輻射式冷暖房のヒートポンプ室外機の種類と仕組み

西山 大貴

九州大学工学部卒業。輻射式冷暖房「F-CON」の製品開発や国内外の熱負荷計算業務に従事。

エアコンも輻射式冷暖房も、同じヒートポンプという仕組みを利用しています。

輻射式冷暖房は主に冷温水を室内の輻射パネルに送水し、エアコンは冷媒ガスを室内機まで届けることから、同じヒートポンプでもそれぞれ室外機の構造が異なります。

本記事では、輻射式冷暖房に利用されるヒートポンプ室外機について解説します。

室外機 （熱源機）とは

室外機とは熱源機のことを指します。熱源機は室外に設置されることが多いため「室外機」と呼ばれます。

空調設備では冷風や温風などをつくるために「熱源」が必要になります。 熱源とは読んで字のごとく、熱を供給する源となるものです。

冷熱をつくる冷凍機や冷蔵庫、温熱をつくるボイラなどが熱源機の代表的なものですが、冷温水発生機のように1台で冷熱と温熱の両方を作ることができる熱源機もあります。

詳しくは「空調設備の種類と仕組みの全体像を解説」へ

熱交換とは

熱交換とは「温度が高い物体から低い物体へ、効率良く熱を伝導させること」です。

それぞれの間を隔てる隔壁には伝熱率が高い金属が用いられ、熱を交換しやすいように金属表面が互いに多く接するように工夫されています。

ヒートポンプとは

ヒートポンプは「電気を使って温度差を作る」仕組み＝機構のことを言います。

つまり、ヒートポンプは熱を作っているわけではなく、ある場所から熱エネルギーを吸収し（＝ヒート（熱）をポンプで汲み上げて）、それを別の場所に運び、その熱の移動によって温度差を作っているのです。

熱を取り除かれた方はより冷たく、熱をもらった方はより温かくなります。一度に冷熱と温熱をつくることができるのは、熱を移動させているからです。

かつてヒートポンプは主に冷蔵庫や冷房など、物を冷やす冷熱用として使われていました。

しかし、技術の進歩により低温から高温への用途が広がり、現在は暖房や給湯など様々な分野で利用されています。

代表的なものは冷蔵庫やエアコン、洗濯乾燥機などの電化製品で、その他にも省エネ効果の高いエコキュートや床暖房などの設備にも使われています。

ヒートポンプの特徴

ヒートポンプの最大の特徴は、小さな工ネルギーで大きなエネルギーが得られることです。

例えば、電気を熱に変換する電気カーペットなどは、1の電気が1の熱に変化しますが、ヒートポンプは1の電気で、その何倍もの熱を得ることができます。

COP（Coefficient Of Performance＝成績係数）とは

冷暖房平均エネルギー消費効率のことで、電力を1kW使って、どれだけの冷房・暖房効果が得られるかを示す指標として利用されている。

COPは冷房と暖房で数値が異なりますが、例えば「暖房でCOP6」とは、1の熱エネルギーで5の熱工ネルギーを運び、結果として6の熱エネルギーを得るということです。

最近では、省エネ・省CO₂に貢献するヒートポンプは、ヨーロッパでは再生可能エネルギーとして扱われ、普及が進んでいます。

日本でもCO₂削減目標を達成するために、ヒートポンプの普及拡大に力を入れています。

※詳しく勉強されたい方は「ヒートポンプWEB講座」をご参照ください

エアコンと輻射式冷暖房のヒートポンプ室外機の違い

輻射式冷暖房は業務用と家庭用に分かれますが、まずは、家庭用のエアコンと輻射式冷暖房のヒートポンプ室外機の違いを説明していきます。

エアコンと輻射式冷暖房の両方とも、ヒートポンプ室外機は「気体は圧縮されると温度が上がり、膨張させると温度が下がる」性質を利用して、冷暖房を行っています。

ヒートポンプの中では、熱を運ぶ役割をする冷媒（フロンガスや二酸化炭素など）が圧縮による温度上昇と膨張による温度低下を繰り返しながら循環しています。

エアコンのヒートポンプ室外機は1種類であるのに対して、輻射式冷暖房のヒートポンプ室外機は熱交換器、循環ポンプが室外機に内蔵されているかの違いで、熱交換器一体型と熱交換器分離型に分かれます。

エアコンのヒートポンプ室外機の仕組み

輻射式冷暖房のヒートポンプ室外機

熱交換器一体型

熱交換器分離型

さらに詳しく見ると、冷媒循環方式、冷媒ガス工事の有無などにも違いがあります。

室温調整方法の違い

エアコンのリモコンは主な機能として、冷房・暖房・除湿の切替・温度設定・入/切タイマーなどがあり、これらを使用して室温を調整します。

輻射式冷暖房はタイマー運転の活用を推奨

輻射式冷暖房の場合は冷房、暖房の切替と温度設定、そして、タイマー運転がリモコンの主な機能です。

小さいエネルギーを使って長時間運転することで快適な環境を保つ輻射式冷暖房は、電源を入れてから部屋全体の室温が調整されるまでに1～2時間を要します。

ですから、エアコンのように入/切タイマーを使用して電源ON/OFFを繰り返すのではなく、30分単位で設定可能なタイマー運転で、通常運転、セーブ運転、運転停止を組み合わせて室温を調整します。

例えば、入眠時～睡眠中や、短時間の不在時にはセーブ運転にするなど、上手にタイマー運転を活用することで節電につながります。

業務用と家庭用ヒートポンプ室外機の違い

輻射式冷暖房の室外機は、家庭用も業務用も仕組みは基本的に同じですが構造が異なります。

家庭用は圧送ポンプが室外機に内蔵されているのに対し、業務用は、配管の長さに応じてポンプの大きさを変えられるよう、圧送ポンプが別になっています。（内蔵されているタイプもあります）

業務用の場合は大型施設への導入がほとんどのため、ヒートポンプ室外機を並列に連結して使用することが多く、使用量に応じて機器の台数で能力を調整します。

これは、どれかが壊れても他でカバーできるというメリットもあります。

配管設計の違い

圧送ポンプが室外機に内蔵されているか否かは、配管設計にも影響します。

業務用の場合は先に配管ルートを決定し、その配管ルートと距離に応じてポンプ能力を決定します。

業務用が圧送ポンプを別付けにしている理由は、配管距離が長いほど能力の高いポンプが必要となるため、配管距離に応じてポンプ能力を選定できるようにしているからです。

一方、家庭用は圧送ポンプが内蔵されており、ポンプ能力も最初から決まっていることから、ポンプでカバーできる範囲内に、配管の長さを収める必要があります。

配管方式の違い

配管方式にも違いがあります。家庭用は2管式であるのに対し、業務用は大型施設に対応するため、4管式が多く採用されています。

3管式もありますが、現在はほとんど使われていません。

2管式

2管式は往き配管と戻り配管が1組で、夏期は冷水配管として、冬期は温水配管として利用する冷暖房切替運転方式です。

配管本数が少ないので他の方式よりも安価で場所を取らず、同じ系統（グループ）の配管はすべて冷房か暖房のいずれかに統一されます。

主な用途：温水式床暖房や家庭用の冷温水式ヒートポンプに接続する輻射式冷暖房など

3管式

3管式は2本の往き配管と1本の戻り配管で構成され、往き配管の1本を冷水配管として、もう1本を温水配管として利用する冷暖房同時運転方式です。

冷熱源と温熱源を接続して戻り配管の水量を制御しなければならない点や、戻り配管の熱損失が大きくなる点などを踏まえ、現在はあまり使われていません。

4管式

4管式は往き配管と戻り配管が2組あり、1組を冷水配管として、もう1組を温水配管として利用する冷暖房同時運転方式です。

4管式は配管本数が多くコストは掛かるものの、冷暖房を同時に利用でき、部屋ごとに空調運転できる点がメリットとして挙げられます。

主な用途：業務用の室外機に接続する輻射式冷暖房など。

配管内を流れる冷媒の違い

家庭用は冷温水配管に不凍液を流すのに対し、業務用は水道水を流します。

水道水を使用する主な理由は、不凍液は非常に高価で、大型施設などへ導入する場合は配管距離も長く、不凍液の使用量も膨大なものとなり、その分、コストが跳ね上がるためです。

しかし、水道水は耐用年数を超えると腐食の恐れがあります。

日本国内でもカルシウムやマグネシウムの含有量などが地域によって異なり、その水質の違いによる配管トラブルも少なくありません。

ですから、配管の素材選定はもちろん、耐用年数もしっかり確認する必要があります。

ヒートポンプ室外機の弱点と設置の際の注意点

外気温に左右される

ヒートポンプの最大の弱点は、能力が外気温に左右されることです。

外気を熱に交換するため、外気温が低いと空気中の熱エネルギーをうまく汲み上げるができず、熱交換能力が低下し、暖房運転にしても、なかなか室内が暖まらないという事態が起きてしまいます。

これはつまり、同じ能力のヒートポンプ室外機でも、設置場所の違いによって熱交換能力に差が生じることを意味します。

温暖な地域では問題なくとも、寒い地域では熱交換能力が下がり本来の効率が発揮しにくく、なかなか暖まらなくなるのです。

ヒートポンプ室外機の能力選定

輻射式冷暖房は導入の際、建物の熱負荷を把握し温熱環境設計を行い、輻射式パネル台数を算出、最適な場所にパネルを配置します。

そして、その輻射式パネルが十分な効果、効率を発揮できるよう、ヒートポンプ室外機の能力を選定します。

各メーカーはこれまでヒートポンプが苦手としていた寒冷地での短所を克服する技術を開発し、寒冷地においても活用できるヒートポンプ室外機が誕生しています。

さらなる対策として、地域の気象条件も考慮し、その地域に最も適したヒートポンプ室外機を選定することが重要となります。

たとえ0℃以下の寒い日であろうとも、その寒さに耐えうるだけの能力があるヒートポンプ室外機であれば、何も問題ありません。

そういった意味では、輻射式冷暖房の最高性能を引き出す上で、ヒートポンプ室外機の能力選定は重要なポイントといえます。

設置場所や地域別での注意点対策

ヒートポンプ室外機の設置環境によって正常運転を妨げる敵が存在し、その対策が非常に重要であることを忘れてはなりません。

下記の例のように適切な対策を施せば、完全に状況を回避することは難しくとも、最悪の状況を防ぐことができます。

北海道などの寒冷地

霜取り運転による暖房機能停止が挙げられます。

対策として、風雪や屋根からの積雪落下を避けられる場所に設置したり、室外機用ヒーターの設置、風雪ガード、防雪フードを設置しましょう。

沖縄などの暖地

ヤモリなどが室外機内に侵入し基盤がショートすることがあります。

対策として、基盤への接触を防止する絶縁シートや、ヤモリガード、室外機カバーを設置しましょう。

海沿いの場所

潮風の影響によりサビや腐食が発生しやすいです。

対策として、直接潮風が当たらない場所に室外機を設置したり、耐塩害処理によってサビや腐食を抑えましょう。

ショートサーキット（ショートサイクル）

室外機を狭い場所に設置したため、放熱した空気を再び室外機が吸い込むことを繰り返す状態をショートサーキット（ショートサイクル）と言います。

室外機がショートサーキット（ショートサイクル）を起こすと、冷媒ガスを冷却できず能力の低下やオーバーヒートして正常に動かなくなったり、故障してしまう可能性があります。

ショートサーキット（ショートサイクル）はメーカーの設置規定に基づき、室外機と壁の距離を十分にとれば回避できますが、難しい場合は風向板の取付が必要です。

しかし、風向板の取付は最終手段であり、まずは十分な設置スペースを確保しましょう。

事前に保証期間の確認を

最後に、ヒートポンプ室外機の寿命は10～15年とされていますが、経年劣化だけでなく、予期せぬトラブルなどによりヒートポンプ室外機の修理、交換が必要となる場合がありますので、事前に保証期間もしっかり確認しておくようにしましょう。

FUTAEDA独自のヒートポンプ室外機の延長保証サービス

設備機器の故障は設置後5年以降、急激に上昇するにも関わらず、メーカー保証は1年程度が現状です。

そこでFUTAEDAでは、お客様に少しでも安心してF-CONをご使用いただけるよう独自のサービスとして、メーカー保証を家庭用は10年まで、業務用は5年間（24時間運転）または、8年間（間欠運転）まで延長し無償で修理いたします。

保証期間中は、メーカー保証対象の故障あれば、出張費、施工料、技術料すべて０円で対応いたします。

住居用延長保証サービス（10年）

業務用延長保証サービス（5年 / 8年）

※三菱製ヒートポンプのメーカー保証は家庭用、業務用ともに２年です。

６つの安心サポート

1. 修理回数無制限：同じ機器でも何度でも修理
2. 工賃０円：出張・技術費用0円！
3. 経年劣化：消耗品（不凍液）＋塩害によるサビ以外の故障をフォロー
4. 事前審査なし：指定の機器だから安心！※F-CONヒートポンプ室外機
5. 365日受付！安心コールセンター（9:00～19:00）
6. 同等代替品提供：金額に関わらず同等品交換！

保証となる故障原因

1. 基板、センサーの故障
2. モーター交換
3. リモコン交換
4. 部品内部の不良

保証対象外となる故障原因

1. 不凍液などの消耗品の交換
2. 使用上の過失や、外部からの損傷
3. 配管の詰まり、水漏れ
4. 清掃、設定、メンテナンスで復旧するもの
5. 損害保険対応など
6. 異物混入、害虫混入による故障
7. メーカーの定める設置基準を満たさない場合

まとめ

輻射式冷暖房のヒートポンプ室外機はどれでも同じ、どこに設置しても同じというわけではありません。

輻射式冷暖房の最高性能を引き出すために家庭用、業務用ともに、導入時は下記のような対応が必要です。

• 建物内の熱負荷の把握、綿密な温熱環境設計、配管設計
• 地域の気象条件を加味したヒートポンプ室外機の能力選定
• 設置規定に基づいた間違いのない施工（ショートサーキット防止）
• 正常運転を維持するための設置場所対策（防雪ガード、ヤモリガードなど）

この工程1つ1つが重要な意味を持ち、どれか1つでも手を抜くと、輻射式冷暖房の効果、効率が崩れていきます。

知識、経験に乏しいメーカーは、その状況をカバーするために過剰にパネルや、室外機の台数を増やそうとし、結果として、膨大なコストがかかることになります。

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