インバーター技術が HVAC システムにどのように変革をもたらしたか

インバーター技術は、HVAC の世界の縁の下の力持ちです。 当初は主にハイエンドのダクトレス HVAC 機器で使用されていましたが、現在ではより幅広いシステムに組み込まれています。 特に、空気熱源ヒートポンプ (ASHP) は、占有スペースの正確な需要に合わせて機器の加熱または冷却出力を調整するインバーター駆動コンプレッサーの使用から恩恵を受けています。 さらに、インバーターによりヒートポンプを低速で動作させ、消費エネルギーを削減できるため、大幅なエネルギー節約と二酸化炭素排出量の削減につながります。

寒冷地用ヒートポンプ (CCHP) の開発も、インバーター技術の統合によって可能になり、氷点下の屋外温度でもコンプレッサーの速度を調整して効率的に動作できるようになりました。 インバーター技術により、ヒートポンプは現在利用可能な最も持続可能でエネルギー効率の高い冷暖房ソリューションの 1 つになったと簡単に主張できます。

可変周波数ドライブ (VFD) または可変速度ドライブ (VSD) としても知られるインバーター技術は、コンプレッサーを調整して HVAC システムの出力を制御します。

「簡単に言うと、インバーター技術は、モーターを100%または0%の速度で動作させ、中間のオプションがない従来のシステムとは対照的に、コンプレッサーモーターの速度を調整して、幅広い動作パラメータにわたる負荷需要に合わせて調整します。」と同氏は述べた。 Trane Technologies Residential HVAC and Supply のエンジニアリングおよびテクノロジー担当バイスプレジデントである Katie Davis 氏は次のように述べています。

最適な快適さ:可変速システムは、お客様に最高の温熱快適性を提供できるように設計されています。 (トレーン提供)

たとえば、従来のシングルスピード システムでサーモスタットが 75°F に設定されており、空間内の温度がその設定値を超えて上昇した場合、コンプレッサーは温度が設定値に達するまで 100% の能力で動作します。サーモスタットだとデービス氏は語った。

「可変速システムでは、インバーター技術がコンプレッサーモーターの速度を設定値に調整し、望ましい温度を達成できるようにします」と彼女は言いました。 「この種のシステムでは、同じ温度要件を満たすために、コンプレッサーは 1 日を通してオンとオフの 100% 速度ではなく、オンとオフで 25% の速度でのみ動作する可能性があります。」

インバーターは、モーター電源の周波数を変更し、コンプレッサーの回転数を調整して容量や出力を管理する電子部品です。 ダイキンの住宅製品マーケティング担当バイスプレジデント、スコット・サルベージ氏によると、インバーターは基本的にコンプレッサーに対し、指定された時間内に希望の室温に到達するために特定の速度で動作するよう指示する。 HVAC システムの温度変化が速すぎるか遅すぎる場合、インバーターはそれに応じてコンプレッサーの速度を調整し、必要に応じて速度を上げたり下げたりします。

Salvage 氏は、インバーターを車のクルーズ コントロール機能に例え、「一般的な単段 HVAC システムは、100% の容量でのみオン/オフしますが、これは車の中でペダルを踏み込むようなものです。これと比較してください。」 「車のクルーズ コントロールを使用して、望ましい速度を維持します。車の磨耗が少なく、騒音も少なく、快適であり、燃費も確実に向上します。」

完全な補償範囲:北米では、ダクトレスおよび VRV ソリューションの 100% がインバータ駆動のコンプレッサーを使用しています。 （ダイキン社提供）

インバーター技術は、スクロール、ロータリー、レシプロ、遠心式、スクリュー コンプレッサーなど、ほぼあらゆる種類のコンプレッサーや、ほとんどの種類の住宅用および商業用 HVAC システムで使用できます。 サルベージ氏は、北米以外の多くの国では長年にわたってインバータが必要な技術であると指摘しました。 同氏によると、北米ではダクトレスおよびVRV/VRFソリューションの100%がインバータ技術を使用しているが、住宅用ダクトセクターの占める割合は市場全体の5%未満であり、商用の屋上パッケージシステムのそれよりもさらに少ないという。

インバーター技術は、HVAC システムのエネルギー需要を削減することで二酸化炭素排出量の削減に貢献するため、さらに普及する可能性があります。

「インバータは、需要と負荷に基づいて制御された出力変動を提供します」と富士通の営業担当副社長、デニス・スティンソン氏は述べています。 「負荷計算では、システム設計者が最大限の極端な値を考慮する必要があるため、装置は運用需要の大部分に対して過剰なサイズになることがよくあります。出力を需要に合わせることで、エネルギー使用量を削減できます。」

インバータ システムは、所望の温度を維持するために必要な速度でのみ動作するため、特に部分負荷条件では、低速で動作することが多く、これによりエネルギー消費が減り、効率が向上します。 これは最終的に、運用中の二酸化炭素排出量の削減に大きな効果をもたらすとサルベージ氏は述べた。

誘導されたメリット:富士通は、インバータ技術を備えたユニットを含む、容量 1.5 ～ 5 トンのモデルと最大 18 SEER の効率を備えたユニタリー ヒートポンプのフルラインを提供しています。 （富士通提供）

低速:インバーター システムは、必要な温度を維持するために必要な速度でのみ動作し、速度が遅いほどエネルギー消費が少なくなり、効率が向上します。 （ダイキン社提供）

「さらに、米国とカナダの大部分は、住宅や建物の暖房に化石燃料に依存し続けている」と同氏は述べた。 「インバーター ヒート ポンプ システムは、0°F をはるかに下回る用途で全電気によるエネルギー効率の高い暖房を提供することで、化石燃料暖房の代替手段を提供します。NEEP 寒冷気候 ASHP 仕様を満たす製品の 100% がインバーター ベースであることは注目に値します。寒冷地で効果的な熱源として機能するこの技術の優れた能力を反映したソリューションです。」

また、インバーター技術は、非インバーターの 1 段または 2 段 HVAC システムでよく経験される不快な温度変動を防ぐのに役立つため、快適性も向上するとサルベージ氏は述べています。

「インバーター システムは、より早く希望の快適設定に達することができ、温度変動を最小限に抑えることができ、空間内でより快適な空間を実現します。また、インバーター システムは通常、より長い運転サイクルで動作するため、家の空気がより長期間濾過され、快適性の向上に役立ちます」 IAQ。」

インバーター技術を利用したシステムは、湿度の制御にも優れているとデイビス氏は言います。 それは、従来のシステムでは、住宅所有者や事業主が夏の間、湿気を除去するために空間を過剰に冷却する必要があり、その結果、不快な環境になることが多いためです。

「可変速システム（インバーター技術）は、湿気を除去するためにサーモスタットの設定値を変更する必要がなく、24時間温度を制御するために機能します」と彼女は言いました。 「可変速度システムのコンプレッサー性能の幅広い変動により、1 日を通して優れた湿度制御が可能になります。」

また、インバーター駆動システムは、メーカーの指示や地方自治体の条例に従って設置した場合、すべての機器の選択肢の中で最も静かなものの 1 つであるとスティンソン氏は述べています。 「これは、ノイズに敏感なゼロロット分譲地やその他の近接した配置で選択される機器であることがよくあります。」

インバータ技術を採用したシステムの設置は従来の機器の設置と同様ですが、これらのシステムが許容する動作パラメータの範囲が広いため、可変速機器の起動には若干の違いがあるとデイビス氏は指摘しました。

「これらは各家庭や企業向けに特別に構成されており、スペースのニーズに合わせて調整する必要があるゾーニング システムなどの追加アクセサリも考慮に入れています」と彼女は言いました。 「可変速システムは、お客様に最高の熱的快適性を提供するように設計されています。ファン、モーター、その他のコンポーネントは、システムと関連アプリケーション向けに設計されています。」

そのため、インバーター技術は完全なシステムの一部として動作するため、既存の機器に簡単に後付けすることはできません。

「インバータベースのシステム内には、容量制御とエネルギー最適化の手段として冷凍サイクルを形成する追加のセンサーとコンポーネントがあります」とサルベージ氏は述べています。 「インバータ駆動PCBモジュールもありますが、これは非インバータユニットの従来のPCBとは大きく異なります。これらの状況を考慮すると、現場で従来のシステムをインバータ技術で改修することは現実的ではありません。」

既存の機器に後付けすることはできないとしても、米国が戦略的な電化を推進し、炭素排出に取り組むにつれ、インバーター技術は新しいシステムでさらに普及する可能性が高いとスティンソン氏は述べた。

「連邦政府、州政府、公益事業者の奨励金に加え、効率規制を満たすための従来型機器のコスト上昇により、インバーター技術はあらゆる HVAC アプリケーションにとって健全なソリューションとなっています」と同氏は述べています。

Davis 氏もこれに同意し、可変速システムの将来性は強いと指摘しています。

「これらのシステムのエネルギー効率の向上により、業界は二酸化炭素排出量の削減をさらに進めることができます。さらに、消費者に改善された温熱快適性プロファイルを提供できるため、これらのシステムは家庭や企業の暖房および/または冷房において最優先の選択肢となっています。」 」

2023 年の初めに、エネルギー省 (DOE) は、HVAC システムのエネルギー効率の測定方法の変更と、許容される最小効率の引き上げを義務付けました。 新しい基準の下では、住宅設備の最小効率は約 7%、または 1 SEER ポイントに相当します。 さらに、改訂されたテスト手順により、SEER、HSPF、EER の代わりに SEER2、HSPF2、および EER2 の新しい指標が使用されるようになりました。 しかし、これらの指標がインバーター技術によって実現できる真のエネルギー節約を反映しているとは信じていない人もいます。

「残念ながら、インバータ技術システムの効率上の利点は、新しく採用されたSEER2およびHSPF2効率指標の時代遅れのテスト指標では引き続き適切に測定されていません」とダイキンの住宅製品マーケティング担当バイスプレジデントのスコット・サルベージ氏は述べています。 「冷却効率 (SEER2) と加熱効率 (HSPF2) は両方とも、100% の容量で測定された非インバーター技術に基づいています。インバーターベースのシステムは通常、かなり低い容量レベルで動作し、電力を消費します。したがって、効率の利点は認識されていません」これらの新しい SEER2 および HSPF2 効率指標による。」

サルベージ氏は、DOEが確立した新しいエネルギー基準は効率、脱炭素化、送電網の最適化を強化する可能性が高いが、税還付やその他の奨励金を通じてHVACシステムにおけるインバーター技術の広範な採用を奨励することで、さらに重要な進歩が実現する可能性があると付け加えた。

ジョアンナ・ターピンは上級編集者です。 彼女への連絡先は、248-786-1707 または [email protected] です。 Joanna は 1991 年から BNP Media に入社し、最初は同社の技術書籍部門を率いていました。 彼女はワシントン大学で英語の学士号を取得し、イースタンミシガン大学で技術コミュニケーションの修士号を取得しました。