ヒートポンプおよび冷凍システム向けの、より高度な除霜モデリング

2026年にパデュー大学で開催されるヘリック・カンファレンスで、モデロンの新たな研究成果が発表されます

ヒートポンプ、冷凍システム、HVAC&R機器、およびエネルギー多消費型施設の熱管理に携わるシミュレーション・熱工学技術者にとって、霜の発生は単なる運転上の煩わしさにとどまりません。それはシステムレベルの性能問題なのです。

コイルに霜が蓄積すると、熱伝達、気流、圧力損失、エネルギー消費、および制御挙動に変化が生じます。除霜が早すぎると、システムはエネルギーを浪費します。遅すぎると、性能が低下し、霜が次の運転サイクルに持ち越される可能性があります。いずれの場合も、エンジニアは効率、快適性、能力、信頼性、および試験時間のバランスを取らざるを得ません。

そのため、Modelonは、間もなく開催されるパデュー大学でのヘリック・カンファレンスにおいて、霜および除霜モデリングに関する新たな研究成果を発表します。本プレゼンテーションでは、Modelon Impactにおける、物理ベースの動的霜および除霜シミュレーションに焦点を当てた研究結果をご紹介します。その目的は実用的なものであり、エンジニアリングチームが、リバースサイクル除霜の最適な開始・停止条件、およびそれらの決定が繰り返される運転サイクルを通じてシステムの性能にどのような影響を与えるかを、より深く理解できるよう支援することです。

なぜ霜と除霜にシステムレベルでの配慮が必要なのか

ヒートポンプは、電化・低炭素暖房の要です。しかし、寒冷で湿気の多い環境下では、ある厄介な理由によりその性能が急激に低下してしまいます。その原因とは「霜」です。室外コイルの温度が氷点下になると、空気中の水分が表面に凍りつきます。霜の形成は熱伝達と物質移動が連動した問題ですが、その影響はシステム全体に及びます。コイルに霜が蓄積すると、それは断熱層のように作用し、利用可能な気流経路を狭めます。霜の形成は熱伝達と物質移動が連動した問題であるため、その影響はシステム全体に及び、次のような結果を招く可能性があります：

• 熱伝達性能の低下
• 蒸発能力の低下
• 性能係数（COP）の低下
• 運転時のエネルギー消費量の増加
• 不完全な除霜やサイクル間の霜の持ち越しのリスク増加

ヒートポンプや冷凍用途において、逆サイクル除霜は一般的な解決策です。しかし、これには代償が伴います。除霜中は、有用な冷暖房を提供する代わりに、エネルギーが室外コイルの除霜に振り向けられます。この中断は、居住者の快適性、機器の効率、そしてシステム全体の性能に影響を及ぼす可能性があります。これは、効率、信頼性、および動作範囲に対する注目が高まっている、HVAC&R、商業用冷凍、ヒートポンプ、データセンターの熱管理システムに携わるエンジニアリングチームにとって、特に重要な課題です。.

モデロンがHerrickで発表する内容

間もなく開催されるHerrick Conferencesにおいて、私はModelonの熱交換器ライブラリ（HXL）にネイティブで搭載された結霜および除霜のモデリング機能に関する研究を発表します。これは、エンジニアが結霜や逆サイクル除霜の挙動を調査するためだけに、既存のHXLベースのシステムモデルを空調ライブラリ（ACL）に移行する必要がなくなったという点で重要です。結霜および除霜の物理現象は、単一のライブラリ、冷媒、またはコイルの種類から切り離されました。

Modelon Impactのユーザーにとっては、これは、すでに使用しているシステムアーキテクチャ内で結霜を考慮した解析が可能になることを意味します。システムシミュレーションをより広範に評価しているチームにとっては、物理ベースのモデリングが、コイルの設計、制御、エネルギー使用、および運転戦略に関する、より早期かつ情報に基づいた意思決定をいかに支援できるかを示しています。

モデルが捉えるもの

この霜および除霜モデルは、エンジニアが繰り返される運転サイクル全体を通じて調査する必要がある挙動を再現するように設計されています。固定のファウリング係数を適用するのではなく、このモデルでは霜を、霜の成長や融解に伴い変化する動的な熱抵抗として表現しています。

システムモデルでは、以下の要素を考慮しています：

• 運転中の霜の成長
• 除霜および融解挙動
• 融解水の排水
• 残留水の再凍結
• 繰り返しサイクルにわたる霜の持ち越し
• 経時的な熱抵抗およびシステム性能の変化

これが重要なのは、実際のシステムが孤立した単一サイクルの条件下で動作することはないからです。排水や除霜が不完全だと、コイル上に霜や水が残留し、それが再凍結して後のサイクルの性能を低下させる可能性があります。これらの影響を無視したモデルでは、性能を過大評価したり、重要な制御上のトレードオフを見逃したりする恐れがあります。

これがエンジニアやエンジニアリングマネージャーにとって重要な理由

シミュレーションエンジニアにとっては、試験データだけでは特定が難しい過渡挙動をより深く把握できるという価値があります。熱設計エンジニアにとっては、結霜の発生、熱伝達の低下、および除霜後の回復の背後にある物理的メカニズムを評価する手段となります。エンジニアリングマネージャーにとっては、ハードウェアや制御システム、あるいは長期にわたる試験計画に正式に着手する前に、設計リスクを低減する方法を提供します。

チームは、システムシミュレーションによって初めて可能になった以下の疑問に答えられるようになりました

• どのような運転条件が、霜に関連する著しい性能低下を引き起こすのか？
• エネルギーを無駄にすることなくコイルの霜を取り除くには、除霜をどのくらいの時間実行すべきか？
• 除霜のタイミングは、快適性、COP、および能力にどのような影響を与えるか？
• 複数の霜の付着と除霜のサイクルを繰り返すと、どのようなことが起こるのか？
• 適応型除霜制御は、固定タイマー方式のロジックよりも優れた性能を発揮できるか？

これらは単なるコンポーネントレベルの疑問ではありません。熱交換器、コンプレッサー、膨張装置、冷媒ループ、制御システム、および周囲の熱システムを含む、システムレベルでの視点が必要です。

調査結果の概要

本研究では、さまざまな除霜サイクル戦略を比較し、タイミングがエネルギー消費、快適性、および霜の持ち越しにどのような影響を与えるかを評価した。

一例として、長い除霜サイクルと短い除霜サイクルを比較した。長いサイクルでは霜は完全に除去されたが、コンプレッサーのエネルギー消費量が著しく増加し、快適性が損なわれる期間も長くなった。一方、短いサイクルでは1回の除霜あたりのエネルギー消費量は減少したが、コイルの霜が完全に除去されず、サイクルをまたいで霜が持ち越され、蓄積することになった。

重要なポイントは、どちらの極端なケースも理想的ではないということです。

本研究は、中程度の除霜タイミング戦略を採用することで、霜の持ち越しを回避しつつ、不要なエネルギー損失を削減できることを示唆しています。この比較事例では、中程度のタイミングを採用することで、霜の持ち越しを回避し、長い除霜サイクルに比べてエネルギー損失を削減し、快適性への影響の持続時間を短縮することができました。

詳細な結果、方法論、および除霜制御戦略への示唆については、会議で発表される予定です。

固定タイマーから適応型除霜戦略へ

多くの除霜戦略は、依然として固定タイマーや、最悪の条件を想定して設定された保守的な閾値に依存しています。これは安全である一方、通常の条件下ではエネルギーの無駄遣いになったり、湿度、温度、負荷、気流の変化を十分に考慮できていない可能性があります。

物理ベースのシステムモデルは、より適応性の高い制御開発の基盤となります。エンジニアは、時間に基づく仮定のみに依存するのではなく、システムの挙動や運転条件に応じて反応する戦略を評価できるようになります。これには、性能の低下に基づいて除霜を開始するタイミング、霜の除去状況に基づいて除霜を終了するタイミング、そしてそれらの判断が時間の経過とともにエネルギー消費や快適性にどのような影響を与えるかを検討することが含まれます。

ヒートポンプ、冷凍システム、HVAC&R機器、データセンターの熱インフラなど、効率と信頼性が極めて重要な用途において、こうしたトレードオフの検討はますます重要になってきています。

Modelon Impact でのシステムシミュレーション向けに構築

この結霜・除霜機能は、Modelica を基盤とする Modelon のクラウドネイティブシステムシミュレーションプラットフォーム「Modelon Impact」上で動作します。この機能は HXL と統合されているため、エンジニアは結霜挙動を孤立したコイル補正として扱うのではなく、システムモデル全体という文脈の中で検討することができます。

つまり、チームは、コンプレッサーの動作、熱交換器の性能、制御、冷媒の選定、および二次ループとの相互作用と併せて、霜および除霜の挙動を評価することができます。

Herrick Conferencesで詳細をご覧ください

2026年7月12日から16日にかけてパデュー大学で開催される「2026 Herrick Conferences」にて、この霜および除霜モデリング研究の詳細と結果について発表する予定です。

貴チームの研究対象が、ヒートポンプ、冷凍システム、HVAC&R機器、あるいは除霜挙動が効率、信頼性、快適性に影響を与える熱システムである場合、本研究を通じて、システムシミュレーションがいかに優れた設計および制御の意思決定を支援できるかをより深く理解していただけるでしょう

カンファレンスの前後で、さらに詳しく知りたい方はいらっしゃいますか？

お問い合わせいただければ、Modelon ImpactおよびHeat Exchanger Libraryが、貴社の熱システムシミュレーションワークフローをどのように支援できるかをご案内いたします。