ヒートポンプとは？省エネになる原理・COPの計算と用途、冷媒を解説

ヒートポンプとは、電力などのエネルギーを使って、低温の場所から高温の場所へ熱を移動させる技術です。外気や水にある熱を利用するため、投入した電力より大きな暖房・給湯能力を得られます。

エアコンや冷蔵庫では、冷媒という流体が機器の中を循環して熱を運びます。温める側を見るか、冷やす側を見るかで目的は変わりますが、どちらも同じ熱の移動を利用しています。

仕組みを理解する鍵は、圧縮機などの四つの機器と、性能を表すCOPです。原理と熱サイクルから家電での用途、メリットとデメリット、冷媒の種類まで、図と計算例で整理します。

この記事の内容は、動画でも解説しています。

ヒートポンプとは？

図1：外気の熱と電力を合わせて、お湯へ渡す

熱源の空気と給湯の水は混ざらず、循環する冷媒が熱を運びます。

紫：冷媒の循環　青：低温側の水・空気　茶：加熱後の水・熱・仕事の向き。凝縮器では壁越しに熱だけを渡し、冷媒と水は混ざりません。凝縮を伴う単純サイクルの模式図で、水の循環ポンプ・混合弁・安全機器は省略しています。

※熱収支を説明する仮定例です。電動機や補機の損失を除いた単純サイクルで、機種の保証性能ではありません。

熱は自然には高温側から低温側へ流れますが、ヒートポンプは外部から仕事を与えて、その逆向きに運びます。低い所の水を高い所へ送るポンプに似た働きを、熱に対して実現する装置です。

熱を取り出す相手には、空気や地中、地下水、工場の廃温水などがあります。熱源の温度が低くても、それより低温の冷媒を用意すれば、冷媒側へ熱を取り込めます。

加熱を目的として放熱側を使う場合はヒートポンプ、冷却を目的として吸熱側を使う場合は冷凍機と呼ばれます。冷房と暖房を切り替えるエアコンは、一台で両方の役割を担います。

代表的なのは、冷媒の気化と液化を繰り返す蒸気圧縮式です。気体を押し縮める圧縮機を電動機で回す電気ヒートポンプは、EHPとも呼ばれ、家庭のエコキュートにも使われています。

ガスヒートポンプのGHPは、ガスエンジンで圧縮機を回す方式で、電気を主に使うEHPとは駆動源が違います。冷媒が蒸発して吸熱し、放熱する基本の仕組みは共通です。

一方、吸収式冷凍機は冷媒を別の液体に吸収させ、熱で再び取り出す仕組みを利用します。蒸気圧縮式の駆動燃料だけを変えた装置ではなく、圧縮機に相当する働きの実現方法が異なります。

原理

蒸気圧縮式の基本機器は、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器の四つです。冷媒の圧力を高くする区間と低くする区間をつくり、熱を放す温度と受け取る温度を変えます。

図2：四つの機器を通ると、冷媒の状態が変わる

膨張弁の出口は気液二相です。残った液体が蒸発器で熱を吸収して蒸発します。

① 低圧の蒸気
圧縮機の入口

圧縮機仕事を加え、圧力・温度を上げる

↓

② 高温・高圧の蒸気
凝縮器の入口

凝縮器（放熱側熱交換器）周囲へ熱を渡し、冷媒が液化する

↓

③ 高圧の液体
膨張弁の入口

膨張弁絞って圧力を下げ、一部が蒸発する

↓

④ 低温・低圧の気液二相
蒸発器の入口

蒸発器周囲から熱を吸い、液体が蒸発する

↓

① 低圧の蒸気へ戻る
この冷媒が再び圧縮機に入る

※凝縮を伴う単純サイクルの模式図です。冷媒や運転条件に応じて、過熱・過冷却や超臨界の放熱を含む方式もあります。

圧縮機は、低圧の冷媒蒸気に仕事を与えて圧力を上げます。断熱に近い圧縮では温度も上がるため、外気や給湯の水より高い温度になり、その相手へ熱を渡せるようになります。

気体の圧力、体積、温度の関係を理解する基本式が、次の理想気体の状態方程式です。ここでのRは冷媒の種類に対応する比気体定数で、温度には絶対温度を使います。

ただし、この式だけで「体積を小さくすれば必ず温度が上がる」とは決まりません。十分に冷やしながら圧縮すれば温度を保てるため、圧縮中の熱と仕事の出入りを合わせて考えます。

実際の冷媒は液体や気液二相にもなるので、その状態を理想気体の式だけで計算することもできません。機器の性能を求めるときは、冷媒ごとの物性表や後述する線図を使います。

凝縮器では、高温の冷媒から空気や水へ熱が移り、冷媒が液化します。熱を渡される水を使うのが給湯で、空気を使うのが暖房というように、同じ放熱を別の用途へ利用できます。

二つの流体は配管や伝熱面の壁で隔てられており、温度差が熱を移す力になります。面積や汚れが性能にどう影響するかは、熱交換器の仕組みと伝熱能力に詳しくまとめています。

膨張弁では、狭い流路を通すことで高圧の液冷媒を低圧にします。一部が蒸発して温度が下がりますが、出口で全量が気体になるわけではなく、液体と蒸気が混ざった状態です。

その液体が蒸発器で周囲から熱を吸収し、蒸気になって圧縮機へ戻ります。圧力を下げるときのエネルギーの扱いは、絞り膨張と等エンタルピー変化を押さえると理解が進みます。

装置の主な動力は圧縮機ですが、製品全体では送風機、循環ポンプ、制御機器も電力を使います。省エネ効果を見積もる際は、圧縮機だけを計算した値と、機器全体の消費電力を分けます。

動画では冷媒の循環を動きで追えますが、熱交換器の役割は運転モードによって変わります。室外機がいつも凝縮器になるわけではなく、冷房では凝縮器、暖房では蒸発器として働きます。

熱サイクル

一般的な蒸気圧縮式は、圧縮、放熱、絞り、吸熱を繰り返すサイクルです。理論上の可逆な逆カルノーサイクルとは区別し、実機の状態変化を近似したモデルとして扱います。

圧縮機出口を2、凝縮器出口を3、膨張弁出口を4、圧縮機入口を1と決めると、機器と式を対応させやすくなります。

• 1→2：圧縮機で断熱圧縮。理想化すると等エントロピー圧縮
• 2→3：凝縮器で等圧の放熱。蒸気が冷えて凝縮する
• 3→4：膨張弁で絞り膨張。熱や仕事の出入りを無視すれば等エンタルピー変化
• 4→1：蒸発器で等圧の吸熱。残った液冷媒が蒸発する

図3：p-h線図とT-s線図で見る同じ冷凍サイクル

p-h線図では、凝縮器と蒸発器の熱を横軸の差で読みます。膨張弁の3→4は比エンタルピーが同じです。

p：絶対圧力（対数軸）
h：比エンタルピー。3→4はh一定。

T：絶対温度　s：比エントロピー
茶の破線：絞り（3→4、不可逆）

※圧力損失を無視し、1→2を等エントロピーとした概略図です。薄い曲線は気液共存領域の境界で、1を飽和蒸気、3を飽和液とした模式図です。この図から物性値は読み取れません。

p-h線図は、縦軸が絶対圧力、横軸が比エンタルピーで、圧力は通常、対数目盛です。比エンタルピーは冷媒1kg当たりのエネルギーを表し、機器の入口と出口の差から熱や仕事を求められます。

T-s線図は、縦軸が絶対温度、横軸が比エントロピーで、理想的な圧縮過程は縦の線になります。一方、絞りは不可逆な変化なので、比エンタルピーが一定でも比エントロピーは増加します。

この絞りの過程があるため、四つの工程をそのまま逆カルノーサイクルと呼ぶことはできません。可逆変化と理論限界の考え方は、カルノーサイクルの四つの過程と区別して理解します。

冷房側の能力をQ_e、圧縮機への仕事をWとすると、冷房の成績係数は次の式です。熱を仕事へ変える熱機関の効率ηではなく、冷房COPと呼ぶ比率になります。

式は、圧縮機の放熱、配管の圧力損失、流れの運動・位置エネルギーの変化を無視したモデルです。同じ冷媒流量が循環するため、分子と分母に掛かる質量流量が約分されます。

実際には圧縮機や熱交換器で損失が生じ、配管にも圧力損失があります。理想モデルと実測を比べるときは、状態値に加えて電動機の損失や補機の入力まで、計算範囲をそろえます。

成績係数とは？

成績係数はCOP（Coefficient of Performance）と呼ばれ、投入するエネルギーに対して、目的に使える熱がどれだけ得られるかを示します。加熱と冷却では、分子に入れる熱が違います。

暖房COPは放熱能力を入力で割り、冷房COPは吸熱能力を入力で割ります。カタログの能力と消費電力を使う場合は、同じ運転モード、同じ試験条件の数値を組み合わせます。

単純サイクルの放熱は、外から吸い上げた熱と圧縮仕事を足した量になります。電気をすべて熱に変換する電熱ヒーターと違い、外部の熱も運ぶので、COPが1を超えてもエネルギー保存に反しません。

図4：同じサイクルでも、冷房COPは3、暖房COPは4

青い枠が目的の成果（分子）、投入する仕事1 kWが分母です。

吸熱側を使う：冷房COP

室内から取り去る熱3 kWを成果として数えます。

得たい熱：3 kW

室内から吸った熱
3 kW仕事
1 kW

投入：仕事1 kW（電力に相当）

COP_R ＝ 31 ＝ 3

放熱側を使う：暖房COP

吸った熱と仕事を合わせた放熱4 kWが成果です。

得たい熱：4 kW（全体）

外気から吸った熱
3 kW仕事
1 kW

投入：仕事1 kW（電力に相当）

COP_H ＝ 41 ＝ 4

※h₁＝400、h₂＝450、h₃＝h₄＝250 kJ/kg、質量流量0.02 kg/sという仮定です。冷媒の実測物性やカタログ性能ではありません。電動機・補機の損失を除いた収支です。

冷房COPは150÷50で3、暖房COPは200÷50で4となり、同じモデルでは暖房COPが1だけ大きくなります。これは同じサイクルと同じ入力の関係であり、別々の外気条件の製品値には直接使えません。

熱量と流れる冷媒の量を区別する基礎は、エンタルピーと比エンタルピーの違いが役立ちます。

COPは運転条件によって変化し、同じ機器でも一定の値ではありません。一般に、熱を取る温度と渡す温度の差が大きくなるほど、圧縮機の負担が増え、高いCOPを得にくくなります。

暖房なら外気温の低下、給湯なら必要な出湯温度の上昇が、性能に影響する条件です。空気熱源では霜が付いた際の除霜もあるため、冬期の能力と消費電力を合わせて比べます。

エアコンの定格評価には、冷房時の外気温35℃、暖房時7℃という条件例があります。これは特定の試験条件の値であり、ヒートポンプの全用途でこの温度だけを使うという意味ではありません。

季節を通した比較には、APF（通年エネルギー消費効率）も使われます。冷暖房期間の総負荷を、その期間に必要な消費電力量で割る指標で、定格一点だけのCOPとは評価範囲が異なります。

APFの考え方は、三菱電機のAPF表示資料にも説明があります。規定された地域や使用条件の計算値なので、自宅や工場の実際の年間料金そのものではありません。

ヒートポンプが利用されている家電

ヒートポンプは、冷蔵庫、エアコン、洗濯乾燥機、給湯器などに使われています。何を冷やし、どこへ熱を渡すかに注目すると、家電ごとの働きの違いが見えてきます。

機器	熱を受け取る側	熱を渡す側・利用する効果
冷蔵庫	庫内の空気や食品	室内へ放熱し、庫内を冷やす
エアコン	冷房は室内、暖房は室外	冷房は室外、暖房は室内へ放熱
ヒートポンプ式洗濯乾燥機	衣類を通った湿った空気	除湿した空気を再加熱して循環
ヒートポンプ給湯器	外気などの熱源	給湯の水を温め、タンクに蓄える

冷蔵庫は、庫内から取り出した熱を背面や側面などから室内へ放します。扉を開けたまま部屋を冷やそうとしても、庫内からの熱に消費電力由来の熱が加わるので、部屋全体の冷房にはなりません。

エアコンの冷房は、室内熱交換器で熱を吸収し、室外熱交換器で熱を放します。暖房では冷媒の流れを切り替えて役割を反転させるため、冬の室外機からは冷たい空気が出ます。

図5：室外機は、冷房では放熱、暖房では吸熱する

室内外の空気を入れ替えるのではなく、冷媒を介して熱を運びます。

冷房：室内から室外へ熱を運ぶ

暖房：室外から室内へ熱を運ぶ

※矢印は熱の移動方向です。四方弁や冷媒配管の詳しい経路を示す図ではありません。

洗濯乾燥機では、衣類を通って水分を含んだ空気を冷やし、水分を凝縮させて取り除きます。さらに空気を温めて衣類へ戻すことで、除湿と加熱の両方を乾燥に利用する構成です。

給湯器では、外気から集めた熱を水へ渡し、温めたお湯を貯湯タンクに蓄えます。使うときに大量の湯を瞬時につくるのではなく、運転時間をかけて必要な熱をためる点が特徴です。

同じ熱量を供給し、実効的なCOPが3なら、電熱式の約3分の1の電力量で済む計算です。ただし、タンクの放熱や補機の電力があるため、これを年間の電気料金が必ず3分の1になるという意味には使えません。

家電を比較するときは、定格の効率だけでなく、使う量と季節変化も合わせて見ます。給湯の少ない世帯と大量に湯を使う施設では、タンクの放熱が全体に占める割合も変わります。

工場や病院の空調では、電力ピークの抑制やエネルギー源の分散を目的にGHPを採用する例もあります。電気とガスのどちらが有利かは、契約料金と年間負荷、設備構成をそろえて判断します。

ヒートポンプのメリット、デメリット

最大のメリットは、周囲の熱を利用して少ない入力で必要な熱を供給できることです。一方、効率の高さだけで導入の有利不利は決まらず、温度条件と費用、設置、使い方を合わせて比べます。

• 外気や未利用温水の熱を回収し、消費エネルギーを抑えられる
• 運転条件と料金が合えば、ランニングコストを減らせる
• 蓄熱やGHPなどの組み合わせで、電力ピークを抑える計画ができる
• 対象設備や公募条件に合えば、導入支援制度を活用できる

給湯では、熱源から供給する熱量を先に把握すると、必要電力量の目安を計算できます。例えば1日に30kWhの熱が必要で、設備全体の平均COPを3と仮定すれば、電力量は10kWhです。

料金は、この電力量に適用される単価を掛けて求め、基本料金や契約条件の差も加えます。燃料と比べる場合も、熱量単価の計算方法で同じ有効熱量の単価へそろえると比較できます。

CO₂排出量も同様で、使用する電気やガスの排出係数と、削減するエネルギー量を組み合わせます。GHPはガスを燃やし、EHPも電力を使うため、ヒートポンプという名前だけで排出ゼロとはいえません。

蓄熱の利点は、熱を使う時間とつくる時間をずらせることです。夜間に限らず、太陽光発電の余剰電力がある昼間など、契約料金や発電、需要に合わせて運転時間を検討できます。

ただし、蓄えるための放熱損失や、運転時の外気条件も影響します。電力ピークの削減と消費電力量の削減は別の評価なので、両方の効果を分けて見積もる必要があります。

導入支援には、年度や機種、申請時期などの条件があります。補助金を前提に採算を決めるときは、現行の公式公募と登録製品を照合し、支援を受けない場合の収支も残しておきます。

導入費と使い方で変わる負担

• 機器、タンク、配管、基礎などの初期費用がかかる
• 必要な瞬時能力や湯の使用量に合う容量計画が要る
• 熱交換器やフィルター、駆動部などの保守が必要になる
• 運転音、振動、冷風、排水に配慮した設置場所が必要になる

圧縮機や熱交換器に加え、給湯ではタンクや配管工事も必要なので、購入価格だけでは導入費を比べられません。既設設備の撤去や電気工事を含め、同じ工事範囲の見積もりにそろえます。

回収年数は、増える初期費用を、年間の光熱費削減から追加保守費などを差し引いた額で割るのが基本です。削減額が小さい場合や使用時間が短い場合は、高効率でも回収に長い期間がかかります。

「瞬間的な能力が低い」という評価も、方式と機器容量によって変わります。貯湯式では、熱源機の能力とタンクに残る熱の両方が重要で、短時間に使う湯量が多いほど容量計画が効いてきます。

図6：熱をつくる速度と、使う速度の差をタンクで埋める

損失を無視した例では、4 kWで2時間運転すると8 kWh蓄えられます。使用量が供給量を上回る時間には、その蓄えが減ります。

沸上げ：4 kW × 2 h ＝ 8 kWh。
使用後：8 − 6 ＝ 2 kWh。
出来事の横の間隔は、経過時間の長さを表していません。

※有効熱量の収支を説明する図です。湯温、給水温度、混合、放熱などを省略しており、実機の残湯表示や推奨タンク容量を示しません。

図の例では、使用後に残る熱は8−6で2kWhです。同じ条件で6kWhを補うには4kWで1.5時間かかるため、次に使うまでの間隔が短ければ、容量や運転時間を見直す必要があります。

タンクのリットル数だけでは、使えるお湯の量は決まりません。蓄えた湯と給水の温度、蛇口で使う温度によって混合後の量が変わるので、家族数や一度に使う設備と合わせて選定します。

保守では、空気の通路や熱交換器の汚れを放置すると、熱の受け渡しを妨げます。洗濯乾燥機のフィルターなど、利用者が清掃できる箇所と、専門業者が点検する冷媒回路や駆動部は区別します。

圧縮機が一定年数で必ず故障するという前提で比較するのではなく、保証、保守契約、交換費用を見積もります。点検の考え方は、TBMとCBMによる設備保全を参考に整理できます。

給湯機は夜間にも運転するため、寝室や隣家との位置関係、反射する壁などを据付前に確認します。運転音や振動はカタログの音の値だけで判断せず、据付説明書と業界のガイドに沿って配置します。

冷風の吹出し方向、結露した水の排水、積雪時の吸排気も、設置後の使いやすさに関わります。必要な周囲寸法を確保し、狭い囲いで吸排気を妨げない配置をメーカーと検討します。

ヒートポンプの冷媒

冷媒は、熱を受け取る場所と渡す場所の間を循環する流体です。使える温度と圧力、環境影響、安全性の条件が違うため、機器の用途に応じた種類が選ばれます。

フロン系では、CFC、HCFC、HFCという分類があり、現在の機器だけでなく、過去に製造された機器を管理する際にも出てきます。これらを単に新旧の名前の違いとして扱うと、環境対策を誤ります。

区分	名称・例	押さえる点
CFC	クロロフルオロカーボン	オゾン層を破壊する特定フロン。過去の機器で使われた
HCFC	ハイドロクロロフルオロカーボン	オゾン層破壊の影響があり、生産・消費の規制対象
HFC	ハイドロフルオロカーボン。R32など	オゾン層を破壊しないが、地球温暖化への影響がある
HFO・混合冷媒	ハイドロフルオロオレフィンなど	温暖化影響を小さくする選択肢。物質ごとの燃焼性等を考慮
自然冷媒	CO₂、アンモニア、プロパン、イソブタンなど	用途ごとに高圧、毒性、可燃性などの特性を考慮する

CFCやHCFCはオゾン層保護のため規制が進められ、HFCもキガリ改正により段階的な削減の対象です。生産・消費量の削減と、既設機器が直ちに使用禁止になることは同じではありません。

HFCを使う機器でも、冷媒の種類や量を適切に管理し、漏えいを減らす必要があります。更新時は冷媒の温暖化影響に加え、運転中のエネルギー消費も合わせて比べることが大切です。

エコキュートはCO₂を冷媒として使う給湯機で、家庭用冷蔵庫にはイソブタンを使うものがあります。自然界にある物質を使うため自然冷媒と呼ばれますが、取り扱い上の危険がなくなるという意味ではありません。

CO₂冷媒の給湯では、一般的な凝縮サイクルと異なり、高圧側で凝縮せずに熱を渡す運転も使われます。冷媒が違う機器へ、先の凝縮器の説明や圧力条件をそのまま当てはめることはできません。

PFCやSF₆は温室効果ガスの分類で見かけますが、家庭のヒートポンプや冷凍空調機器の代表冷媒として並べるのは適切ではありません。環境対策のガスの一覧と、実際の冷媒用途を区別します。

冷媒は機器の設計に組み込まれているので、利用者が種類を自由に交換するものではありません。異なる冷媒の混入や自己補充を避け、漏えいが疑われる場合はメーカーや専門業者へ点検を依頼します。

廃棄や回収の制度も、機器の区分によって違います。家庭用のエアコン、冷蔵庫などは家電リサイクル法、フロンを使う業務用冷凍空調機器はフロン排出抑制法、自動車のカーエアコンは自動車リサイクル法の仕組みで扱います。

業務用か家庭用かは置き場所だけで決めず、どちらの製品として製造・販売されたかを確かめます。使用中の点検と廃棄時の回収を混同せず、銘板と取扱資料をもとに管理区分を整理します。

冷媒の環境対策をさらに調べる場合は、日本冷媒・環境保全機構のフロン排出抑制法の資料が参考になります。機器の仕様と適用制度を分けて読み、更新と使用中の管理を計画します。

ヒートポンプのよくある質問

ヒートポンプと電気ヒーターは何が違いますか？

電気ヒーターは電気を熱へ変え、ヒートポンプは電気などの入力を使って周囲の熱も運びます。同じ供給熱量ならヒートポンプの電力量を小さくできる一方、効果は熱源と出湯の温度条件で変わります。

冷房COPと暖房COPのどちらを見ればよいですか？

冷却に使うなら冷房COP、暖房や給湯ならその加熱用途に対応する性能値を見ます。目的が違う数値を比べず、同じ評価範囲と温度条件で比較することが基本です。

寒い地域ではヒートポンプを使えませんか？

寒冷地向けに設計された機器もあるため、使えないわけではありません。設置地域の最低外気温に対応する能力、除霜時の供給、凍結や積雪の対策を、機種の仕様と据付条件で判断します。

エコキュートは必ず夜間に沸かすのですか？

運転時間は機種と設定、契約料金、太陽光発電の有無などで変わり、夜間だけとは限りません。必要な湯量を確保できる範囲で、電力量と料金、運転音を合わせて沸き上げの時間を決めます。

自然冷媒なら安全性の確認は不要ですか？

不要にはなりません。可燃性のある炭化水素、毒性を考慮するアンモニア、高い圧力で扱うCO₂など特性が異なるので、機種に指定された設置・保守・回収方法に従います。

まとめ

ヒートポンプは身近な家電だけでなく、工場の廃温水から熱を回収する設備にも広がっています。温水の供給やボイラー給水の予熱、用途に適した蒸気発生など、必要な温度と熱源を結び付ける技術です。

設備更新では、まず熱の使用量と運転条件を計測し、改善前後の比較条件をそろえます。工場の省エネとエネルギー管理を土台に、ボイラー効率の考え方も使い分けると、熱源全体の選択肢を整理できます。

冷凍サイクルやCOPなど、熱と流体の基礎を順に学び直したい方は、資格の勉強に使う記事一覧から学ぶ順番に沿って記事をたどれます。

出典

出典・参考資料（13件）を開く出典・参考資料を閉じる

• 据付時の騒音・冷風・排水・防雪：日本冷凍空調工業会「家庭用ヒートポンプ給湯機 据付工事の際のご注意」
• CO₂冷媒の遷臨界運転とガスクーラー：BITZER「冷媒レポート21」
• 衣類乾燥の除湿と加熱：パナソニック「ドラム式と縦型 乾燥機能の違い」
• 工場温水からの蒸気発生：富士電機「蒸気発生ヒートポンプ」
• 熱を移動する原理・空調と給湯：ダイキン工業「ヒートポンプ」
• 四つの機器と状態変化：ゼネラルヒートポンプ工業「ヒートポンプのしくみQ&A」
• p-h線図と状態1〜4：日本冷凍空調学会「冷凍サイクル（1）」
• COP・APFの評価範囲：ヒートポンプ・蓄熱センター「高効率なヒートポンプ技術」
• ガスエンジンで駆動するGHP：ダイキン工業「GHPとは」
• 冷媒の環境影響と自然冷媒：環境省「自然冷媒について」
• 機器の区分とフロンの管理：環境省「フロン排出抑制法FAQ」
• 家庭用冷蔵庫の冷媒：日本電機工業会「炭化水素系冷媒転換の経緯」
• 工場の未利用温水からの熱回収：三浦工業「未利用熱活用ヒートポンプVH」