JP4125643B2 - 床暖房制御システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温水を循環させて建物内に熱を供給する床暖房における、床温度と室温を制御する床暖房制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
温水を床暖房パネルへ供給して暖房を行う温水床装置では、リモコンなどの床暖房運転スイッチなどにより運転開始を指示すると、床暖房パネルが設けられた温水回路に温水を循環させる循環ポンプを駆動し、リモコン等の能力設定機で設定された暖房レベルに応じて、床暖房パネルへ供給される温水温度を決定し、決定された暖房レベルに応じてバーナー等で加熱することにより、安定した暖房能力で運転している。
【０００３】
運転開始初期には、通常の運転時より高温の温水を循環させることによって運転開始初期の暖房能力を向上させるように、ホットダッシュ動作を行うようにしたものもある。こうしたホットダッシュ動作では、床暖房パネル等へ供給される往き温水の温度は、例えば、運転開始から４０分間は８０℃、その後、運転開始から６０分までの間は６５℃、さらに運転開始から６０分を経過した以降は４７℃というように、あらかじめ決められた時間中には、あらかじめ決められた固定温度に調節されていた。例えば特許文献１には、複数の床暖房パネルが接続されている場合に、各部屋毎にホットダッシュ時間を設定する床暖房制御システムが開示されている。
【特許文献１】
特開平１０−３０８２６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ホットダッシュ動作を有する床暖房制御システムにおいては、暖房が開始される場合には、いつでも決まった温度と時間のホットダッシュ動作によって室内が暖房される。このために、暖房負荷が小さい場合には、ホットダッシュ動作の時間が長すぎることになって過剰な暖房となったり、暖房負荷が大きい場合には、供給される温水の温度が低いなどの理由で立ち上がりが悪いといった具合に、個々の暖房負荷状態に対処できない。さらに、施工などの問題で、同じような部屋でも暖まったり暖まらなかったりすることがある。このように、従来のホットダッシュ動作では、必ずしも快適な状態で床暖房を開始させることができなかった。
【０００５】
そこで本発明は、建物の構造、室温にかかわらず、運転初期から定常状態まで、快適な床暖房を実現する床暖房システムを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
床暖房パネル内が往き温水から戻り温水まで場所的に直線に近いカーブで温度が下がってくる場合、これらを積分して平均値を求めた結果は、往き温水温度と戻り温水温度の平均値に一致する。従来は、往き温水温度だけで床温度、部屋温度が制御できると考えられていたが、本願発明者は、往き温水温度と戻り温水温度の平均値という指標が非常に重要であるという着想を得るに至った。
【０００７】
また、床暖房の温水流量は、施工の仕方や温水温度によって刻々と変化している。流量が多ければ、同じ部屋状態でも戻り温水の温度低下は少ないものになるし、流量が少なければ、戻り温水の温度低下は大変大きなものになる。したがって、同じ温水温度を与えても、流量の違う部屋では暖まり方も全く異なる。しかし、普通の床暖房システムは流量計を有していないために、この違いが分からない。しかし、本願発明者は、温水温度の平均値を使用した温度制御であれば、多少流量の違いがあっても、同じように部屋を暖めることができるとの着想を得た。
【０００８】
これらの着想を具体的に確認した結果を以下に説明する。すなわち、図１は、室温５℃、８畳の部屋の温水温度を４０℃〜８０℃（８０、５５、４５、４０℃）まで変化させた時の、部屋の奥側、部屋の窓側のｋの値の時間変化である。ｋは、往き温水温度と戻り温水温度の平均値Ａact、床温度をＥact、部屋温度をＣactとした場合の床温度内分点（Ｅact−Ｃact）／（Ａact−Ｃact）である。ｋはある程度の時間が経過して定常状態になると、温水温度にかかわらず、窓側では０．３、壁側でが０．４にそれぞれ落ち着いている。図１では往き温水温度のみを変化させているが、実験により、流量や熱源を変化させても、定常状態になると、同様にｋが窓側では０．３、壁側では０．４という一定の値になることが分かった。したがって、往き温水温度と戻り温水温度の平均値を利用した制御方法は普遍性を持っているとの考えに至ったのである。
【００１０】
請求項１の発明は、建物の床に敷設した温水管路に温水を循環させて建物内に熱を供給する床暖房装置の、室温および／または床温度を制御するために、往き温水温度と戻り温水温度との設定平均温度Ａを、設定部屋温度Ｃと測定部屋温度Ｄから、制御定数ａをもとに、次式
Ａ＝（Ｃ−Ｄ）×ａ＋Ｔ（Ｃ）
（ただしＴ（Ｃ）は、設定部屋温度により定まる定数。）
により決定し、設定平均温度Ａを達成するために、戻り温水温度Ｂを測定し、往き温水温度Ｘを操作量として
Ｘ＝２×Ａ−Ｂ
となるようにＸを制御することを特徴とする床暖房制御システムを提供するものである。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の床暖房制御システムにおいて、設定床温度Ｅから、次式
Ｔ（Ｃ）＝（Ｅ−Ｃ）／ｋ＋Ｃ
（ただしｋは定数。）
により、前記Ｔ（Ｃ）の値を決定することを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１に記載の床暖房制御システム最終運転動作から学習して、前記Ｔ（Ｃ）の値を決定することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、実測の往き温水温度と戻り温水温度との平均温度Ａactと、前述したｋを利用した往き温水温度Ｘの制御方法を例にとり説明する。図２は、本発明の床暖房制御システムを有する床暖房装置１００の概略図である。この床暖房装置１００において、熱源１０１にて昇温された温水は、往き配管１０２を介して、室内１３０に設置されたマット１０４内の配管１０４ａに供給される。室内に放熱後、温度の低下した温水は戻り配管１０５を通じて熱源１０１に戻され、再加熱されて再び上記循環に供される。往き配管１０２には、制御装置１１０からの命令を受けて往き温水の温度を連続的に変化させる温度制御装置１０３が設けられている。制御装置１１０が温度制御装置１０３にする命令は、室温センサ１２２と、戻り温水温度センサ１２１から送られる信号、および床温度設定パネル１２５から送られる設定床温度Ｂの情報に基づき決定される。
【００１６】
上記構成における具体的動作を以下に説明する。床暖房の運転スイッチがオン状態になると、暖房運転が開始される。設定床温度は、床温度設定パネル１２５により設定される。また、運転開始時の最初の往き温水温度は予め任意に設定されている。熱源１０１にて初期設定温度に昇温された温水は、往き配管１０２を介して、室内１３０に設置されたマット１０４内の配管１０４ａに供給される。室内に放熱後、温度の低下した温水は戻り配管１０５を通じて熱源１０１に戻されるが、その際、戻り温水温度センサ１２１によって、戻り温水温度が計測され、その信号が制御装置１１０に送られる。それと同時に、室温センサ１２２からも計測された室温の信号が制御装置１１０に送られる。
【００１７】
戻り温水温度センサ１２１と室温センサ１２２からの信号をもとに、制御装置１１０では、Ｘ＝２Ａ−Ｂの式を満たすように往き温水温度Ｘの値が決定される。ここで、Ａは、往き温水温度と戻り温水温度との平均温度（設定値）、Ｂは戻り温水温度であり、戻り温水温度センサ１２１により計測された値である。
【００１８】
平均温度Ａの値の設定にあたり、設定部屋温度Ｃと測定部屋温度Ｄから、制御定数ａをもとに、次式
Ａ＝（Ｃ−Ｄ）×ａ＋Ｔ（Ｃ）
により前記設定平均温度Ａを決定しても良い。ただしＴ（Ｃ）は、設定部屋温度により定まる定数である。またａはいわゆる制御定数であり、適宜その値を定めることができる。
【００１９】
上記式においてＴ（Ｃ）は、設定床温度Ｅから、次式
Ｔ（Ｃ）＝（Ｅ−Ｃ）／ｋ＋Ｃ
により決定しても良い。設定床温度Ｅは、床温度設定パネル１２５により予め入力され、通常は３０℃前後に設定されている。
【００２０】
また、ｋは定数であり、これも予め計算、あるいは実験的に定められている値である。ｋの値は、床材、配管、部屋の構造等から決定される。計算で出すことも可能であるが、より厳密には、実際に施工した後でチューニングして決定するのが好ましい。また、実験によると、ｋは約０．２〜０．５の間にあるので、最初のうちはおおよその値で運転しながら、制御装置１１０に学習機能装置を内蔵させることで、少しづつｋの値を補正していくということもできる。
【００２１】
Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、ｋの値に基づいて制御装置１１０内で算出された往き温水温度Ｘの値は、往き温水温度制御装置１０３に送られる。これに基づき、往き温水温度制御装置１０３は、往き温水温度がＸとなるように往き温水温度を制御する。これにより往き配管１０２中の温水温度は変化し、温水は、再び室内１３０に設置されたマット１０４内の配管１０４ａ、戻り配管１０５を循環する。その際、戻り温水温度センサ１２１と室温センサ１２２により計測された温度が制御装置１１０に送られ、再び制御装置内でＸの値が決定される。これが繰り返されることにより、定常状態となるまで連続的に往き温水温度Ｘが変化する。
【００２２】
室温があまりに低い場合、計算上往き温水温度が高温になりすぎる場合がある。そのような高温の値になる間は、その床暖房制御システムが許容する最も高温の温水で運転すれば良い。図３は、そのような場合の床暖房制御システムの往き温水温度制御の処理を示すフローチャートである。
【００２３】
図３の処理においてはまず、戻り温水温度センサと室温センサにより、それぞれの温度計測される（ステップＳ１）。この計測された値に基づき、ステップＳ２において往き温水温度が決定されると同時に、この値が、床暖房制御システムが許容する最高温度より高いかどうか判断される。
【００２４】
ステップＳ２において、否定判断された場合、すなわちその床暖房制御システムが許容する最高温度よりＸが低い場合、Ｘの計算値に基づき往き温水温度が制御される（ステップＳ３）。
【００２５】
ステップＳ２において、肯定判断された場合、すなわちその床暖房制御システムが許容する最高温度よりＸが高い場合、Ｘの値にかかわらずその床暖房制御システムが許容する最高温度で運転する（ステップＳ４）。
【００２６】
その後、停止命令があるまで上記処理は繰り返され、処理はステップＳ１に戻される（ステップＳ５）。
【００２７】
このように、ステップＳ２で計算される値が、許容される最高温度より高い間はその温度で運転され、室温が上昇し、Ｘが制御可能な値になってから、その計算値に基づき徐々に温度が下げられることになる。
このような場合であっても、一定時間一定温度のホットダッシュ運転を行う従来の床暖房制御システムに比べて、効率よく快適な運転をすることができる。
【００２８】
【実施例】
実施例として、本発明の往き温水温度と戻り温水温度の平均値を指標とした、床暖房制御システムにより制御した場合の室温等の時間変化を測定した。ここでは、目標とする部屋温度を２０℃とし、２０℃の室温において定常状態になったときにとるべき、往き温水温度と戻り温水温度の平均値Ａ（設定値）を、
Ａ＝（２０−実測の部屋温度）×２＋４４
という式に基づき、往き温水温度の制御を行った。
【００２９】
床暖房運転前の室温は５℃、最大往き温水温度は８０℃である。結果を図４に示す。それと同時に、比較例として、同じ室温、広さの部屋に、所定時間（３０分）８０℃温度の往き温水を流し、以降は５０℃で運転した結果（図５）、同じく同じ条件の部屋に８０℃の行き温水を流し、流量のオン／オフ制御により運転した結果（図６）を示す。なお、図５と図６のグラフの各線は、それぞれ図４のものと対応している。
【００３０】
図４に示されるように、本発明の制御システムによる床暖房運転では、床温度、室温共になめらかに上昇し、定常状態になると安定してほぼ横軸と平行になった。一方、図５に示される比較例では、運転初期に床温度のオーバーシュートが見られ、床温度が高温になりすぎて安全性や省エネの点で問題があることが分かる。また、図６に示される比較例では、高温の温水の流量のみで制御しているため、特に室温が定常状態に入っても安定せず、快適性の面で問題があることが分かる。
【００３１】
以上、現時点において、最も実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う床暖房制御システムもまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【００３２】
【発明の効果】
以上に説明したように、往き温水温度を所定の式を満たすように連続的に制御することにより、建物の構造、室温にかかわらず、運転初期における快適な暖房を実現することができる床暖房制御システムを構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】室温５℃、８畳の部屋で温水温度を変化させて床暖房運転した時の、部屋の奥側、窓側のｋの値の時間変化を示すグラフである。
【図２】本発明の床暖房制御システムを有する床暖房装置の概略図である。
【図３】床暖房制御システムの往き温水温度制御の処理を示すフローチャートである
【図４】本発明の床暖房制御システムを用いて床暖房運転したときの各温度変化を表すグラフである。
【図５】運転初期に８０℃の往き温水を一定時間、一定流量流す床暖房制御システムを用いて床暖房運転したときの各温度変化を表すグラフである。
【図６】８０℃の往き温水の流量をオン／オフ制御する床暖房制御システムを用いて床暖房運転したときの各温度変化を表すグラフである。
【符号の説明】
１００ 床暖房制御システム
１０１ 熱源機
１０２ 往き配管
１０３ 温度制御器
１０４ マット
１０４ａ マット内配管
１０５ 戻り配管
１１０ 制御装置
１２１、１２２ 温度センサ
１２５ 床温度設定パネル

Claims (3)

1. 建物の床に敷設した温水管路に温水を循環させて建物内に熱を供給する床暖房装置の、室温および／または床温度を制御するために、往き温水温度と戻り温水温度との設定平均温度Ａを、設定部屋温度Ｃと測定部屋温度Ｄから、制御定数ａをもとに、次式
   Ａ＝（Ｃ−Ｄ）×ａ＋Ｔ（Ｃ）
   （ただしＴ（Ｃ）は、設定部屋温度により定まる定数。）
   により決定し、
   前記設定平均温度Ａを達成するために、戻り温水温度Ｂを測定し、往き温水温度Ｘを操作量として
   Ｘ＝２×Ａ−Ｂ
   となるようにＸを制御することを特徴とする床暖房制御システム。
2. 設定床温度Ｅから、次式
   Ｔ（Ｃ）＝（Ｅ−Ｃ）／ｋ＋Ｃ
   （ただしｋは定数。）
   により、前記Ｔ（Ｃ）の値を決定することを特徴とする請求項１に記載の床暖房制御システム。
3. 最終運転動作から学習して、前記Ｔ（Ｃ）の値を決定することを特徴とする請求項１に記載の床暖房制御システム。

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