電気暖房

電気加熱は、電気エネルギーを直接熱エネルギーに変換するプロセスです。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機器です。 ^{[ 1 ]}すべての電気ヒーター内部の発熱体は電気抵抗器であり、ジュール加熱の原理で動作します。つまり、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。最新の電気加熱機器のほとんどは、活性要素としてニクロム線を使用しています。右図の発熱体は、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の伝達にのみ電力を使用するため、暖房効率が約150%～600%、またはCOPが1.5～6.0程度になります。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）などの外部源から熱エネルギーを吸収し、その熱を暖めたい空間（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はるかに効率的に使用できますが、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、冷房用に逆運転することができ、室内空間を冷却し、さらに高温の空気や水を屋外または地面に排出します。

空間暖房は、建物の内部を暖めるために用いられます。空間ヒーターは、実験室など、空気の循環が難しい場所で特に有効です。電気による空間暖房には、いくつかの方式があります。

赤外線放射ヒーター

電気式赤外線放射暖房は、 高温になる発熱体を使用します。発熱体は通常、電球のようなガラス製の筐体に収められており、反射板によってヒーター本体から熱エネルギーが放出されるのを防ぎます。発熱体は赤外線を放射し、それが空気中や空間を通過して吸収面に到達すると、一部が熱に変換され、一部が反射されます。この熱は空気を温めるのではなく、室内の人や物を直接温めます。このタイプのヒーターは、暖房されていない空気が流れる場所で特に有効です。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として優れた選択肢となります。

輻射式ヒーターは静かに作動するが、出力が集中しているため、近くの家具に引火する危険性が最も高い。また、過熱防止機能も備えていない。イギリスでは、もともと暖炉の代わりとして使われていたことから、これらの機器は電気暖炉と呼ばれることもある。

このセクションで説明するヒーターの活性媒体は、両端が大気に開放された溶融石英管内部のニクロム抵抗線コイルですが、溶融石英管の両端が密閉され、抵抗合金がニクロムではないモデルも存在します。

対流式ヒーター

自然対流

対流式ヒーターでは、発熱体が熱伝導によって接触する空気を加熱します。温か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、その空いた場所に冷たい空気が流れ込みます。こうして、ヒーターから上昇する温かい空気の対流が発生し、周囲の空間を暖め、冷えて、再びこのサイクルが繰り返されます。これらのヒーターには、オイルや熱媒体が充填されている場合もあります。密閉された空間の暖房に最適です。静音性に優れ、放射式電気ヒーターに比べて、家具などに誤って接触した場合でも発火の危険性が低くなっています。

強制対流

ファンヒーター（強制対流ヒーターとも呼ばれる）は、空気の流れを速めるために電気ファンを備えた対流ヒーターの一種です。ファンによる騒音が発生するため、動作音はやや大きめです。家具などに誤って接触すると、発火の危険性が中程度あります。利点としては、自然対流を利用するヒーターよりもコンパクトで、持ち運び可能な小型の部屋用暖房システムとしてコスト効率に優れている点が挙げられます。

システムの効率は、システムの境界の定義に依存します。電気エネルギーの顧客にとって、電気暖房の効率は、購入したエネルギーがすべて熱に変換されるため、100%です。しかし、電力供給を行う発電所を含めると、全体の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単位ごとに3～5単位の電気エネルギーしか供給しません。^{[ 11 ]} 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焼する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、エンドユーザーの建物で燃料を燃焼する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、必ずしも良いことではありません。なぜなら、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る、再生可能エネルギーによる電気暖房の可能性が失われるからです。

電力を生成する国によって異なるため、効率と環境に関する懸念が生じます。2015年、フランスは電力のわずか6%を化石燃料から生成したのに対し、オーストラリアは電力の86%以上を化石燃料から調達しました。^{[ 12 ]} 電力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年代以降、直接電気暖房の使用が制限されており、完全に段階的に廃止する計画がある（スウェーデンの石油段階的廃止を参照）一方、デンマークでは同様の理由で新築建物への直接電気暖房の設置が禁止されている。^{[ 13 ]} 新築建物の場合、パッシブハウス基準で建てられた建物のように、暖房の必要性をほぼなくすことができる低エネルギー建築技術を使用できる。

しかし、ケベック州では、電気暖房が依然として最も一般的な家庭用暖房方法です。2003年のカナダ統計局の調査によると、同州の世帯の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%以上は水力発電ダムによって発電されており、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です。州営電力会社であるハイドロ・ケベックは、低くて安定した料金を設定しています。^{[ 14 ]}

近年、各国では、長年にわたり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源から低炭素電力を生成する傾向が強まっている。例えば、2019年の英国の1kWhあたりの電力の二酸化炭素排出量は、 2010年の半分以下だった。^{[ 11 ]}しかし、設備投資コストが高いため、電気料金は下がっておらず、燃料を燃焼させる場合の2～3倍となっているのが一般的である。そのため、直接電気暖房は、ガスや石油を燃焼させる暖房と同程度の二酸化炭素排出量になる可能性があるが、コストは依然として高い。ただし、オフピーク料金の安さを利用すれば、この影響を軽減できる。

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、または排気などの廃流からエネルギーを抽出することで室内温度を上げることができます。これにより、電力消費量を抵抗加熱で使用される電力のわずか35%にまで削減できます。^{[ 15 ]}電気エネルギーの主要な供給源が水力、原子力、または風力である場合、直接加熱用途には資源が遠すぎる可能性があるため（太陽熱エネルギー は例外）、送電網を介して電力を伝送することが便利な場合があります。

暖房や給湯の電化は、特にヒートポンプを用いた現在のエネルギーシステムの脱炭素化に向けた今後の方法としてますます提案されている。大規模な電化の場合、ピーク電力需要の増加や異常気象への曝露による電力網への影響を考慮する必要がある。^{[ 16 ]}

電気抵抗ヒーターを用いて長時間暖房を行う場合、多くの地域でコストがかさむ。しかし、断続的または部分的な使用であれば、優れたゾーン制御により、建物全体の暖房よりも費用対効果が高くなる場合がある。

例えば、オフィス内の休憩室は営業時間が限られています。利用頻度の低い時間帯は、中央暖房システムによって「モニター」レベルの暖房（華氏50度または摂氏10度）が維持されます。利用頻度の高い午前11時から午後2時までの時間帯は、「快適レベル」（華氏70度または摂氏21度）まで暖房されます。この空間と暖房されていない外気との間、および冷蔵庫と（温度が下がった）休憩室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、エネルギー消費量を大幅に削減できます。    

経済的には、電気暖房は、電気のキロワット時あたりの地域コストにヒーターの消費電力（キロワット）を掛けることで、他の家庭用暖房源と比較できます。例：1500ワットのヒーターで、1キロワット時あたり12セントの場合、1.5×12＝18セント/時。^{[ 17 ]}燃料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利用されている。^{[ 18 ]}

電気加熱方式は、他の加熱方式に比べて、温度と熱エネルギー分布を精密に制御できること、燃焼による発熱がないこと、化学燃焼では容易に達成できない高温に到達できることなど、多くの利点があります。電気加熱は、工程内で必要な箇所に正確に適用でき、単位面積または単位体積あたりの電力密度を高くすることができます。電気加熱装置は、必要なサイズで製造でき、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かで、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、高速サイクル生産設備に適しています。

産業における電気加熱の限界と欠点としては、燃料を直接使用する場合と比較して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、使用箇所まで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の両方に初期投資が必要となることが挙げられる。ただし、工場内（現場）での効率向上、つまり同じ結果を得るために必要なエネルギー量が全体的に少なくなることで、これらの欠点はある程度相殺される可能性がある。

工業用加熱システムの設計は、まず必要な温度、必要な熱量、そして熱エネルギーを伝達する実現可能な方法を評価することから始まります。伝導、対流、放射に加えて、電気加熱方式では、電場や磁場を利用し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、アーク加熱、誘導加熱、誘電加熱などがあります。アーク溶接などの一部のプロセスでは、電流がワークピースに直接印加されます。その他のプロセスでは、誘導損失または誘電損失によってワークピース内部で熱が発生します。また、伝導、対流、放射によって熱が発生し、ワークピースに伝達される場合もあります。

工業用加熱プロセスは、大きく分けて低温（約400 ℃または752 °Fまで）、中温（400～1,150 ℃または752～2,102 °F）、高温（1,150 ℃または2,102 °F以上）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加工が含まれます。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および一部の非金属の溶融、ならびに金属の焼きなまし、応力除去、および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、製錬、および一部の化学物質の製造が含まれます。