JP2009275941A - 温水暖房装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温水往き温度をできるだけ低下させて熱ロスを減らすと共に、室温を制御することができるようにした温水暖房装置の制御方法を提供する。
【解決手段】熱源機で加熱した温水を複数の温水暖房端末器へ循環させて建物の暖房を行う温水暖房装置において、以下の式１〜式４によって目標温水往き温度Ｔｏｓを算出し、（式１）ｗ＝ＱＡ（Ｔｓ−Ｔａ）／Ｎ、（式２）Ｔ＝ｆ（ｗ）＋Ｔｓ、（式３）ΔＴ＝ＱＡ（Ｔｓ−Ｔａ）／Ｆ・ｋ、（式４）Ｔｏｓ＝Ｔ＋（ΔＴ／２）、熱源機から送出する温水往き温度Ｔｏがこの目標温水往き温度Ｔｏｓになるように熱源機の出力を制御すると共に、熱源機に戻ってくる温水戻り温度Ｔｉの安定後に、式５によってＱＡの値を算出し、（式５）ＱＡ＝（Ｔｏ−Ｔｉ）Ｆ・ｋ／（Ｔｓ−Ｔａ）、式５で算出されたＱＡの値を用いて式１〜式４によって目標温水往き温度Ｔｏｓを再度算出するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱源機で加熱した温水を建物内に配置された複数の温水暖房端末器へ循環させて暖房を行う温水暖房装置の制御方法に関するものである。

従来よりこの種の温水暖房装置おいては、特許文献１に示すように、熱源機で加熱した温水を建物内に配置された複数の床暖房パネルへ並列に循環させて暖房を行う温水暖房装置において、床の温度設定が一番高い暖房系統の温水の戻り温度が設定温度になるように温水往き温度を増減させ、この温水往き温度となるように熱源機の加熱量を制御すると共に、床温設定が一番高い暖房系統以外の暖房系統では、温水戻り温度が設定温度付近の所定範囲に入るように熱動弁を開閉するようにし、温水往き温度をできるだけ低下させて熱ロスを減らすようにしたものがあった。

一方、温水コンベクターや温水ラジエーターを用いた暖房システムにおいては、特許文献２に示すように、温水コンベクターや温水ラジエーターの温度を高めに保持して、各端末の温水出入口に設けたサーモバルブおよびサーモヘッドで雰囲気温度が設定室温を超えると温水の循環量を抑制することによって室温を制御するようにしているものがあった。
特開２００８−２５９４５号公報 特開平０８−１５２１５１号公報

しかし、この特許文献１のものにおいては、床暖房パネルがユーザーにより設定される設定温水戻り温度近傍の温度になるように、温水の戻り温度に基づいて熱源機が制御されるのみであるので、外気温度の変動による暖房負荷の増減については全く考慮されていないため過乗暖房や暖房不足が生じ、室温を制御することができないものであった。

また、特許文献２のものにおいては、サーモバルブおよびサーモヘッドで室温が制御できるものの、温水往き温度あるいは温水戻り温度を高くせざるを得ないため、放熱ロスが多く発生してしまうものであった。

そこで、本発明は、温水往き温度をできるだけ低下させて熱ロスを減らすと共に、室温を制御することができるようにし、温水コンベクターや温水ラジエーターを用いた全館暖房に特に好適な温水暖房装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達するため、熱源機で加熱した温水を複数の温水暖房端末器へ循環させて建物の暖房を行う温水暖房装置において、下記の式１から端末１台当たりの平均暖房出力ｗを算出し、（式１）ｗ＝ＱＡ（Ｔｓ−Ｔａ）／Ｎ、（ｗ：端末１台当たりの平均暖房出力、Ｑ：建物の熱損失係数、Ａ：建物の床面積、Ｔｓ：設定暖房室温、Ｔａ：外気温度、Ｎ：建物に設置された温水暖房端末器の数）、予め記憶されている温水暖房端末器１台当たりの暖房出力と端末内部の平均温度から設定室温を差し引いた値との相関データを用い、下記の式２から端末内部平均温度Ｔを導出し、（式２）Ｔ＝ｆ（ｗ）＋Ｔｓ、（Ｔ：端末内部平均温度、ｆ（ｗ）：相関データのｗでの値）、下記の式３から端末出入口温度差ΔＴを算出し、（式３）ΔＴ＝ＱＡ（Ｔｓ−Ｔａ）／Ｆ・ｋ、（ΔＴ：端末出入口温度差、Ｆ：温水循環流量、ｋ：係数）、下記の式４から目標温水往き温度Ｔｏｓを算出し、（式４）Ｔｏｓ＝Ｔ＋（ΔＴ／２）、（Ｔｏｓ：目標温水往き温度）、熱源機から送出する温水往き温度Ｔｏがこの目標温水往き温度Ｔｏｓになるように熱源機の出力を制御すると共に、熱源機に戻ってくる温水戻り温度Ｔｉの安定後に、下記の式５によってＱＡの値を算出し、（式５）ＱＡ＝（Ｔｏ−Ｔｉ）Ｆ・ｋ／（Ｔｓ−Ｔａ）、（Ｔｏ：温水往き温度、Ｔｉ：温水戻り温度）、前記式５で算出されたＱＡの値を用いて前記式１〜式４によって目標温水往き温度Ｔｏｓを再度算出するようにした。

さらに、下記の式６から目標温水戻り温度Ｔｉｓを算出し、（式６）Ｔｉｓ＝Ｔ−（ΔＴ／２）、（Ｔｉｓ：目標温水戻り温度）熱源機に戻ってくる温水の実際の温水戻り温度Ｔｉが前記目標温水戻り温度Ｔｉｓから一定値以上離れて安定した後に、前記式５によってＱＡの値を算出するようにした。

前記熱源機として、圧縮機と冷媒−水熱交換器と減圧手段と空気熱交換器を有したヒートポンプ式加熱手段を用いるようにした。

以上の制御方法とすることで、温水往き温度をできるだけ低下させて熱ロスを減らすと共に、室温を制御することができるようになった。

次に、本発明の第１の実施形態であるヒートポンプ式の貯湯式給湯暖房装置について、図面に基づいて説明する。
１は湯水を貯湯する貯湯タンク、２は貯湯タンク１底部に接続された給水管、３は貯湯タンク１上部に接続された給湯管、４は貯湯タンク１内の湯水を循環加熱するヒートポンプ式加熱手段、５は貯湯タンク１底部とヒートポンプ式加熱手段４の入水側を接続するＨＰ往き管６とヒートポンプ式加熱手段４の出湯側と貯湯タンク１上部とを接続するＨＰ戻り管７から構成されるヒーポン循環回路である。

８は温水コンベクターや温水ラジエーター等の温水を循環させて暖房を行うための温水暖房端末器、９は貯湯タンク１内の湯またはヒートポンプ式加熱手段４で加熱した湯を循環させて温水暖房端末器８を循環する二次側暖房循環水を加熱するための暖房用熱交換器、１０は温水暖房端末器８と暖房用熱交換器９とを暖房循環水を循環させる二次側循環回路、１１は二次側循環回路１０に設けられた二次側循環ポンプである。

ここで、前記複数の温水暖房端末器８は温水往きヘッダー１２と温水戻りヘッダー１３によって二次側循環回路１０に並列に接続されて建物内の必要な箇所に配置されていると共に、各温水暖房端末器８の温水出入口には、雰囲気温度に応じて温水暖房端末器８内部へ流通する温水流量を調整するためのサーモバルブ１４およびサーモヘッド１５が設けられ、温水暖房端末器８の設置されている雰囲気温度がサーモヘッド１５で設定された温度になるようにサーモバルブ１４の開度が調整される。

１６は暖房用熱交換器９に湯を供給するための熱交往き管１７と暖房用熱交換器９を流出した湯を貯湯タンク１の下部へ戻すための熱交戻り管１８を備えた一次側循環回路、１９は一次側循環回路に設けられた一次側循環ポンプ、２０はＨＰ戻り管７と熱交往き管１１と接続した位置に設けられた分配弁で、ヒートポンプ式加熱手段４で加熱した湯を暖房用熱交換器９と貯湯タンク１とに任意の割合で分流するものである。

２１は暖房用熱交換器９の一次側の入口側に設けられれ一次側入口温度Ｔ１ｉを検出する一次側入口温度センサ、２２は一次側の出口側に設けられ一次側出口温度Ｔ１ｏを検出する一次側出口温度センサ、２３は二次側の入口側に設けられて温水暖房端末器９からの戻り温度である二次側入口温度Ｔｉを検出する二次側入口温度センサ、２４は二次側の出口側に設けられて温水暖房端末器９への往き温度である二次側出口温度Ｔｏを検出する二次側出口温度センサ、２５は二次側全体の温水循環流量を検出する流量センサである。

次に、前記ヒートポンプ式加熱手段４について詳細に説明すると、２６は冷媒を圧縮して高圧にする圧縮機、２７は冷媒と水との間で熱交換させる冷媒−水熱交換器、２８は開度調整可能な電子膨張弁よりなる温度低下した冷媒を減圧する減圧手段、２９は低温低圧の冷媒と空気とを熱交換させて蒸発させる空気熱交換器、３０は空気熱交換器２９に空気を強制的に送る送風機であり、これらによってヒートポンプサイクル３１を構成している。

３２はヒーポン循環回路５の途中に設けられたヒーポン循環ポンプ、３３は外気温度Ｔａを検出する外気温度センサ、３４は冷媒−水熱交換器２７の水入口側に設けられ入水温度Ｔｈｐｉを検出するヒーポン入水温度センサ、３５は冷媒−水熱交換器２７の水出口側に設けら出湯温度Ｔｈｐｏを検出するヒーポン出湯温度センサである。

そして、３６は貯湯タンク１の側面上下に複数設けられ貯湯タンク１内の貯湯温度を検出する貯湯温度センサ、３７は暖房運転の指示を行う運転スイッチ３８と全館の設定温度を設定する温度設定スイッチ３９と温度表示器４０を備えると共に、装置全体の初期設定値の入力を行うことが可能な暖房リモコン、４１は各センサの検出値が入力されて演算を行い各アクチュエータの作動を制御する制御装置で、試験等によって決められた各種のデータが設定記憶されているものである。

次に、本発明のヒートポンプ式の貯湯式給湯暖房装置の作動について説明する。
まず、深夜時間帯になると、制御装置４１は、ヒートポンプ式加熱手段４とヒーポン循環ポンプ３２を作動し、貯湯タンク１下部から取り出した水を加熱して貯湯タンク１上部へ戻すようにして貯湯運転を行う。このとき、分配弁２０は貯湯タンク１側を全開として沸き上げた温水が全て貯湯タンク１の上部から戻るようにしている。

そして、蛇口（図示せず）が開かれると、給水管２から市水が貯湯タンク１底部に流入し、貯湯タンク１上部から湯が給湯管３を介して蛇口から給湯され給湯運転が行われるものである。

次に、暖房運転を行う際の作動について説明する。暖房運転の要求があると、制御装置４１は、ヒートポンプ式加熱手段４とヒーポン循環ポンプ３２と一次側循環ポンプ１９を作動させると共に、二次側循環ポンプ１１を一定の能力で作動させる。このとき、分配弁２０は暖房用熱交換器９側を全開とする。これにより、一次側では貯湯タンク１の底部からの低温水がヒートポンプ式加熱手段４で加熱され、加熱された高温水が暖房用熱交換器９へ流通し、温度低下した温水が貯湯タンク１の下部へ戻されると共に、二次側では暖房用熱交換器９で熱交換して加熱された暖房循環水が温水暖房端末器８へ循環して暖房を行い、温度低下した暖房循環水が再度暖房用熱交換器９へ循環する。

このとき、二次側出口温度センサ２４が検出する温水往き温度Ｔｏが後述する二次側の目標温水往き温度Ｔｏｓとなるように一次側の加熱能力が制御される。本実施形態の場合は、ヒートポンプ式加熱手段４の加熱能力を増減することで温水往き温度Ｔｏを制御しているものである。

ここで、前記制御手段４１は前記目標温水往き温度Ｔｏｓを決定する方法のプログラムが記憶されており、これを図２に示すフローチャートに基づいて説明する。

先ずは、ステップ１（以下、Ｓ１と略す）で、暖房リモコン３７を用いて定数の初期設定を行う。建物の熱損失係数Ｑ（Ｗ／ｍ^２Ｋ）と建物の暖房面積Ａ（ｍ^２）と温水暖房端末器８の設置台数Ｎ（台）を入力設定する。なお、このＳ１のステップはこの温水暖房装置の設置時の設定および試運転時に行われるものである。

Ｓ２では、暖房リモコン３７でユーザーが設定した全館の設定暖房室温Ｔｓ（℃）と、外気温度センサ３３で検出した外気温度Ｔａ（℃）と、Ｓ１で設定されたＱＡの値およびＮの値から以下の式１で温水暖房端末器８の１台当たりの平均暖房出力ｗ（Ｗ）を算出する。
（式１）ｗ＝ＱＡ（Ｔｓ−Ｔａ）／Ｎ

次に、Ｓ３では、予め制御装置４１に記憶されている温水暖房端末器８の１台当たりの平均暖房出力に対する温水暖房端末器８の端末内部平均温度Ｔ（℃）と設定暖房室温Ｔｓの差の相関データｆ（ｗ）から平均暖房出力ｗに対するＴ−Ｔｓの値を導出し、以下の式２で現在必要な温水暖房端末器８の端末内部平均温度Ｔを算出する。
（式２）Ｔ＝ｆ（ｗ）＋Ｔｓ

Ｓ４では、前記ＱＡの値と、設定暖房室温Ｔｓと、外気温度Ｔａと、流量センサ２５で検出する二次側の温水循環流量Ｆ（Ｌ／ｍｉｎ）とから以下の式３で暖房用熱交換器９の二次側温水の端末出入口温度差ΔＴを算出する。ここで、ｋは係数である。
（式３）ΔＴ＝ＱＡ（Ｔｓ−Ｔａ）／Ｆ・ｋ

次に、Ｓ５では、前記Ｓ３およびＳ４で算出した端末内部平均温度Ｔと端末出入口温度差ΔＴから以下の式４で目標温水往き温度Ｔｏｓ（℃）を算出する。
（式４）Ｔｏｓ＝Ｔ＋（ΔＴ／２）

そして、制御装置４１は、前記二次側出口温度センサ２４で検出する温水往き温度Ｔｏが前記目標温水往き温度Ｔｏｓになるように暖房用熱交換器９の一次側の加熱能力を制御すると共に、前記二次側入口温度センサ２３が検出する温水戻り温度Ｔｉが安定するかを監視する（Ｓ６）。

ここで、実際の温水戻り温度Ｔｉが安定したと判断されると（Ｓ６でＹｅｓ）、実際の温水往き温度Ｔｏ、実際の温水戻り温度Ｔｉ、温水循環流量Ｆ、設定暖房室温Ｔｓ、外気温度Ｔａから以下の式５でＱＡの値を算出する。
（式５）ＱＡ＝（Ｔｏ−Ｔｉ）Ｆ・ｋ／（Ｔｓ−Ｔａ）

そして、算出したＱＡの値を用いて再度Ｓ２〜Ｓ５の計算を行い、その時点で最適な目標温水往き温度Ｔｏｓを算出することができ、温水往き温度Ｔｏをできるだけ低下させて熱ロスを減らすと共に、室温を設定暖房温度Ｔｓ付近に制御することができる。

さらに、実際の温水戻り温度Ｔｉが安定した際に再度ＱＡの値を再計算するので、例えば、サーモヘッド１５の設定温度が低く設定されることが多い玄関やホールに設けられている温水暖房端末器８のサーモバルブ１４およびサーモヘッド１５の閉止動作あるいは開動作によって暖房する住宅面積が急変するような状況の変化があっても、ＱＡの値を再計算することで、その時点の状況に最適な目標温水往き温度Ｔｏｓを算出することができ、温水往き温度Ｔｏをできるだけ低下させて熱ロスを減らすと共に、室温を設定暖房室温Ｔｓ付近に制御することができる。

なお、前記Ｓ３およびＳ４で算出した端末内部平均温度Ｔと端末出入口温度差ΔＴから以下の式６で目標温水戻り温度Ｔｉｓ（℃）を算出するようにしてもよい。
（式６）Ｔｉｓ＝Ｔ−（ΔＴ／２）

この式６で求めた目標温水戻り温度Ｔｉｓから実際の温水戻り温度Ｔｉが一定値以上離れて安定した時点でＱＡの値を計算するようにすれば、状況が大きく変化した時を明確に認識させることができ、再計算の頻度を減らすことができる。

また、温水戻り温度Ｔｉが目標温水戻り温度Ｔｉｓ付近に安定していても、外気温度Ｔａが一定以上変化した場合、あるいは設定暖房室温Ｔｓが変更された場合には、即時目標温水往き温度Ｔｏｓを再度算出するようにして、再計算の頻度を減らしつつも、暖房負荷の変動に即時対応することができる。

このように、温水往き温度Ｔｏをできるだけ低下させられるので、ヒートポンプ式加熱手段４で温水を加熱する際のＣＯＰ（加熱効率）を向上させることができる。

以上のように、本発明によれば、温水往き温度をできるだけ低下させて熱ロスを減らすと共に、室温を制御することができるようにし、温水コンベクターや温水ラジエーターを用いた全館暖房に特に好適な温水暖房装置の制御方法を提供することできたものである。

なお、本実施形態においては、流量センサ２５にて実際の温水循環流量Ｆを検出するようにしたが、流量センサ２５を用いずに、Ｓ１のステップにて設計流量を入力設定し、設計流量を温水循環流量Ｆとして用いるようにしてもよい。

また、各温水暖房端末器８の全てにサーモバルブ１４およびサーモヘッド１５を設けているが、玄関やホール等の暖房要求温度の低い一部を除いて、設定暖房温度Ｔｓに保持しようとする部屋等の温水暖房端末器８からサーモバルブ１４およびサーモヘッド１５を設けないようにすることもできる。

また、二次側の温水を加熱する構成をヒートポンプ式加熱手段４による間接加熱としたが、貯湯タンク１の貯湯温水による間接加熱や、ヒートポンプ式加熱手段４による直接加熱や、ガス燃料あるいは石油燃料の燃焼による直接加熱としてもよいもので、温水暖房端末器８へ循環させる温水の温水往き温度Ｔｉが目標温水往き温度Ｔｏｓになるように制御できる加熱手段であればよいものである。

また、本発明は、前記式２〜式４を１つの式としてまとめて以下の式７を用いて計算するようにしてもよいものである。
（式７）Ｔｏｓ＝ｆ（ｗ）＋Ｔｓ＋ＱＡ（Ｔｓ−Ｔａ）／Ｆ・ｋ・２

本発明の一実施形態のシステム図。 同一実施形態の制御方法を説明するフローチャート。

符号の説明

４ ヒートポンプ式加熱手段（熱源機）
８ 温水暖房端末器

Claims (3)

1. 熱源機で加熱した温水を複数の温水暖房端末器へ循環させて建物の暖房を行う温水暖房装置において、
   下記の式１から端末１台当たりの平均暖房出力ｗを算出し、
   （式１）ｗ＝ＱＡ（Ｔｓ−Ｔａ）／Ｎ
   ｗ：端末１台当たりの平均暖房出力
   Ｑ：建物の熱損失係数
   Ａ：建物の床面積
   Ｔｓ：設定暖房室温
   Ｔａ：外気温度
   Ｎ：建物に設置された温水暖房端末器の数
   予め記憶されている温水暖房端末器１台当たりの暖房出力と端末内部の平均温度から設定室温を差し引いた値との相関データを用い、下記の式２から端末内部平均温度Ｔを導出し、
   （式２）Ｔ＝ｆ（ｗ）＋Ｔｓ
   Ｔ：端末内部平均温度
   ｆ（ｗ）：相関データのｗでの値
   下記の式３から端末出入口温度差ΔＴを算出し、
   （式３）ΔＴ＝ＱＡ（Ｔｓ−Ｔａ）／Ｆ・ｋ
   ΔＴ：端末出入口温度差
   Ｆ：温水循環流量
   ｋ：係数
   下記の式４から目標温水往き温度Ｔｏｓを算出し、
   （式４）Ｔｏｓ＝Ｔ＋（ΔＴ／２）
   Ｔｏｓ：目標温水往き温度
   熱源機から送出する温水往き温度Ｔｏがこの目標温水往き温度Ｔｏｓになるように熱源機の出力を制御すると共に、
   熱源機に戻ってくる温水戻り温度Ｔｉの安定後に、下記の式５によってＱＡの値を算出し、
   （式５）ＱＡ＝（Ｔｏ−Ｔｉ）Ｆ・ｋ／（Ｔｓ−Ｔａ）
   Ｔｏ：温水往き温度
   Ｔｉ：温水戻り温度
   前記式５で算出されたＱＡの値を用いて前記式１〜式４によって目標温水往き温度Ｔｏｓを再度算出するようにしたことを特徴とする温水暖房装置の制御方法。
2. 下記の式６から目標温水戻り温度Ｔｉｓを算出し、
   （式６）Ｔｉｓ＝Ｔ−（ΔＴ／２）
   Ｔｉｓ：目標温水戻り温度
   熱源機に戻ってくる温水の実際の温水戻り温度Ｔｉが前記目標温水戻り温度Ｔｉｓから一定値以上離れて安定した後に、前記式５によってＱＡの値を算出するようにしたことを特徴とする請求項１記載の温水暖房装置の制御方法。
3. 前記熱源機として、圧縮機と冷媒−水熱交換器と減圧手段と空気熱交換器を有したヒートポンプ式加熱手段を用いていることを特徴とする請求項１または２記載の温水暖房装置の制御方法。

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