ヒートポンプ導入の障壁を打開

ヒートポンプシステムを広く世界的に普及させることが重要になってきています。例えば、二酸化炭素排出量を削減し、2050年までにカーボン・ニュートラルを達成するためには（国際エネルギー機関の「2050年までのネット・ゼロ・エミッション・シナリオ」で示されている）、2030年までに世界の冷暖房の少なくとも20％をヒートポンプで賄う必要があります。現状は、ヒートポンプは世界の冷暖房需要のわずか10％しか満たしていません。軌道に乗るためには、今後6年間で世界中に6億台のヒートポンプの設置が必要になります。

国際エネルギー機関（IEA）によれば、「現在の居室スペースおよび給湯需要の大部分は、凝縮型ガスボイラーの代わりにヒートポンプを使用することで、より少ないCO2排出量で満たすことができる」そうです。現在のヒートポンプ導入の最大の障壁は技術ではなく、需要です。人々は、自分が十分に理解していない技術を信用することを当然ためらいます。その技術が高額な投資を必要とする場合はなおさらのことです。

ヒートポンプの普及を遅らせるヒートポンプのコスト

米国では、ヒートポンプシステムと関連する設置費用は2,500～10,000ドルです。これには、古いエアコンや暖房システムから新しいヒートポンプに移行するために、既存の断熱材やダクトに加えなければならない改造やアップグレードは含まれていません。

一方、平均的なアメリカ人家庭には、1,000ドルの医療緊急事態をカバーするのに必要な貯蓄はありません。ましてや、既存の暖炉やエアコンが 「問題なく作動する 」にもかかわらず、よくわからない、必要性を感じない冷暖房ソリューションに費やす数千ドルがあるはずはないでしょう。

しかし、ヒートポンプを導入しやすくするためには、茨の道のような技術的な課題が待っています。というのも、より厳しい規制の期待に応えるため、エンジニアはより環境に優しい新しい冷媒を使用するヒートポンプの更新に多くのエネルギーを注がなければならないからです。

Adhemar Araoz氏は、モデロン社のHVACおよび冷凍業界のエキスパートであり、ヒートポンプの研究開発に携わるサーマルエンジニアをサポートしています。彼は、ヒートポンプの設計プロセスの一部が、うっかりコストを上昇させてしまい、より広い導入が見込まれるであろう技術的な進歩を妨げていることを数多く見てきました。

物理ベースのシミュレーション・モデリングによる設計・エンジニアリングコストの削減

Adhemar Araoz氏 Industry Expert, HVAC&R and Buildings 

シミュレーションツールを使用するシミュレーションやサーマルエンジニアの多くは、簡略化されたモデルや 「机上の計算 」に頼り続けています。これは非常に効率的なアプローチです。特に、すでに所定のソリューションがあり、その設計に少し手を加えようとしている場合（例えば古いコンポーネントを設計済みの最新のコンポーネントに置き換えるなど）には有効です。

しかし、このようなモデルは、より大きな課題に取り組むと、すべての関連システムの完全な物理と現象を捉えることができないため、物足りなくなります。

「新しい作動流体に変更した後、あるシステムで何が起こるかを予測したいだけなら、もちろんヒューリスティックなアプローチで物事を予測することができます。」と、Adhemar Araoz氏は説明します。「しかし、設計を探求したい場合、変形や新しいコンセプトを模索したい場合、あるいはエネルギー効率を追求するために革新的なことをしたい場合は、単純化したモデル以上のものが必要です。エネルギー効率は、扱っている機器の全体的な設計や、他の物理システムとの相互作用に大きく左右されます。」

「このような用途では、物理ベースのモデリングが最適なソリューションです。単純化されたモデルでは、それは不可能です。」とAdhemar Araoz氏は話します。

どのようなモデリング手法にも長所と短所があります。多くのエンジニアは、使い慣れた簡略化された定常状態モデルが最もしっくりきます。Modelon Impactでもそのアプローチを使い続けることができます。しかし、Impactでは物理ベースの動的モデリングにもアクセスできるため、より完全なモデルを作成し、より大きな課題に取り組むことができます。モデロンは、ヒートポンプに特化したツール、ライブラリ、およびチュートリアルの包括的なスイートを提供し、HVACエンジニアがワークフローを容易にするために物理ベースのモデリングを使用することを検討するのを支援します。

より包括的な物理学ベースのモデルを採用することで、Adhemar Araoz氏が協力しているサーマルエンジニアたちは、より短時間ですでに大きな進歩を遂げています。その結果、より効率的で低コストのヒートポンプをより早く市場に投入することで、消費者がヒートポンプ導入する際の障害をなくしてくれるかもしれません。