三菱重工技報 Vol.48 No.2 (2011) 冷熱特集

技 術 論 文3

欧州向け家庭用冷温水給湯空調ヒートポンプの開発－寒冷地での利用拡大－
Development of Air-to-Water Heat Pump for Home Air-conditioning－Hot Water Supply
Combination System with Chilled/Hot Water in European Markets-Extending Use of New Heat Pump System in Cold District-

山 田 容 之 *1

竹 内 伸 行 *1

Hiroyuki Yamada

Nobuyuki Takeuchi

大 村 峰 正 *2

石 塚 浩 史 *1

Minemasa Omura

Hirofumi Ishizuka

小 林 隆 之 *3

前 野 政 司 *4

Takayuki Kobayashi

Masashi Maeno

欧州ヒートポンプメーカ NIBE 社との共同で欧州の家庭用向けに最適な冷温水給湯空調機を開発した．当社は従来の空調機をベースとした室外機を開発・供給し，NIBE 社からは室内機の供給を受ける相互 OEM 供給体制を確立した．ヒートポンプ技術を応用した温水給湯空調機は，従来の燃焼型ボイラと比較し大幅な CO2 削減やランニングコスト削減が可能となるため，欧州の暖房市場で注目されている商品である．本製品は新冷媒制御を導入することで，外気温-20℃においても 58℃出湯を可能とし，北欧など寒冷地でのヒートポンプ適用を可能としている．

|1. はじめに欧州の家庭向け暖房は 24 時間全館暖房が基本であり，熱源機で作り出した温水をラジエタなどの輻射放熱器へ循環させるという日本の暖房事情とは異なった文化が存在する．その熱源機は従来天然ガスを中心とした化石燃料の燃焼ボイラが主流となっている．
しかしながら原油や天然ガス価格の高騰，天然ガス安定供給に対するリスク，近年の環境問題への関心の高まりから，CO2 排出量の改善が可能である電気式ヒートポンプを応用した熱源機が注目されている．
そこで当社は従来の空調機技術を応用し，空調・給湯用の冷温水を供給するシステムを欧州ヒートポンプメーカ NIBE 社と協同で開発した．本報では欧州向け冷温水給湯空調機の概要及び特長について紹介する．

|2. 製品システム概要
図１に本製品を用いたシステム図を示す．室内機には暖房用温水配管及び給湯用配管が接続される．放熱器としては高温出湯を必要とするファンコイル・ラジエタのほか低温出湯の床暖房用ヒータにも対応しており，どちらか一方のアプリケーションだけでなく，同時に異なる目標水温を必要とする暖房機器を制御することが可能である．また，空調用の冷温水は外気温度に応じて可変する目標温度制御となっており，負荷に応じた最適水温で運転することで高効率運転を実現している．
室内機は一体型の貯湯タンクを備え，空調及び給湯負荷の発生状況に応じて水流を切り替えながら運転する．貯湯タンクには補助ヒータ(９kW)が配置され，給湯のみではなく暖房負荷が一時的に上昇して能力不足となった場合の熱源としても利用される(図２)．
*1 冷熱事業本部空調機技術部*2 技術統括本部名古屋研究所*3 冷熱事業本部空調機技術部グループ長*4 冷熱事業本部空調機技術部主席技師

三菱重工技報 Vol.48 No.2 (2011)4

補助ヒータの替わりに太陽熱温水器やボイラなどの外部熱源を接続して併用することも可能であり，客先の負荷や他の熱源機の使用状況など，使用形態に応じてフレキシブルに暖房システムを構築しエネルギーコストの削減に貢献することが可能となっている．

図１ システム概要
ファンコイルやラジエタ及び床暖房に対応．内蔵タンクにより給湯負荷にも対応する．

図２ 運転モード別水流制御例
ヒートポンプのみで暖房負荷をまかなえる場合は①，暖房能力が不足する場合は②，給湯負荷が発生した場
合は③の水流を選択する．
暖房負荷と給湯負荷が同時に発生する場合は，①と③を切り替えながら運転する．

|3. 技術課題の克服
温水暖房ヒートポンプは従来の空調機とは使用条件・使用環境とも異なる．このため，主要部品や制御を見直すことにより外気温-20℃においても 58℃出湯を可能とした．また，空調用熱源機としては使用実績が豊富な従来機と同一機体を採用することで部品の共用化を図り，商品性・信頼性を高めている（図３）．以下に従来の空調機からの変更点をまとめた．

図３ 室外機改良点

三菱重工技報 Vol.48 No.2 (2011)

5(1) 液バック運転制御による高圧縮比運転制御
北欧や内陸部では外気温が-20℃程度まで低下することもあり，暖房機として使用するためには，低外気温下においても安定して高温出湯で運転することが必要となる．
従来の空調機では，コールドドラフトを回避するために室内側の吹き出し温度は 40℃以上であることが必要であり，この条件で圧縮機に要求される高圧圧力（凝縮飽和温度圧力）は約2.5MPa である．一方，温水暖房ヒートポンプでは放熱器の形態に応じて更に高い水温が要求され，給湯運転では最高で約 60℃の出湯温度が必要となる．このとき要求される最大高圧圧力は約 3.8MPa と従来の空調機よりも高い．
低外気温下で高圧圧力を高めるためには高圧縮比の状態で圧縮機を運転する必要がある．一方，ガス冷媒は高圧縮比で断熱圧縮を行うと温度が上昇する特性を持つ．そのため高圧縮比での圧縮機の運転は冷凍機油の劣化やモータ磁石の減磁など信頼性に大きく影響を及ぼす懸念が高い(図４)．従来の空調機では，外気温が低下した場合に圧縮機からの吐出冷媒ガス温度が限界温度を超えるのを防止するため，圧縮機の運転回転数を落とすことで高圧圧力及び圧縮比を抑えて運転していた．そのため従来制御では低外気温下の運転の際に供給水温及び能力が低下する懸念があった．よって本製品では液冷媒を圧縮機に戻して冷却し，吐出冷媒ガス温度を限界温度以下に抑える制御を採用することで，寒冷地での能力低下を抑え安定した高温出湯運転を目指した．
本制御を実現するためには，液冷媒を吸入しながら高圧縮比運転を行うという，従来の空調機にはない運転状態での圧縮機の耐久性が必要となる(図５)．従来の空調機に用いられている圧縮機の適用可否を判断するため，使用環境下限である外気温-20℃，出湯温度 58℃の運転状態にてブレード及び軸受け部の摺動部にかかる負荷が設計基準値以内に収まるかの検討を行った．その結果，仕様上は高圧縮比運転でも使用可能であることが確認できたため，さらにその裏づけ検証として耐久試験を実施し，ブレード及び軸受け部の摩耗進行状況を確認した．

図４ 低外気温時の冷凍サイクル図
赤線は高差圧圧縮を行った場合に吐出ガス温度がしきい値を超えることを示し，青破線は従来制御，実線は新制御での吐出ガス温度回避方法を示す．

図５ 従来空調機での圧縮機運転範囲と新製品での想定使用条件

図６ 圧縮機耐久運転時間と摩耗量の相関

三菱重工技報 Vol.48 No.2 (2011)6

従来の空調機での耐久試験結果と比較したところ，摩耗量に大きな相違は見られず(図６)，また運転初期からの摩耗の進行が見られないことから，従来圧縮機が高圧縮比運転状況下でも同等の耐力を有し，温水暖房ヒートポンプへの適用が可能であることを確認した．これにより寒冷地での安定した高温出湯運転が実現した．
(2) デフロスト運転の最適化
本給湯空調機の室内熱交換器は水と冷媒の熱交換となるため，冷房や暖房中の除霜運転
では水温低下による熱交換器の凍結・破損が発生しないよう十分な配慮が必要となる．特に低外気温下での除霜運転では，室内熱交換器の低圧圧力（蒸発飽和温度圧力）が下がり，凍結に対するリスクが高くなる．本製品では循環水の凍結を回避するため，水温と低圧圧力が適切な状態になるように圧縮機回転数及び膨張弁開度を制御している．また，除霜運転のための熱源が不足し，水温や低圧圧力が低下する恐れのある場合は，給湯用タンクに蓄熱された熱源を利用するように水流を切り替えることで熱源を確保し，水熱交換器の凍結を防止している．
(3) 膨張弁特性変更
低外気温下での運転では蒸発器での冷媒蒸発温度が下がり冷媒循環量が低下する．小循
環量で高圧縮比運転を実現するには膨張弁開度を絞る必要があり，さらに弁開度が小さい領域できめ細かな制御を行うことが要求される．しかし従来の膨張弁では弁開度小の領域での分解能が大きいため，１パルスの動作で運転状態が大きく変動する懸念があった．
そのため膨張弁の特性を見直し，弁開度が小さい領域での制御分解能を高めることで冷媒循環量が少ない高圧縮比運転状況でも安定した運転を実現した．
(4) 冷媒量適正化
本製品には，従来の空調機と同様欧州向け家庭用空調機に広く採用されている R410A を使用している．一方 R410A は 2006 年に施行された欧州冷媒規制による規制対象冷媒であり，環境に配慮する上でもなるべく使用量を低減することが望ましい．またシステム内に３kg 以上の冷媒が封入されている場合は年１回の冷媒漏れ検査の義務が課されるため，ユーザの費用負担が増加しランニングコストを上昇させる要因となる．
以上の状況から，現地での追加チャージが不要となる配管長の見直しなどを行い，２機種については初期冷媒封入量を３kg 未満とし，ユーザの負担を軽減した．

|4. ランニングコストメリット比較
室外機には当社の空調機用室外機と同一機体を適用し，さらに膨張弁制御の最適化を図ることにより高効率を実現した．これにより FDCW100VNX では定格能力(９kW)において，45℃出湯にて COP（出力能力÷消費電力で表される出力成績係数で Coefficient of Performance の略）3.60，35℃出湯にて COP4.44 と業界トップクラスの COP を確保している．
しかしながらユーザのエネルギーコスト削減に貢献するためには，定格条件での COP だけでなく年間を通しての効率が重要となってくる．そこで既存ガスボイラを当社ヒートポンプ（HMA100V+FDCW100VNX）に置き換えた場合のランニングコストメリット試算を行い，コスト削減効果を確認した．欧州の標準気候条件(1)(Strasbourg, 図７)で年間負荷を 28000kWh と想定した場合では，既存ボイラを使用し続けた場合のランニングコスト約 1940 ユーロに対し，ヒートポンプでは約 1100 ユーロとなり，約 840 ユーロ／年のランニングコスト削減が期待できる(表１)(2)．
今回の試算条件では，外気温が-1℃を下回った際に負荷がヒートポンプ能力を上回り(図８)，熱源不足分を補うため内蔵ヒータが作動する．電気ヒータの使用は効率悪化の要因となりうるが，年間所要能力に対する補助熱源の割合は全体の約３％である(図９)ことから年間効率への寄与度はそれほど大きくはない．また，補助熱源として電気ヒータの替わりに既存ボイラを流用して更にランニングコストを下げることも可能であり，客先の要望に応じた自由度の高い設計が可能である．

三菱重工技報 Vol.48 No.2 (2011)7
表１ ランニングコスト比較
ヒートポンプ+補助ヒータ
使用エネルギー量10 024(kWh／年)(9 142+882)

エネルギー単価(ユーロ／kWh)
ランニングコスト（ユーロ／年）
コストメリット（ユーロ／年）

ガスボイラ
40 0000.10990.0486

1 102

1 944842－（計算条件）
年間所要能力：28 000kWh（給湯 200L/日を含む）
ガスボイラ効率：70％
外気温度条件：欧州標準気候（Strasbourg，図７）
出湯温度：45℃（EN14511 標準出湯条件）
エネルギー単価：フランスの標準的な価格を使用(2)

図７ 欧州平均気候(Strasbourg)の外気温発生時間

図８ 45℃出湯運転時のヒートポンプ能力及び想定所要負荷
所要負荷は欧州標準気候，年間所要負荷
28 000kWh の場合を想定

図９ 熱源別の年間暖房出力
外気温度 16℃超の所要負荷は外気温が 17℃以上での給湯負荷の総和を示す．

|5. フィールドテスト
製品の信頼性の裏づけ確認として，NIBE 社と協同で欧州８ヶ所にてフィールドテストを実施している(図１０)．代表例として，スウェーデン中部エステルスンド（図中①）での例を紹介する．試験は延べ床面積約 200m2，放熱器としてラジエタを使用している標準的な家屋を選定して実施した(図１１)．
ヒートポンプ運転による供給水温推移の実例をグラフに示す（図１２）．グラフ中で一時的に水温が低下しているのは除霜運転による水温低下である．
昼間の外気温が比較的高い時間帯においては出湯温度が 40℃程度に抑えられるが，外気温が下がるにつれて目標出湯温度を上昇させていることが見て取れる．このように負荷の変化に応じて目標水温を最適化することにより効率的に対応した運転を実現している．
このフィールドテストは 2008 年から現在に至るまで継続中で，安定した熱源としてユーザ宅で用いられており，欧州の寒冷地においても空気熱源ヒートポンプが熱源として有用であることが実証されている．

三菱重工技報 Vol.48 No.2 (2011)8

図１１ エステルスンド（寒冷地域）での F/T 現場
床面積：約 200m2，居住人数：２，暖房システム：ラジエタを使用，想定年間暖房負荷：約 32 000kWh

図１０ フィールドテスト実施場所
寒冷地域：２，標準地域：５，温暖地域：１ヶ所で実施

図１２ フィールドテストの外気温及び水温推移
目標水温は外気温に応じて自動調整されるため，外気温が下がる夜間にかけて出口温度が上昇している．

|6. まとめ
欧州のヒートポンプトップメーカのひとつである NIBE 社との協業により，８，９，16ｋW の３機種をラインアップし，今後伸長が期待される欧州の家庭用ヒートポンプ市場への参入を果たした．
室外機は従来の空調機のコンポーネントとの共用化を図りながら，新しい使用環境に必要となる部分についてはコンポーネントや制御を見直すことで商品性を高めている．
今後とも市場のニーズを確かめながら，更なる高効率，高温出湯ヒートポンプなど現地の暖房文化に受け入れられるヒートポンプの開発・提供を進めていく．

参考文献(1) ECEEE, http://www.eceee.org/Eco_design/products/boilers/(2) Europe’s Energy Portal, http://www.energy.eu/