冷房モードでは、冷媒が外気より高温になり、その熱が外部に放出されます。 暖房モードでは、室内の空気よりも高温になり、家を暖めるために使用されます。

屋外コイル(C)

冷媒はコイルを通過し、その上にファンが吹き付けられます。 冷房モードでは、高温の加圧冷媒が熱を外部に排出します。 暖房モードでは減圧され、冬の屋外温度よりも寒くなり、屋外の熱を奪います。

膨張弁(D)

冷媒が熱を放出すると、膨張弁が圧力を解放して液体に戻し、 温度が急激に下がるため、夏の室内空気と夏の屋外空気から再び熱を吸収することができます。 冬。

リバースバルブ(E)

これにより冷媒の流れの方向が変わり、冷却だけでなく加熱もできるようになります。 窓用エアコンユニットを逆向きに設置するとヒーターになるようなものを想像してください。

屋内コイル(F)

冷媒はエアハンドラー内のコイルを通過し、ファンが室内の空気を吹き付けます。 暖房モードでは、暖かい冷媒が室内の空気を加熱します。 冷房モードでは、冷たい冷媒が室内の空気から熱を吸収します (また、室内の空気から湿気が凝縮します)。

空対水システム

空冷システムでは、供給源は同じですが、加熱と冷却は水を介して行われます。 TOHのホームテクノロジー専門家であるロス・トレシューイ氏は、水は熱を移動させるのに適した媒体であるため、もう少し効率的だと述べています。 また、温水暖房システムを備えた家にヒートポンプを後付けできることも意味します。 ヒート ポンプは、ハイドロエア システム (エア ハンドラーで冷媒の代わりに温水または冷水を使用する) や間接的な家庭用温水タンクやタンクレス給湯器にも供給できます。 夏には、ヒートポンプが必要に応じて前後に反転し、家庭用温水と家全体の冷房の両方を提供します。

「1 つにつき 3 つ得です」とロスは言います。 「単一のシステムで暖房、冷房、家庭用温水が提供されます。」

ヨーロッパでは一般的ですが、空気から水へのヒートポンプはここではまだ珍しいですが、それは変わるだろうと、温水工学社は言います エンジニアのジョン・シーゲンターラー氏は、ニューヨーク州北部で空対水システムの設計を約10年間続けている。 年。 現時点では、システムに精通した請負業者を見つけるのは難しいかもしれません。 家に互換性のある既存の暖房、冷房、 家庭用給湯システム - アップグレードが必要な場合、または新しいシステム全体の場合は 30,000 ドルかかる可能性があります。 家。 以下は、空対空ヒート ポンプ システムとは異なる空対水システムの主なコンポーネントです。

閉じた水ループ

水を含んだ銅管、架橋ポリエチレン (PEX) 管、または寒冷地では不凍液と混合されたポリエチレン管は、冬には熱を家の中に運び、夏には家の外に熱を運びます。

熱交換器

ヒート ポンプのこの部分は、冬には冷媒から冷媒、そして水ループへ、夏にはその逆に暖かさを伝えます。 ステンレス鋼板の積み重ねでは、冷媒が 2 枚の板の間の隙間を移動し、次の 2 枚の板の間で水が移動します。 2 つの流体が混ざり合うことはありませんが、冬には熱が金属を通って高温の冷媒から温水に移動します (夏にはその逆)。 熱交換器は凝縮器としても機能し、冷媒蒸気を冷却して液体状態に戻します。

バッファタンク

これにより、温水または冷水をいつでも使える状態に保つことができるため、ヒート ポンプのオンとオフを頻繁に繰り返す必要がなくなり、HVAC および給水システムがヒート ポンプの作動を待つ必要がなくなります。 場合によっては、バッファータンクは生活用水の予熱器としても機能し、その中に生活用水を入れたコイルが流れています。 温水が必要な場合、温められた水は電気タンク式またはタンクレス給湯器を通過します。

地熱についてはどうですか？

地下深くの地球は、一年を通じて華氏 50 ～ 60 度で安定しており、信頼できる熱源とヒートシンクを提供します。 地上熱源、つまり地熱システムは、さまざまな方法でこれを利用します。通常、不凍液と水の閉ループが地下に移動します。 100 ～ 400 フィート以上の地面、または水面下 4 ～ 6 フィートの広い敷地内に水平に設置するか、池の表面から少なくとも 8 フィート下に設置するか、 湖。 熱交換器は、その伝達流体と冷媒ループの間で熱を移動させます。 地熱発電は室外ファンがないため、空気熱源システムよりもさらに効率的ですが、設置が困難です。 システム、敷地条件、利用可能な土地に応じて 13,000 ドルから 36,000 ドルの費用がかかり、景観を破壊する可能性があります。 大幅。 米国では毎年約 50,000 の地熱システムが設置されています。 これに対し、米国では 2030 年までに 1,200 万台の空気熱ヒートポンプが設置されると推定されています。

留意すべき事項

ヒートポンプには多くの利点がありますが、考慮すべき細かい点がいくつかあります。

バックアップ計画が必要になる場合があります。

元の暖房システムを維持しておけば、配電網や機器自体に問題が発生した場合に備えて冗長性を確保できます。 さらに、エネルギーへの賭けをヘッジすることもできます。たとえば、電気料金が高騰した場合は、古い天然ガス炉に火を入れることができます。 古いオイルタンクやラジエーターの取り外し（およびそれらが切断されていた木製の床の補修）は、追加コストが発生する可能性がある例です。 一方、古い暖房機器を保管しない場合、メンテナンスが必要な HVAC システムは 1 つだけであり、耐用年数が終わったときに交換する必要があります。 その場合、屋上のソーラーパネルに発電機または家全体のバッテリーを接続しておけば、停電の際に備えられる可能性があります。

ヒートポンプの反応は遅い。

天然ガスまたは石油燃焼炉はすぐに加熱され、オンデマンドで熱を供給します。 ヒートポンプの場合はそうではありません。 ヒートポンプは、より低いレベルで継続的に動作するため、消費エネルギーが少なくなります。 つまり、立ち上がり時間が遅くなります。 「ヒートポンプが家の温度を上げたり下げたりするには時間がかかることがありますが、ヒートポンプはその温度を維持するのに非常に優れています」とロス氏は言います。

霜取りモードには二次熱源が必要です。

屋外の周囲温度が約 32 °F に達し、ヒートポンプが長時間加熱されると、屋外コイルが氷化し始めることがあります。 コイルが固い氷の塊になるのを防ぐために、寒冷地用ヒートポンプは霜取りモードになり、住宅の暖房を一時的に停止してコイルから氷を溶かします。 この霜取りサイクルは、需要が多い場合には 1 時間に数回発生することがあります。 霜取り中にシステムが実際に冷気を放出する「冷風現象」を防ぐために、設置者はバックアップを使用する必要があります。 ダクトシステムに設置された電気ダクトヒーター、電気ベースボード、または従来の化石燃料燃焼炉などの熱源、または ボイラー。

ヒートポンプは重大な振動を引き起こす可能性があります。

これは、家のフレーム（特に多くの古い家のように外壁が 2×4 構造の場合）と配管の両方を通じて、家全体で発生する可能性があります。 室外機を家の側面に取り付けるのではなく地面に設置することで、この問題を制限できます。

雪を取り除く必要があります。

ヒートポンプには、周囲と内部を通る十分な空気の流れが必要で、そうでないと動作できません。 スノースタンドを地面から 1 フィート以上浮かせたとしても、暖房が必要な場合は、上部の雪を手動で取り除く必要があります。

適切なシステムを選択する

現在の HVAC 設定は、ご自宅用のヒートポンプ システムを選択する際の 1 つの要素です。

ダクト設備のある家に最適

ダクト付きヒートポンプ システムは、フルサイズまたは高速ミニダクト (リターン) を問わず、既存のダクトに接続できます。 レジスター、上に表示） - 既存のインフラストラクチャを通じて冷暖房をほとんど、またはまったく使用せずに提供します。 改造が必要です。 これらのシステムは、冷媒を大型の中央エアハンドラーに送り、ダクトのネットワークを通じて調整された空気を送ります。

ダクトのない住宅に最適

既存のダクトがない場合は、ダクトレス ヒート ポンプ システム (別名ミニ スプリット) を使用すると、よりシンプルで効率的で、設置コストが低くなる可能性があります。 このシステムは、家の個々のエリアに配置されたコンパクトな室内ユニットに冷媒を送り込み、部屋ごとにゾーニングを行います。

複数の部屋の追加、完成した地下室、屋根裏部屋に最適

短期間のダクト システムは、ダクトを通じて加熱および冷却された空気を供給しますが、住宅のごく一部にのみ供給されます。 これは、ADU や義理のスイートなど、複数の部屋を追加する場合に最適です。

手頃な価格に最適

パッケージ化されたシステムでは、加熱コイルと冷却コイルの両方が室外機内に配置され、小さなダクトが内部に暖められた空気または冷やした空気を送り込みます。 これは、より一般的な分割システム (室外機と室内機がある) よりも効率が若干劣りますが、設置に労力がかからないため、初期費用が安くなります。

お金は重要です

ヒートポンプの最も大きなメリットは暖房シーズンにありますが、実際にはヒートポンプは空気を強化したものです。 ヒートポンプを設置する最も一般的な時期は、新しいエアコンを導入する時期です。 システム。 そうするたびに、ヒートポンプはさまざまな方法で利益を得ることができます。

ヒートポンプの価格はいくらですか?

通常、空対空ヒートポンプの設置費用は 3,500 ドルから 7,500 ドルです (ダクトの追加や変更は含まれません)。 いずれにせよ、エアコン システムを交換する場合、ヒート ポンプを選択しても、合計金額に 3 ～ 10 パーセント (250 ドルから 800 ドル) しか追加されない可能性があります。 費用がかかります。 米国ではこの技術がそれほど確立されていないため、空気から水へのヒートポンプのコストは約 30% 高く、そのため製品と設置業者の両方に割増料金を支払うことになります。 いずれにせよ、高効率システムを選択している限り、さまざまなインセンティブを通じて投資の大部分を取り戻すことができます。 総費用の 30% (最大 2,000 ドル) を税額控除として受け取ることができます。 また、インフレ抑制法により、ヒートポンプ給湯器については最大 1,750 ドル、ヒートポンプについては最大 8,000 ドルの州発行のリベートが提供されます。 州の平均収入の 80 パーセント未満の世帯を対象とした冷暖房（これらのプログラムの詳細については、ページを参照） 44). 地域的なインセンティブも存在する可能性があります。州および公共料金のリベートについては、dsireusa.org にある再生可能エネルギーと効率に対する州のインセンティブの全国データベースをご覧ください。

どれくらい公共料金を節約できるのでしょうか？

空気熱源ヒートポンプは、天然ガス炉よりも 3 ～ 5 倍効率的です (冷却に関しては、従来の新しいエアコンと同じ効率オプションを提供します)。 したがって、電気料金が非常に高い州 (ご覧ください、ニューイングランド) や天然ガス料金が非常に低い州 (こんにちは、アイダホ州とユタ州) に住んでいない限り、暖房費が大幅に節約されることになります。 もちろん、屋根上の太陽光発電でシステムに電力を供給すれば、冷暖房の電力コストを完全に削減できます。 既存の暖房システムは電気、プロパン、または石油を使用しますが、ヒートポンプは電力に関係なく暖房コストを削減します。 料金。

ヒートポンプの寿命はどれくらいですか?

新しいセントラル AC システムと同様に、空気熱源ヒートポンプの平均寿命は 10 ～ 15 年です (高齢者の場合はもう少し短くなります)。 潮風により部品が腐食する可能性があるため、海岸のすぐ近くでは部品が 10 ～ 12 年間保証されます。 通常、労働保証は約 3 年で切れます。 定期的にサービスを受けることでシステムの寿命を延ばすことができ、一部の企業ではサービス契約に無償の修理工賃が含まれています。

推奨テクノロジー

他の複雑な家庭用システムと同様に、スマートフォンのシステム制御から HEPA レベルのろ過まで、追加機能により多くの費用を費やす機会がたくさんあります。 Richard Trethewey 氏と Ross Trethewey 氏によると、最も重要な技術アップグレードは次のとおりです。

可変速またはインバータ駆動のコンプレッサー

状況に必要な速度のみで動作することにより、エネルギー使用量が削減され、
システムは頻繁にオンとオフを繰り返す必要がなく、一定の温度を維持するのに役立ち、パフォーマンスが向上します。
冷房の季節には除湿効果があり、エアフィルターが作動するため室内の空気の質が向上します。
より長い期間従事する。 どのような気候でも良いアイデアですが、インバーターが最も必要とされるのは次のような地域です。
凍てつく冬と灼熱の夏があり、季節ごとに気温が大きく変わります。 可変速システムも徐々に始動および停止するため、動作音が静かになります。

強化された蒸気注入

これは、寒冷地用ヒートポンプが華氏マイナス 15 度以下の周囲温度から暖かさを引き出す技術です。 これは、冷媒の一部をパイプで熱交換器に送り、その後コンプレッサーで混合し戻す高度に設計されたデバイスです。

二元燃料またはハイブリッド システム

これらのシステムでは、屋外温度が氷点下付近で推移する際のコールドブロー現象を防ぐために電気抵抗ヒーターを使用するのではなく、より効率的な天然ガス炉を使用します。 「古い炉、あるいは場合によってはボイラーをそのままにして、2 つの独立したシステムを二元燃料システムとしてセットアップし、それらを単一の制御セットで操作することもできます」とロス氏は言います。

高効率システム

ヒートポンプの効率は、移動する熱の Btus を使用する電力で割ることによって決まります。これにより、 冷房の季節エネルギー効率比 (SEER) 評価と暖房の季節パフォーマンス係数 (HSPF) 評価 暖房。 2023 年に新たに追加された、最小許容 SEER 評価は南部で 15、北部で 14 ですが、SEER 33 までの高い評価のシステムを取得できます。 HSPF の範囲は 8.8 ～ 14 です。 より効率の高い機器にはより多くの費用がかかりますが、その投資はシステムの耐用年数の間に数倍以上回収されるはずです。 あなたのプロジェクトはより大きなインセンティブの対象となる可能性もあり、屋上にソーラーパネルを設置すれば、家の電力需要をすべてまかなうことも可能になるかもしれません。

ヒートポンプ機器を検討する

HVAC システムを交換しませんか? ヒートポンプ技術とリベートは別の方法でも活用できます。

ヒートポンプ式衣類乾燥機

底部に内蔵された空対空ヒートポンプが室内の空気から熱を取り出して集中させ、湿った衣服の上に吹き付ける空気を暖めるために使用します。 次に、その空気は冷却された冷媒を含む 2 番目のコイルを通過し、水分が凝縮します。 結果として生じる湿気は排水管に排出されます。 外部への通気口はありません。 これらの乾燥機は生成される熱をすべて再利用するため、エネルギー使用量が少なくとも 28% 削減されます。 動作が遅くなり、場合によっては読み込みに 2 倍の時間がかかることもあります。また、糸くずはすべてマシン内に残るため、より頻繁に除去する必要があることに注意してください。 従来の乾燥機に比べて約2倍の価格がかかります。

ヒートポンプ給湯器

オンデマンド型とタンク型家庭用給湯器 (後者、左図) の両方として利用可能で、熱を取り出す空気から水へのヒートポンプを内蔵しています。 周囲の空気（通常は近くの炉やユーティリティエリアの他の機械によって暖められる）からの空気が濃縮され、水に移動します。 これらのヒーターは、従来のヒーターに比べてエネルギー使用量が最大 60% 削減されますが、コストは約 3 倍かかります。 設置場所にも制限があり、少なくとも 1,000 立方フィートのスペースが必要です。 ヒートポンプが作動するには、周囲の気温が 40 ～ 90 °F の間に維持されている必要があります。 仕事。 これは地下室のユーティリティ ルームに最適です。また、炉やその他の機器が物事を暖かく保つことができれば、給湯器の効率もさらに高まります。

インストールのベストプラクティス

経験豊富なプロを雇う

他の住宅改修業者と同様に、設置業者を雇う前に紹介を受け、参考資料を確認してください。 どの HVAC 請負業者でもヒート ポンプを設置できますが、設置するタイプのヒート ポンプ (空対水) について長年の経験を持つ業者が必要です。 たとえば、仕様、特にコントロールが製品間で大きく異なるため、特定のブランドもまだ市場に普及していません。 製品。 お住まいの地域の認定設置業者については、メーカーの Web サイトを確認してください。 また、全国の約 80,000 の設置業者が、自動センサーのネットワークであるMeasureQuickを使用しています。 設置直後のシステムを測定し、空気と冷媒の流れの温度と速度を測定します。 例。 利点: システムが適切に設計され、設置されたことを証明する診断レポートをリアルタイムで取得できます。

まず断熱性を高めて空気漏れを密閉します

屋根裏部屋と基礎の上の敷居に断熱材を追加し、ドアや窓のウェザーストリップを行い、さらには吹き飛ばします。 HVAC をアップグレードする前に、壁に断熱材を入れることは良いアイデアです。これにより、文字通り機器のサイズが縮小されます。 必要。 ヒートポンプの場合、それはさらに重要になります。 「石油や天然ガスを燃やすと、すぐに大量の熱が得られます」とロスは言います。 「ヒートポンプはゆっくりと系統的に動作するため、隙間風が多かったり、家が熱を保てなかったりすると、 システムは快適さを維持するのに苦労する可能性があります。」 さらに、寒冷地では暖房負荷が冷房負荷よりもはるかに大きくなります。 負荷がかかります。 「暑い日には屋内と屋外の温度差が 20 度か 30 度になることもあります」とロス氏は言います。 「寒い日には60度以上になることもあります。」 したがって、十分な熱を提供するヒートポンプは、冷却のニーズに対して少し大きすぎる可能性があります。 家の外壁を改善するとその差が縮まり、暖房と冷房の両方に適したシステムのサイズを設定できるようになります。

ダクトや保管している機器を検査して修理します

古いダクトは、今日の基準に沿って密閉または断熱されていない可能性があります。あるいは、断熱材が劣化してダクトが錆びたり、継ぎ目で剥がれたりしている可能性があります。 請負業者は、システムをアップグレードする前にダクトを確認して修正する必要があります。 アクセスできない配管には、内側から液体ゴムのシーラントを噴霧することができます。 ボイラーや炉を保管しますか? 整備してフィルターを交換してもらいましょう。

熱損失計算を実行する

積雪地帯では熱計算が重要です。 しかし、あなたが住んでいる場所が冬でパーカーではなく長袖を必要とする場合、請負業者は代わりに冷却ニーズに合わせてシステムのサイズを調整します。 ヒートポンプが小さすぎると家を十分に暖められず、大きすぎるヒートポンプはオンとオフを繰り返すため、空間を適切に除湿できず、寿命が短くなります。