エコキュートの仕組みとは?空気の熱でお湯が湧く理由を徹底解説!

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エコキュート。

いま流行りの、省エネ性能のかなり高い家庭用の給湯器ですね。

こんにちは、エコキュートのCMを見て、空気の熱でお湯を沸かすことなんてできるわけないじゃん!と思っていた当ブログ管理人の星野なゆたです。

エコキュートは、最近特に多くなってきたオール電化の住宅で良く採用されている比較的新しいタイプの家庭用給湯器です。

その特徴は何と言っても省エネ性能の高さ。エコキュートのエネルギー源は電気ですが、なんと普通の電気給湯器と比べると約3分の1の電力でお湯を沸かすことができるのです!

そんなエコキュートの仕組みで良く言われていることが、「空気の熱でお湯を沸かす」ということです。しかし、お湯の温度よりも断然低い空気の熱でお湯を沸かすなんてにわかには信じられません。

そこで今回は、エコキュートの仕組みについて徹底的に調べてみました。すると確かに、エコキュートは空気の熱を使ってお湯を沸かしていたのです!

このページでは、私が徹底的に調べて分かった、エコキュートの仕組みについてお話していきます。

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エコキュートの仕組みの概要

それでは、早速ではありますがエコキュートの仕組みをざっくりと説明したいと思います。

エコキュートの仕組みを一言で説明すると、下記の通りです。

エコキュートの仕組み

ヒートポンプという技術を使って、空気から熱を吸収してその熱で水を温めてお湯を沸かしている。

そう、エコキュートはまさにCMの文言通り、「空気の熱を使ってお湯を沸かしていた」のですね!

しかし、ここである疑問が生まれます。

外の空気とエコキュートで沸かしたお湯の温度を比べたら、断然お湯の温度の方が高いです。

中学の理科で熱は温度が高い方から低い方へ伝わると習ったはずなので、お湯よりも温度の低い空気の熱を使ってお湯を沸かすということは、とても不思議に思います。

でも実際にはお湯が沸いているので何かしらの技術が詰まっているのではと思って調べてみたら、「ヒートポンプ」という技術がそれを可能にしていました!

ここからはそんなヒートポンプとはどんな技術なのかと、超詳細なエコキュートの仕組みについてお話していきます。

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ヒートポンプとは?

ヒートポンプ、普段の生活ではなかなか聞きなれない言葉ですよね。この単語がお出ましすることはまずありません。

そこでまずは、エコキュートの仕組みの詳細を説明する前にヒートポンプがどのような技術なかのというイメージについてお伝えしようと思います。

ヒートポンプの「ヒート」という単語は「熱」という意味なので、ヒートポンプは熱のポンプという意味になります。ポンプと言えば、水などの液体を運ぶ機械でおなじみですよね。

そして普通のポンプもヒートポンプも役割としては非常に似ているため、それぞれ比べながらヒートポンプについて説明します。

まずは、普通の水の場合。

A池とB池という池があり、B池はA池よりも高いところにあったとします。

池の例1

この場合、A池の水をB池に移したいと思ったら、重力で水は高いところから低いところに流れるので、何もしないで自然に移すことはできないですよね。

しかしながら、下図のようにポンプを使ってみたらどうでしょうか?

池の例2

ポンプを使ってA池の水をB池よりも高いところに汲み上げてやれば、晴れてA池の水をB池の水に移すことができますよね。

実は、ヒートポンプ技術もこれと全く同じよう形で熱の移動を行っています。

イメージとしては、このような感じです。

エコキュートの仕組み1

水の場合のポンプと同様にヒートポンプを使って熱を汲み上げて、本来移動するはずのない低い温度の外の空気の熱でお湯を沸かしているのですね。

ポンプで水を汲み上げるときに水の位置を高くしていますが、ヒートポンプで熱を汲み上げるときにはその温度を高くします。

そうすると汲み上げた熱の温度がお湯を沸かすために十分な温度になって、めでたく空気の熱でお湯を沸かすことができるのですね。

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超詳細なエコキュートの仕組み

前章ではヒートポンプ技術とはどのような技術なのかそのイメージについて説明しました。

そこでヒートポンプとはどういった技術なのかは分かったのですが、水のポンプと違って熱を汲み上げるって実際どうやってるのか、なかなかイメージしづらいですよね。

ここからは、ヒートポンプ技術をどのように使ってエコキュートがお湯を沸かしているの、超詳細に説明していきたいと思います!

まずは、分かりやすいようにヒートポンプ技術使ってエコキュートがお湯を沸かす仕組みを図にしてみました。

エコキュートの仕組み3

エコキュートでは大きく分けて「ヒートポンプユニット」と「貯湯ユニット」の2つのユニットあります。

ヒートポンプユニットはエアコンの室外機のような形をしており、ヒートポンプ技術を使ってお湯を沸かすためのユニットです。

貯湯ユニットは、ヒートポンプユニットで沸かしたお湯をためるためのユニットです。エコキュートでは石油やガス給湯器と違って瞬時にお湯を沸かすことができないので、作ったお湯を貯めておく必要があるのです。

それではここから、ヒートポンプユニットと貯湯ユニットの役割について、さらに深堀してみていきます!

ヒートポンプユニットの仕組み

まずは、ヒートポンプユニットの仕組みからです。その名の通り、ヒートポンプ技術を使ってここでお湯を沸かしています。

空気の熱を使ってお湯を沸かすためのヒートポンプ技術に必要な部品は、圧縮機・膨張弁・水熱交換器・空気熱交換器の4つです。

そしてこの4つの部品が一つの回路になっていて、その回路の中を熱を運ぶ役割をしている冷媒ガスが流れて熱を運んでいます。

図にすると、このような感じです。

エコキュートの仕組み2

この4つの部品の中の水熱交換器に水を送り込んで、その水を沸かしてお湯にしているのですね。

それではここから、ヒートポンプに必要な各部品と冷媒の役割について、さらに詳しく説明していきます。

圧縮機

圧縮機はコンプレッサとも呼ばれており、冷媒ガスを流すためのポンプの役割と、冷媒ガスの温度を上げるための2種類の役割があります。

圧縮機では冷媒ガスを流すために、戻ってきた冷媒ガスを圧縮して圧力を上げてから次の水熱交換器に冷媒を送り込んでいます。

このとき冷媒ガスの圧縮は、物理学で「断熱圧縮」と呼ばれている方法で圧縮を行っているのですが、この断熱圧縮を行うと、冷媒ガスの圧力が上がると同時に温度も上がるという現象が起こります。

それを利用して、冷媒ガスを圧縮して圧力を高めると同時に、冷媒ガスの温度を上げているのですね。

また、圧縮機で断熱圧縮を行う際に使った電力は、機械的なロスを除けば全て熱エネルギーに変わって冷媒ガスに移動します。そしてこの熱もお湯を沸かすのに利用できるので、お湯を沸かすのに使われています。

割合としては、電力から得る熱が「1」に対して、空気から得る熱は「2」くらいになります。そのため、「1+2=3」となり、エコキュートでは実際に使った電力の3倍の熱を得ることができるのです。

だから、普通の電気温水器のたった3分の1電気代で同じ量のお湯を沸かすことができているのですね。

水熱交換器

水熱交換器は、お湯を沸かすための熱交換器です。

圧縮機によって高温になった冷媒ガスを水熱交換器に送り込んで、その冷媒ガスと水を熱交換させてお湯を沸かしています。

膨張弁

膨張弁は、冷媒ガスの温度を下げるための部品です。

圧縮機で高温になったガスを、膨張弁を通すことによって冷媒ガスを低温にします。

膨張弁は、圧縮機によって行わた断熱圧縮の逆である「断熱膨張」と呼ばれている方法で冷媒の温度を下げています。断熱圧縮とは逆で、断熱膨張を行うと冷媒ガスの圧力が下がるのと同時に温度も下がります。

圧縮機によって高圧になった冷媒ガスを、膨張弁の中のとても狭い流路を通すことによって圧力を急激に下げます。そうすると、高圧でぎゅうぎゅうに抑え込まれていた冷媒ガスの圧力が下がって一気に膨張するのですが、その際に温度が下がるのですね。

空気熱交換器

空気熱交換器は、外の空気から熱を吸収するための熱交換器です。

膨張弁によって、冷媒ガスの温度は外の空気の温度よりも冷たくなっています。

すると、熱は高い方から低い方へ移動しますので、外の空気から熱が次々と冷媒ガスの方へ流れていきます。

このようにして、お湯よりも断然温度が低い外の空気から熱を吸収していたのですね。

冷媒ガス

冷媒ガスはヒートポンプ回路の中に封入されていて、熱を運ぶ役割をしているガスです。

これまでに説明した圧縮機、放熱用熱交換器、膨張弁、冷却用熱交換器の中をくるくると回っていて、せっせと熱を運んでいます。

冷媒ガスとして使われるガスは、エコキュートでは二酸化炭素が採用されています。今のご時世、二酸化炭素は地球温暖化の主犯という立場に位置しており世間からの風当たりが何かと厳しい物質ですが、実はエコキュートでは大活躍していたのですね。

ちなみに二酸化炭素が冷媒として使われているのは、90℃程度の高温のお湯を沸かすために適しているといった理由からです。

エアコンで良く使われている冷媒ガスはフロンですが、フロンではせいぜい60℃くらいまでしかお湯を沸かすことができないので、給湯には不向きなのですね。

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貯湯ユニットの仕組み

次は、貯湯ユニットの仕組みについてお話します。

エコキュートは石油やガス給湯器などのように一瞬でお湯を沸かすことはできませんので、温めたお湯を一度タンクに貯める必要があります。

タンクにお湯をたっぷりと貯めておいて、お湯が使われるときに備えるのですね。

それでは、貯湯ユニットの仕組みを、水の流れと共に見ていくとしましょう。

給水

まずは、給水からです。

エコキュートでは、水道水から給水された水をタンクの下側に送り込みます。

タンクの下側に貯めるのは、冷たい水は密度が高く重たいので下に集まるからです。

エコキュートでは冷たい水と暖かい水も同じ一つのタンクに入ります。

それなのに湧いたお湯が冷たくならないのは、密度が小さくて軽い暖かいお湯を上に、密度が大きくて冷たい水を下に貯めて、その2つが混ざらないようにしているからです。

こうすることによって、お湯と水が混ざらずに、一つのタンクに貯めることができるのです。

水熱交換器

水道水から給水されてタンクの下側に溜まった水を、ヒートポンプユニットの水熱交換器に送り込んでお湯を沸かします。

エコキュートでは一気に大量のお湯を沸かすことはできないので、毎分1~2リットル程度、ちょっとずつお湯を沸かしていきます。

沸かしたときのお湯の温度は、最大で90℃くらいになります。

貯湯タンク

水熱交で沸かしたお湯を、今度は貯湯タンクの上側に送り込んで貯めます。

上側に貯めるのは、前述した通りせっかく沸かしたお湯と冷たい水が混ざらないようにするためですね。

タンクにたっぷりとお湯を貯めて、お湯が使われる時に備えます。

出湯

おうちの中で蛇口が開かれたら、晴れて出湯となります。

この時のために貯めたおいたお湯が、シャワーや台所からお湯として出てきます。

また、このときに90℃のお湯がそのまま出たら火傷してしまいますので、出る前に混合弁という部品で水と混ぜて、リモコンの設定温度通りの温度にしてから出湯されます。

まとめ

以上で、エコキュートの仕組みについての説明を終わります。まとめると、下記の通りです。

  • エコキュートは、ヒートポンプという技術を使ってお湯を沸かしている
  • ヒートポンプで熱を汲み上げることによって、温度の低い外の空気の熱を使ってお湯を沸かすことができる
  • エコキュートは、「ヒートポンプユニット」と「貯湯ユニット」の2つのユニットがある
  • ヒートポンプユニットは、お湯を沸かすためのユニット
  • 貯湯ユニットは、ヒートポンプユニットで沸かしたお湯をためるためのユニット

エコキュートの仕組みを調べてみたら、とても不思議だった空気の熱でお湯を沸かすとはどういう意味だったのかが分かって面白かったです!

これでもう、エコキュートがなぜ空気のお湯でお湯を沸かせるのかで悩むことはなくなりました(^^)

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