JP2004100347A - ロードヒーティングの制御方式 - Google Patents

Abstract

【課題】ロードヒーティングでは、降雪を検知して融雪運転を開始する場合融雪温度になるまで長時間かかっている。路面温度がマイナス温度から融雪温度に到達までの融雪立ち上り時間を短縮して、運転費用の削減が課題である。
【解決手段】発熱ユニットを埋設したロードヒーティング設備において、設置地域の降雪に対応した設計熱量より大きいピーク発熱量を持ち、設計熱量で連続して融雪運転したときの路面温度が運転開始から融雪温度に到達までの融雪立ち上がり時間より短いＯＮ・ＯＦＦ周期を持ち、設計熱量以上の平均発熱量の発熱パルスで、ＯＮ・ＯＦＦ制御する制御方法を第１手段とする。また第１手段において、ロードヒーティング部分を複数の区画に分割し、熱源装置と区画を並列に接続するロードヒーティング設備おいて、熱を一区画のみ供給し、その他は停止し、順次熱供給する区画を切り替える制御方法を第２手段とする。
【選択図】図１

Description

【００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、発熱体による発熱を利用して道路等の表面の雪氷を融解し除去するためのロードヒーティングの制御方法に関するものである。
【従来の技術】
【００２】
【特許文献１】特公　第３２７３１４７号
【特許文献２】特公　第２８２５４４３号
一般的にロードヒーティング設備は、設置地域の過去の気象条件等から、ほとんどの降雪に対応できるように設定した設計熱量を算出し、ロードヒーティング面積から給電装置または熱源装置の融雪能力を決定している。厳寒期に降雪を検知して前記設計熱量で連続して融雪運転を開始する場合、設計熱量に比べて路面の熱伝導特性が悪いため、マイナスの温度から融雪温度になるまで数時間かかる場合があり問題となっている。
【００３】ロードヒーティング制御技術は、前記融雪運転開始時の路面温度がマイナス温度から融雪温度に到達するまでの融雪立ち上り時間を、如何に短縮することが重要な課題の一つである。
この解決手段として、路面の温度を予め温めておく予熱運転が知られているが、寒冷地ほど消費熱量が増加する運転方法であり、予め温めておくため、直接融雪に係わらない無駄な熱エネルギーを消費するものである。
【００４】上述した課題を解決するために、特許文献１に記載された先行技術１は、第１，第２及び第３の発熱体とこれらに電力を供給する電源と、第１〜第３の発熱体のいずれか１つの発熱体を選択するとともに、残りの２つを選択してそれらを直列に接続し、所定の時間間隔で、選択する前記１つの発熱体が順次変わるように切り替えを行うスイッチング部を具備したことを特徴としている。すなわち先行技術１は、選択した１つの発熱体の高発熱量で路面の急激な温度上昇を図り、その後発熱体を直列接続して低発熱量で発熱して保温を図るサイクルを繰り返して融雪運転開始時の融雪立上がり時間を短縮するものである。
【００５】また上述した課題を解決するために、特許文献２に記載された先行技術２は、融雪運転開始時に準優先区画Ｂを停止し、優先区画Ａのみ優先して高い発熱密度すなわち高発熱量で急速融雪運転を行うことで優先区画Ａの融雪運転開始時の融雪立上がり時間を短縮して予運転を不要にするものである。そして融雪路面が融雪温度に到達後、優先区画Ａと準優先区画Ｂとを直列に接続して定常発熱量すなわち設計熱量で融雪運転に切替える方式である。
【発明が解決しようとする課題】
【００６】しかしながら、前記先行技術は、以下のような問題があった。
即ち、前記先行技術１は、制御対象の発熱ユニットに対して１個の電力用スイッチで最小構成できる従来技術と比較して、単独接続，直列接続の切り替え回路により３個の電力用スイッチと３つの発熱体が最小構成として必要となり、小規模のロードヒーティング設備には高価であった。
【００７】また前記先行技術２は、優先区画，準優先区画の区画設計に電力と面積との配分を考慮する点や、車両通行効果等の施工場所の特性を考慮する特殊性から施工場所が限定される課題と、前記先行技術１と同じく単独接続，直列接続の切り替え回路が必要となり、小規模のロードヒーティング設備には高価であった。
【００８】さらに先行技術２は、優先区画の融雪立上がり短縮のために準優先区画の定常融雪運転を停止して、優先区画の発熱量を大きくする方法をとっているため、厳寒期には優先区画と準優先区画の融雪状況に差が発生して道路利用者からのクレームの原因となる。このクレーム対策として、準優先区画を積雪センサー等の路面情報により融雪終了まで定常融雪運転を行うと、融雪完了後の優先区画も同様に定常融雪運転を実施することになり、直接融雪に係わらない無駄な熱エネルギーを消費するものである。
【００９】温水パイプ式のロードヒーティング設備に、先行技術１，先行技術２の単独接続，直列接続の考え方を適用しようと考えた場合、単独接続と比べた直列接続は、温水パイプの上流と下流側での融雪能力差が大きくなり融雪むらが発生する課題があった。
【０１０】また従来からある給電装置の能力を変えずにロードヒーティング面積の拡大を図る優先・非優先区画制御方式は、優先区画の融雪終了を優先して熱供給し、優先区画の融雪運転終了後、非優先区画の融雪運転を行う方式、または優先区画で融雪能力に余力が発生した場合、非優先区画にその余力熱量をまわす方式である。しかし本方式は、非優先区画の融雪処理を後回しにする低融雪品質化により融雪面積の拡大を図ることが目的であったため、低融雪品質化に伴う非優先区画のクレームが多く、また優先区画の発熱ユニットのピーク発熱量と設計熱量が同じ値で設計されており、設計熱量で連続して融雪運転を行う場合と比べて、融雪運転開始時の融雪立上がり時間を短縮する効果がなかった。
【０１１】本発明は、この様な課題を解決しようとするもので、融雪運転の開始時の融雪立上がり時間の短縮による融雪運転コスト削減と、温水パイプ式のロードヒーティング設備や、小規模ロードヒーティング設備等への適用範囲拡大を図ることが目的である。
【０１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の課題を解決したロードヒーティングの制御方法を提供するもので、道路若しくはその類似物の表面近傍に発熱線、温水パイプ等の発熱体からなる発熱ユニットを埋設し、スイッチやポンプ等で発熱量を制御する給電装置または熱源装置を備えたロードヒーティング設備において、ロードヒーティング設置地域の降雪に対応できるように設定した単位面積当りの融雪熱量である設計熱量より大きいピーク発熱量を持ち、前記設計熱量で連続して融雪運転を開始したときの路面温度が、融雪運転開始時のマイナス温度から融雪温度に到達するまでの融雪立ち上がり時間より短いＯＮ・ＯＦＦ周期を持ち、且つ前記設計熱量以上の時間当りの平均発熱量となる発熱パルスで、ＯＮ・ＯＦＦ制御することを特徴とするロードヒーティング制御方法を第１発明とする。
【０１３】
また第１発明において、ロードヒーティング部分を複数の区画に分割し、給電装置または熱源装置と前記区画を並列に接続するロードヒーティング設備おいて、給電装置または熱源装置から熱を分割した一つの区画のみ供給し、その他の区画を停止し、順次熱供給する区画を切り替えて熱を供給制御することを特徴とするロードヒーティング制御方法を第２発明とする。
【発明の実施の形態】
【０１４】
以下本発明の実施の形態を説明する。
第１発明は、道路若しくはその類似物の表面近傍に発熱線、温水パイプ等の発熱体からなる発熱ユニットを埋設し、スイッチやポンプ等で発熱量を制御する給電装置または熱源装置を備えたロードヒーティング設備において、ロードヒーティング設置地域の降雪に対応できるように設定した単位面積当りの融雪熱量である設計熱量より大きいピーク発熱量を持ち、前記設計熱量で連続して融雪運転を開始したときの路面温度が、融雪運転開始時のマイナス温度から融雪温度に到達するまでの融雪立ち上がり時間より短いＯＮ・ＯＦＦ周期をもつ発熱パルスで、ＯＮ・ＯＦＦ制御を行うことにより、前記設計熱量で連続して融雪運転を行う従来技術に比べ、発熱パルスのＯＦＦ時間中の路面温度低下が防止されて、且つ路面温度が融雪運転開始時のマイナス温度から融雪温度に到達するまでの融雪立ち上がり時間が短縮される。
【０１５】また厳寒期等で設計熱量に相当する降雪が長時間あった場合、設計熱量以上の時間当りの平均発熱量となる発熱パルスで融雪運転するため、施工時に計画した気象条件と降雪量に対応した融雪能力以上で融雪運転できる。
【０１６】第２発明は、ロードヒーティング部分を複数の区画に分割し、給電装置または熱源装置と前記区画を並列に接続するロードヒーティング設備、すなわち従来技術のロードヒーティング設備おいて、給電装置または熱源装置から分割した一つの区画に発熱パルスを供給し、並列したその他の区画を停止する方法にすることにより、設計熱量より大きいピーク発熱量を持つ発熱パルスで融雪運転できるため、融雪立上がり時間が短縮される。
【０１７】また、前記第２発明の場合、給電装置または熱源装置から前記区画へ並列接続しているため、路面温度センサー，積雪センサー等の路面情報センサーが分割した区画毎に設置でき、分割した区画毎に最適な融雪制御ができる。
【０１８】
【実施例】
次に本発明の実施の形態を実施例により説明する。
図１は、ロードヒーティング設備を概念的に示した図である。熱源装置１は、熱源器２，演算装置３、降雪センサー４及びＳＷ１，ＳＷ２から構成される。もちろん熱源装置１は、路面温度センサー，路面水分センサー，積雪センサー等の路面状況センサーを備える場合もあるが、ここでは説明しやすいように省略している。ＳＷ１，ＳＷ２は、ポンプ、弁又は電力用スイッチなどが使用できる。
【０１９】ロードヒーティング部分の発熱ユニット１、発熱ユニット２は、同じ面積で、同じ発熱仕様の同じ発熱容量を持つ温水パイプ式とします。前記発熱ユニット内の発熱体は、温水パイプの他に発熱線，面状発熱体、半導体式発熱体，ヒートパイプ等が使用できる。尚、各発熱ユニットの面積，発熱仕様，及び発熱容量は、異なるものを使用できるが、ここでは説明しやすいように同じものとしている。
熱源器２は、電力、ガス，石油等のボイラー、ヒートポンプ，燃料電池等の給電装置または熱源装置で、発熱ユニット１、発熱ユニット２に熱エネルギーを供給できる熱容量を持つものである。図１では、ロードヒーティング設備場所の気象条件の降雪に対応できる設計発熱量を２００Ｗ／ｍ２として、発熱ユニットＡ、発熱ユニットＢ同時に熱を供給できる熱容量を持つ熱源装置１とする。
【０２０】多くの実例から求められた経済的な設計発熱量は、関東以南の地方で１７０Ｗ／ｍ２、東北，北陸，道南地方で２００Ｗ／ｍ２、東北山間部，道央地方で２５０Ｗ／ｍ２、道東，道北地方で３００Ｗ／ｍ２が標準値とされている。また歩道橋の場合の設計発熱量は、東北，北陸，道南地方で２５０Ｗ／ｍ２、東北山間部，道央地方で３００Ｗ／ｍ２、道東，道北地方で３５０Ｗ／ｍ２が標準値とされている。
【０２１】演算装置３は、降雪センサー４からの降雪情報を基に、発熱パルスのＯＮ・ＯＦＦ周期になるようにＳＷ１，ＳＷ２を制御して融雪運転を行う機能を有する装置である。ここでは発熱パルスの形状を単純な方形波で説明するが、ノコギリ波，三角波，台形波等でもかまわない。
【０２２】図１の構成から設計発熱量で連続して融雪運転する従来例１について説明する。従来例１は、図２の１部分で降雪センサー４により降雪を検知すると、演算装置３がＳＷ１，ＳＷ２を同時にＯＮして設計発熱量２００Ｗ／ｍ２で融雪運転開始し、図２の２部分で降雪センサー４により降雪終了を検知し、降雪終了後の残雪がとけた図２の３で、ＳＷ１，ＳＷ２を同時にＯＦＦして融雪運転を終了する。
【０２３】本発明１の実施例１は、演算装置３が図２の４部分で降雪センサー４により降雪を検知すると、設計熱量により一定発熱量で融雪運転して融雪路面温度が融雪運転開始のマイナス温度から融雪温度に到達するまでの時間より短い前記発熱パルスのＯＮ・ＯＦＦ周期、例えば２０分ＯＮ，２０分ＯＦＦでＳＷ１を制御して発熱ユニット１に熱を供給する融雪運転を開始する。そして図２の５で降雪センサー４により降雪終了を検知後、６で融雪運転を終了する。実施例１のロードヒーティング部分は発熱ユニット１のみとして、常時ＳＷ２をＯＦＦしている発熱ユニット２は、実施例１の実施対象範囲外とする。
【０２４】発熱パルスのＯＮ・ＯＦＦ周期は、約１０分から約１２０分の周期が
適切である。
【０２５】このときの発熱パルスのピーク発熱量は、発熱面積が従来例１の半分となるため熱源器で加熱する温水量が減少し、温水パイプの中を流れる温水温度が上昇して設計熱量より大きいピーク発熱量の４００Ｗ／ｍ２となる。また発熱パルスによる発熱ユニットの時間当りの平均発熱量は、設計熱量と同じ２００Ｗ／ｍ２となる。
【０２６】前期発熱パルスと前記ＯＮ・ＯＦＦ周期の発熱パルスと前記発熱ユニットの時間当りの平均発熱量により、融雪運転の開始時に設計熱量２００Ｗ／ｍ２で一定発熱させる従来例１に比べて、路面温度が融雪運転開始のマイナス温度から融雪温度に到達する融雪立上がり時間が短縮される。この効果を、従来例１と実施例１の融雪運転開始時の路面温度上昇の差として図３に示す。
【０２７】図４に示す第２発明の実施例２は、７の部分で降雪センサー４により降雪を検知すると、実施例１の運転方法と同じく演算装置３が、設計熱量より大きいピーク発熱量の４００Ｗ／ｍ２と、設計熱量により一定発熱量で融雪運転して融雪路面温度が融雪運転開始のマイナス温度から融雪温度に到達するまでの時間より短い発熱パルス、例えば２０分ＯＮ，２０分ＯＦＦ周期と、且つ設計熱量以上の時間当りの平均発熱量２００Ｗ／ｍ２を持つ発熱パルスでＳＷ１をＯＮ・ＯＦＦ制御して発熱ユニット１の融雪運転を開始する。　次に演算装置３は、ＳＷ１がＯＦＦになった図４の９でＳＷ２をＯＮして、発熱ユニット１と同じ融雪運転を発熱ユニット２で開始する。
【０２８】ロードヒーティング部を複数の区画に分割した図１で説明すると、その後ＳＷ２をＯＦＦにして発熱体２を停止し、ＳＷ１をＯＮして発熱体１のみ供給し、次にＳＷ１をＯＦＦにしてＳＷ２をＯＮにし発熱体２のみに熱を供給することを順番に切り替えて融雪運転終了の図４の１０まで融雪運転する。
【０２９】また発熱ユニット１、発熱ユニット２は、ピーク発熱量４００Ｗ／ｍ２の
同じ発熱パルスと、２０分ＯＮ，２０分ＯＦＦの同じ周期の発熱パルスと、図４の７から８と９から１０までの同じ融雪運転時間により、発熱ユニット１と発熱ユニット２の総熱供給量が同じとなり融雪状況に差が発生しない。
【０３０】さらに実施例２で発熱ユニット毎に路面状況に応じた個別融雪運転を行う場合は、発熱ユニット１，発熱ユニット２毎に、路面温度センサー，路面水分センサー，積雪センサー等の路面状況センサーを設置して演算装置３が最適な融雪運転時間を決定して融雪運転を行う。実施例２は、２分割制御であったが、さらに多くの区画、又は発熱体に分割して制御できる。
【０３１】また本特許は、揚水井からくみ上げた地下水，貯湯槽、又は熱交換器を熱源器、放熱体を発熱体と読み替えることで、無散水消雪設備にも適用できる。
【０３２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の請求項１によれば、ロードヒーティング設置地域の降雪に対応できるように設定した単位面積当りの融雪熱量である設計熱量より大きいピーク発熱量を持ち、前記設計熱量で連続して融雪運転を開始したときの路面温度が、融雪運転開始時のマイナス温度から融雪温度に到達するまでの融雪立ち上がり時間より短いＯＮ・ＯＦＦ周期を持ち、且つ前記設計熱量以上の時間当りの平均発熱量となる発熱パルスで、ＯＮ・ＯＦＦ制御することにより、発熱パルスＯＦＦ時間中の路面温度低下が防止され、かつ路面温度が上昇し融雪運転開始時の融雪立上がり時間が短縮する効果がある。
【０３３】また、本発明の請求項１は、電気を発熱源とする発熱ユニットに対して１個の電力用スイッチで構成できるため、単独接続，直列接続切り替え回路が必要な先行技術１，先行技術２と比較して、低価格で小規模のロードヒーティング設備に適用できる。
【０３４】先行技術１，先行技術２の特徴である発熱ユニットを単独接続と直列接続に切り替える操作がないため、温水パイプの上流と下流側での融雪能力差が大きくなり融雪むらが発生する課題が発生しないので温水パイプ式ロードヒーティング設備等に適用できる。
【０３５】また、本発明の請求項２によれば、ロードヒーティング部分を複数の区画に分割し、給電装置または熱源装置と前記区画を並列に接続するロードヒーティング設備おいて、給電装置または熱源装置から熱を分割した一つの区画のみ供給し、その他の区画を停止し、順次熱供給する区画を切り替えて熱を供給制御できるため、既設の温水パイプ式ロードヒーティング設備の制御部分等の一部を改修することにより、融雪運転開始時の融雪立上がり時間が短縮される効果がある。
【０３６】また、前記請求項２の場合、給電装置または熱源装置と分割した区画が並列接続のため、分割した区画毎に積雪センサー等の路面情報により最適な制御ができ、先行技術２の優先区画と準優先区画の融雪状況に差による無駄な熱エネルギーの課題を解決できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】「ロードヒーティング設備の概念図である。」
【図２】「従来例１と実施例１の発熱量と融雪運転の時間関係図である。」
【図３】「従来例１と実施例１の融雪運転開始時の路面温度上昇図である。」
【図４】「実施例２の発熱量と融雪運転の時間関係図である。」
【符号の説明】
１：熱源装置１
２：熱源器２
３：演算装置３
４：降雪センサー４
５：発熱ユニット１
６：発熱ユニット２
Ａ：設計発熱量で連続して融雪運転した従来例１の路面温度
Ｂ：発熱パルスで融雪運転した実施例１の路面温度

Claims (2)

1. 道路若しくはその類似物の表面近傍に発熱線、温水パイプ等の発熱体からなる発熱ユニットを埋設し、スイッチやポンプ等で発熱量を制御する給電装置または熱源装置を備えたロードヒーティング設備において、ロードヒーティング設置地域の降雪に対応できるように設定した単位面積当りの融雪熱量である設計熱量より大きいピーク発熱量を持ち、前記設計熱量で連続して融雪運転を開始したときの路面温度が、融雪運転開始時のマイナス温度から融雪温度に到達するまでの融雪立ち上がり時間より短いＯＮ・ＯＦＦ周期を持ち、且つ前記設計熱量以上の時間当りの平均発熱量となる発熱パルスで、ＯＮ・ＯＦＦ制御することを
   特徴とするロードヒーティング制御方法。
2. 請求項１において、ロードヒーティング部分を複数の区画に分割し、給電装置または熱源装置と前記区画を並列に接続するロードヒーティング設備おいて、給電装置または熱源装置から熱を分割した一つの区画のみ供給し、その他の区画を停止し、順次熱供給する区画を切り替えて熱を供給制御することを特徴とするロードヒーティング制御方法。

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