JP4563350B2 - 温水循環システム - Google Patents

Description

本発明は、加熱した温水を端末に供給して放熱させる温水循環システムに関する。

従来、熱源機と、この熱源機と温水暖房端末とを連通する温水循環路と、温水循環路内の温水を循環させる循環ポンプとを備え、熱源機により加熱された温水を温水暖房端末に供給して放熱させる温水循環システムが知られている。

この温水循環システムに用いられる熱源機としては、例えば、異なる燃焼面を形成する複数のバーナユニットからなるガスバーナと、各バーナユニットへの燃料ガスの供給／遮断を個別に切替えるバーナユニット切替手段と、各バーナユニットに燃焼用空気を供給するファンと、ガスバーナへの燃料ガスの総供給量を調整自在なガス量調整手段と、バーナユニット切替手段とファンとガス量調節手段とを制御してガスバーナの燃焼量を調整する制御手段とを備える熱源機が知られている。

この熱源機は、要求される燃焼量に応じて、ガス量調整手段によりガスバーナに供給する燃料ガスの総供給量及びファンの回転数を調整すると共に、バーナユニット切替手段によって燃料ガスを供給するバーナユニットの個数を変更して、ガスバーナの燃焼量の調整範囲を拡大している。

このように構成された熱源機において、消火状態にあるバーナユニットへの燃焼用空気の供給を抑制する手段を設けたものも提案されている（例えば、特許文献１参照）。これによれば、消火状態にあるバーナユニットへ燃焼用空気が供給されて、この燃焼用空気がガスバーナで燃焼した排ガスと混合し、排ガスの温度が低下することを防止して、熱交換器の熱効率を向上させることができる。

しかしながら、省エネルギー化に対する要望が高まっている近年の背景に鑑み、上述したような限定的な状況における熱効率の向上だけではなく、全体として更に熱効率を向上させた温水循環システムが望まれている。
特開２００２−１３０６６４号公報

本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、熱効率を向上させた温水循環システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、バーナと、該バーナにより加熱される熱交換器と、該熱交換器と温水端末とを連通する温水循環路と、前記熱交換器により加熱された温水を該温水循環路を介して前記温水端末に送出すると共に、前記温水端末で放熱した温水を該温水循環路を介して前記熱交換器に戻す循環手段と、前記熱交換器から前記温水端末に供給される温水の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段の検出温度が目標温度付近に維持されるように、前記バーナを燃焼させる温水温度制御手段とを備えた温水循環システムを以下の如く改良している。

即ち、本発明は、前記バーナの燃焼量を調整する燃焼量調整手段を備え、前記温水温度制御手段は、前記温度検出手段の検出温度が目標温度となるように前記燃焼量調整手段により前記バーナの燃焼量を調整する「目標温度到達処理」を実行して、前記温度検出手段の検出温度が目標温度となったときの燃焼量を基準燃焼量とし、前記温度検出手段の検出温度が目標温度よりも第１の所定温度高く設定された上限温度以上となるまで、前記基準燃焼量に基づいて決定される燃焼量で前記バーナを燃焼させるバーナ燃焼工程と、前記温度検出手段の検出温度が前記上限温度以上となったときに前記バーナを消火させて、前記温度検出手段の検出温度が目標温度よりも第２の所定温度低く設定された下限温度以下となるまで前記バーナを消火状態とするバーナ消火工程とを交互に繰り返し実行する「燃焼／消火切替処理」を実行することを特徴とする。

本発明によれば、バーナ燃焼工程時のバーナの燃焼量を前記基準燃焼量に基づいて決定するため、バーナ燃焼工程でバーナの燃焼開始時の燃焼量が大きくなり過ぎて、温度検出手段の検出温度が前記上限温度を大きく超えてオーバーシュートしたり、温度検出手段の検出温度が前記上限温度以上となるまで時間がかかり過ぎて温調性能が低下したりすることを防止することができる。

又、温水温度制御手段は、前記基準燃焼量に基づいて決定される燃焼量で、温度検出手段の検出温度が前記上限温度以上となるまでバーナを燃焼させるバーナ燃焼工程と、温度検出手段の検出温度が前記上限温度以上となったときに前記下限温度以下となるまでバーナを消火状態とするバーナ消火工程とを交互に繰り返し実行する「燃焼／消火切替処理」を実行する。このため、バーナ消火工程時に、熱交換器の蓄熱により温水の加熱が継続されて急激な温水の温度低下が抑えられると共に、温水の吸熱により熱交換器の蓄熱量が減少して熱交換器が冷却される。そして、再びバーナ燃焼工程でバーナによる熱交換器の加熱が行われるときに、熱交換器の吸熱作用が向上する。そのため、温水循環システムの温調性能を維持しつつ、温水循環システムの熱効率を向上させることができる。

又、温水温度制御手段は、バーナ燃焼工程で、前記基準燃焼量に予め設定された燃焼量を加算した一定の燃焼量でバーナを燃焼させ、「目標温度到達処理」の実行により、温度検出手段の検出温度が目標温度となっている状態を所定時間以上継続したときに、そのときの燃焼量を前記基準燃焼量として、「燃焼／消火切替処理」を実行するように構成することが好ましい。

このように構成すれば、バーナ燃焼工程時のバーナの燃焼量が一定であるため、温度検出手段の検出温度が前記上限温度となるようにバーナ燃焼工程時のバーナの燃焼量を基準燃焼量から調整していくものと比較して、温水温度制御手段の作動を簡略化することができる。又、「目標温度到達処理」の実行により、温度検出手段の検出温度が目標温度となっている状態を所定時間以上継続したとき、バーナの燃焼量は目標温度を維持するために必要な燃焼量と略同一になると推定できる。そして、このときのバーナの燃焼量を前記基準燃焼量として、「燃焼／消火切替処理」を実行することによって、上述したバーナ燃焼工程におけるオーバーシュートや、温水循環システムの温調性能低下を抑制する効果を更に高めることができる。

又、バーナ燃焼工程で、前記基準燃焼量に予め設定された燃焼量を加算した一定の燃焼量でバーナを燃焼させる「燃焼／消火切替処理」を長時間実行すると、目標温度が変更されたときや、温水端末から熱交換器へ戻る温水の温度が変化したときに、バーナ燃焼工程時のバーナの一定の燃焼量が、温水循環システムの温調性能を維持するのに不適切なものとなってしまう。

この場合、温水温度制御手段を、「燃焼／消火切替処理」を実行中に、所定のタイミングで「燃焼／消火切替処理」を中断して、「目標温度到達処理」を実行し、「目標温度到達処理」により、温度検出手段の検出温度が目標温度付近となったときの燃焼量を前記基準燃焼量として更新して、「燃焼／消火切替処理」を再開するように構成すれば、目標温度が変更された場合や、温水端末から熱交換器へ戻る温水の温度の変化に応じて、バーナ燃焼工程時のバーナの一定の燃焼量が所定のタイミングで更新されるため、温水循環システムは適切な温調性能を保つことができる。

本発明の実施の形態を図１から図３を参照して説明する。図１は本発明の温水循環システムの実施形態を示した説明図、図２は本実施形態の温水温度制御手段の作動を示すフローチャート、図３は本実施形態の温度検出手段の検出温度の変化を示す説明図である。

本発明の実施形態の温水循環システム１は、熱源機２と、温水端末としての温水暖房端末３と、熱源機２と温水暖房端末３とを連通する温水循環路４と、温水温度制御手段の機能を含むコントローラ５（マイクロコンピュータ等により構成される電子ユニット）とを備える。熱源機２には、大・小の２つの燃焼面を形成するバーナユニット２１ａ、２１ｂからなるガスバーナ２１と、ガスバーナ２１により加熱される熱交換器２２と、ガスバーナ２１に燃焼用空気を供給するファン２３と、ファン２３により燃焼用空気を取り入れると共にガスバーナ２１で燃焼した燃焼排ガスを排気するための給排気管２４とが設けられている。熱源機２は室内に配置されていても室外に配置されていてもよい。温水循環システム１は、ガスバーナ２１により燃焼された燃焼排ガスにより熱交換器２２を流れる温水を加熱し、この温水を温水暖房端末３に供給して放熱させる。

温水循環路４には、熱交換器２２により加熱された温水を温水暖房端末３に送出すると共に、温水暖房端末３で放熱した温水を熱交換器２２に戻す循環手段としての循環ポンプ４ａが設けられている。又、温水循環路４には、熱源機２から温水暖房端末３へ送出される温水の温度を検出する温度検出手段４ｂが設けられている。

燃料ガスはガス供給路６１からガス分岐路６１ａ，６１ｂを介してバーナユニット２１ａ、２１ｂに供給される。ガス分岐路６１ａ，６１ｂにはバーナユニット２１ａ，２１ｂへの燃料ガスの供給／遮断を個別に切替える電磁弁６２ａ，６２ｂが設けられている。又、ガス供給路６１には、ガスバーナ２１への燃料ガスの総供給量を調整するガス比例弁７、及びガスバーナ２１への燃料ガスの供給／遮断を切替える電磁弁６１ｃが設けられている。本発明の燃焼量調整手段は、電磁弁６２ａ，６２ｂ、ガス比例弁７、ファン２３により構成される。

又、コントローラ５は、電磁弁６２ａ，６２ｂを開閉することにより、実際に燃焼を生じさせるガスバーナ２１の燃焼面の範囲である有効燃焼範囲を大・中・小の３段階に切替える。即ち、電磁弁６２ａ，６２ｂを開いてバーナユニット２１ａ，２１ｂに燃料ガスを供給することにより有効燃焼範囲が大の段階となり、電磁弁６２ｂを閉じて小バーナユニット２１ｂへの燃料ガスを遮断し電磁弁６２ａを開いて大バーナユニット２１ａにのみ燃料ガスを供給することにより有効燃焼範囲が中の段階となり、電磁弁６２ａを閉じて大バーナユニット２１ａへの燃料ガスを遮断し電磁弁６２ｂを開いて小バーナユニット２１ｂにのみ燃料ガスを供給することにより有効燃焼範囲が小の段階となる。

コントローラ５は、循環ポンプ４ａ、ガスバーナ２１、電磁弁６２ａ，６２ｂ，６１ｃ、ガス比例弁７、ファン２３の作動を制御する。コントローラ５は、温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度（例えば、６０℃±２℃）となるように、温度検出手段４ｂの検出温度と目標温度との差に基づいて必要なガスバーナ２１の燃焼量を決定し、決定した燃焼量が得られるように、燃焼量調整手段としての電磁弁６２ａ，６２ｂ、ガス比例弁７、ファン２３を制御する「目標温度到達処理」を実行する。そして、コントローラ５は、「目標温度到達処理」の実行により、温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度（例えば、６０℃±２℃）となっている状態を所定時間以上継続したときのガスバーナ２１の燃焼量を基準燃焼量とする。

又、コントローラ５は、温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度（例えば、６０℃）よりも第１の所定温度（例えば、１２℃）高く設定された上限温度（例えば、７２℃）以上となるまで、基準燃焼量に予め設定された燃焼量を加算した一定の燃焼量でガスバーナ２１を燃焼させるバーナ燃焼工程と、温度検出手段４ｂの検出温度が上限温度以上となったときにガスバーナ２１を消火して、温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度よりも第２の所定温度（例えば、１２℃）低く設定された下限温度（例えば、４８℃）以下となるまでガスバーナ２１を消火状態とするバーナ消火工程とを交互に繰り返し実行する「燃焼／消火切替処理」を実行する。

バーナ燃焼工程時のガスバーナ２１の燃焼量を求める際に、基準燃焼量に加算する燃焼量は、上限温度（例えば、７２℃）まで温度検出手段４ｂの検出温度を上昇させるために適切な燃焼量を予め実験により求めて設定される。又、コントローラ５はタイマ機能を備える。

次いで、図３を参照しつつ、図２に示したフローチャートに従って、コントローラ５による「目標温度到達処理」と「燃焼／消火切替処理」の実行手順を説明する。尚、図３は、「目標温度到達処理」と「燃焼／消火切替処理」とを実行したときの温度検出手段４ｂの検出温度の推移を示したものである。

コントローラ５は、熱源機２の燃焼運転が開始されると、ガスバーナ２１を燃焼させ、ＳＴＥＰ１で「目標温度到達処理」を開始する。「目標温度到達処理」の実行により、温度検出手段４ｂの検出温度が上昇する（図３のｔ_１〜ｔ_２）。

そして、ＳＴＥＰ２に進み、コントローラ５は、温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度（例えば、６０℃±２℃）となっている否かを確認する。温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度となっている場合には、ＳＴＥＰ３に進み、コントローラ５はタイマをスタートさせる。次いで、ＳＴＥＰ４に進み、温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度となっているか否かを確認する。検出温度が目標温度となっていない場合はＳＴＥＰ１６に分岐し、タイマをリスタートさせて、ＳＴＥＰ４に戻り、温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度となっているか否かを確認する。

ＳＴＥＰ４で温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度となっている場合には、ＳＴＥＰ５に進み、コントローラ５はタイマの計時時間が所定時間を経過したか否かを確認する。所定時間は、温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度となっている状態で、ガスバーナ２１の燃焼量が略一定になると推定される時間であり、実験結果に基づいて設定される。

ＳＴＥＰ５で所定時間が経過している場合は、ＳＴＥＰ６に進み、コントローラ５は「目標温度到達処理」を中止する。そして、ＳＴＥＰ７に進み、コントローラ５は「燃焼／消火切替処理」を開始する。尚、図３のｔ_２〜ｔ_３が温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度となって所定時間が経過する過程を示している。

そして、ＳＴＥＰ８に進み、コントローラ５は「燃焼／消火切替処理」によるバーナ燃焼工程及びバーナ消火工程の繰り返し回数のカウント変数ｘを０にする。次いでＳＴＥＰ９に進み、コントローラ５は、「目標温度到達処理」の中止時のガスバーナ２１の燃焼量である基準燃焼量に予め設定された燃焼量を加算した一定の燃焼量でガスバーナ２１を燃焼させる。

このように、バーナ燃焼工程時のガスバーナ２１の燃焼量が一定であるため、温度検出手段４ｂの検出温度が上限温度となるようにバーナ燃焼工程時のガスバーナ２１の燃焼量を基準燃焼量から調整していくものと比較して、コントローラ５による制御処理を簡略化することができる。

又、コントローラ５は、「目標温度到達処理」の実行により温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度となっている状態で所定時間を経過したときのガスバーナ２１の燃焼量を基準燃焼量とするため、バーナ燃焼工程時のガスバーナ２１の一定の燃焼量を適切な燃焼量とすることができる。

これにより、バーナ燃焼工程時のガスバーナ２１の一定の燃焼量が大きくなり過ぎて、温度検出手段４ｂの検出温度が上限温度を大きく超えてオーバーシュートしたり、バーナ燃焼工程時のガスバーナ２１の一定の燃焼量が小さくなり過ぎ、温度検出手段４ｂの検出温度が上限温度以上となるまでに長い時間を要し、温水循環システム１の温調性能が低下することを防止することができる。

尚、基準燃焼量に加算する予め設定された燃焼量は、「燃焼／消火切替処理」によるバーナ燃焼工程及びバーナ消火工程の繰り返し回数のカウント変数ｘに応じて変更するようにしてもよい。

次いでＳＴＥＰ１０に進み、コントローラ５は、温度検出手段４ｂの検出温度が上限温度以上であるか否かを確認する。ＳＴＥＰ９及びＳＴＥＰ１０がバーナ燃焼工程に該当する（図３のｔ_３〜ｔ_４）。

温度検出手段４ｂの検出温度が上限温度以上である場合は、ＳＴＥＰ１１に進み、コントローラ５はガスバーナ２１を消火させる。そして、ＳＴＥＰ１２に進み、コントローラ５は、温度検出手段４ｂの検出温度が、目標温度（例えば、６０℃）よりも第２の所定温度（例えば、１２℃）低い下限温度（例えば、４８℃）以下であるか否かを確認する。尚、第２の所定温度は第１の所定温度と異なる温度であってもよい。ＳＴＥＰ１１及びＳＴＥＰ１２がバーナ消火工程に該当する（図３のｔ_４〜ｔ_５）。

温度検出手段４ｂの検出温度が下限温度以下である場合には、ＳＴＥＰ１３に進み、コントローラ５は「燃焼／消火切替処理」によるバーナ燃焼工程及びバーナ消火工程の繰り返し回数のカウント変数ｘに１を加算する。そして、ＳＴＥＰ１４に進み、コントローラ５はカウント変数ｘが所定回数ｎであるか否かを確認する。カウント変数ｘが所定回数ｎでない場合には、ＳＴＥＰ９に戻り、コントローラ５は、再びＳＴＥＰ９〜ＳＴＥＰ１２のバーナ燃焼工程とバーナ消火工程とを交互に繰り返す「燃焼／消火切替処理」の実行を継続する。

このように、バーナ燃焼工程とバーナ消火工程とを交互に繰り返すことにより、バーナ消火工程時に、熱交換器２２の蓄熱により温水の加熱が継続され急激な温水の温度低下が抑えられると共に、温水の吸熱により熱交換器２２の蓄熱量が減少して熱交換器２２が冷却される。そして、再びバーナ燃焼工程でガスバーナ２１による熱交換器２２の加熱が行われるときに、熱交換器２２の吸熱作用が向上する。そのため、温水循環システム１の温調性能を維持しつつ、温水循環システム１の熱効率を向上させることができる。

一方、ＳＴＥＰ１４で「燃焼／消火切替処理」によるバーナ燃焼工程及びバーナ消火工程の繰り返し回数のカウント変数ｘが所定回数ｎである場合には、ＳＴＥＰ１５に進み、「燃焼／消火切替処理」を中断する。そして、コントローラ５は再びＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ６の「目標温度到達処理」を実行し、基準燃焼量を新たに求める（図３のｔ_６〜ｔ_７）。そして、ＳＴＥＰ７に進んで、新たに求められた基準燃焼量による「燃焼／消火切替処理」を再開する。

これにより、目標温度が変更された場合や、温水暖房端末３から熱交換器２２へ戻る温水の温度の変化に応じて、バーナ燃焼工程時のガスバーナ２１の一定の燃焼量が更新されるため、温水循環システム１は適切な温調性能を保つことができる。

尚、本実施形態においては、バーナ燃焼工程として、基準燃焼量に予め設定された燃焼量を加算した一定の燃焼量でガスバーナ２１を燃焼させるものを説明したが、これに限られず、バーナ燃焼工程は、コントローラ５がガスバーナ２１を基準燃焼量で燃焼を開始させ、温度検出手段４ｂの検出温度が上限温度となるように、基準燃焼量から燃焼量を調整させながらガスバーナ２１を燃焼させるように構成しても、本発明の効果を得ることができる。

又、本実施形態においては、「燃焼／消火切替処理」を中断して「目標温度到達処理」を実行する所定のタイミングとして、「燃焼／消火切替処理」によるバーナ燃焼工程及びバーナ消火工程の繰り返し回数のカウント変数ｘが所定回数ｎに達した場合を説明したが、これに限られず、所定のタイミングは、「目標温度到達処理」の実行開始から一定時間経過した後としてもよい。

又、本実施形態においては、基準燃焼量として、図２のＳＴＥＰ５に示すように、「目標温度到達処理」の実行により温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度となっている状態を所定時間以上継続したときのガスバーナ２１の燃焼量が、温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度を維持するために必要な燃焼量であると推定し、そのときの燃焼量を基準燃焼量とするものを説明したが、基準燃焼量は、「目標温度到達処理」の実行により、温度検出手段４ｂの検出温度が目標温度となっており、且つガスバーナ２１の燃焼量が略一定となっている状態を所定時間以上継続した場合に、そのときの燃焼量を基準燃焼量とするように構成してもよい。このように基準燃焼量を求めることにより、バーナ燃焼工程時のガスバーナ２１の一定の燃焼量をより適切なものとすることができる。

又、本実施形態においては、バーナとして、燃料ガスを燃焼させるガスバーナ２１を用いて説明したが、これに限られず、例えば、バーナとして灯油等を燃焼させるものを用いても本発明の効果を得ることができる。

本発明の温水循環システムの実施形態を示した説明図。 本実施形態の温水温度制御手段の作動を示すフローチャート。 本実施形態の温度検出手段の検出温度の変化を示す説明図。

符号の説明

１…温水循環システム、 ２…熱源機、 ２１…ガスバーナ、 ２１ａ…大バーナユニット、 ２１ｂ…小バーナユニット、 ２２…熱交換器、 ２３…ファン、 ２４…給排気管、 ３…温水暖房端末（温水端末）、 ４…温水循環路、 ４ａ…循環ポンプ（循環手段）、 ４ｂ…温度検出手段、 ５…コントローラ（温水温度制御手段）、 ６１…ガス供給路、 ６１ａ，６１ｂ…ガス分岐路、 ７…ガス比例弁。

Claims (3)

1. バーナと、
   該バーナにより加熱される熱交換器と、
   該熱交換器と温水端末とを連通する温水循環路と、
   前記熱交換器により加熱された温水を該温水循環路を介して前記温水端末に送出すると共に、前記温水端末で放熱した温水を該温水循環路を介して前記熱交換器に戻す循環手段と、
   前記熱交換器から前記温水端末に供給される温水の温度を検出する温度検出手段と、
   該温度検出手段の検出温度が目標温度付近に維持されるように、前記バーナを燃焼させる温水温度制御手段とを備えた温水循環システムにおいて、
   前記バーナの燃焼量を調整する燃焼量調整手段を備え、
   前記温水温度制御手段は、
   前記温度検出手段の検出温度が目標温度となるように前記燃焼量調整手段により前記バーナの燃焼量を調整する「目標温度到達処理」を実行して、前記温度検出手段の検出温度が目標温度となったときの燃焼量を基準燃焼量とし、
   前記温度検出手段の検出温度が目標温度よりも第１の所定温度高く設定された上限温度以上となるまで、前記基準燃焼量に基づいて決定される燃焼量で前記バーナを燃焼させるバーナ燃焼工程と、前記温度検出手段の検出温度が前記上限温度以上となったときに前記バーナを消火させて、前記温度検出手段の検出温度が目標温度よりも第２の所定温度低く設定された下限温度以下となるまで前記バーナを消火状態とするバーナ消火工程とを交互に繰り返し実行する「燃焼／消火切替処理」を実行することを特徴とする温水循環システム。
2. 前記温水温度制御手段は、
   前記バーナ燃焼工程で、前記基準燃焼量に予め設定された燃焼量を加算した一定の燃焼量で前記バーナを燃焼させ、
   前記「目標温度到達処理」の実行により、前記温度検出手段の検出温度が目標温度となっている状態が所定時間以上継続したときに、そのときの前記バーナの燃焼量を前記基準燃焼量として、前記「燃焼／消火切替処理」を実行することを特徴とする請求項１に記載の温水循環システム。
3. 前記温水温度制御手段は、
   前記バーナ燃焼工程で、前記基準燃焼量に予め設定された燃焼量を加算した一定の燃焼量で前記バーナを燃焼させ、
   前記「燃焼／消火切替処理」を実行中に、所定のタイミングで前記「燃焼／消火切替処理」を中断して、前記「目標温度到達処理」を実行し、
   該「目標温度到達処理」により、前記温度検出手段の検出温度が目標温度となったときの燃焼量を前記基準燃焼量として、前記「燃焼／消火切替処理」を再開することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温水循環システム。

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