エアコンの暖房について、「電気で使ったエネルギーより、大きな熱を室内へ渡す」と聞くと、エネルギーを作り出しているように思えるかもしれません。ヒートポンプは、電気だけを熱へ変える装置とは働きが違います。外から熱を集めて室内へ運ぶ分も、室内へ渡す熱に含まれるのです。
電気の入口だけで、装置全体を見ない
電熱線で発熱する仕組みと、ヒートポンプで熱を運ぶ仕組みを分けましょう。後者では、電気を使って装置を動かし、外気などから取り出した熱を別の場所へ移します。暖房で室内へ渡すエネルギーを考えるなら、電気の入口だけでなく、外から受け取る熱の入口も描く必要があります。
冷たい空気なら熱を全く持っていない、というわけではありません。周囲より低温の冷媒へ熱を受け取り、その後、圧縮などで状態を変え、より高温になった冷媒から室内側へ熱を渡す仕組みを利用します。冷媒は装置の中を循環しており、室外の空気そのものを必ず室内へ運び込むという意味ではありません。
この説明は、熱が自然に低温側から高温側へ流れるという話ではありません。装置を動かすための仕事が必要です。ヒートポンプが動いているときの収支と、何もせず二つの物体を触れさせたときの熱の向きを、同じ条件で比べないようにします。
装置を一つの枠で囲んでみる
計算では、装置へ入る電気のエネルギーと、外から取り込む熱を足し、室内へ渡す熱と比べます。装置内にため込む分や、目的外の場所へ逃げる分を無視する模型なら、入る合計と出る合計が等しくなります。
大切なのは、三つの量を全て同じ時間で集計することです。1分間の電気と1時間の熱をそのまま足したり比べたりはできません。Wのような単位時間当たりの量と、Jのようなエネルギーの総量も区別します。本文の例題では、時間をそろえたエネルギーの量だけを使います。
例題1｜100入れたのに400出た？
架空のヒートポンプが、ある時間内に電気として100のエネルギーを受け取り、外気から熱として300を受け取りました。装置内への蓄積やほかへの損失は無視します。室内へ渡せる熱はいくらですか。数字は全て同じ単位で表されています。
答え・解説： 100＋300＝400です。電気の100だけで400を作ったのではありません。外気から受け取った300も入口に含めると、全体の収支は一致します。電気に対する室内への熱の比は400÷100＝4ですが、全入口の合計に対しては400÷400＝1です。
分母をどこまで数えたかによって、比の意味が変わります。この二つを同じ「効率」という言葉で説明すると混乱します。どの入力に対して、どの出力を比べたかを式の横へ書いてください。4という値は例題で与えた仮定から求めたもので、実在の機種の性能を表していません。
例題2｜同じ暖房量なら、電気はいくら違う？
別の計算模型で、同じ時間に室内へ600の熱を渡したいとします。条件Aでは、使う電気の量の3倍の熱を室内へ渡せます。条件Bでは2倍です。必要な電気のエネルギーと、外から受け取る熱を、それぞれ求めましょう。ほかへの損失と蓄積は無視します。
答え・解説： Aの電気は600÷3＝200、外からの熱は600−200＝400です。Bの電気は600÷2＝300、外からの熱は600−300＝300です。同じ600の暖房量でも、BはAより100多くの電気を必要とします。
「3倍から2倍へ下がったから電気も減る」と逆に読まないことが大切です。そろえたのは室内へ渡す600です。電気1当たりに渡せる熱が小さいなら、必要な電気は増えます。比の問題では、何を一定に置いて比べるのかを先に決めましょう。
外が寒くなっても、同じ比とは限らない
実際の働きは、外気温、室内側の条件、機器の運転状態などによって変わります。冷媒が熱を受け取る側と渡す側の条件が変わるため、例題のような一定の倍率を、どんな日にも当てはめることはできません。特定の条件の性能と、長い期間をまとめた性能の指標も、同じ意味ではありません。
また、室内の温度が上がらなかったことだけで、装置が全く熱を出していないとはいえません。部屋から外へ逃げる熱があれば、受け取る熱とつり合って温度がほぼ一定になる場合もあります。装置の収支と、部屋全体の収支では囲む範囲が違います。
熱を逃がしにくくする働きは魔法瓶の保温・保冷へ、同じ熱を受け取る量の違いは水の量と温度上昇へつながります。「熱を作る」「熱を運ぶ」「熱を逃がしにくくする」のどれを扱っているか、道具の名前を式へ入れる前に確認しましょう。