電気暖房

30kW抵抗加熱コイル
この輻射ヒーターはタングステンハロゲンランプを使用します。

電気加熱は、電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換するプロセスです。一般的な用途には、暖房、調理、給湯、工業プロセスなどがあります。電気ヒーターは、電流を熱に変換する電気機器です。 [ 1 ]すべての電気ヒーター内の加熱要素は電気抵抗器であり、ジュール熱の原理に基づいて動作します。つまり、抵抗器を通過する電流は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換します。現代の電気加熱装置のほとんどは、活性要素としてニクロム線を使用しています。右に示す加熱要素は、セラミック絶縁体で支えられたニクロム線を使用しています。

あるいは、ヒートポンプは、既存の熱エネルギーを転送するためだけに電力を使用するため、暖房で約 150% ～ 600% の効率、または COP 1.5 ～ 6.0の性能係数を実現できます。ヒートポンプは、電気モーターを使用して逆冷凍サイクルを駆動し、地面や外気 (または冷蔵庫の内部) などの外部ソースから熱エネルギーを引き出し、その熱を暖めるスペース (冷蔵庫の場合はキッチン) に送ります。これは直接電気暖房よりも電気エネルギーを有効活用しますが、はるかに高価な機器と配管が必要になります。一部の暖房システムは、空調用に逆に操作して内部空間を冷却し、さらに熱い空気または水を屋外または地面に排出することができます。

空間暖房

暖房は建物の内部を暖めるために使用されます。暖房機は、実験室など、空調管理が難しい場所で役立ちます。電気暖房にはいくつかの方法があります。

赤外線ヒーター

電気放射暖房機

電気式赤外線暖房は、 高温になる発熱体を使用します。発熱体は通常、電球のようなガラス容器に収められており、エネルギー出力をヒーター本体から遠ざけるための反射板が付いています。発熱体から放射される赤外線は、空気中または空間を伝わり、吸収面に当たると一部は熱に変換され、一部は反射されます。この熱は、空気を暖めるのではなく、室内の人や物を直接暖めます。このタイプのヒーターは、特に加熱されていない空気が流れる場所で有効です。また、スポット暖房が必要な地下室やガレージにも最適です。より一般的には、特定の用途に特化した暖房に最適です。

輻射式ヒーターは静かに作動しますが、出力が集中し過熱保護機能がないため、近くの家具に引火する危険性が最も高くなります。イギリスでは、これらの器具はもともと暖炉の代わりとして使われていたため、電気暖炉と呼ばれることもあります。

このセクションに示されているヒーターの活性媒体は、両端が大気に開放された溶融シリカチューブ内のニクロム抵抗線のコイルですが、溶融シリカが両端で密封され、抵抗合金がニクロムではないモデルも存在します。

対流ヒーター

自然対流

電気対流ヒーター

対流式ヒーターでは、発熱体が接触する空気を熱伝導によって加熱します。熱い空気は冷たい空気よりも密度が低いため、浮力によって上昇し、その代わりに冷たい空気が流入します。これにより、ヒーターから上昇する熱い空気の対流が発生し、周囲の空間を暖め、冷やすというサイクルを繰り返します。これらのヒーターは、オイルまたは熱媒液で満たされている場合もあります。密閉空間の暖房に最適です。動作音も静かで、輻射式電気ヒーターに比べて家具に誤って接触した場合でも発火の危険性が低くなります。

強制対流

ファンヒーターは、強制対流ヒーターとも呼ばれ、空気の流れを速めるための電動ファンを備えた対流ヒーターの一種です。ファンの騒音が大きく、家具などに接触した場合、中程度の発火リスクがあります。自然対流を利用するヒーターよりもコンパクトで、持ち運びや小部屋暖房システムとしてコスト効率が良いという利点があります。

タワーファンヒーター

蓄熱暖房

蓄熱暖房システムは、夜間など需要の低い時間帯に販売される安価な電力価格を活用します。英国ではエコノミー7というブランド名で販売されています。この蓄熱暖房器は粘土レンガに熱を蓄え、日中に必要に応じて放出します。新型の蓄熱暖房器は様々な料金プランで使用できます。エコノミー7でも使用できますが、日中料金プランでも使用できます。これは、製造時に追加された最新の設計機能によるものです。新しい設計に加え、サーモスタットやセンサーの採用により、蓄熱暖房器の効率が向上しています。サーモスタットやセンサーは室温を読み取り、それに応じてヒーターの出力を調整します。

水は蓄熱媒体としても使えます。

家庭用電気床暖房

電気床暖房システムでは、床に加熱ケーブルが埋め込まれています。電流は、線間電圧 (120 ボルトまたは 240 ボルト) から直接供給されるか、または変圧器からの低電圧で供給される導電性加熱材を流れます。加熱されたケーブルは直接伝導により床を暖め、床サーモスタットで設定された温度に達するとオフになります。暖かい床面は、周囲のより冷たい表面 (天井、壁、家具) に熱を放射し、そこで熱が吸収され、吸収されなかった熱はすべて、さらに冷たい他の表面に反射されます。放射、吸収、反射のサイクルはゆっくりと始まり、設定温度に近づくにつれてゆっくりと遅くなり、全体的に平衡に達するとサイクルは停止します。床サーモスタットまたは室内サーモスタット、あるいはその組み合わせによって、床のオン/オフが制御されます。放射加熱の過程で、暖められた表面と接触している薄い空気の層も熱を吸収し、これによって小さな対流 (空気循環) が生じます。常識とは反対に、人々はこの温められた循環する空気や対流によって暖められるのではなく (対流には冷却効果があります)、熱源からの直接放射と周囲の反射によって暖められます。循環する空気がなくなるため、より低い気温でも快適になります。放射暖房では、人自身のエネルギー (大人の場合 ± 70 ワット) (暖房シーズンには放射する必要があります) が周囲のエネルギーとバランスが取れているため、最も快適なレベルに達します。学術研究に基づく対流暖房システムと比較して、気温が最大 3 度下がる可能性があります。1 つのバリエーションとして、循環する温水を満たしたチューブを床を暖める熱源として使用するものがあります。暖房の原理は同じです。床構造に埋め込まれた旧式の電気式および温水式 (ハイドロニック) の床暖房システムはどちらも速度が遅く、外部の天候の変化や内部の需要/ライフスタイルの要件に対応できません。最新のバリエーションでは、床装飾の真下と、建設床の上に置かれた追加の断熱材の上に、専用の電気暖房システムと毛布を配置します。建設床は冷たいままです。熱源の位置を原理的に変更することで、変化する天候や、屋内/屋外、仕事、休憩、睡眠、人数の増加/調理などのライフスタイルなどの内部需要要件に数分以内に対応できます。

照明システム

大規模オフィスビルでは、照明システムが暖房・換気システムと一体化されています。蛍光灯の廃熱は暖房システムの還気中に回収されるため、大規模ビルでは年間の暖房エネルギーの大部分が照明システムによって供給されています。しかし、この廃熱は空調使用時に大きな負担となります。このような費用は、電気熱源も生成するエネルギー効率の高い照明システムを統合することで回避できます。[ 2 ]

ヒートポンプ

ヒートポンプは、電動コンプレッサを使用して冷凍サイクルを稼働させ、屋外の空気、地面、または地下水から熱エネルギーを抽出し、その熱を暖房する空間に移動します。ヒートポンプの蒸発器セクションに含まれる液体は低圧で沸騰し、屋外の空気または地面から熱エネルギーを吸収します。次に、蒸気はコンプレッサによって圧縮され、加熱される建物内の凝縮コイルに送られます。高温の高密度ガスからの熱は建物内の空気に吸収され（場合によっては家庭用給湯にも使用されます）、高温の作動流体が凝縮して液体に戻ります。そこから高圧流体が蒸発器セクションに戻り、オリフィスを通って膨張して蒸発器セクションに入り、サイクルが完了します。夏季には、サイクルを逆転させて、空調された空間の熱を外気に移動させることができます。

温暖な気候では、ヒートポンプは屋外の空気から低品位の熱を取り出すことができます。冬の平均気温が氷点下を大きく下回る地域では、地中熱ヒートポンプは空気熱ヒートポンプよりも効率的です。これは、地中熱ヒートポンプは冷たい空気から得られるよりも暖かい温度で地中に蓄えられた太陽熱を抽出できるためです。[ 3 ]米国環境保護庁（EPA）によると、地熱ヒートポンプは空気熱ヒートポンプと比較して最大44%、電気抵抗加熱と比較して最大72%のエネルギー消費を削減できます。[ 4 ]ヒートポンプは抵抗加熱式ヒーターよりも高価ですが、空調も併用すればその分を相殺できる可能性があります。

液体加熱

浸漬ヒーター

小型家庭用浸漬ヒーター、500W

浸漬ヒーターは、加熱する水（またはその他の液体）中に設置されたチューブに収納された電気抵抗発熱体を備えています。発熱体は液体に直接挿入される場合もあれば、腐食防止とメンテナンスの容易さを目的として金属パイプ内に設置される場合もあります。ポータブル浸漬ヒーターは、短時間のみの使用と操作者の制御を目的としているため、制御用サーモスタットを備えていない場合があります。

家庭用給湯器や工業用プロセス給湯器には、断熱された温水タンク内に恒久的に設置された発熱体を使用し、サーモスタットで温度を調節します。家庭用給湯器の定格出力は数キロワット程度ですが、工業用給湯器は2000キロワットに達することもあります。オフピーク電力料金が適用される地域では、必要に応じて温水を貯湯することができます。

給水水に含まれるミネラルは、溶液から沈殿して加熱素子の表面に硬いスケールを形成したり、タンクの底に沈降して水の流れを阻害したりすることがあります。給水装置のメンテナンスには、蓄積したスケールや沈殿物を定期的に除去することが必要になる場合があります。給水水にミネラルが高度に含まれていることが分かっている場合は、ワット密度の低い加熱素子を使用することでスケールの生成を抑えることができます。[ 5 ]

電気シャワー

電気シャワー

電気シャワーまたは電気シャワーヘッドは、水流によって作動する浸漬ヒーターを使用した自己発熱シャワーヘッドです。独立した複数の電気加熱素子を切り替えることで、異なる加熱レベルを提供できます。これらは特殊な使用場所に設置するタンクレス給湯器であり、一部の国で広く使用されています。

1930年代にブラジルで中央ガス供給網の不足を理由にフランシスコ・カニョスによって発明され、1940年代から広く普及した電気シャワーは、ガス供給コストの高さと、従来の給湯器を設置していない家庭が多いことから、中南米諸国でよく見られる家電製品です。初期のモデルはクロムメッキ銅または真鍮製で高価でしたが、1970年代以降は、ヘアドライヤーと同程度の低価格で射出成形プラスチック製のユニットが人気を博しています。

電気シャワーは、コーヒーメーカーのように動作するシンプルな電気システムを備えていますが、水流が大きいのが特徴です。水流スイッチは、水が流れるとシャワーの電源をオンにします。水を止めると、自動的に電源が切れます。一般的な電気シャワーには、必ずではありませんが、多くの場合、3段階の温度設定があります。高温（5.5kW）、低温（2.5kW）、冷水（0W）で、セントラルヒーターシステムが利用可能な場合や暑い季節に使用します。高出力（最大7.5kW）と低出力（最大3.2kW）のバージョンもあり、4段階の温度設定や可変温度設定を備えたバージョンもあります。

電気温水器

象印ブランドの電気ケトル「サーモポット」
最大容量5リットルの壁掛け式非加圧電気ボイラー

電気温水器は、イギリス英語でサーモポットまたはティーユアン[ 6 ]とも呼ばれ、密閉された貯水槽でお湯を沸騰させ[ 7 ] [ 8 ] 、一定の温度に保つための小型家電製品です。通常、お茶[ 7 ]、ホットチョコレート、コーヒー[ 7 ]、インスタントラーメン、粉ミルクを作るためのお湯をすぐに提供するために使用されます。また、きれいなお湯が必要なその他の家庭用途にも使用されます。日本の台所や多くの東アジア諸国の台所では一般的な機器ですが、世界的にはさまざまな用途で使用されています。小型のものは持ち運び可能です。一部のサーモポットは、水を浄化できる機能を備えて設計されています。[ 9 ]

循環ヒーター

循環式ヒーター、または「直接電気熱交換器」（DEHE）は、加熱効果を得るために、シェル側媒体に直接挿入された発熱体を使用します。電気循環式ヒーターによって発生した熱はすべて媒体に伝達されるため、電気ヒーターの効率は100%です。直接電気熱交換器、または「循環式ヒーター」は、工業プロセスにおける液体およびガスの加熱に使用されます。[ 10 ] [ 11 ]

電極ヒーター

電極ヒーターには巻線抵抗がなく、液体自体が抵抗として作用します。これは潜在的な危険性を伴うため、電極ヒーターに関する規制は厳格です。

環境と効率の側面

システムの効率は、システムの境界の定義によって異なります。電気エネルギーの顧客にとって、購入したエネルギーがすべて熱に変換されるため、電気暖房の効率は 100% です。ただし、電力を供給する発電所が含まれる場合、全体的な効率は大幅に低下します。たとえば、化石燃料発電所は、放出される燃料エネルギー 10 単位につき 3～5 単位の電気エネルギーしか供給しません。[ 12 ] 電気ヒーターの効率が 100% であっても、熱を生成するために必要な燃料の量は、暖房対象の建物で炉やボイラーで燃料を燃やす場合よりも多くなります。消費者が同じ燃料を暖房に使用できる場合は、エンドユーザーの建物で燃料を燃やす方が全体的に効率的です。一方、電気暖房を化石燃料燃焼ヒーターに置き換えることは、再生可能な電気暖房の可能性を奪うため、必ずしも良いことではありません。これは、再生可能エネルギー源から電力を調達することで実現できます。

電力発電における各国間の差異は、効率性と環境への懸念に影響を与えます。2015年、フランスでは化石燃料による発電量はわずか6%でしたが、オーストラリアでは86%以上を化石燃料から調達しました。[ 13 ] 電力のクリーン性と効率性は、その供給源によって異なります。

スウェーデンでは、この理由から1980年代から直接電気暖房の使用が制限されており、段階的に廃止する計画があります（スウェーデンにおける石油段階的廃止を参照）。一方、デンマークでは同様の理由から新築の建物への直接電気暖房の設置が禁止されています。[ 14 ] 新築の建物では、パッシブハウス基準に従って建てられるものなど、暖房の必要性を事実上なくすことができる低エネルギー建築技術を使用することができます。

しかし、ケベック州では、依然として電気暖房が家庭暖房の最も一般的な形態です。2003年のカナダ統計局の調査によると、州内の世帯の68%が暖房に電気を使用しています。ケベック州で消費される電力の90%以上は、化石燃料発電所に比べて温室効果ガスの排出量が少ない水力発電ダムによって発電されています。州が所有する公益事業であるハイドロ・ケベックは、低額で安定した料金を請求しています。[ 15 ]

近年、各国では、長年低炭素電源として利用されてきた原子力発電や水力発電に加え、再生可能エネルギーによる低炭素電力の発電が大きなトレンドとなっています。例えば、2019年の英国における1kWhあたりの電力のカーボンフットプリントは、 2010年の半分以下でした。[ 12 ]しかし、資本コストが高いため、電力コストは下がっておらず、通常は燃料を燃焼させる場合の2～3倍となっています。そのため、直接電気暖房は、ガスや石油暖房と同等のカーボンフットプリントをもたらす可能性がありますが、コストは依然として高く、オフピーク時の電気料金の割引によってこの影響を軽減できる可能性があります。

より効率的に熱を供給するために、電気駆動のヒートポンプは、地面、外気、あるいは排気などの廃棄物からエネルギーを抽出し、室内温度を上げることができます。これにより、抵抗加熱に比べて電力消費量を最大35%まで削減できます。[ 16 ]主な電力源が水力、原子力、または風力である場合、電力源が遠すぎて直接暖房に利用できない場合があるため、送電網を介して電力を送電することが便利です（太陽熱エネルギー は例外です）。

既存のエネルギーシステムの脱炭素化に向けた手段として、特にヒートポンプを用いた暖房や給湯の電化がますます提案されています。大規模な電化を行う場合、ピーク電力需要の潜在的な増加や異常気象の影響による電力網への影響を考慮する必要があります。[ 17 ]

経済的側面

多くの地域では、電気抵抗ヒーターを長時間使用して特定のエリアを暖房することはコストがかかります。しかし、優れたゾーン制御により、断続的または日中の一部のみの使用は、建物全体の暖房よりも費用対効果が高い場合があります。

例えば、オフィス内のランチルームは営業時間が限られています。利用が少ない時間帯には、セントラルヒーティングシステムによって「モニター」レベルの暖房（50°Fまたは10°C）が提供されます。11:00から14:00までのピーク時間帯は、「快適レベル」（70°Fまたは21°C）まで暖房されます。この空間と暖房されていない外気、そして冷蔵庫と（より涼しい）ランチルームとの間の温度勾配が小さくなるため、熱放射による赤外線損失が小さくなり、全体的なエネルギー消費量を大幅に削減できます。

電気暖房を他の家庭用暖房源と比較するには、電気の1キロワット時あたりの地域コストに暖房器具のキロワット数を掛け合わせます。例：1キロワット時あたり12セントの1500ワットの暖房器具の場合、1.5×12＝18セント/時となります。[ 18 ]燃料を燃やす場合と比較する場合は、キロワット時をBTUに変換すると便利です。1.5 kWh × 3412.142＝5118 BTU。

産業用途

電気加熱は産業界で広く利用されている。[ 19 ]

電気加熱法が他の加熱方法に比べて優れている点としては、温度と熱エネルギーの分布を精密に制御できること、燃焼を熱発生に使用しないこと、化学燃焼では容易に達成できない温度に到達できることなどが挙げられます。電気加熱は、プロセスにおいて必要な箇所に正確に熱を供給でき、単位面積または単位体積あたりの電力を高い集中度で供給できます。電気加熱装置は必要なサイズに設計でき、工場内のどこにでも設置できます。電気加熱プロセスは一般的にクリーンで静粛であり、周囲への副産物熱の放出もほとんどありません。電気加熱装置は応答速度が速いため、高速サイクルの大量生産装置に適しています。

産業分野における電気加熱の限界と欠点としては、燃料の直接使用に比べて電気エネルギーのコストが高いこと、そして電気加熱装置自体と、大量の電気エネルギーを使用地点に供給するために必要なインフラの両方にかかる資本コストなどが挙げられます。これは、工場内（現場）での効率向上によって、同じ結果を得るために使用するエネルギー全体を削減することで、ある程度相殺される可能性があります。

産業用加熱システムの設計は、必要な温度、必要な熱量、そして実現可能な熱エネルギー伝達方法の評価から始まります。伝導、対流、放射に加えて、電気加熱法では電界と磁界を用いて材料を加熱することができます。

電気加熱の方法には、抵抗加熱、電気アーク加熱、誘導加熱、誘電加熱などがあります。一部のプロセス（例えばアーク溶接）では、電流がワークピースに直接印加されます。他のプロセスでは、誘導損失または誘電損失によってワークピース内で熱が発生します。また、発生した熱は伝導、対流、または輻射によってワークピースに伝達されることもあります。

工業加熱プロセスは、低温（約 400 °C または 752 °F まで）、中温（400 ～ 1,150 °C または 752 ～ 2,102 °F）、高温（1,150 °C または 2,102 °F 以上）に大まかに分類できます。低温プロセスには、ベーキングと乾燥、仕上げの硬化、はんだ付け、プラスチックの成形と成型が含まれます。中温プロセスには、鋳造または再成型のためのプラスチックや一部の非金属の溶融、金属の焼きなまし、応力除去、熱処理が含まれます。高温プロセスには、製鋼、ろう付け、溶接、金属の鋳造、切断、精錬、および一部の化学物質の製造が含まれます。

参照

参考文献

  1. ^ 「電気ヒーター」 . Britannica.com . ブリタニカ百科事典編集部.
  2. ^ 「エネルギー効率の高い照明 | WBDG建物全体の設計ガイド」 www.wbdg.org . 2017年12月18日閲覧。
  3. ^ 「空気熱源ヒートポンプと地中熱源ヒートポンプの効率比較」 Icax.co.uk 2013年12月20日閲覧。
  4. ^ 「地熱ヒートポンプの選択と設置 - エネルギー省」Energy.gov。2017年4月16日閲覧。
  5. ^ 「浸漬ヒーター - Sigma Thermal」 . Sigma Thermal . 2017年12月18日閲覧。
  6. ^ 「「tea urn」の定義 | Collins English Dictionary」。
  7. ^ a b cマックス・クライアー（2010年10月8日）『ゴッドゾーン辞典：ニュージーランドのお気に入りの単語とフレーズ』ReadHowYouWant.com、64ページ。ISBN 978-1-4587-7952-6. 2014年3月25日閲覧。
  8. ^レオン・レズニック (1997年8月21日). 『ファジーコントローラハンドブック：設計方法と動作原理』ニューネス社. p. 10. ISBN 978-0-08-050716-3. 2014年3月25日閲覧。
  9. ^松下電器アメリカ社 (1992年).年次報告書.
  10. ^ 「Gastech News」 2012年8月12日。 2017年2月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  11. ^ 「電気抵抗加熱 - エネルギー省」Energy.gov。2017年4月16日閲覧。
  12. ^ a b Kemp, ICとLim, JS (2020).エネルギーと二酸化炭素排出量の削減のためのピンチ分析：エネルギーの効率的な利用のためのプロセス統合に関するユーザーガイド、第3版バターワース・ハイネマン。ISBN 978-0-08-102536-9。{{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  13. ^ハンナ・リッチーとマックス・ローザー(2020) - 「化石燃料」。OurWorldInData.orgでオンライン公開。出典: [1] ; 2020年5月23日閲覧。
  14. ^グリーン電力の幻想、 AECB、2005年11月11日公開、2007年5月26日アクセス
  15. ^スナイダー、ブラッドリー「家庭暖房と環境」『カナダ社会動向』 2006年春号、15～19ページ。オタワ：カナダ統計局。
  16. ^ 「地中熱ヒートポンプ（地中エネルギーシステム）」 NRCan.gc.ca 。 2017年4月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年4月16日閲覧。
  17. ^ Eggimann, Sven; Usher, Will; Eyre, Nick; Hall, Jim W. (2020). 「持続可能な暖房への移行におけるエネルギー需要の変動に対する気象の影響」 . Energy . 195 (C) 116947. Bibcode : 2020Ene...19516947E . doi : 10.1016/j.energy.2020.116947 . S2CID 214266085 . 
  18. ^ 「一般的な家庭用品の電気エネルギーコストの計算方法 - McGill's Repair and Construction, LLC」 McGill 's Repair and Construction, LLC 2014年1月19日. 2017年12月18日閲覧。
  19. ^ドナルド・G・フィンクとH・ウェイン・ビーティ著『電気技術者のための標準ハンドブック、第11版』、マグロウヒル、ニューヨーク、1978年、 ISBN 0-07-020974-X、21-144ページから21-188ページ
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