エコキュートは追い焚きが苦手

エコキュートという温水器を聞いた事があるかと思います。ヒートポンプを使ってお湯を沸かす機械で、投入した電力の３倍以上の熱エネルギーが得られるというものです。ヒートポンプといえば、昔から、冷蔵庫やエアコンなどに使われていましたが、お湯を沸かす場合は、多少異なります。

以下の図は、みんな、斎川路之,橋本克己,"給湯用CO2ヒートポンプサイクルの効率評価-理論効率の評価と特徴把握",日本冷凍空調学会論文集Vol.18,No.3,(2001),pp217-223から拝借したものです。

まず、エアコンの暖房運転について、考えます。

エアコンの場合は、室内の温度を一定に保つのが目的です。一定温度の冷たい外気から、熱媒が沸騰して熱をもらい、凝縮して一定温度の室内に放熱します。ですから、この図のように、逆カルノーサイクルのようになります。

ところが、お湯を沸かすのは、冷たい水を「昇温」して、お湯にしますので、低温熱源の外気温が一定なのは同じですが、高温熱源のほうは、温度が上がっていくことになります。

熱媒のほうから見ると、低温側では、一定温度ですから沸騰する事は同じですが、高温側では、凝縮せずに、放熱するにしたがって冷めていくほうがT-S線図の面積(=動力)が小さくてすみます。そこで、使用する熱媒は、高温側では相変態を伴わない超臨界流体で、低温側では、沸騰するようなものということで、二酸化炭素が選ばれました。
具体的なT-h線図は、こんな感じです。(赤と青の線は、私が書き足しました。)

低温の水を沸かしてお湯にするときは、効率がいいのですが、問題は、お風呂が少し冷めたときに追い焚きする場合です。このときには、お風呂のお湯は、少し冷めているとはいっても、40℃近くあります。普通のヒートポンプでは、高温側から低温側に圧力を下げるのに、膨張弁を使いますから、この図の赤い矢印のように等エンタルピー変化です。そうすると、外気からもらえる熱が急に小さくなってしまいます。
NITEの安井至理事長が「市民のための環境学ガイド」の中で、太陽熱温水器について、「本来は、エコキュートと組み合わせて使うのが良いに決まっているのだけど、電力会社が余り積極的でない。」と、嘆かれていましたが、太陽熱温水器のように、もともと、50℃も沸いてしまいますと、そこからヒートポンプで加熱するのは、苦手で、電気ヒータと同じくらいの効率しか得られなかったりします。もっとも、十分な量が50℃まで沸いていれば、さらに沸かす必要はないのですが。
ひとつの解決策として、膨張弁で減圧せずに、タービンを回して動力を回収するという方法があります。そうしますと、図の青い矢印のように、等エントロピー変化になりますから、外気からもらえる熱量が大きくなります。さすがに、実機では、タービンは無理ですので、可動部分のない、エゼクタをつかって、圧力エネルギーの一部を回収する方法が取られているそうです。

【追記】
太陽熱温水器とエコキュートの相性があまりよくない理由がもうひとつある事を書き忘れていました。それは、時間的な関係です。
日本の家庭の温水需要は、ほとんどがお風呂とシャワーです。大半の人は、入浴を夕方から夜にかけてします。そうして、エコキュート(電気温水器でも同じですが)がお湯を沸かすのは、深夜で、太陽熱温水器がお湯を沸かすのは、日中です。
お湯を使い終わった時を起点に考えますと、先にエコキュートが沸かす番が来て、それから、太陽熱温水器の順になります。
晴れの日は、太陽熱温水器のお湯を使い、曇りや雨の日は、エコキュートが沸かすとしたら、エコキュートは、翌日の天候を予想して、その前に沸かすかどうかを決めなければいけなくなります。将来的には、エコキュートが電力会社から情報をもらって、そういうことが出来るかもしれませんが、それでも、入浴中にお湯が切れたら間に合いませんので、安全側に考えて、多めに沸かすことになるでしょう。
エコキュートと太陽熱温水器とがそれぞれタンクを持っていて、エコキュートのお湯を使うか、太陽熱温水器のお湯を使うかは、使うときに決める事で、解決するように思えるでしょうが、そのすると、何日も晴れの日が続いて、太陽熱温水器のお湯ばかり使っていると、エコキュートのタンクは、冷めてきます。そうして、冷めかけたお湯を沸かし直すというのは、本文中にも書きましたように、エコキュートにとっては、苦手な事なのです。