化学プラント大全 
熱Ⅳの空気調和と冷凍の論点を、表と例題で並べました。扱うのは、空気線図上の操作、空調方式、負荷と熱搬送、冷凍能力と成績係数、吸収冷凍機、ヒートポンプです。
空気線図上の空調操作 ── 加熱・冷却除湿・加湿・混合の線図上の動き
| 操作 | 線図上の動き | 量の求め方 |
|---|---|---|
| 混合（還気＋外気） | 2点を結ぶ線分の上で、風量の多い側に寄る | h も x も乾燥空気量で重み付けした平均 |
| 加熱・冷却（露点より上） | 絶対湿度一定のまま横へ | Q＝(h₁−h₂)G＝(h₁−h₂)V/0.83 |
| 冷却除湿（コイル） | 入口1からコイル表面温度の飽和点Pへ向かう線の上の点2へ。コイルで冷えずに通り抜ける空気の割合がバイパスファクタ BF＝2P/1P | 熱量は (h₁−h₂)G、除湿量は (x₁−x₂)G |
| 水噴霧の加湿 | 左上へ。実用上は湿球温度一定の線 | 傾きは熱水分比 u＝Δh/Δx（20℃の水で 83.86 kJ/kg） |
| 蒸気の加湿 | ほぼ真上。実用上は乾球温度一定の線 | 大気圧の飽和蒸気で u＝2676 kJ/kg |
| 室内への給気 | 室内点を通る SHF の傾きの線の上 | SHF＝顕熱負荷/(顕熱負荷＋潜熱負荷) |
なぜ：線図の縦軸は乾燥空気 1 kg あたりの水分（絶対湿度 x）、斜めの線が比エンタルピー h です。乾燥空気は加湿・除湿しても量が変わらないので、入口と出口に同じ流量 G を使えます。熱量は h の差×G、水分の量は x の差×Gで、水分が出入りしない操作は横に、水分が増える操作は上へ動きます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 露点より上で冷却するときの除去熱量は、乾燥空気の流量に絶対湿度の差を掛けて出す | × | 比エンタルピーの差を掛ける。x の差を掛けると水分量 |
| 冷却コイルのバイパスファクタは、コイル表面温度まで冷えた空気の割合 | × | 冷えずに通り抜ける空気の割合。BF＝2P/1P |
| 低温の水を噴霧して加湿すると、乾球温度は下がり、ほぼ湿球温度一定の線に沿って動く | ○ | 蒸発の潜熱を空気から奪う |
| 加湿の向きを決める熱水分比は u＝Δx/Δh | × | u＝Δh/Δx。加える水や蒸気の比エンタルピーに等しい |
| 顕熱負荷はそのままで潜熱負荷だけが増えると、SHF は小さくなる | ○ | 分母だけが増える |
例題
還気 6000 kg/h と外気 2000 kg/h（どちらも乾燥空気の量）を混ぜます。比エンタルピーは還気 50、外気 82 kJ/kg(DA) です。冷却コイルで 34 kJ/kg(DA) まで冷却除湿するときの熱量を求めます。
①混合点：(6000×50＋2000×82)/8000＝58 kJ/kg(DA)。線図では還気から線分の 1/4 の位置。
②コイルの熱量：(58−34)×8000＝192000 kJ/h。
③kW に直す：192000/3600≒53.3 kW。
④確かめる：単純平均の 66 を使うと 256000 kJ/h になり、約 1.33 倍に見積もってしまう。混合は乾燥空気量の重み付き平均。
- 実務の計算では、比容積を標準空気（20℃の乾燥空気）の 0.83 m³/kg(DA) で一定とみなす。標準風量 V〔m³/h〕を 0.83 で割れば G になる。
- 露点温度は、状態点から絶対湿度一定の線を飽和曲線まで延ばした交点で読む。
- 暖房では、混合空気を加熱コイルで温め、加湿器で加湿（わずかに加温）してから室内で顕熱を取らせる。
- 快感空調の計画室内温湿度は、夏 26℃・50%、冬 22℃・40〜50% がよく使われる。物の生産・貯蔵では工程ごとに決める。
関連：湿り空気線図の読み方
空調方式と空調装置 ── 風量を変える方式と水で運ぶ方式
| 方式 | 熱を運ぶもの（分類） | 省エネの見方 |
|---|---|---|
| 単一ダクト・定風量 | 空気（全空気方式） | 各室の負荷に関係なく同じ空気を送る。末端再熱器付きは再熱損失 |
| 単一ダクト・変風量（VAV） | 空気（全空気方式） | 室温に応じて吹出し風量を絞る。再熱器なしは省エネ性が高い（◎）が、風量を絞ると気流分布が悪くなる |
| 二重ダクト | 空気（全空気方式） | 冷風と温風を混合箱で混ぜる。応答は速いが混合損失 |
| ファンコイルユニット（FCU） | ダクト併用は空気と水（空気・水方式）、単独は水（水方式） | 室内の FCU に冷温水を送る。外気と湿度は中央の空調機が受け持つ |
| ビルマルチ（マルチユニットヒートポンプ） | 冷媒（冷媒方式） | 室外機と複数の室内機を冷媒配管で結ぶ個別方式 |
| パッケージユニット | 冷媒（冷媒方式。個別方式） | 冷凍機・送風機・フィルタ・制御を一体にして室内に置く。冷却水配管の引込みが要る |
なぜ：部屋ごとに日射・人・機器の負荷が違い、時刻でも変わります。1台の空調機から同じ空気を送るだけでは合いません。そこで、風量を部屋ごとに絞る、冷風と温風を混ぜる、部屋の機器へ水や冷媒で熱を届ける方式があります。後から温め直す・混ぜる方式ほど、打ち消し合う分のエネルギーを捨てます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| ビルマルチ方式は、冷温水で熱を運ぶ水方式 | × | 冷媒を配管で室内機へ送る冷媒方式 |
| VAV 方式の部分負荷では、顕熱負荷が減っても在室者の潜熱はあまり減らず、室内の湿度が上がりやすい | ○ | SHF が小さくなる |
| 二重ダクト方式は応答の速い個別制御ができ、混合による損失も出ない | × | 冷風と温風を混ぜるので混合損失。特殊な用途以外には使われない |
| 一般の FCU は室内空気を循環させて温度を整えるだけなので、単一ダクト方式と組み合わせることが多い | ○ | 外気・湿度は中央の空調機 |
| 冷熱源機が空調する部屋の中にあるものを、中央方式という | × | 個別方式。部屋の外にあれば中央方式 |
- 単一ダクト方式の空調機は、外気と還気を空気ろ過器・冷却コイル・加熱コイル・加湿器に通して送風機で送る。冷凍機とボイラ（またはヒートポンプ・吸収冷温水機）が冷温水をつくり、ポンプ・配管と送風機・ダクトが運ぶ。
- 単一ダクト方式は設備費が安く保守も楽だが、部屋ごとの温湿度の調節は難しい。
- FCU も冷却コイルが露点より冷たければ結果として除湿するが、湿度を狙って調整はできない。表2.2 では FCU（ダクト併用）でも 3管式は省エネ性 ×、VWV 方式なら ◎。
- 閉回路式水熱源ヒートポンプユニット方式は、冷房が要る内部ゾーンの熱を外周の暖房に回すので熱効率が高い。
空調負荷とその低減 ── 外気と日射の負荷を減らすのが効く
| 区分 | 手法 | 効く理由 |
|---|---|---|
| 建築的手法 | 断熱、窓面積の削減、日射遮へい（遮熱ガラス・ひさし・ブラインド）、屋上散水、照明発熱の減少（昼光採光） | 建物に入る熱と中で出る熱そのものを減らす |
| 設備的手法 | 最小外気量 | 夏の h の大きい外気を必要な量だけにし、混合点を室内側へ寄せる |
| 設備的手法 | 外気冷房 | 外気の h が室内より低いとき、外気そのもので冷やす |
| 設備的手法 | 排熱回収（全熱交換器） | 排気と外気の間で顕熱と潜熱を移し、外気を室内の状態に近づける |
| 設備的手法 | 室内条件の設定変更 | 処理すべき温度差・湿度差を小さくする |
| 空調システム | 再熱損失・混合損失の除去、適切なゾーニング、大空間は床上 2〜4 m だけ、工場は局所空調 | 冷やして温め直す・混ぜる無駄をなくし、空調する空間を絞る |
なぜ：冷却コイルが除く熱は、混合空気とコイル出口の h の差に風量を掛けたものです。夏の外気は室内より h が大きいので、外気の割合が増えるほど混合点の h が上がります。外気を絞るのも、全熱交換器で外気の h を下げるのも、混合点を室内側に寄せてコイルの負荷を減らす手段です。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 夏に外気の h が室内より高いとき、取入れ外気を必要最小限にすると、冷却コイルの負荷が減る | ○ | 混合点の h が下がる |
| 外気冷房は、外気の h が室内より高い季節に外気を増やして冷房負荷を減らす方法 | × | 外気の h が低いとき（冬季など）。取入れ口・ダクトを大きくとる |
| 全熱交換器の効率が高いほど、空調機に入る外気は室内空気の状態に近づく | ○ | ②②′/②① が全熱交換器効率 |
| 負荷の似た部屋をまとめてゾーニングすると、再熱器や二重ダクトが必要になる | × | 不要になり、再熱損失・混合損失を避けられる |
| 外気量の最小化や全熱交換器による排熱回収は、日射遮へいと同じ建築的手法 | × | 設備的手法。建築的手法は断熱・窓・日射遮へい・照明 |
例題
空気線図の論点の例題（コイル 192000 kJ/h）の条件のまま、外気を減らす場合と全熱交換器を入れる場合を比べます。
①外気 1000・還気 7000 kg/h にする。混合点は (7000×50＋1000×82)/8000＝54 kJ/kg(DA)。
②外気 2000 kg/h のまま、効率 50% の全熱交換器を入れる（排気と外気は同じ量）。外気の h は 82−0.5×(82−50)＝66、混合点は (6000×50＋2000×66)/8000＝54。
③どちらもコイルの熱量は (54−34)×8000＝160000 kJ/h。
④確かめる：192000 から 32000 kJ/h、約 17% 減る。どちらの手段も、混合点の h を下げてコイル負荷を減らす。
- 暖房では外気の h が室内より低いので、外気を減らすと加熱コイルの負荷が減る。
- 再熱方式は再加熱の分、二重ダクト方式は冷房時に混ぜる温風（暖房時は冷風）の熱量の分だけ、コイル負荷が増える。
- 電算機による最適制御（取入れ外気量の最適制御、最適起動停止、混合損失の最小化など）も省エネ効果が大きい。
関連：ヒートパイプと全熱交換器
熱源と熱搬送の運転管理 ── 往き還りの温度差を大きくして搬送動力を減らす
| 対象 | 手法 | 効く理由 |
|---|---|---|
| 搬送媒体 | 空気より水、水より冷媒で運ぶ | 同じ熱を送る所要動力は、空気＞水＞冷媒の順に小さくてすむ |
| 水量・風量 | 往き還りの温度差を大きくする | 同じ熱量なら流量は温度差に反比例 |
| 配管 | 密閉回路にする | 圧力損失が減る |
| 送風 | VAV 方式 | 各室の吹出し量を負荷に合わせて絞り、送風動力を減らす |
| 送水 | VWV 方式 | 空調機・FCU へ送る冷温水量を負荷に合わせ、ポンプ動力を減らす |
| 熱源（ボイラ・冷凍機） | 年間の負荷に見合った台数分割 | どちらも負荷率 70〜80% 付近に最高効率。1台を低負荷で回さない |
| 配管・ダクト | 断熱、部分負荷特性のよい容量制御方式 | 途中の熱の出入りと部分負荷の無駄を減らす |
なぜ：運ぶ熱は 流量×比熱×往き還りの温度差 です。熱量が同じなら、温度差を2倍にすれば流量は半分で済みます。流量が減ると配管やダクトの摩擦損失も小さくなるので、動力は流量の減り方より大きく減ります。空気は密度が小さく大きな風量が要るので、同じ熱を運ぶ所要動力は空気がもっとも大きく、水、冷媒の順に小さくなります。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 同じ熱を運ぶ所要動力は、空気がもっとも大きく、水、冷媒の順に小さい | ○ | 熱は水や冷媒で運び、端末で空気と熱交換 |
| 冷温水の往き還りの温度差を 6℃ から 12℃ に広げると、同じ熱を運ぶ水量は半分になる | ○ | 流量は温度差に反比例 |
| VWV 方式は、吹出し風量を負荷に合わせて絞り、送風動力を減らす | × | それは VAV。VWV は冷温水量を変えてポンプ動力を減らす |
| 冷温水配管を密閉回路にすると、圧力損失が減って搬送動力が下がる | ○ | 表2.3 の備考にもある |
| ボイラや冷凍機の効率が最高になるのは、負荷率 100% 付近 | × | 負荷率 70〜80% 付近 |
例題
冷房負荷 420 kW を冷水で運びます（水の比熱 4.2 kJ/(kg·K)、密度 1000 kg/m³ とする）。往き還りの温度差 5℃ と 8℃ で水量を比べます。
①式：m＝Q/(c·ΔT)。
②ΔT＝5℃：420/(4.2×5)＝20 kg/s（約 72 m³/h）。
③ΔT＝8℃：420/(4.2×8)＝12.5 kg/s（約 45 m³/h）。
④確かめる：水量は 5/8＝0.625 倍。温度差を広げた割合だけ水量が減る。動力の減り方は配管とポンプの条件で変わる。
- 高負荷で効率が落ちる理由は機器で違う。ボイラは排ガス温度が上がり、冷凍機は凝縮温度と蒸発温度の差が広がって圧縮の仕事が増える。低負荷では放熱などの固定的な損失の割合が大きくなる。
- 熱源側の手法は、ボイラなら温水（蒸気）の温度（圧力）を下げることとドレン回収。冷凍機なら冷水温度を上げ冷却水温度を下げる（成績係数の論点）。
- 冷凍機を2台に分けて直列に通水する大温度差の使い方も、循環水量とポンプ動力を減らす。
冷凍機の種類と冷凍能力 ── 冷凍能力は冷凍効果×冷媒循環量
| 分け方・量 | 中身 | 押さえどころ |
|---|---|---|
| 機械入力 | 往復動・回転・スクリュー・遠心などの蒸気圧縮式 | 圧縮機を回して冷媒蒸気の圧力を上げる |
| 熱入力 | 吸収式・吸着式 | 蒸気・温水・燃焼熱で動く |
| 直接電力入力 | 電子冷凍 | 小容量で、電子機器の放熱など特殊な用途 |
| 冷凍効果 q₀ | 冷媒 1 kg が蒸発器で吸える熱。q₀＝h₁−h₅〔kJ/kg〕 | 膨張弁で一部が蒸発する分、全部の蒸発熱より小さい |
| 冷媒循環量 G₀ | G₀＝Q₀/q₀〔kg/s〕 | 冷凍能力 Q₀〔kW〕を q₀ で割る |
| 圧縮機吸込み容積 V₀ | V₀＝G₀·v₁〔m³/s〕 | v₁ は圧縮機吸込み点（蒸気）の比容積 |
| 冷凍トン | 日本：1日に 0℃の水 1 t を氷にする能力＝3.86 kW。米国冷凍トン USRt＝3.52 kW | どちらのトンかで kW への換算が変わる |
なぜ：冷凍機が冷やせる熱は、冷媒が蒸発器で吸う熱の合計です。1 kg あたりの吸熱（冷凍効果）に、1秒あたりに回す量を掛ければ能力になります。膨張弁で圧力が下がるとき、冷媒は自分の熱で一部が蒸発します。蒸発器で冷凍に使えるのは残りの液が蒸発する分だけです。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 冷凍機を入力の種類で分けると、遠心冷凍機も吸収冷凍機も機械入力 | × | 吸収式（吸着式も）は熱入力 |
| 膨張弁の前後で冷媒の比エンタルピーは変わらず、膨張後にすでに蒸気になった分は冷凍に働かない | ○ | 線図では垂直線（4→5） |
| 冷凍能力が同じなら、冷凍効果の大きいサイクルほど冷媒循環量は少ない | ○ | G₀＝Q₀/q₀ |
| 圧縮機の吸込み容積は、冷媒循環量に凝縮器出口の液の比容積を掛けて出す | × | 吸込み点の蒸気の比容積 v₁ を掛ける |
| R-22 などの HCFC は塩素を含まないので、オゾン層を破壊しない | × | 塩素は含む（少ないだけ）。フロンのうち塩素を含まないのは HFC |
例題
冷凍能力 70 kW の冷凍機です。比エンタルピーは蒸発器出口 h₁＝395、蒸発器入口 h₅＝255 kJ/kg とします。圧縮機吸込み点の比容積は v₁＝0.06 m³/kg です。
①冷凍効果：q₀＝395−255＝140 kJ/kg。
②冷媒循環量：G₀＝70/140＝0.5 kg/s。
③吸込み容積：V₀＝0.5×0.06＝0.03 m³/s（108 m³/h）。
④冷凍トン：70/3.86≒18.1（日本の冷凍トン）、70/3.52≒19.9 USRt。
⑤確かめる：kW÷(kJ/kg)＝kg/s。v₁ に液の比容積を使うと、吸込み容積を桁違いに小さく見積もる。
- CFC（R-11・R-12 など）は塩素でオゾン層を壊すので、特定フロンとして 1996年1月1日から製造が禁止された。つなぎの HCFC（R-22・R-123 など）は破壊力が弱いが、2020年に生産を全廃することになった。
- HFC（R-12 の代替の HFC-134a など）は塩素を含まないが、温暖化効果が大きい。1997年の COP3 で削減の対象になった。水・NH₃ などの自然冷媒は、オゾン層を壊さず温暖化効果もない。
- 液体アンモニアは大気圧では −33.3℃で沸騰する。蒸気を圧縮して大気より高い飽和温度の圧力にすれば、大気で冷やして液に戻せる。これが蒸気圧縮冷凍の原理。
蒸発温度・凝縮温度と成績係数 ── 蒸発温度を上げ凝縮温度を下げると上がる
| 量・手法 | 式・中身 | 押さえどころ |
|---|---|---|
| 冷凍機の成績係数 | εr＝Q₀/P | 成果は蒸発器で吸う熱 |
| ヒートポンプの成績係数 | εh＝Qh/P＝εr＋1 | 成果は凝縮器で出す熱（Qh＝Q₀＋P） |
| 実動力 | P＝P₀/(ηc·ηm) | 理論動力を圧縮効率と機械効率の積で割る |
| 蒸発温度を上げる | 冷水温度を上げる | 吸込み圧力が上がり、圧縮の仕事が減る |
| 凝縮温度を下げる | 冷却水温度を下げる | 吐出し圧力が下がり、圧縮の仕事が減る |
| 大温度差で2台直列 | 1台目の凝縮温度が下がり、2台目の蒸発温度が上がる | 駆動動力が大きく減る |
| 冷水返り温度一定の容量制御 | 軽負荷ほど蒸発温度が上がる | 部分負荷効率が上がる。所定の室内状態が得られるかの確認が要る |
なぜ：冷媒は蒸発温度の飽和圧力で吸い込まれ、凝縮温度の飽和圧力で吐き出されます。圧縮機の仕事は、この2つの圧力の差、つまり熱を汲み上げる温度の幅が大きいほど増えます。蒸発温度を上げ凝縮温度を下げると押し上げる幅が縮み、同じ冷凍能力を少ない入力で出せます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 冷凍機の成績係数は、凝縮器で出す熱を圧縮機の入力で割った値 | × | 蒸発器で吸う熱 Q₀ を割る。Qh/P はヒートポンプ |
| 冷水温度を上げるか冷却水温度を下げると、圧縮の仕事が減って成績係数が上がる | ○ | 吸込みと吐出しの圧力差が縮む |
| 冷水返り温度一定の容量制御では、軽負荷になるほど蒸発温度が下がる | × | 上がる。そのため駆動動力が減る |
| 理論動力 9 kW、圧縮効率 0.75、機械効率 0.9 の圧縮機の実動力は約 13.3 kW | ○ | 9/(0.75×0.9) |
| 同じ冷凍サイクルを暖房に使うと、理論成績係数は冷凍機のときより 1 大きい | ○ | 凝縮器の熱＝冷凍効果＋圧縮仕事 |
例題
理論サイクルの比エンタルピー〔kJ/kg〕を、次のとおりとします。蒸発器出口 h₁＝395、圧縮機出口 h₂＝430、蒸発器入口 h₅＝255。
①冷凍効果：395−255＝140 kJ/kg。圧縮仕事：430−395＝35 kJ/kg。
②冷凍機の理論成績係数：140/35＝4.0。
③暖房に使うと放熱は 430−255＝175 kJ/kg で、175/35＝5.0（＝4.0＋1）。
④蒸発温度を上げて h₁＝398、h₂＝426 になったとする。冷凍効果 143、圧縮仕事 28 で、143/28≒5.1。
⑤確かめる：冷凍効果はほとんど変わらず、圧縮仕事が 2 割減ったのが効いている。蒸発温度を上げたときに成績係数が上がるのは、主に圧縮仕事が減るから。
- 実機の暖房の成績係数は (Q₀＋P₀/ηc)/P で、機械損失の熱が冷媒に入らない分、εr＋1 より少し小さい。
- 過冷却（凝縮液をさらに冷やす）で冷凍効果・加熱効果を増やせる。ヒートポンプでは、取り去った熱を加熱に使えなければ意味がない。
- 2段圧縮の中間にエコノマイザを置く、最適な冷媒を選ぶ、補助機器の動力を減らす、汚れ対策・気密の維持も表2.6 の手法。
吸収冷凍機とデューリング線図 ── 熱で冷媒を回すので排熱や蒸気で冷やせる
| 機器 | 単効用の水―臭化リチウム吸収冷凍機での働き | 圧力 |
|---|---|---|
| 蒸発器 | 冷媒の水が冷水から熱を奪って蒸発する | 低圧 PE |
| 吸収器 | 濃溶液が冷媒蒸気を吸収する（圧縮機の吸込みの代わり）。出る熱は冷却水へ | 低圧 PE |
| 溶液ポンプ・溶液熱交換器 | 薄くなった希溶液を再生器へ送り、戻りの高温の濃溶液と熱交換する | 低圧→高圧 |
| 再生器（発生器） | 蒸気・温水で希溶液を加熱し、冷媒蒸気を追い出して濃縮する（圧縮機の吐出しの代わり） | 高圧 PC |
| 凝縮器 | 冷媒蒸気を冷却水で凝縮させる | 高圧 PC |
| 絞り | 凝縮水の戻り量を制御して蒸発器へ返す | 高圧→低圧 |
なぜ：蒸発を続けるには、出てきた冷媒蒸気を取り除いて蒸発器の圧力を低く保つ必要があります。蒸気圧縮式は圧縮機で吸い出しますが、吸収式は臭化リチウム水溶液に吸わせます。吸った溶液は薄くなるので、加熱して冷媒を追い出し、濃さを戻します。圧縮機を回す電力の代わりに、溶液を加熱する熱が入力になるので、蒸気や排熱で冷やせます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 単効用の水―臭化リチウム吸収冷凍機では、蒸発器・吸収器の圧力は、再生器・凝縮器より高い | × | 蒸発器・吸収器が低圧。逆なのは第二種吸収ヒートポンプ |
| 希溶液 55%・濃溶液 61% のとき、冷媒 1 kg あたりに再生器へ送る希溶液は 55÷(61−55)≒9.2 kg | × | 分子は濃溶液の濃度。61÷6≒10.2 kg |
| 再生器が高温用と低温用の2つある二重効用は、単効用より成績係数が高い | ○ | 単効用 0.6〜0.7、二重効用 1.0〜1.2 |
| 単効用形なら、排温水や排蒸気を駆動熱源にして冷水をつくれる | ○ | 高い圧力の蒸気・燃焼熱を使うのは二重効用 |
| 再生器での濃縮は、デューリング線図上で圧力一定の線に沿って、溶液温度の高い側へ進む | ○ | 濃いほど同じ圧力での沸点が高い |
例題
冷凍能力 350 kW の単効用吸収冷凍機です。蒸発器を出る冷媒蒸気と凝縮水の比エンタルピー差は h₁−h₃＝2340 kJ/kg とします。溶液の濃度は希溶液 57%、濃溶液 63% です。
①冷媒循環量：D＝Q₀/(h₁−h₃)＝350/2340≒0.150 kg/s。
②溶液循環比：a＝ξ₂/(ξ₂−ξ₁)＝63/(63−57)＝10.5。
③再生器へ送る希溶液 aD＝10.5×0.150≒1.57 kg/s、出る濃溶液 (a−1)D≒1.42 kg/s。
④確かめる：臭化リチウムの量は 1.57×0.57≒0.895、1.42×0.63≒0.895 で等しい。濃度差が小さいほど a は大きく、溶液を多く回す。
- 実用の組み合わせは二つで、冷媒が水・吸収剤が臭化リチウム水溶液のものと、冷媒がアンモニア・吸収剤が水のものです。前者は冷水製造用、後者は零度以下の冷凍用。
- 駆動熱源で分けると、排温水・排蒸気が単効用（一重効用）、高い圧力の蒸気とガス・灯油などの燃焼熱が二重効用。
- 二重効用は、第1（高温）再生器で出た冷媒蒸気の熱で第2（低温）再生器の溶液を加熱する。加えた熱を2段階で使うので成績係数が上がるが、高い温度の熱が要る。
- デューリング線図は、溶液温度と平衡圧力に当たる冷媒（水）の飽和温度の関係を、濃度ごとの直線で表したもの。
ヒートポンプと一次エネルギーでの評価 ── 熱を汲み上げ、比較は一次エネルギーで
| 方式 | 加熱に使う熱 | 成績係数・温度 |
|---|---|---|
| 電気（蒸気圧縮式）ヒートポンプ | 凝縮器で出す熱（汲み上げた熱＋入力） | εh＝εr＋1。消費電力の約 3〜6 倍の熱を移せる |
| 第一種吸収ヒートポンプ | 吸収熱と凝縮熱の両方 | 約 1.7。原理は吸収冷凍機と同じ |
| 第二種吸収ヒートポンプ（ヒートトランスフォーマー） | 吸収熱だけ（凝縮熱は冷却水へ） | 0.4〜0.5。100℃程度の排熱から、加熱用の熱を外から加えずに 135℃を得る |
| 出力温度の上限の例 | 遠心（開放 RCV）130℃・（密閉 R123）80℃、スクリュー 120℃、往復動 75℃、単効用 95℃ | 吸熱源の温度・機種・構造で変わる |
| カタログの COP | 電気：熱出力÷消費電力。ガス：熱出力÷消費ガス熱量（kW 換算） | 電気は一次エネルギー換算を含まないので、そのまま比べない |
なぜ：電気ヒータは入れた電力を熱に変えるだけなので、出せる熱は入力と同じです。ヒートポンプは電力を熱を運ぶ動力にだけ使い、外気や排水の熱を汲み上げます。出る熱は「汲み上げた熱＋入力」なので、成績係数が 1 を超えます。ただし電気は燃料を燃やしてつくります。燃料を直接燃やす方式と比べるときは、電気をつくる損失まで含めた一次エネルギーにそろえます。
| 問われる形 | 正誤 | ポイント |
|---|---|---|
| 蒸発器で 100 の熱を汲み上げ、圧縮機に 25 の仕事を入れると、暖房の成績係数は 5 | ○ | 凝縮器から 125。冷房として見れば 4 |
| 第二種吸収ヒートポンプは、吸収熱と凝縮熱の両方を加熱に使うので成績係数が 1 を超える | × | それは第一種（約 1.7）。第二種は吸収熱だけで 0.4〜0.5 |
| 実際に使われているヒートポンプの出力温度の上限は、往復動式よりスクリュー式のほうが高い | ○ | スクリュー 120℃、往復動 75℃ |
| 電気ヒートポンプのカタログの COP には一次エネルギー換算が入っているので、ガスヒートポンプの COP とそのまま比べられる | × | 入っていない。単純には比べられない |
例題
暖房に 90 kWh の熱が要ります。電気ヒートポンプの COP は 4.5、ガスボイラの効率は 0.9 とします。電気 1 kWh には一次エネルギー 2.5 kWh が要る（発電・送電の効率 40% の仮の値）とします。
①ヒートポンプ：電力 90/4.5＝20 kWh、一次エネルギー 20×2.5＝50 kWh。
②ボイラ：燃料 90/0.9＝100 kWh。
③一次エネルギー基準の効率：ヒートポンプ 90/50＝1.8、ボイラ 0.9。
④確かめる：カタログ値の 4.5 と 0.9 では5倍の差に見えるが、一次エネルギーでは2倍。発電の効率しだいで差は縮む。
- 冷凍機とヒートポンプは原理的に同じもので、冷却が目的か加熱が目的かで名前が違うだけ。
- 加熱用では凝縮器の出力温度が問題になる。凝縮温度を高くするほど圧縮の仕事が増えて、成績係数は下がる。
- プロセスにヒートポンプを置くときは、ピンチ点より低温側から吸熱し、高温側へ与熱しないと意味がない。
出典：エネルギー管理士試験講座 熱分野Ⅳ（省エネルギーセンター）2編2章 2.3・2.4。同 熱分野・電気分野共通Ⅰ 2編2章 2.5.4、熱分野Ⅱ 1編 4.2
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