温室効果ガスの少ない家庭用ヒートポンプの開発を促進

気候変動に関する問題が大きく取り上げられるにつれ、ヒートポンプは、気候変動に対処し、温暖化する世界で人々が安全に生活し、豊かに暮らしていくための有力な手段として注目されるようになりました。しかし、ヒートポンプの効率は非常に魅力的である一方、地球温暖化係数（GWP）の高い作動流体に依存していることは明らかな問題です。

気候変動と気候制御の悪循環

World Weather Attributionが発表した報告書によると、2023年7月中に起きた命の危険を感じさせるほどの熱波と大規模な山火事は、「もし人類が化石燃料を燃やして地球を温暖化させなければ、アメリカ・メキシコ地域と南ヨーロッパで発生することは事実上考えられなかった 。」と述べられている。テキサス州や亜熱帯南日本での記録的な大雪や寒さを含む2023年の極端な寒波も、人為的な気候変動（北極の温暖化を加速させ、その結果ジェット気流を乱した）に起因すると考えるのが最も妥当ではないだろうか。

化石燃料の消費の多くは、冷暖房に関連しています。世界全体では、全エネルギーの約25％が住宅や商業ビルの冷暖房に使われています。アメリカでは、二酸化炭素排出量の40％以上が冷暖房と給湯によるものです。この数字は、平均気温が上昇するにつれて増加します。すでに、2050年までにエアコンの設置台数は3倍になると予想されており、気候の温暖化は、建物内の空調管理の必要性を高め、ひいては地球の気候をさらに悪化させています。

冷媒に関する課題

ヒートポンプシステムは、従来のHVACシステムよりも効率を大幅に向上させ、エネルギー需要を大幅に削減します（その結果、二酸化炭素や温室効果ガスの排出量を削減）。しかし、冷媒はそれ自体が強力な温室効果ガスです。規制へのコンプライアンスを維持するため（そして、私たちが取り組んでいる気候危機を加速させないため）、メーカーは、性能の妥協やコストの上昇をすることなく、新しい作動流体に迅速に移行する必要があります。

最近まで、ほとんどのヒートポンプはR407C、R410A、R134Aといったフロロカーボン冷媒を使用していました。これらはすべて、周囲温度で強力な温室効果ガスで す。例えば2019年には、販売されているヒートポンプのおよそ80％がR-410A冷媒を使用しており、この冷媒の地球温暖化係数はCO2の2088倍です。

EUと米国の規制は、正当な理由からこれらの作動流体からの転換を義務付けており、来年中にその多くを段階的に廃止する予定です。低GWP冷媒を使用しながら、少なくとも現在の効率レベルを維持するヒートポンプを製造できるようになることが理想ですが、言うは易く行うは難しなのです。 

代替冷媒がもたらす課題

現在の高GWPヒートポンプ冷媒に代わる非合成および合成の優れた候補がいくつかあります。よく使われる候補のひとつはプロパン（ここではR-290と呼ばれます）です。プロパンは商業用冷媒として約1世紀にわたって使用されてきました。R-22やR-134aのような段階的に廃止された合成冷媒と似た特性を持っていますが、大気への影響はごくわずかです（例えば、R-134aのGWPが1430であるのに対し、プロパンのGWPはわずか0.072）。しかし非常に可燃性が高いため、家庭用HVACシステムには適していません。

一方、CO2そのものを家庭用ヒートポンプの冷媒として使用することが、再び注目を集めています。CO2（別名R-744）は1800年代半ばから工業用冷媒として使用されてきました。無毒で、不燃性で、GWPが低く、高温域でも低温域でも他の冷媒よりはるかに効率的に作動します。これにより、寒冷地でより優れた性能を発揮し、温水を生成できるヒートポンプシステムを設計することが可能になります（したがって、家庭から、温室効果ガスを排出し二酸化炭素排出量の多い他の機械装置に取って代わることができます）。

さらに、化学メーカーが次世代冷媒を商品化する際には、実際の運転条件下で、既存の高GHG冷媒の直接代替品としての性能を検証することが不可欠です。燃焼性が低く、GWPが低く、ODPが低い次世代冷媒は、代替品として有望であると考えられています。

モデロンのシニア・シミュレーション・エンジニアであるLixiang Li氏は、「もちろん、簡単に置き換えができるわけではありません。実際のシステムとシミュレーションの両方から、多くの実用的な側面があります。」と説明します。

例えば、CO2ヒートポンプは安全性と高度な性能が魅力ですが、設計上の課題もあります： 

ヒートポンプシステムの作動流体としてCO2を使用するには、高い圧力が必要です。そのため、分厚い部品が必要となり、HVACシステム全体の他の多くの部品に連鎖的な影響を及ぼします。

「シミュレーションの観点からも、実際のシステムの観点からも、完全互換品のように簡単ではありません。」と、Li氏は言います。

ヒートポンプと冷媒のイノベーションのための包括的シミュレーション

Li氏は、モデロンのグローバルエネルギー・HVACチームの業務を担当しています。経験豊富なエンジニアリングチームとともに、空調ライブラリやその他の熱システムシミュレーションモデリングライブラリの開発を支援し、ヒートポンプのカーボンフットプリントへの対応や、より環境に優しい冷媒への移行に取り組むお客様と協力してきました。

「冷媒を入れ替えて、システムが性能面でどのように反応するかを調べました。このような研究は、基本的な置換やキャリブレーションを検討するために、より単純なモデルを使って行うことができます。」と彼は振り返ります。

「しかし、本当のパワーは、より包括的なモデルを使うことで発揮されます。私たちは、次世代システムについて長い時間をかけて検討をしているお客様のお手伝いをすることがよくあります。包括的なモデルや詳細なモデルは、そういった意味で役に立ちます。実際のシステムを使用していて、A、B、Cのせいでうまくいかないと後で気づくようなことは絶対に避けたいと考えています。」

Modelon Impactのクラウドネイティブなシミュレーションモデリングとコラボレーションプラットフォームは、技術検討プロセスを合理化します。当社のコンポーネントライブラリは、多様な代替冷媒媒体モデルのサポートを含む、マルチドメインの物理モデリングとシミュレーションを可能にします。どちらも最適化されているため、新しいコンセプトの探求、ソリューションの検証や校正が可能になり、より優れたヒートポンプシステムを市場に投入することができます。お客様の次なるイノベーションをぜひ私たちにお手伝いさせてください。お気軽にお問合せフォームへご連絡ください。