電気暖房

電気加熱は、電気エネルギーが直接熱エネルギーに変換されるプロセスです。一般的な用途には、空間暖房、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デバイスです。 ^{[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、ジュール熱の原理で動作します。抵抗器を通過する電流は、その電気エネルギーを熱エネルギーに変換します。最新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の性能係数を達成できます。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) に導きます。これにより、直接電気暖房よりも電気エネルギーを有効活用できますが、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、空調用に逆に操作できるため、内部スペースを冷却し、さらに熱い空気または水を外部または地面に排出できます。

空間暖房は建物の内部を暖めるために使用されます。空間ヒーターは、実験室など、空気の処理が難しい場所で役立ちます。電気による空間暖房にはいくつかの方法が使用されています。

電気赤外線放射暖房は、 高温になる発熱体を使用します。発熱体は通常、電球に似たガラスの容器に収められており、ヒーター本体からエネルギー出力を遠ざける反射板が付いています。発熱体は赤外線を放射し、空気または空間を通過して吸収面に当たると、部分的に熱に変換され、部分的に反射されます。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役立ちます。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、特定のタスク向けの暖房に最適です。

輻射ヒーターは静かに作動しますが、その出力の集中力と過熱保護の欠如により、近くの家具に引火する危険性が最も高くなります。英国では、これらの器具はもともと直火の代わりとして使用されていたため、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管内のニクロム抵抗線のコイルですが、両端が密閉され、抵抗合金がニクロムではないモデルも存在します。

対流ヒーターでは、発熱体が熱伝導によって接触する空気を加熱します。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れ込みます。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、周囲の空間を加熱し、冷却し、サイクルを繰り返します。これらのヒーターには、オイルまたは熱流体が充填されている場合があります。密閉された空間を加熱するのに最適です。動作音が静かで、輻射式電気ヒーターに比べて家具に誤って接触しても発火する危険性が低くなります。

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気ファンを備えた対流ヒーターの一種です。ファンヒーターはファンによるかなりの騒音を伴って作動します。家具に誤って接触した場合、発火の危険が中程度あります。ファンヒーターの利点は、自然対流を使用するヒーターよりもコンパクトで、ポータブルおよび小部屋の暖房システムとしてコスト効率が高いことです。

蓄熱暖房システムは、夜間などの需要の少ない時間帯に販売される安価な電気料金を活用します。英国では、これはエコノミー 7 としてブランド化されています。蓄熱ヒーターは粘土レンガに熱を蓄え、日中に必要に応じてそれを放出します。新しい蓄熱ヒーターは、さまざま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。新しい設計に加えて、サーモスタットまたはセンサーの使用により、蓄熱ヒーターの効率が向上しました。サーモスタットまたはセンサーは、部屋の温度を読み取り、それに応じてヒーターの出力を変更できます。

水は蓄熱媒体としても使用できます。

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、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って床を暖め、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、より冷たい周囲の表面 (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/オフを制御します。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いくらかの熱を吸収し、これによって小さな対流 (空気の循環) が生じます。信じられていることとは反対に、人々はこの温められた循環空気や対流（対流には冷却効果があります）によって暖められるのではなく、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、人々自身のエネルギー（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、気温は最大 3 度低下する可能性があります。1 つのバリエーションは、循環する温水で満たされたチューブを床を暖める熱源として使用することです。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）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、特殊な電気暖房システムと毛布を床装飾の真下と、建設床の上に置かれた追加の断熱材の上に配置し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。

大規模なオフィスビルでは、照明システムが暖房・換気システムと一体化しています。蛍光灯からの廃熱は暖房システムの戻り空気中に回収されます。大規模なビルでは、年間暖房エネルギーのかなりの部分が照明システムによって供給されています。しかし、この廃熱はエアコン使用時に負担となります。このような費用は、電気熱源も作り出す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]

ヒートポンプは、電動コンプレッサを使用して冷凍サイクルを作動させ、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、その熱を暖め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パイプで送られます。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)、高温の作動流体が液体に凝縮します。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蒸発器セクションに膨張してサイクルが完了します。夏季には、サイクルを逆にして、空調された空間から外気へ熱を移動させることができます。

ヒートポンプは、温暖な気候では屋外の空気から低品位の熱を得ることができます。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、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残留太陽熱を取り出せるため、空気熱ヒートポンプよりも効率的です。 ^[3]米国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]ヒートポンプと抵抗加熱の比較で購入価格が高いことは、エアコンも必要な場合に相殺される可能性があります。

浸漬ヒーターには、加熱する水 (またはその他の液体) 内に置かれたチューブに収められた電気抵抗加熱要素があります。加熱要素は液体に直接挿入されるか、腐食を防ぎメンテナンスを容易にするために金属パイプ内に設置されます。ポータブル浸漬ヒーターは、短時間のみ使用し、オペレーターの制御下で使用されることを意図しているため、制御サーモスタットを備えていない場合があります。

家庭用給湯器または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加熱要素が使用され、温度調節のためにサーモスタットによって制御されます。家庭用ユニットの定格はわずか数キロワットです。工業用給湯器は 2,000 キロワットに達することがあります。オフピーク電力料金が利用できる場合は、必要に応じて使用するために温水を貯蔵できます。

電気シャワーとタンクレス ヒーターも、水の流れでオンになる浸漬ヒーター (シールド付きまたは裸) を使用します。個別のヒーターのグループを切り替えることで、さまざまな加熱レベルを提供できます。電気シャワーとタンクレス ヒーターは通常、3 ～ 10.5 キロワットを使用します。

給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固いスケールを形成したり、タンクの底に落ちて水の流れを妨げたりすることがあります。給水装置のメンテナンスでは、蓄積したスケールや沈殿物を定期的に除去する必要があります。給水にミネラルが豊富に含まれていることがわかっている場合は、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減らすことができます。^[5]

循環ヒーターまたは「直接電気熱交換器」（DEHE）は、加熱効果を得るために「シェル側」媒体に挿入された加熱要素を直接使用します。電気循環ヒーターによって生成された熱はすべて媒体に伝達されるため、電気ヒーターは100％効率的です。直接電気熱交換器または「循環ヒーター」は、工業プロセスで液体やガスを加熱するために使用されます。^{[6] [7]}

電極ヒーターは巻線抵抗がなく、液体自体が抵抗となるため、潜在的な危険性があり、電極ヒーターに関する規制は厳しいです。

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は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。^[8] 電気ヒーターは 100% の効率ですが、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。同じ燃料を消費者が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排除するため、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。

電力を生産する国間の差異は、効率と環境に関する懸念に影響します。2015年にフランスが化石燃料から発電した電力はわずか6％でしたが、オーストラリアは86％以上の電力を化石燃料から供給しました。^[9] 電気のクリーンさと効率は、その供給源に依存します。

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、段階的に完全に廃止する計画があります（スウェーデンの石油段階的廃止を参照）。一方、デンマークは同様の理由から、新築の建物への直接電気暖房の設置を禁止しています。^[10] 新築の建物の場合、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、電気暖房は依然として最も一般的な家庭暖房の形態である。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る。ケベック州で消費される全電力の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る。州所有の公益事業体であるハイドロ・ケベックは、低く安定した料金を請求している。^[11]

近年、各国では、長年の低炭素電源である原子力と水力発電に加えて、再生可能エネルギーから低炭素電力を生成するという大きな傾向が見られます。たとえば、2019年の英国の電力の1kWhあたりのカーボンフットプリントは、2010年の半分以下でした。^[8]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、通常は燃料を燃やすよりも2～3倍になっています。そのため、直接電気暖房は現在、ガスや石油を燃やす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なっています。ただし、オフピーク料金が安くなることでこの影響を軽減できます。

より効率的に熱を供給するために、電気駆動ヒートポンプは地面、外気、排気などの廃棄物の流れからエネルギーを抽出して室内温度を上げることができます。これにより、抵抗加熱で使用される電力消費量を35％まで削減できます。^{[12]主な電気エネルギー源が水力、原子力、または風力である場合、電力源が遠すぎて直接加熱できない場合があるため、グリッドを介して電力を転送すると便利です（}太陽熱エネルギー は例外です）。

空間熱や温水暖房の電化は、特にヒートポンプを用いて、現在のエネルギーシステムを脱炭素化する方法の一つとしてますます提案されています。大規模な電化の場合、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。^[13]

多くの地域では、電気抵抗ヒーターを使用して長時間エリアを暖めるのはコストがかかります。ただし、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を暖めるよりもコスト効率が高くなります。

たとえば、オフィスのランチ ルームの営業時間は限られています。使用頻度の低い時間帯には、セントラル ヒーティング システムによって「モニター」レベルの熱 (50 °F または 10 °C) が提供されます。使用頻度のピークとなる 11:00 から 14:00 の時間帯は、「快適レベル」 (70 °F または 21 °C) まで加熱されます。このスペースと加熱されていない外気の間、および冷蔵庫と (より涼しい) ランチ ルームの間の温度勾配が小さいため、熱放射による赤外線放射損失はそれほど大きくなく、全体的なエネルギー消費を大幅に節約できます。

経済的に電気暖房を他の家庭暖房源と比較するには、電気の1キロワット時あたりの現地コストにヒーターが使用するキロワット数を掛けます。例：1キロワット時あたり12セントの1500ワットヒーターの場合、1.5×12=18セント/時です。^{[14]燃料の燃焼と比較する場合は、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。

電気加熱は産業界で広く使用されています。^[15]

他の方法と比較した電気加熱法の利点には、温度と熱エネルギーの分布の精密制御、熱を発生させるために燃焼を使用しないこと、化学燃焼では容易に達成できない温度を達成できることなどがあります。電気熱は、単位面積または単位体積あたりの電力を高濃度にすることで、プロセスで必要な正確なポイントに正確に適用できます。電気加熱装置は、必要なサイズで構築でき、工場内のどこにでも配置できます。電気加熱プロセスは一般にクリーンで静かで、周囲に副産物熱をあまり放出しません。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。

産業における電気加熱の制限と欠点としては、燃料を直接使用するよりも電気エネルギーのコストが高いこと、電気加熱装置自体と、使用場所に大量の電気エネルギーを供給するために必要なインフラストラクチャの両方にかかる資本コストなどが挙げられます。これは、同じ結果を達成するために全体的に使用するエネルギーが少なくなるため、工場内（現場）の効率性が向上することで、ある程度相殺される可能性があります。

工業用加熱システムの設計は、必要な温度、必要な熱量、および熱エネルギーを伝達する実行可能なモード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使用して材料を加熱できます。

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（たとえば、アーク溶接）では、電流がワークピースに直接適用されます。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生成されます。同様に、熱が生成され、伝導、対流、または放射によってワークに伝達されることもあります。

工業用加熱プロセスは、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整形が含まれます。中温プロセスには、鋳造または再成形のためのプラスチックと一部の非金属の溶融、および金属の焼きなまし、応力緩和、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準備が含まれます。