- 科目
- 熱力学
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- 蒸気と冷凍
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- 12 / 14
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- シミュレータ・例題3問
1 kW の電気で、7.83 kW の熱を部屋へ冷凍サイクルとヒートポンプ
エアコンは、熱を作るのではなく、外から部屋へ運ぶ。冷媒が 0℃ の側から 40℃ の側へ熱を運ぶとき、理論の上限は 1 kW の電気で 6.83 kW を汲み上げ、7.83 kW を出す。運ぶ温度差が小さいほど COP は大きく、暖房の COP はいつも冷房の COP + 1 になる。

このページの内容
この単元のポイント
- エアコンは、熱を「作る」のではなく「運ぶ」。冷媒が 0℃ の側から 40℃ の側へ熱を運ぶとき、理論の上限は、1 kW の電気で 6.83 kW を汲み上げ、7.83 kW を出す。
- 運ぶ温度差が小さいほど、COP(運んだ熱 ÷ 電気)の上限は大きい。高い側が 40℃ のまま、温度差を 40 K から半分の 20 K にすると、暖房の上限は 7.83 からちょうど2倍の 15.7。
- 暖房の COP は、いつも冷房の COP + 1(7.83 = 6.83 + 1)。電気の分も、熱になって高い側へ出ていくから。
電気より多くの熱が、部屋に入る
冬の朝、エアコンの暖房を入れると、家の外の室外機のファンが回り始めます。室外機の前に手をかざすと、吹き出してくる風は、外の空気より冷たくなっています。
日立のエアコン(白くまくん X シリーズ RAS-X22J)のカタログでは、暖房の定格の運転で、消費電力 430 W のとき、部屋に入れる熱(暖房能力)は 2.5 kW です。電気の 5.8倍の熱が、部屋に入っています。
電気ストーブなら、430 W の電気からは 430 W の熱しか出ません。エアコンの残りの熱は、どこから来たのでしょうか。
予想してから読む冷媒が 0℃ の外の側から、40℃ の部屋の側へ熱を運ぶ。1 kW の電気で、部屋に入れられる熱は最大でいくら?
熱を汲み上げるポンプ
カルノーサイクルと第二法則(効率の上限) の単元で、熱を高いところから低いところへ流れる水にたとえました。水車は、水が流れ落ちる間だけ仕事を取り出せます。熱機関も、熱が高温から低温へ流れる間だけ、仕事を取り出せます。
逆に、低いところの水を高いところへ上げるには、ポンプを電気で回します。熱も同じで、温度の低い側から高い側へ運ぶには、仕事が要ります。この熱のポンプを、ヒートポンプといいます。
暖房では、冷たい外が「低い池」、暖かい部屋が「高い水槽」です。冷房は向きが逆で、部屋から熱を汲み上げて、もっと暑い外へ捨てます。冷蔵庫も、庫内から熱を汲み上げて、背面から台所へ捨てています。
たとえで違うのは、ここからです。水は汲み上げても量が増えません。熱のポンプでは、回すのに使った電気の分も熱になって、高い側に出ていきます。
冷媒は、沸点を圧力で変えて熱を運ぶ
熱を運ぶのは、エアコンの管の中を回る冷媒です。蒸発と沸点(蒸気の性質) の単元で見たように、液体は、蒸発するときにたくさんの熱を受け取り、沸点は圧力で決まります。冷媒は、この2つを使って熱を運びます。
| 部品 | 冷媒に起きること | 熱 |
|---|---|---|
| 蒸発器(暖房では室外機の中) | 圧力が低いので、0℃ くらいの低い温度で沸く | 外の空気から熱を受け取る |
| 圧縮機 | 気体を押し縮めて、圧力を上げる | 電気の仕事が入る |
| 凝縮器(暖房では室内機の中) | 圧力が高いので、40℃ くらいでも液体に戻る | 部屋の空気へ熱を出す |
| 膨張弁 | 細いすき間を通して、圧力を下げる | — |
たとえば、家庭用エアコンの冷媒 R32 は、絶対圧 約 0.81 MPa で 0℃、約 2.48 MPa で 40℃ が沸点です(物性の計算値。目安)。圧縮機で圧力を約 3倍にすると、沸点が 40 K 上がります。だから、0℃ で受け取った熱を、40℃ で出せます。
暖房と冷房の切り替えは、冷媒の流れる向きを、弁で逆にするだけです。室外機が蒸発器になるか、凝縮器になるかが入れ替わります。
公式はこれ
運んだ熱が使った電気の何倍かを、成績係数 COPといいます。1 を超えるので、効率とは呼びません。冷房で役に立つのは、低い側から汲み上げた熱 、暖房で役に立つのは、高い側へ出す熱 です。
理論の上限は、カルノーサイクルと第二法則(効率の上限) の単元のカルノーサイクルを、逆向きに回したときです。
| 記号 | 意味 | この単元の例で |
|---|---|---|
| 低い側の絶対温度(冷媒が熱を受け取る) | 273.15 K(0℃) | |
| 高い側の絶対温度(冷媒が熱を出す) | 313.15 K(40℃) | |
| 使う電気(圧縮機を回す仕事) | 1 kW |
暖房では 、冷房では です。1 kW の電気で、低い側から 6.83 kW を汲み上げ、高い側へ 7.83 kW を出します。
家計簿で読む
家計簿(この科目を通す決まり)
エネルギーは消えも生まれもしない。入ってきた分 = 中にためた分 + 外へ出した分。
冷媒は、1周するともとの状態に戻るので、ためた分は 0 です。入ってきたのは、低い側から受け取った熱と、圧縮機の電気。出ていくのは、高い側へ出す熱です。
両辺を電気 で割ると、 です。暖房では、電気の分も部屋を暖める役に立ちます。冷房では、電気の分は外へ捨てる熱に加わるだけです。だから、同じ温度の間なら、暖房の COP は冷房よりちょうど 1 大きくなります。
公式を、かたまりに分けて読む
- 高い側の絶対温度 絶対温度なので、313 K のように大きな数です。40℃ を 36℃ にしても、313 K が 309 K になるだけで、ほとんど変わりません。
- 汲み上げる高さ(温度差)で割る COP を大きく左右するのは、こちらです。温度差が半分なら、COP の上限は2倍。温度差が 0 に近づくと、上限はいくらでも大きくなります。
水のポンプでも、汲み上げる高さが低いほど、同じ電気でたくさんの水を上げられます。
どの数字がいちばん効く?
初期値(0℃ ↔ 40℃・電気 1 kW)から、温度差を10%(4 K)縮めたときと、電気を10%増やしたときです。
| 変えるもの | 暖房の上限 | 冷房の上限 |
|---|---|---|
| 低い側を 4 K 上げる(0℃ → 4℃) | 8.70(+11%) | 7.70(+13%) |
| 高い側を 4 K 下げる(40℃ → 36℃) | 8.59(+9.7%) | 7.59(+11%) |
| 電気 を10%増やす | 変わらない(運ぶ熱が +10%) | 変わらない |
温度差を10%縮めると、COP の上限は1割ほど上がります。冷房のほうが、上がり方が少し大きくなります。
実物のエアコンと比べる
カタログの数字は、JIS(C 9612)で決めた条件で測ります。暖房の定格は、外 7℃・部屋 20℃、冷房の定格は、外 35℃・部屋 27℃ です。
日立の RAS-X22J では、暖房の定格の COP は 2.5 kW ÷ 0.43 kW = 5.81、冷房の定格の COP は 2.2 kW ÷ 0.40 kW = 5.50 です。
| 比べる相手(暖房の定格) | 温度差 | COP の上限 | 実物 5.81 は |
|---|---|---|---|
| 空気どうし(外 7℃ ↔ 部屋 20℃) | 13 K | 22.5 | 約 4分の1 |
| 冷媒どうし(0℃ ↔ 40℃、目安) | 40 K | 7.83 | 約 7割 |
空気どうしの上限より、ずっと小さくなります。熱は温度の高いほうから低いほうへしか流れないので、冷媒は、外の空気より冷たく、部屋の空気より熱くなければなりません。運ぶ温度差が、13 K から 40 K くらいに広がります。残りの差は、圧縮機のモータ・冷媒の流れの摩擦・ファンの電気などです。
カタログには、APF(通年エネルギー消費効率)という数字もあります。1年間の冷房と暖房で運んだ熱の合計を、使った電気の合計で割った値です。RAS-X22J は 7.6 です。外の温度が穏やかな日が多いので、定格の COP より大きくなります。
動かしてみよう
低い側の温度 のスライダーを右へ動かして、高い側に近づけてください。左の温度計の2本の線が近づき、右の曲線の上の点が左上へ上がります。下から入る熱の矢印が太くなります。
運転を「冷房」と「暖房」で切り替えると、帯の札の「部屋の側」と「外の側」が入れ替わり、結果の欄の COP が 1 だけ変わります。右の破線は、実物のエアコンの定格の COP です。
試してみよう0 / 3
- 暖房のまま、低い側の温度 tL を −10℃(冬の朝、冷媒が外の空気より冷たくなる)にして、下から入る熱の矢印の太さを見る(まだ)
- 暖房のまま、低い側の温度 tL を 20℃(温度差を半分の 20 K)にして、右の曲線の上の点の高さを見る(まだ)
- 運転を「冷房」に切り替えて、結果の欄の COP と、左の帯の電気(紫)の行き先を見る(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- いまの運転の COP の上限
- 低い側から汲み上げる熱
- 高い側へ出す熱
- 温度差(汲み上げる高さ)
ほかの値(4 個)
- 冷房の COP の上限
- 暖房の COP の上限
- 低い側の絶対温度
- 高い側の絶対温度
途中の計算(導出)を見る
温度を絶対温度に直す
冷房(低い側から熱を運び出す)の COP の上限
暖房(高い側へ熱を入れる)の COP の上限
低い側から汲み上げる熱(毎秒)
高い側へ出す熱(家計簿:汲み上げた熱 + 電気)
つまり、ものを作るときは
運ぶ温度差を小さくする。熱交換器(室内機・室外機の、ひれの付いた管)を大きくすると、冷媒と空気の温度の差が小さくてすみます。フィルターや室外機のまわりがふさがると、温度差が広がって COP が下がります。
冷蔵庫も同じ。冷凍室(−18℃)から台所(25℃)へ汲み上げるときの上限は 5.93 です。台所が暑いほど、また、背面のまわりに熱がこもるほど、電気を食います。
よくある勘違い
「COP 7 は、効率 700%。エネルギーが増えている」
増えていません。部屋に入る 7 kW のうち、6 kW は外の空気が持っていた熱を運んだもので、作ったのは電気の 1 kW 分だけです。家計簿は、いつも合っています。
| 考え方 | 1 kW の電気で部屋に入る熱(0℃ ↔ 40℃ の上限) |
|---|---|
| 電気が熱になるだけ(電気ストーブ) | 1 kW |
| エネルギーが 7.83倍に増える | |
| 外から 6.83 kW を運び、電気 1 kW と合わせて出す | 7.83 kW |
「外が 0℃ より寒いと、熱は汲み上げられない」
−10℃ の空気も、熱を持っています。冷媒をそれより冷たくすれば、熱を受け取れます。ただし、汲み上げる高さが大きくなるので、COP は下がります。
「冷房のほうが、暖房より COP が大きい」
同じ温度の間なら、暖房のほうが、ちょうど 1 大きくなります。カタログで冷房の COP が大きく見えることがあるのは、測る条件(外と部屋の温度)が冷房と暖房で違うからです。
この公式が使える条件
- 理論の上限(逆カルノーサイクル)。冷媒の流れの摩擦・圧縮機の損失・熱交換器の温度差は入れない。実物はこれより必ず小さい
- 温度は、冷媒が熱を受け取る温度と、出す温度(どちらも一定とみなす)。空気の温度を入れると、上限はもっと大きくなる
- 高い側の温度が、低い側より高い(同じなら、熱は汲み上げなくても移せる)
- 電気は、全部が圧縮機の仕事になるとする
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
エントロピーの勘定:冷媒は1周するともとに戻るので、冷媒のエントロピーは変わりません。低い側から熱 を受け取るとき、冷媒のエントロピーは 増えます。高い側へ熱 を出すとき、 減ります(エントロピーと T-s 線図 の単元)。
熱が温度差のない所でだけ移る、理想の運転では、まわりのエントロピーも増えません。
家計簿と組み合わせる: なので、
熱機関の効率の上限との関係:カルノーサイクルと第二法則(効率の上限) の単元の効率の上限 の逆数が、暖房の COP の上限です。0℃ と 40℃ なら、効率の上限は 12.8%、その逆数が 7.83 です。
実物が上限より小さい理由:実際には、熱交換器で冷媒と空気の間に温度差があり、膨張弁で冷媒が仕事をせずに圧力を下げます。どちらもエントロピーを増やすので、同じ熱を運ぶのに、電気をより多く使います。
例題
例題1 冷蔵庫の冷凍室
冷蔵庫は、冷凍室(−18℃)から熱を汲み上げて、台所(25℃)へ捨てます。冷媒の温度は、それぞれの空気と同じとみなして、理論の上限を考えます。
(1) 冷やす側の COP の上限。(2) 電気 100 W で、冷凍室から毎秒汲み上げられる熱の上限と、台所へ出す熱。
ヒント 1 / 2
温度は絶対温度にします。−18℃ は 255.15 K、25℃ は 298.15 K、差は 43 K です。
ヒント 2 / 2
冷やす側の COP の上限は 。台所へ出す熱は、汲み上げた熱 + 電気です。
答えと解き方を見る
温度を絶対温度に直す
冷房(低い側から熱を運び出す)の COP の上限
暖房(高い側へ熱を入れる)の COP の上限
低い側から汲み上げる熱(毎秒)
高い側へ出す熱(家計簿:汲み上げた熱 + 電気)
冷蔵庫の背面や側面が温かいのは、汲み上げた熱と電気の分を、そこから台所へ捨てているからです。冷蔵庫の扉を開けたままにしても、台所は冷えません。
実際の冷蔵庫は、冷媒を空気より冷たく・熱くしないと熱が移らないので、COP はこの上限よりかなり小さくなります。
例題2 カタログの数字と、理論の上限
日立のエアコン(白くまくん X シリーズ RAS-X22J)のカタログでは、暖房の定格(外 7℃・部屋 20℃)で、暖房能力 2.5 kW・消費電力 430 W です。
(1) この運転の COP。(2) 冷媒が 0℃ と 40℃ の間で熱を運ぶとしたときの上限と比べて、何割か。(3) 外の空気 7℃ と部屋の空気 20℃ の間の上限と比べて、何割か。
ヒント 1 / 2
COP は、運んだ熱 ÷ 使った電気です。単位をそろえます(430 W = 0.43 kW)。
ヒント 2 / 2
空気どうしの上限は、 です。
答えと解き方を見る
空気どうしで比べると、実物は上限の約 4分の1 です。熱を移すには、冷媒を外の空気より冷たく、部屋の空気より熱くしなければならず、温度差が 13 K から 40 K くらいに広がるからです(0℃ と 40℃ は目安)。
冷媒の温度どうしで比べると、約 7割。残りの差は、圧縮機のモータ・冷媒の流れの摩擦・送風のファンの電気などです。
例題3 寒い朝の暖房
部屋に毎秒 3 kW の熱を入れて暖めます。冷媒の高い側は 40℃ とします。
(1) 冷媒の低い側が 0℃ のとき、要る電気の最小。(2) 外が冷えて、低い側が −15℃ のとき、要る電気の最小。(3) 電気ストーブ(電気が全部熱になる)なら何 kW か。
ヒント 1 / 2
要る電気 = 入れる熱 ÷ 暖房の COP。暖房の COP の上限は です。
ヒント 2 / 2
−15℃ のとき、温度差は 55 K です。
答えと解き方を見る
外が冷えるほど、汲み上げる高さ(温度差)が大きくなり、同じ熱に要る電気が増えます。それでも上限で考えると、電気ストーブの 5分の1 以下です。
実物のカタログには「低温暖房能力」(外 2℃ のときの能力)も載っています。寒い地方では、この数字も見て選びます。