空対水ヒートポンプシステムを設計する上で、最も重要な決定の1つは、ヒートポンプを建物の暖房・冷房端末にどのように水力的に接続するかです。

比較的簡単な設置の場合は、一次または直接水力システムで十分な場合があります。しかし、床暖房、ラジエーター、ファンコイルユニットなど、複数の種類の端末ユニットを含むプロジェクトでは、水力的な要件ははるかに複雑になります。

そこで、二次水力システム、通常はバッファタンクと2つの循環ポンプを使用するものが特に役立ちます。

しかし、すべてのヒートポンプ設置に二次システムが必要なのでしょうか？

必ずしもそうではありません。

二次水力システムは、より優れた水力安定性、より大きな柔軟性、および改善されたヒートポンプの運転条件を提供します。同時に、システムコスト、ポンプのエネルギー消費量、設置の複雑さ、および潜在的な熱損失を増加させます。

これらのトレードオフを理解することは、効率的な空気源ヒートポンプシステムを設計するために不可欠です。

1.二次水力システムとは？

典型的な二次水力システムは、水回路を2つの水力ループに分割します。

最初のループはヒートポンプ一次回路です。

ヒートポンプ → バッファタンク → ヒートポンプ

2番目のループは建物負荷回路です。

バッファタンク → 循環ポンプ → 暖房/冷房端末 → バッファタンク

したがって、バッファタンクは熱源と建物負荷の間の共通の接続として機能します。

直接システムとは異なり、ヒートポンプの循環ポンプは、必ずしも建物分配システムに必要なすべての水流量を提供する必要はありません。

これは、一次および二次水力設計の最も重要な違いの1つです。

2.ヒートポンプシステムはなぜ水力的に分離する必要があるのですか？

ヒートポンプと建物端末は、常に同じ水流量を必要とするわけではありません。

建物に以下が装備されているとします。

• ラジエーター

• ファンコイルユニット

• 床暖房

各端末は、異なる水温、温度差（ΔT）、流量、制御弁、および運転スケジュールで動作する場合があります。

たとえば、典型的な設計条件は次のようになります。

これらの数値は設計参照であり、普遍的な規則ではありません。実際の値は、常に端末の選択とプロジェクトの熱負荷計算に従う必要があります。

主な工学的問題は単純です。

ヒートポンプに必要な流量は、端末システムに必要な流量と等しくない場合があります。

二次水力回路は、これら2つの水力要件を分離するのに役立ちます。

二次水力システムの利点

3.利点1：より安定したヒートポンプ水流量

ヒートポンプは通常、熱交換器を通過する最小水流量を必要とします。

しかし、直接システムでは、室温サーモスタット、ゾーンバルブ、サーモスタットラジエーターバルブ、またはファンコイル制御バルブがシステム流量を継続的に変更する可能性があります。

8つの暖房ゾーンがある家を想像してください。

8つのゾーンすべてが開いている場合、水流量は十分かもしれません。

しかし、6つのゾーンが設定温度に達してバルブを閉じると、アクティブなゾーンは2つだけになります。

システム抵抗が劇的に変化し、ヒートポンプを通過する流量が推奨される運転範囲を下回る可能性があります。

これは、次のような問題に寄与する可能性があります。

• 不十分な水流量アラーム

• 過度の供給/戻り温度差

• 高凝縮圧力

• 暖房能力の低下

• 不安定なコンプレッサー運転

• 頻繁なサイクリング

二次システムは、ヒートポンプが専用の循環ループを持つため、この相互作用を減らします。

工学的テイクアウェイ

建物の側での流量が変化しても、ヒートポンプはより予測可能な水力環境を認識します。

インバーターヒートポンプの場合、安定した水条件はコンプレッサー変調戦略がより効果的に機能するのに役立つため、これは特に価値があります。

4.利点2：複数の端末タイプとの互換性が向上

最新の水力暖房システムには、いくつかの異なる種類の端末が含まれる場合があります。

たとえば：

ヒートポンプ → バッファタンク → ラジエーター + ファンコイル + 床暖房

これらの端末は、正確に同じ流量と水温を必要とすることはめったにありません。

床暖房は通常比較的低い水温で動作しますが、従来のラジエーターは大幅に高い温度を必要とする場合があります。ファンコイルは暖房と冷房の両方のモードで動作し、比較的狭い水側ΔTをよく使用します。

二次システムは、次を使用して個別の分配ブランチを作成することを容易にします。

• 独立した循環ポンプ

• 混合バルブ

• ゾーンバルブ

• マニホールド

• 温度制御

• 差圧制御

これにより、設計の柔軟性が大幅に向上します。

5.利点3：バッファタンクは熱慣性を提供します

多くの二次ヒートポンプシステムで最も重要なコンポーネントの1つは、バッファタンクと呼ばれることがあります。

水はかなりの熱貯蔵容量を持っています。

したがって、バッファタンクは水力システムの総水量を増やし、熱慣性を追加します。

貯蔵された熱エネルギーは、次のように近似できます。

Q = m × Cp × ΔT

ここで：

• Q = 貯蔵された熱エネルギー

• m = 水の質量

• Cp = 水の比熱容量

• ΔT = 使用可能な温度差

実用的なHVAC計算の場合：

1リットルの水は、1℃の温度変化ごとに約1.16 Whを貯蔵します。

したがって、使用可能な5Kの温度範囲で動作する200Lのバッファタンクは、約：

200 × 1.16 × 5 ≒ 1.16 kWh

これは、バッファタンクがエネルギー源であることを意味するものではありません。

一時的にエネルギーを貯蔵し、後で放出するだけです。

その区別は重要です。

6.利点4：ヒートポンプのショートサイクルの削減

ショートサイクルは、ヒートポンプが始動し、すぐに温度目標に達し、停止し、その後すぐに再始動する場合に発生します。

これは頻繁に発生します。

ヒートポンプ最小出力 > 現在の建物熱需要

たとえば、インバーターヒートポンプは5kWまで変調できますが、建物は現在2kWしか必要としないとします。

十分なシステム水量がなければ、供給水温は急速に上昇する可能性があります。

コントローラーが目標温度に達し、コンプレッサーを停止します。

建物は熱を抽出し続け、水温が低下し、コンプレッサーが再び始動します。

結果は次のようになります。

開始 → 停止 → 開始 → 停止 → 開始

繰り返しのコンプレッサーサイクリングは、次のことを行う可能性があります。

• 季節効率の低下

• 電気消費量の増加

• コンプレッサー始動回数の増加

• コンポーネントの摩耗の増加

• 不安定な室内温度の原因

適切にサイズ設定されたバッファタンクからの追加の水量は、水温変化を遅くします。

代わりに：

45℃ → 50℃ を非常に迅速に

システムは、制御限界に達するのにかなりの時間がかかる場合があります。

これにより、ヒートポンプの運転サイクルが長くなります。

7.利点5：部分負荷時の水力安定性の向上

建物が継続的に100％の暖房需要で稼働することはめったにありません。

たとえば、春と秋の間は、建物の部分しか暖房を必要としない場合があります。

一部の部屋は設定温度に達するかもしれませんが、他の部屋はまだ熱を必要とする場合があります。

これにより、可変流量条件が発生します。

二次回路により、建物の側でのポンプは、ヒートポンプ側回路がヒートポンプに必要な流量を維持しながら、この変化する需要に対応できます。

この水力分離により、システム全体の制御が容易になります。

8.利点6：複雑なHVACプロジェクトにおける柔軟性の向上

二次システムは、プロジェクトに次のものが含まれる場合に特に役立ちます。

ヒートポンプ + バッファタンク + 複数の暖房ゾーン + ファンコイル + ラジエーター + 床暖房

次の場合にも役立ちます。

• 大規模な住宅

• ホテル

• 商業ビル

• 学校

• 複数の暖房ゾーンを持つヴィラ

• 改修プロジェクト

• ハイブリッドラジエーター/床暖房システム

• 複数の端末タイプを持つ暖房および冷房システム

これらのプロジェクトでは、追加の水力的な複雑さは、制御性の向上によって正当化されることがよくあります。

二次水力システムの欠点

二次システムは自動的に効率的になるわけではありません。

これは重要な点です。

コンポーネントが増えると水力的な問題を解決できますが、追加のコンポーネントごとにコストと潜在的なエネルギー損失が発生します。

9.欠点1：追加の循環ポンプが必要

典型的な直接システムは、1つのメイン循環ポンプで動作する場合があります。

二次システムは通常、少なくとも2つを必要とします。

ポンプ1：ヒートポンプ ↔ バッファタンク

ポンプ2：バッファタンク ↔ 建物端末

追加の暖房ゾーンでは、さらに多くのポンプが必要になる場合があります。

すべての循環ポンプは電力を消費します。

したがって：

二次システムは、ヒートポンプの運転安定性を向上させると同時に、補助的な電気消費量を増加させることができます。

したがって、システムは、ヒートポンプのCOPだけでなく、季節全体のエネルギー消費量に基づいて評価する必要があります。

可変速制御を備えた高効率ECM循環ポンプが一般的に好まれます。

10.欠点2：初期コストの増加

簡単な直接接続と比較して、二次システムは次のものが必要になる場合があります。

• バッファタンク

• 追加の循環ポンプ

• より多くの配管

• より多くの隔離バルブ

• 逆止弁

• センサー

• 膨張アクセサリー

• 混合バルブ

• 追加の制御

• より多くの設置労力

これにより、初期プロジェクトコストが増加します。

1つの簡単な床暖房ループを備えた小規模な住宅設置の場合、追加の複雑さは常に十分なメリットを提供するとは限りません。

しかし、大規模なマルチゾーンプロジェクトでは、追加コストは正当化される場合があります。

11.欠点3：追加の熱損失

バッファタンクは完全に断熱されていません。

二次回路に必要な追加の配管、バルブ、および継手も同様です。

したがって、次のものから熱が失われる可能性があります。

• バッファタンクの壁

• 分配配管

• バルブと継手

• ポンプ本体

• 機械室

良好な断熱はこれらの損失を最小限に抑えることができますが、完全に排除することはできません。

これは、バッファタンクが非空調スペースに設置されている場合に特に重要です。

12.欠点4：不良な水力設計はヒートポンプ効率を低下させる可能性があります

バッファタンクを追加しても、自動的に優れたシステムが作成されるわけではありません。

一般的な問題は、一次および二次流量が不均衡な場合に発生します。

次のようにします。

Vp = ヒートポンプ一次流量

Vs = 二次建物流量

もし：

Vp > Vs

一部の熱い供給水がバッファタンクを直接通過してヒートポンプに戻る可能性があります。

もし：

Vs > Vp

一部の冷たい戻り水が二次供給に混入する可能性があります。

この現象は、水力混合と呼ばれることがあります。

過度の混合は、端末に供給される水温を変化させ、ヒートポンプに高い流出水温で運転することを強制する可能性があります。

ヒートポンプ効率は、必要な水温が高くなるにつれて一般的に低下するため、不良な水力設計はCOPを低下させる可能性があります。

13.欠点5：制御がより複雑になります

直接システムは比較的簡単です。

ヒートポンプは水温を監視し、1つのメイン水力回路を制御します。

二次システムは次のものを含む場合があります。

• ヒートポンプコントローラー

• 一次循環ポンプ

• 二次循環ポンプ

• バッファタンクセンサー

• 室温サーモスタット

• ゾーンバルブ

• 混合バルブ

• 天候補償

• ファンコイル制御

• 床暖房制御

これらのコンポーネントは正しく連携する必要があります。

不良な制御ロジックは、ポンプが不必要に稼働したり、実際の暖房需要がほとんどない場合にヒートポンプが稼働したりする状況を作り出す可能性があります。

したがって、制御戦略は水力設計と同じくらい重要です。

14.ヒートポンプに常にバッファタンクが必要ですか？

いいえ。

これは、空対水ヒートポンプ設計における最も一般的な誤解の1つです。

バッファタンクは、特定の工学的問題を解決する必要があります。

次の場合に役立つ場合があります。

• システム水量が不十分

• 複数の暖房ゾーンが頻繁に開閉する

• ヒートポンプの最小流量が他に保証できない

• ヒートポンプの最小出力が頻繁な部分負荷需要を超える

• 複数の端末タイプが水力分離を必要とする

• 霜取り運転には十分な利用可能な水量が必要

• 一次および二次流量要件が大幅に異なる

しかし、システムがすでに十分な水量、安定した流量、適切なゾーニング、および良好なヒートポンプ変調を提供している場合、大きなバッファタンクはほとんど追加のメリットを提供しない可能性があります。

15.大きなバッファタンクが常に良いとは限りません

もう1つの一般的な誤解は次のとおりです。

「100リットルが良いなら、500リットルはもっと良いはずだ」

それは必ずしも真実ではありません。

過剰なバッファタンクは、次のことを行う可能性があります。

• システムコストの増加

• 熱損失の増加

• 不必要にシステム水量の増加

• ウォームアップ時間の増加

• より多くの設置スペースが必要

• 制御応答性の低下

したがって、バッファタンクのサイズ設定は、習慣によって選択するのではなく計算する必要があります。

適切な容量は、次の要因に依存します。

• ヒートポンプ容量

• 最小変調容量

• 最小コンプレッサー運転時間

• 建物の最小熱需要

• システム水容量

• 許容温度変動

• 霜取り要件

• メーカーの最小水容量要件

簡略化された工学的関係は次のとおりです。

V ≒ Q × t / (ρ × Cp × ΔT)

ここで、必要な容量は、望ましい最小運転期間中に吸収する必要がある熱不均衡に関連しています。

実用的な設計では、ヒートポンプメーカーの水力要件を常に優先する必要があります。

16.一次対二次ヒートポンプシステム

どちらのデザインも普遍的に優れているわけではありません。

適切な選択は、建物と運転条件によって異なります。

17.実用的な例

次のものを使用する空対水ヒートポンプを備えた家を検討してください。

ゾーンA：床暖房
ゾーンB：ラジエーター
ゾーンC：ファンコイルユニット

冬の間は、3つのゾーンすべてが稼働する可能性があります。

穏やかな天候の間は、床暖房だけが熱を必要とする場合があります。

夏の間は、ファンコイルだけが冷房のために稼働する場合があります。

したがって、システム流量は年間を通じて大幅に変化します。

二次水力設計により、ヒートポンプは安定した一次流量を維持できますが、二次分配システムは建物の需要に独立して応答できます。

典型的な構成は次のようになります。

空気源ヒートポンプ
↓
一次循環ポンプ
↓
バッファタンク
↓
二次ポンプ/分配マニホールド
↓
ラジエーター + ファンコイル + 床暖房

床暖房回路の場合、他の端末の必要供給温度よりも低い供給温度が必要な場合は、混合配置も必要になる場合があります。

これが、二次水力システムがより複雑なヒートポンププロジェクトで一般的である理由です。

18.最も重要な設計原則

二次システムの目的は、単にバッファタンクを追加することではありません。

その真の目的は、次の関係を管理することです。

熱源 ↔ 水流量 ↔ 熱貯蔵 ↔ 建物負荷

適切に設計されたシステムは、これら4つの要素のバランスを保ちます。

ヒートポンプが建物が現在消費しているよりも多くの熱を生成する場合、システムは、急速な温度上昇とコンプレッサーの停止を防ぐために、十分な熱容量と制御ロジックを必要とします。

建物がヒートポンプが現在生成しているよりも多くの熱を必要とする場合、システムに貯蔵された熱は、水温低下率を一時的に低減できます。

この熱慣性は、瞬間的なヒートポンプ出力と建物需要の間の不一致を平滑化するのに役立ちます。

しかし、熱貯蔵はエネルギーを生成しません。

最終的に：

ヒートポンプによって生成された熱 = 建物に供給された熱 + システム損失 ± 貯蔵熱エネルギーの変化

このエネルギーバランスは、水力ヒートポンプ設計の基盤です。

結論：二次水力システムを選択すべきなのはいつですか？

二次水力システムは、空気源ヒートポンプが、可変水流量、複数の暖房ゾーン、または異なる端末ユニットを備えた複雑な建物にサービスを提供する場合に優れたソリューションとなります。

その主な利点は次のとおりです。

安定したヒートポンプ流量、水力分離、システム水量の増加、ショートサイクルの削減、およびマルチゾーンの柔軟性の向上。

その主な欠点は次のとおりです。

初期コストの増加、追加のポンプ電力、設置の複雑さの増加、追加の熱損失、およびシステムが不良に設計された場合の水力混合の可能性。

したがって、工学的な質問は次のようであるべきではありません。

「すべてのヒートポンプにバッファタンクが必要ですか？」

より良い質問は次のとおりです。

「この特定のシステムは、安定した効率的なヒートポンプ運転を維持するために水力分離または追加の熱質量を必要としますか？」

その質問は、より優れたHVAC設計につながります。

FAQ：二次水力システムとバッファタンク

二次水力システムとは何ですか？

二次水力システムは、ヒートポンプ回路を建物分配回路から分離します。2つの回路は通常、バッファタンクまたは他の形態の水力分離を介して接続されます。

なぜ2つの循環ポンプが使用されるのですか？

1つのポンプはヒートポンプを通過するのに必要な水流量を維持し、2番目のポンプは建物の暖房または冷房端末にそれらの独自の流量要件に従って供給します。

バッファタンクはヒートポンプの効率を向上させますか？

自動的にはしません。ショートサイクルを減らし、運転を安定させることができるため、特定のシステムでは季節的なパフォーマンスを向上させる可能性があります。ただし、タンクは熱損失も発生させ、追加のポンプは電力を消費します。

バッファタンクなしでヒートポンプは機能しますか？

はい。適切に設計された多くのシステムは、最小流量、最小水容量、ゾーニング、霜取り要件、およびコンプレッサー運転時間要件が満たされている限り、バッファタンクなしで動作できます。

二次システムは床暖房に適していますか？

必ずしもそうではありません。安定した流量を備えた単純な床暖房システムは、直接接続でうまく機能することがよくあります。二次システムは、床暖房がラジエーター、ファンコイル、複数のゾーン、または異なる水温要件と組み合わされる場合に、より価値があります。

バッファタンクが大きすぎるとどうなりますか？

過剰なバッファタンクは、熱損失、設置コスト、スペース要件、およびシステム応答時間を増加させる可能性がありますが、意味のある効率メリットは提供されません。