コロラド州ではヒートポンプは機能しますか? はい、しかし計画が必要です。

12月に氷点下の気温を急落させた爆弾低気圧がコロラド州に接近したとき、ジョンとレイチェル・レア夫妻の家には一抹の不安が漂っていた。夫妻の家の地下室にはガス焚き炉がもうなかったからである。

彼らは 3 か月前に炉をヒートポンプに交換していましたが、その新しい装置が大きなテストに直面することになりました。 ヒートポンプは寒い日でも空気中に残っている熱の断片を集めますが、気温が氷点下 20 度に向かって急降下している中、捕捉できる熱は残っているでしょうか?

リース夫妻はボルダーのタウンハウスを嵐の前にサーモスタットを上げて「予熱」し、両側に隣接する家があり、地下には新しい断熱材が入っているという利点があった。

それでも、三菱のヒートポンプがどのように機能するかについては確信が持てませんでした。 この装置は氷点下 13 度でも動作すると評価されました。 12月22日の夜のボルダーの気温は18度以下まで下がった。

「全体的には、いつも通りの一日だった」とジョン・レアは語った。 「それは大した出来事ではありませんでした。」

寒波の間、ヒートポンプはほぼ​​フルタイムで稼働していたが、家は快適なままだった、とレアさんは語った。 「家の中にいたら何も気付かなかったでしょうね。」

電気を動力源とするヒートポンプは、寒冷地でのユニットの効率を高める改良技術と、電力会社や地方、州、連邦政府からの財政的インセンティブの組み合わせのおかげで、コロラドで絶好調を迎えています。

サウスウェストエネルギー効率プロジェクトの産業プログラムディレクター、ニール・コルウェイ氏は「ヒートポンプは離陸する準備ができている」と語った。 「多くのことが整っています。」

2021年から2022年にかけて、同州最大の電力会社であるエクセル・エナジーが発行したヒートポンプリベートの数は3倍以上の1,220件となった。 2 番目に大きな電力供給者であるトライステート発電送電協会では、リベート数は 40% 増加して 942 件となりました。

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ヒートポンプ システムには 2 種類あります。1 つは空気から熱を取り出すシステム、もう 1 つは地下の安定した熱を利用する地熱システムです。

空気源システム (コンプレッサー、ダクト、またはコンプレッサーに接続された個別の壁および天井ユニットを含む) の価格は、15,000 ドルから 30,000 ドルです。 地中熱ヒートポンプは自宅の地下300フィートの深さで掘削された井戸に依存しており、効率は高いが、価格は2倍である。

ソーラーパネルや電気自動車ほど目には見えませんが、米国環境省によると、暖房と冷房が家庭の全エネルギー消費量の半分弱を占めるため、ヒートポンプはよりクリーンでエネルギー効率の高い住宅への移行において重要な要素です。保護庁。

「私たちが家庭で天然ガスを燃やしているという事実は、かなり非効率的です」とエネルギーコンサルタントRMIのカーボンフリー建築プログラムのマネージャー、レイシー・タン氏は言う。 「私たちは家のエネルギー効率を高める方法を考えなければなりません。」

ヒートポンプはその答えの 1 つです。 「カリフラワーと同様、ヒートポンプもその時期を迎えています」とタン氏は語った。 カリフラワーみたいな？ 「そうです、かつてカリフラワーを食べていた人がいるでしょうか？今ではラップ、ご飯、ピザ生地に入っています。それは大きな技術革新があったからです。」

ヒートポンプは 1857 年にチェコの発明家ピーター フォン リッティンガーによって考案され、塩性湿地から塩を乾燥させるために初めて使用されました。 1950年代からヨーロッパの家庭で広く使われてきました。

家を冷暖房できるこの技術は米国で注目を集め、2008年までに年間5万から6万台が設置された。主に暑い夏と穏やかな冬に適した南部で設置された。

寒冷地では、最近まで気温とともにヒートポンプの効率も急激に低下していました。

効率的なクリーンエネルギー戦略を推進する非営利団体ノースイースト・エネルギー・パートナーシップNEEPの技術・市場ソリューション担当ディレクターのデイブ・リス氏は、「寒冷地でのゴールデンタイムにヒートポンプの準備が整っているかどうかは、ずっと疑問だった」と語る。

「現在、それらが低温で動作するという一連の証拠が増えている」とリス氏は語った。

ヒートポンプは何かを燃やして熱を作るのではなく、空気から熱を引き出すため、課題は空気自体にありました。 秘訣は、最も寒い日にそれをつかむことができることです。

「空気熱ヒートポンプ」の仕組みは、外気にさらされた配管の中を氷点下55度程度の低沸点冷媒が流れ、わずかな熱で冷媒が気化します。

蒸発した冷媒は熱を運び、コンプレッサーを通過します。コンプレッサーはそれを圧縮し、熱を約 105 度まで上昇させ、それが家の中に移動します。

再び液体になった冷媒は、さらに熱を得るために外に送り返されます。 夏には、このプロセスが逆になり、熱が室内から室外に移動し、家が涼しくなります。

ほとんどの家庭にはすでにヒートポンプが設置されています。 「エアコンはヒートポンプであり、冷蔵庫もヒートポンプです」と、ヒートポンプやその他の電気技術を使った住宅の改修を設計するボルダーを拠点とする会社エレファント・エナジーの共同創設者、ジョシュ・レイク氏は言う。 「それらはすべて電気を使って熱を移動させています。」

また、米国エネルギー省によると、ヒートポンプは熱を生成するのではなく、熱を移動させるだけであるため、電力消費量の 2 ～ 4 倍の熱エネルギーを生成することができます。

寒冷地域の問題は、気温がますます低くなり、空気中の熱がますます少なくなるため、ヒートポンプの動作がますます厳しくなり、効率がますます低下することです。

「5年前、コロラド州ではヒートポンプはあまり実用的ではありませんでした」とレイク氏は語った。

コロラド州とメイン州では、ヒートポンプを使用できるようにするための多くの技術的調整が行われてきました。 これらには、より優れた熱交換器、より優れた設計のファン、可変速コンプレッサー、洗練された電子制御が含まれます。

「真冬の極寒の中でも、移動させる熱はまだありますが、あまり暖かくないので、コンプレッサーはより多くの仕事をしなければなりません」と、NTS Energy社が家庭用および企業用のヒートポンプシステムを設計しているデビッド・ペトロイ氏は述べた。

50度では、ヒートポンプは使用する電力単位当たり4単位の熱を移動させることができるが、ゼロでは、電力単位当たり2単位の熱効率に低下する、とペトロイ氏は述べた。

可変速コンプレッサーは、さまざまな温度範囲にわたって効率が向上し、低温では実際に上昇する可能性があります。

ヒートポンプと炉の設置の主な違いの 1 つは、ヒートポンプ システムでは、既存の住宅や新築住宅を改修する際に、若干の追加の設計が必要になることです。 住宅所有者の中には、電気暖房ユニット、小型プロパン バーナー、ペレット ストーブなどの暖房のバックアップを必要とする人もいます。

ただし、これらのバックアップは「1年のうち4日は必要になるかもしれない」とペトロイ氏は語った。

暖房および空調の請負業者は、炉を設置する際に、家の大きさ、断熱材、住んでいる人の数などの変数を含む計算式であるマニュアル J 計算に依存します。

計算を取得し、炉のサイズを決定し、設置します。

「ヒートポンプシステムの設計には、特に全電化住宅ではもう少し慎重になる必要があり、大型の電気パネルの設置も必要になる可能性がある」とペトロイ氏は述べた。

また、たとえば地下室に 1 つの大きなユニットを設置するだけでなく、ミニスプリット システムとして知られる、気化した冷媒をコンプレッサーから個々の壁と天井のユニットに送ることができ、住宅所有者が床ごと、部屋ごとに温度を制御できるようになります。 。

「暖房と冷房の適切なサイズを設定することは非常に重要です」とレイク氏は言います。

コロラド州ではヒートポンプ市場は始まったばかりですが、北東部では10年かけて成長しており、2017年以来平均して年30%近く成長し、2021年までに25万台以上が設置されています。

NEEP は州の政策を奨励するプログラムに取り組んできました。その地域はニュージャージー州からメイン州にまで広がり、教育と関与を通じてヒートポンプを促進し、知識豊富な熱と空調 (HVAC) の請負業者のネットワークを開発し、寒冷気候の創出に取り組んできました。ヒートポンプの製品一覧です。

そして、この地域の最も寒い地域の一部には、早期に採用した人たちがいました。 「ヒートポンプの初期の成長を見たとき、メイン州やバーモント州のような場所では燃料が大量に供給されていたことがわかりました」とリス氏は語った。 「これにより、ヒートポンプによる暖房の経済性が大幅に向上します。」

メイン州の 60 万戸の住宅の約 61% は燃料油で暖房されており、さらに 11% はプロパンで暖房されています。 住宅のかなりの 9% が木材で暖房されており、残りは電気と天然ガスで暖房されています。

ヒートポンプのリベートを含む州のエネルギー効率化プログラムを管理するエフィシエンシー・メイン・トラストによると、メイン州の住宅をヒートポンプで暖房する場合の年間平均コストは2,300ドルで、石油やプロパンの場合のほぼ半分だという。

「2012年にリベートプログラムを開始したとき、メイン社員には2つのグループがあった。1つはヒートポンプとは何かを知らなかったグループ、もう1つは寒い気候ではヒートポンプが機能しないことを知っていたグループだ」とエフィシエンシー・メイン社のシニア、アンディ・マイヤー氏は語った。居住プログラムのプログラムマネージャー。

それ以来、このプログラムは約 100,000 台のヒートポンプに対して 1,200 ドルから 2,400 ドルのリベートを発行しており、需要は衰えていません。 「我々はヒートポンプに対して6分ごとにリベートを発行している」とマイヤー氏は語った。 「それは根本的な革命でした。」

メイン州の一部の家庭では、数千ドルもする、見た目はエアコンのような、小型の壁または窓に取り付けられたヒートポンプを 1 つまたは 2 つ購入するでしょう。

「これらは部屋を暖房し、おそらく隣の部屋も暖房し、3番目の部屋は寒いでしょう」とマイヤー氏は語った。 「それは家を薪で暖めるのとよく似ています。」

トライステート州の会員関係マネージャー、ピーター・ルーシン氏によると、メイン州と同様、コロラド州の田舎の大部分は家庭用暖房として高価なプロパンガスに依存しているという。

電力卸売会社であるトライステート社と傘下のコロラド州地方の 18 の電力協同組合はヒートポンプの普及を推進しており、同組合は最大 2,400 ドルのリベートを提供している。

ルーシン氏によると、一部の山間の町ではプロパンガスが１ガロン当たり４ドルで販売されており、これは州平均のほぼ２倍だという。 「ヒートポンプに切り替えると、エネルギー負担が本当に軽減されます」と彼は言いました。 「農村部のエネルギー貧困を軽減できる技術や機会は他にありません。」

需要を満たすには熟練した設置業者の軍団が必要であり、エフィシエンシー・メイン州がプログラムを開始したとき、州内をくまなく探して20の請負業者を見つける必要があったとマイヤー氏は語った。 現在、トラストによって精査されたのは 800 人です。

「請負業者は本当に重要だ。なぜなら彼らはシステムを販売しているし、実際には一般大衆を教育しているからだ」とルーシン氏は語った。

コロラド州は、メイン州や北東部が10年前に直面したのと同じネットワーク構築の必要性に直面している。

電気技師のセバスチャン・カナディさんが、ボルダー郡の自宅にヒートポンプを設置するために空調設備請負業者に連絡したとき、数人の業者が彼にそれをやめるよう説得しようとしたが、仕様を撤回した一人がガス炉の入札を持ち帰ってきた。

近所の人が Save Home Heat Company を勧めてくれました。同社は、ヒートポンプと予備のガス炉を備えた二元燃料システムを約 30,000 ドルで導入しました。 コンプレッサー、ヒートポンプ、炉はすべて統合されており、Canady の携帯電話から制御できます。 「彼らはお互いに話します」と彼は言った。

Canaday のシステムは、古いガス炉の既存のダクトに接続され、コンプレッサーが気化した冷媒を新しい炉の上部のコイルに送りました。 Rea のミニスプリット ヒート ポンプは氷点下 13 度で 75% の能力で動作すると評価されていますが、Canaday のようなダクト ヒート ポンプは氷点下 3 度で動作すると評価されています。

したがって、Canady のシステムは 6 度で炉に移行するように設定されています。 12月には炉が加熱の約30％を行ったという。

カナディさんは、ヒートポンプに加えて屋根にソーラーパネルを取り付け、日中はサーモスタットを 73 度に上げて、夜間に家をあらかじめ暖めています。 「基本的にはソーラーパネルがヒートポンプに電力を供給している」とカナディ氏は語った。 太陽が沈むと、サーモスタットが下がります。

「ソーラーパネルとヒートポンプは、ピーナッツバターとゼリーのように連携します」とエレファント・エナジーのレイク氏は語った。

ヒートポンプ事業への参入を準備している地元の HVAC 請負業者の 1 人が、デンバーに本拠を置く The Cooler Company のゼネラルマネージャーである Grayson Goodwill です。

「エクセルはヒートポンプの方向に全力で取り組んでいる」とグッドウィル氏は語った。 「低温で加熱できることに懐疑的な人もいるかもしれませんが、これは未来なのです。」

過去数か月間、グッドウィルは設置の実践方法を理解するために、エクセルやヒートポンプメーカーが提供するコースを受講してきました。 「ヒートポンプには特別なトレーニングが必要です」と彼は言いました。

RMIのタン氏は、「設置には学習曲線があり、一部のメーカーは設置を容易にするために設置方法を変更している」と述べた。

グッドウィル氏は、2023年が同社初のヒートポンプ設置となることを期待していると述べた。 「天然ガスのコスト、特に太陽光発電を備えた住宅のコストを考慮すると、ヒートポンプが最適です」と同氏は述べた。

それがその道なら、ライナー・ゲルバッチュはすでにそこにいる。 退職した建築請負業者は、アルバダのネット・ゼロ・エネルギー住宅開発であるジオス・ネイバーフッドに住んでいます。

彼の 2,700 平方フィートのタウンハウスには、ヒートポンプ、ヒートポンプ温水器、ヒートポンプ衣類乾燥機のほか、屋根にはソーラー パネル、ガレージには Tesla Powerwall バッテリー、電気自動車の充電器が備えられています。

ゲルバッチュ氏は、地下 300 フィートの深さに井戸を備えた地中熱利用ヒート ポンプを備えており、約 55 度の温水とメタノールの混合物を汲み上げ、空気を加熱し、圧縮して温度を上げます。

自宅の地下室にあるユーティリティクローゼットを開けると、ゲルバッチュ氏は「ガスヒーターのように見えます…循環水であることを除けば」と語った。

Geos の家は、三重ガラスの窓、厚い壁、十分な断熱材、南向きの大きな窓を備え、受動的太陽熱暖房用に設計されています。 そのため、ヒートポンプがなければ、冬でも午後には家の温度が70度に達することがあります。

誰もがジオスの家に住めるわけではありませんが、レアス夫妻は、ヒートポンプだけでなく、ヒートポンプ給湯器や EV の高速充電ステーションも追加して、できる限りそれに近づけようとしました。 家にはすでに電気ストーブがありました。

夫婦は太陽光パネルを追加したいと考えていましたが、平らな屋根のため、費用が法外に高くつきました。

RMIの電力業務部門のマネージャーであるレア氏は、これらすべては温室効果ガスの排出を削減したいという願望によって動機付けられたと述べた。 「正味ゼロ排出を実現するには、化石燃料の燃焼をやめなければなりません。」

Rea の計算によると、古いガス炉は年間約 1.9 トンの二酸化炭素を排出していましたが、エクセル エナジー社の電力の現在の排出原単位は年間 0.4 トンでした。

「将来のクリーンエネルギー状態に到達するための解決策は、すべての建物に電力を供給することです」とレア氏は語った。

繰り返しになりますが、それが解決策である場合は、Gerbatsch がそこにいます。 Span パネルを介して、Gerbatsch は全電化の家のすべてを監視および制御できます。

1月にシステムは、電力の6%が家電製品に、3%が照明に、51%が暖房に、40%が2台のEVの充電に、合計1,615キロワット時になると告げた。

これはエクセル・エナジーの平均的な住宅使用量の2倍以上だが、夏の間、彼の太陽電池アレイは自宅で必要以上の電力を生成し、それを送電網に送り、電力会社とのクレジットを積み上げているため、ゲルバッチュ氏は動揺しない。

「基本的に、光熱費の請求はありません」と彼は言った。

編集者注：この記事は、2021年までに北東部に25万台のヒートポンプが設置されたと訂正するために、2023年1月26日午後1時03分に更新されました。

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