JP4723300B2 - 床暖房装置、及びその温度制御方法、並びに床暖房装置の制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、建造物の床下に発熱体を配置して室内を暖房する床暖房装置、床暖房装置の温度制御方法及び制御プログラムに関するものである。

建造物の床下に温水配管や電気ヒータ等の発熱体を組み込んだ床暖房パネルを配置し、この床暖房パネルで床面を加熱することで室内を暖房する床暖房装置が普及している。このような床暖房装置の温度制御は、比較的計測が容易な床温度若しくは床暖房パネル温度情報（床暖房パネルの表面温度）、室内気温情報、或いは前記床暖房パネル温度と室内気温とを併用した温度情報に基づいて実行されるのが一般的である。

このような温度制御方法とは異なり、特許文献１には、床暖房装置が配置された室内の床面、壁面、窓からの放射熱（放射温度）を考慮した床暖房装置が開示されている。この床暖房装置は、人の体感温度は室温だけではなく、室内を区画する面からの放射温度にも依存性があることに着目し、快適な体感温度の実現のため放射温度も床暖房装置の温度制御要素として扱うというものである。

放射温度を考慮することで、より快適な室内環境を提供できる床暖房装置が実現されることは確かである。しかしながら、前記放射温度はグローブ温度計等で計測可能であるものの、一般に測定精度が悪く、また放射の方向性も不明であるため、例えば床面からの放射熱を正確に評価することは困難である。一方、特許文献２には、日射や室内の暖房機器、壁面からの放射束を分離して計測できる環境放射束計が提案されている。このような環境放射束計を用いれば、床面からの放射熱等を正確に把握することが可能であるが、かかる環境放射束計は汎用品として普及するには至っておらず、結局、放射熱（放射温度）を考慮した精度の良い温度制御が達成されていないのが実情である。
特開２００２−２６７１８７号公報 特開平１１−１７３９１１号公報

従って本発明は、床面等からの放射熱の影響を考慮した温度制御を行うことができ、より快適性に優れる床暖房装置等を提供することを目的とする。特に、放射温度計等を用いることなく、計測データが正確且つ簡単に取得できるパラメータを用いて放射熱の影響を演算で求めることができるような床暖房装置及びその温度制御方法、並びに床暖房装置の制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明の請求項１にかかる床暖房装置の温度制御方法は、室内の床下に床暖房パネルを配置して床面を加熱するよう構成された床暖房装置を、前記床面からの放射熱の影響を考慮して温度制御する方法において、前記床暖房パネルの温度ｔ_ｐと室内の気温ｔ_ａとを計測し、これらの計測値から室内の平均放射温度ｔ_ｒを求め、前記室内環境における、前記平均放射温度ｔ_ｒと前記室内気温ｔ_ａとを用いて次式で求められる作用温度Ｔ_０
Ｔ_０＝（ｔ_ｒ＋ｔ_ａ）／２
が所定の快適範囲に維持されるように前記床暖房パネルの発熱温度を制御するに際し、前記平均放射温度ｔ_ｒを次式に基づき算出することを特徴とする。
ｎ＞０．５の場合
ｔ_ｒ＝Ｆ_ｂ−ｐｔ_ｐ＋（１−Ｆ_ｂ−ｐ）［Ａｔ_ａ−Ａ_ｐｔ_ｐ＋ｎＣ_ｐρＶ（ｔ_ａ−ｔ_ｏ）／α_ｃ］／（Ａ−Ａ_ｐ） ・・・（ａ）
ｎ≦０．５の場合
ｔ_ｒ＝Ｆ_ｂ−ｐｔ_ｐ＋（１−Ｆ_ｂ−ｐ）（Ａｔ_ａ−Ａ_ｐｔ_ｐ）／（Ａ−Ａ_ｐ） ・・・（ｂ）
但し、Ｆ_ｂ−ｐ：人体から床を見る形態係数、ｔ_ｐ：床暖房パネルの温度、ｔ_ａ：室内気温、Ａ_ｐ：床暖房パネルの面積、Ａ：Ａ_ｐを含む室内の全周壁面積、Ｃ_ｐ：空気の定圧比熱、ρ：空気の密度、α_ｃ：壁表面の対流熱伝達率、ｎ：換気回数、Ｖ：室容積、ｔ_ｏ：外気温

この方法によれば、放射温度計等を用いることなく、比較的簡単に計測できる室内温度、床暖房パネル温度等から、暖房対象となる室内の平均放射温度を上掲の（ａ）式若しくは（ｂ）式に基づき算出することができる。さらに、この算出された平均放射温度と、室内温度とをパラメータとして、室内環境の快適性を客観的に評価可能な作用温度を算出することができる。そして、この作用温度を快適範囲に維持するよう床暖房パネルの発熱温度が制御されることで、床面からの放射熱の影響を考慮した床暖房装置の温度制御が実現されるようになる。

本発明の請求項２にかかる床暖房装置は、室内の床下に配置される床暖房パネルと、該床暖房パネルの温度ｔ_ｐを計測するパネル温度センサと、室内の気温ｔ_ａを計測する室温センサと、前記床暖房パネルの発熱温度を制御することで床面の温度を調節する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記室内環境における、平均放射温度ｔ_ｒと前記室内気温ｔ_ａとを用いて次式で求められる作用温度Ｔ_０
Ｔ_０＝（ｔ_ｒ＋ｔ_ａ）／２
が快適範囲に維持されるように制御を行うものであって、少なくとも前記パネル温度センサにより検知される床暖房パネル温度ｔ_ｐと、前記室温センサにより検知される室内気温ｔ_ａとを取得して前記平均放射温度ｔ_ｒを算出する平均放射温度算出部と、前記作用温度Ｔ_０の快適範囲である快適作用温度を記憶する記憶部と、算出された平均放射温度ｔ_ｒを用いて作用温度Ｔ_０を求め、該作用温度Ｔ_０と前記快適作用温度との乖離に応じて前記床暖房パネルの発熱温度を制御する温度制御部とを具備することを特徴とする。

なお上記構成において、前記平均放射温度算出部は、前記平均放射温度ｔ_ｒを上掲の（ａ）式若しくは（ｂ）式に基づき算出することが望ましい（請求項３）。

上記構成によれば、パネル温度センサにより床暖房パネル温度情報が取得され、室温センサにより室内気温情報が取得される。そして、平均放射温度算出部により、所定の演算式、例えば上掲の（ａ）式若しくは（ｂ）式に基づき、暖房対象となる室内の平均放射温度が算出される。さらに、温度制御部により、前記平均放射温度と室内気温とをパラメータとして、室内環境の快適性を客観的に評価可能な作用温度が算出され、作用温度が快適範囲に維持されるよう床暖房パネルの発熱温度が制御される。従って、床面からの放射熱の影響を考慮した床温度調節が可能な床暖房装置が提供できるようになる。

本発明の請求項４にかかる床暖房装置の制御プログラムは、室内の床下に配置される床暖房パネルと、該床暖房パネルの温度ｔ_ｐを計測するパネル温度センサと、室内の気温ｔ_ａを計測する室温センサと、前記床暖房パネルの発熱温度を制御することで床面の温度を調節する制御手段とを備える床暖房装置の制御プログラムであって、コンピュータに、前記パネル温度センサから床暖房パネル温度ｔ_ｐ情報を取得させる第１ステップと、前記室温センサから室内気温ｔ_ａ情報を取得させる第２ステップと、前記制御手段に、前記室内環境における、平均放射温度ｔ_ｒと前記室内気温ｔ_ａとを用いて次式で求められる作用温度Ｔ_０
Ｔ_０＝（ｔ_ｒ＋ｔ_ａ）／２
が快適範囲に維持されるように前記床暖房パネルの発熱温度を制御させる第３ステップと、を実行させる制御プログラムであって、前記第３ステップとして、前記床暖房パネル温度ｔ_ｐと室内気温ｔ_ａとから、所定の演算式を用いて平均放射温度ｔ_ｒを算出するステップと、算出された平均放射温度ｔ_ｒを用いて作用温度Ｔ_０を求めるステップと、前記作用温度Ｔ_０の快適範囲である快適作用温度を記憶する記憶部から前記快適作用温度を読み出し、前記作用温度Ｔ_０と前記快適作用温度とを比較するステップと、前記作用温度Ｔ_０と前記快適作用温度との乖離度合いに応じて、前記床暖房パネルの発熱温度を制御する制御信号を生成するステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする。

なお上記構成において、前記平均放射温度ｔ_ｒを算出する所定の演算式が、上掲の（ａ）式若しくは（ｂ）であることが望ましい（請求項５）。

請求項１にかかる床暖房装置の温度制御方法、請求項２及び３にかかる床暖房装置、或いは請求項４及び５にかかる床暖房装置の制御プログラムによれば、容易に検出が可能な室内気温と床暖房パネル温度とを用い平均放射温度を算出し、この平均放射温度に基づき作用温度を求め、快適な作用温度に維持する床暖房装置の温度制御が行える。従って、放射温度計等を用いることなく、床面からの放射熱の影響を考慮した床暖房装置の温度制御を行うことができる。また、床面からの放射熱の影響を考慮することで、より人の体感温度に近い基準での温度制御が行え、エネルギー使用効率を向上させることができる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態につき、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる床暖房装置Ｓを示す構成図である。この床暖房装置Ｓは、室内１００の床暖房を行うためのものであって、床面１０１を加熱する床暖房パネル２０、該床暖房パネル２０の表面温度を計測するパネル温度センサ３０、室内１００の気温を計測する室温センサ４０、及び床暖房パネル２０の発熱温度を制御することで床面１０１の温度を調節する制御装置５０（制御手段）を備えて構成されている。

床暖房パネル２０は、温水が流通可能とされた熱パイプ２２が蛇行状に配管されたパネル部材からなり、床下面１０２に配置されている。前記熱パイプ２２の端部はヒートポンプ装置２１に接続されている。ヒートポンプ装置２１は、電動機や圧縮機等で構成されるヒートポンプ駆動部２１１と、ヒートポンプ本体で発生される熱と水（冷温水）とを熱交換させて温水を生成する給湯タンク２１２とを具備してなる。そして、生成された温水が、図略のポンプ装置により前記熱パイプ２２へ供給・循環され、その温水が保有する熱により床面１０１が加熱されるものである。また、前記ヒートポンプ駆動部２１１の動作を制御することで温水温度を調節し、これにより床面１０１の温度を調節できるようになっている。

このような温水式の床暖房パネル２０に代えて、各種の床暖房パネルを適用することができる。例えば、発熱電線を蛇行状に配線したパネル部材、面ヒータを組み込んだパネル部材等、電気ヒータを用いた電気式の床暖房パネルを用いることもできる。この他、各種の床暖房パネルを用いることができ、要するに床面１０１の加熱が可能であって、床面１０１の温度調整が可能なものであれば良い。

パネル温度センサ３０は、床暖房パネル２０の表面に配置され、その表面温度を計測するものである。このパネル温度センサ３０としては、熱電対、放射熱温度センサ等の各種温度センサを用いることができる。室温センサ４０は、室内１００における所定の領域の気温を直接的又は間接的に計測するものであり、例えば接触式センサとしてはサーミスタ等、非接触式センサとしては赤外線温度センサ等を用いることができる。

制御装置５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ装置、入出力インターフェイス、Ａ／Ｄ変換器等を備えた汎用コンピュータ（パーソナルコンピュータ等）であり、前記メモリ装置の所定領域内に記憶された制御プログラムに従って各部を協働させ、床暖房パネル２０による床面１０１の温度制御を行うものである。この制御装置５０の機能構成については後記で詳述する（図４参照）。

以上のように構成された床暖房装置Ｓにおいて、本発明では、パネル温度センサ３０により計測される床暖房パネル２０の温度ｔ_ｐと、室温センサ４０により計測される室内気温ｔ_ａとに基づいて室内の平均放射温度ｔ_ｒを求め、当該室内１００の室内環境における、前記平均放射温度ｔ_ｒと前記室内気温ｔ_ａとを用いて求められる作用温度Ｔ_０が所定の快適範囲に維持されるように床暖房パネル２０の発熱温度が制御装置５０により制御される。

本発明においては、床暖房環境下の快適性は、床暖房パネル２０が敷設された室内１００の室内気温ｔ_ａと、当該室内１００における平均放射温度ｔ_ｒとを用いて次の（１）式で求められる作用温度Ｔ_０により評価される。
Ｔ_０＝（ｔ_ｒ＋ｔ_ａ）／２ ・・・（１）
作用温度Ｔ_０は本来、放射と対流との熱伝達率の重みつき平均として定義されているが、床暖房の設計式では放射と対流とを厳密に区別する必要はないので、上記（１）式のように相加平均で表される慣用式を使用することができる。

ここで、上記平均放射温度ｔ_ｒは、次の（２）式で表される。
ｔ_ｒ＝Ｆ_ｂ−ｐｔ_ｐ＋（１−Ｆ_ｂ−ｐ）ｔ_ｗ ・・・（２）
但し、ｔ_ｐ ：床暖房パネルの温度（平均温度）［℃］
ｔ_ｗ ：床暖房パネルを除く周壁平均表面温度［℃］
Ｆ_ｂ−ｐ：人体から床を見る形態係数［ＮＤ］

図２に、上記（１）、（２）式の要素と室内１００との関係を概略的に示す。図２に示すように、床暖房パネルの温度ｔ_ｐは、床暖房パネル２０表面の平均温度であり、必要に応じて多点温度計測を行って求められる温度パラメータである。室内気温ｔ_ａは、室内１００の床面１０１から所定高さのポイントにおける気温であり、必要に応じて、所定高さ平面内で多点温度計測を行って求められる温度パラメータである。周壁平均表面温度ｔ_ｗは、室内１００の壁面、すなわち床面１０１、側壁面１０３及び天井面１０４のうち、床暖房パネル２０の敷設面を除く面の平均表面温度である。従って、床面１０１において床暖房パネル２０が敷設されていない周縁部も含んだ平均表面温度である。

形態係数Ｆ_ｂ−ｐは、床暖房パネル２０から人体Ｈがどのくらい放射熱を受けるかを示す係数である。この係数は、室内１００への床暖房パネル２０の敷設態様により予め定められる。本実施形態において、この形態係数Ｆ_ｂ−ｐの算出方法は次の通りとした。

図３（ａ）に示すように、先ず、正射影型の魚眼レンズ（ニッコール１８０゜−ＯＰ；株式会社ニコン商品名）を装着した３５ｍｍカメラ７１を、所定高さに設置された人体形状の置換体としての立方体７の、上下の水平面、及び前後左右の鉛直面の合計６面に取り付け（図は立方体７の下の水平面に取り付けている例を示す）、２π立体角視野の写真撮影を行う。図３（ｂ）は、カメラ７１で撮影された画像を示している。そして、カメラ７１の視界領域である円形の全面積ＣＳのうち、プラニメータを用いて床暖房パネル２０の敷設面積ＡＳの占める面積を算出し、円形の全画面ＣＳの面積で除すことによって、立方体７の各面から床面を見た形態係数（＝ＡＳ／ＣＳ）を求める。

次いで、人体形状を立方体７に置き換えたことによる、立方体各面の重み係数を乗じ、これらを全て加算することで、最終的に人体形状から床を見る形態係数とした。すなわち、形態係数Ｆ_ｂ−ｐは、次の（３）式で算出するものとした。
Ｆ_ｂ−ｐ＝φ２Ｆ_２-ｆ＋φ３Ｆ_３-ｆ＋φ４Ｆ_４-ｆ＋φ５Ｆ_５-ｆ＋φ６Ｆ_６-ｆ
ここで、φ１＋φ２＋φ３＋φ４＋φ５＋φ６＝１ ・・・（３）
但し、Ｆ_ｉ-ｆ：立方体の第ｉ面（ｉ＝１〜６）から床を見る形態係数［ＮＤ］
φｉ：人体形状に対応した立方体の第ｉ面の重み係数［ＮＤ］
ｉ＝１は上向き面

続いて、床暖房パネルの温度ｔ_ｐと、室内気温ｔ_ａとを用いて上記平均放射温度ｔ_ｒを求める式が導出される過程について説明する。まず、室内１００の室内気温ｔ_ａと全周壁平均表面温度との関係が把握されているとすれば、床暖房パネル温度ｔ_ｐは既知（温度センサで測定可能）であるので、床暖房パネル温度ｔ_ｐを除いた周壁表面温度を知見することができる。そこで、室内気温ｔ_ａと全周壁平均表面温度との関係について検討する。室内側の壁表面を境界とする、室内の空気についての熱収支を式で表すと、放射は関与しないので、次の（４）式の通りとなる。
Ａ_ｐα_ｃｐ（ｔ_ｐ−ｔ_ａ）＝Ａ_ｗα_ｃｗ（ｔ_ａ−ｔ_ｗ）＋ｎＣ_ｐρＶ（ｔ_ａ−ｔ_０）・・・（４）
但し、ｔ_０：外気温［℃］
α_ｃｐ：床暖房パネル表面の対流熱伝達率［Ｗｍ^−２Ｋ^−１］
α_ｃｗ：床暖房パネルを除く周壁の対流熱伝達率［Ｗｍ^−２Ｋ^−１］
Ａ_ｐ：床暖房パネルの面積［ｍ^２］
Ａ_ｗ：床暖房パネルを除く周壁の面積［ｍ^２］
ｎ：換気回数［ｈ^−１］＝３６００^−１［ｓ^−１］
Ｃ_ｐ：空気の定圧比熱［ｋＪｋｇ^−１Ｋ^−１］
ρ：空気の密度［ｋｇｍ^−３］
Ｖ：室容積（室内の容積）［ｍ^３］

床暖房では、熱流の向きが上向きとなって空気流動が活発となり、対流熱伝達率が増大する。従って、天井、床を含めて、周壁の場所による対流熱伝達率の相違も少なくなることから、α_ｃｐとα_ｃｗとが同一であると扱い、
α_ｃｐ＝α_ｃｗ＝α_ｃ ・・・（５）
とおくと、上記（４）式は、次の（６）式のように変形される。
（Ａ_ｐ＋Ａ_ｗ＋ｎＣ_ｐρＶ／α_ｃ）ｔ_ａ＝Ａ_ｐｔ_ｐ＋Ａ_ｗｔ_ｗ＋ｎＣ_ｐρＶｔ_０／α_ｃ
・・・（６）

ここで、床暖房パネルを含めた全周壁面積Ａ［ｍ^２］、全周壁平均表面温度ｔ［℃］を用いると、
Ａ＝Ａ_ｐ＋Ａ_ｗ ・・・（７）
ｔ＝（Ａ_ｐｔ_ｐ＋Ａ_ｗｔ_ｗ）／Ａ ・・・（８）
となるので、上記（６）を変形して整理すると、
α_ｃＡ（ｔ−ｔ_ａ）＝ｎＣ_ｐρＶ（ｔ_ａ−ｔ_０）・・・（９）
となる。この（９）式が、室内気温ｔ_ａと全周壁平均表面温度ｔとの関係を表す式である。すなわち、室内気温ｔ_ａと全周壁平均表面温度ｔとの温度差は換気量（換気回数ｎ）に依存する関係であると言うことができる。つまり、換気回数ｎ＝０とすれば、室内気温ｔ_ａは全周壁平均表面温度ｔと一致する。

一般に、床暖房パネルによる室内暖房が安定的に行われた場合、室内気温ｔ_ａよりも全周壁平均表面温度ｔの方が０．４℃程度高くなる。下記の表１は、一般住宅のリビングダイニングキッチン（ＬＤＫ）構造部において、平面４．５ｍ×６．０ｍ、天井高２．４５ｍのリビングの床中央部に、３６３６ｍｍ×４８４８ｍｍサイズの電気式床暖房パネルを敷設し、該床暖房パネルによる暖房運転を行ったときの、床中央部の床上５０ｃｍの室内気温ｔ_ａと、全周壁平均表面温度ｔとの推移を記録したものである。

表１に示すように、床暖房の運転開始後２時間程度は室内気温ｔ_ａ及び全周壁平均表面温度ｔの変化が急激で、両者はほぼ同等であるが、３時間目（１３時）以降は温度が安定し、室内気温ｔ_ａと全周壁平均表面温度ｔとの温度差は、０．４℃前後となっていることが分かる。ここで、この０．４℃程度の温度差が、当該室内に対するどれだけの換気量（換気回数ｎ）に相当するかを、上記（９）式に実測値を代入して算定すると、換気量＝４０ｍ^３／ｈ程度となる。これを換気回数ｎに換算すると、ｎ＝０．６回／ｈである。また、換気回数ｎ＝０．５回／ｈに相当する換気量を室内気温ｔ_ａと全周壁平均表面温度ｔとの温度差に逆換算すると、０．３℃程度に相当する。

ところで、０．３℃という温度差は、通常の温度計測では誤差範囲である。従って、室内気温ｔ_ａと全周壁平均表面温度ｔとの温度差が０．３℃以下であれば、両者は近似的に等しいと扱うことができ、ｔ＝ｔ_ａとして差し支えない。このことから、上記（２）式で示した平均放射温度ｔ_ｒとしては、ｔ＝ｔ_ａ、及び（７）式、（８）式の関係から、次の（１０）式を用いることができる。
ｔ_ｒ＝Ｆ_ｂ−ｐｔ_ｐ＋（１−Ｆ_ｂ−ｐ）（Ａｔ_ａ−Ａ_ｐｔ_ｐ）／（Ａ−Ａ_ｐ） ・・・（１０）
この（１０）式は、上掲の（ｂ）式に相当するものである。以上より、０．３℃という温度差に相当する換気回数ｎ＝０．５回／ｈ以下の場合（ｎ≦０．５の場合）には、（１０）式に基づき平均放射温度ｔ_ｒを求めれば良いことになる。

これに対し、換気回数ｎが０．５回／ｈを超える場合（ｎ＞０．５の場合）は、（９）式に従って、換気量を考慮して平均放射温度ｔ_ｒを次の（１１）式により求める必要がある。
ｔ_ｒ＝Ｆ_ｂ−ｐｔ_ｐ＋（１−Ｆ_ｂ−ｐ）［Ａｔ_ａ−Ａ_ｐｔ_ｐ＋ｎＣ_ｐρＶ（ｔ_ａ−ｔ_ｏ）／α_ｃ］／（Ａ−Ａ_ｐ） ・・・（１１）
この（１１）式は、上掲の（ａ）式に相当するものである。なお（１１）式において、係数としては次の値を用いることができる。
空気の定圧比熱Ｃ_ｐ：１．００７［ｋＪｋｇ^−１Ｋ^−１］ ２０℃において
空気の密度ρ：１．２０６［ｋｇｍ^−３］ ２０℃において
対流熱伝達率α_ｃ：３．８［Ｗｍ^−２Ｋ^−１］

また、上記の床暖房パネルの面積Ａ_ｐ、全周壁面積Ａ、室容積Ｖは、設計の際に指定される固定値である。さらに、換気回数ｎ及び外気温ｔ_０も、設計の際に固定値として与えられる。なお、建築基準法では、換気回数ｎを０．５回／ｈ以上とすることが規定されていることから、新築住居には（１１）式が適用され、所定の換気回数ｎが設計値として与えられる。外気温ｔ_０は、地域特性、季節などを考慮して、平均的な温度が固定値として与えられる。

一方、形態係数Ｆ_ｂ−ｐは、例えば床座人体形状から床暖房パネルを見るものとして設計する場合には、次の数値を推奨値として与えることができる。
床暖房パネル面積が大きい室中央部での上限 ０．５０
一般住宅の部屋の中央部 ０．４０
床暖房パネルの縁の近傍 ０．３０
床暖房パネルの四隅の近傍 ０．２３

以上のように、（１０）式若しくは（１１）式を用いて平均放射温度ｔ_ｒを求め、さらには（１）式を用いて作用温度Ｔ_０を算出して床暖房の快適性を評価するに際し、室内気温ｔ_ａと、床暖房パネル温度ｔ_ｐとを計測して与えれば、作用温度Ｔ_０を算出できるようになる。すなわち、放射温度計を用いずとも作用温度Ｔ_０を算出でき、かかる作用温度Ｔ_０に基づき、床暖房パネル２０の発熱温度を制御することで、室内１００をユーザにとって快適な環境に維持できるようになる。

続いて、本実施形態にかかる床暖房装置Ｓの制御に関わる構成について説明する。図４は、上記制御装置５０の機能構成を示す機能ブロック図である。この制御装置５０は、Ａ／Ｄ変換部５１、ＲＡＭ（Random Access Memory）５２、ＲＯＭ（Read Only Memory）５３、温度制御部５４、データ格納部５５及び全体制御部５６を備えて構成されている。

Ａ／Ｄ変換部５１は、所定のサンプリング周期でパネル温度センサ３０及び室温センサ４０により検出されたアナログ温度計測データを取得し、該計測データ信号を所定の増幅度で増幅すると共に、デジタル信号に変換する。

ＲＡＭ５２には、制御装置５０の各部で求められるデータ類が一時的に格納される。なお、前記Ａ／Ｄ変換部５１により変換されたデジタル計測データ信号も、このＲＡＭ５２一時的に格納される。ＲＯＭ５３には、当該床暖房装置Ｓの制御用プログラム等が格納される。

温度制御部５４は、平均放射温度算出部５４１、作用温度算出部５４２、比較部５４３及び温度制御信号生成部５４４を備えて構成されている。平均放射温度算出部５４１は、パネル温度センサ３０及び室温センサ４０により検出された床暖房パネル温度ｔ_ｐ及び室内気温ｔ_ａを、上記（１０）式若しくは（１１）式に適用して、平均放射温度ｔ_ｒを求める演算を行う。作用温度算出部５４２は、前記平均放射温度算出部５４１で求められた平均放射温度ｔ_ｒと、室温センサ４０により検出された室内気温ｔ_ａとを、上記（１）式に適用して作用温度Ｔ_０を算出する演算を行う。

比較部５４３は、作用温度算出部５４２により算出された作用温度Ｔ_０と、快適範囲として設定されている快適作用温度（後述の作用温度記憶部５５２に格納されている）とを比較し、両者の乖離度合いを求める演算を行う。この比較部５４３で求められる作用温度Ｔ_０と快適作用温度との温度差は、室内１００が快適な環境であるか否かを判定する指標ともなる。

上記の快適作用温度は、例えばＡＳＨＲＡＥ快適線図を参照して設定することができる。図５は、１９７２年版のＡＳＨＲＡＥハンドブックに掲載されたＡＳＨＲＡＥ標準有効温度（ＳＥＴ^＊）線図に基づいて、社団法人空気調和衛生工学会が温度単位を℃に書き改めた線図である。この線図に基づくならば、相対湿度＝５０％を基準とした場合、床暖房が専ら運転される冬季にあっては、快適作用温度は２０℃〜２４℃の範囲であり、このような温度範囲内で快適作用温度を設定することができる。

温度制御信号生成部５４４は、現状の室内気温ｔ_ａ及び平均放射温度ｔ_ｒ、算出された作用温度Ｔ_０、比較部５４３で算出された乖離度合いに関するデータ等を参照データとし、作用温度Ｔ_０が快適作用温度範囲に至るよう（快適作用温度範囲に維持されるよう）、ヒートポンプ駆動部２１１に対する駆動制御信号を生成する。例えば、現状の作用温度Ｔ_０が、快適作用温度よりも２℃低い場合、この２℃の乖離を０にするために必要な床暖房パネル温度ｔ_ｐ及び室内気温ｔ_ａを上記（１）式、（１０）式若しくは（１１）式に基づいて求めて目標温度とし、この目標温度に到達させるのに必要な床暖房パネル２０の発熱温度を求める。そして、前記床暖房パネル２０の発熱温度に応じて、ヒートポンプ駆動部２１１に対する駆動制御信号を生成するものである。

データ格納部５５は、前記温度制御部５４における各種演算に必要なデータが格納される機能部であり、パラメータ記憶部５５１と作用温度記憶部５５２とを備えている。パラメータ記憶部５５１には、前記平均放射温度算出部５４１における演算において用いられるパラメータが格納されている。具体的には、上記（１０）式若しくは（１１）式、及びこれらの式において用いられる形態係数Ｆ_ｂ−ｐ、床暖房パネルの面積Ａ_ｐ、室内の全周壁面積Ａ、空気の定圧比熱Ｃ_ｐ、空気の密度ρ、壁表面の対流熱伝達率α_ｃ、換気回数ｎ、室容積Ｖ、及び外気温ｔ_ｏ等の数値データが格納されている。

作用温度記憶部５５２には、快適作用温度である制御目標温度データが格納される。この制御目標温度データは、上述の図５に示したＡＳＨＲＡＥ標準有効温度（ＳＥＴ^＊）腺図に基づき、季節、部屋の形状、ユーザの属性等に応じて、適宜な数値を設定値として定めることができる。

全体制御部５６は、各部の動作制御を行うもので、先ず、パネル温度センサ３０及び室温センサ４０から所定のサンプリング周期でアナログ温度計測データを制御装置５０へ取り込ませる動作制御や、操作部６０から与えられるユーザの操作指示信号に応じてヒートポンプ駆動部２１１やその他の機器の動作制御を行う。さらに、ＲＡＭ５２へ計測データを一時的に格納させたり、ＲＯＭ５３から動作プログラムを読み出し、ＲＡＭ５２に格納されている計測データに基づき温度制御部５４に温度制御のための演算を実行させたりする制御を行う。

以上の通り構成された本実施形態にかかる床暖房装置Ｓの動作について説明する。図６は、床暖房装置Ｓの基本的な制御動作を示すフローチャートである。なお、このフローチャートは、床暖房装置Ｓが起動された直後の温度変化期（温度上昇期）を過ぎて、安定運転状態に達した状態における制御動作を示している。因みに、起動直後から安定運転期までは、作用温度記憶部５５２に格納されている快適作用温度を目標温度として、該目標値に近付ける運転制御が実行される。

床暖房装置Ｓの運転が開始され安定期に入ると、パネル温度センサ３０及び室温センサ４０から温度計測データを取得するサンプリング時間であるか否かが確認され（ステップＳ１）、サンプリング時間が到来すると（ステップＳ１でＹＥＳ）、全体制御部５６によりパネル温度センサ３０及び室温センサ４０から、床暖房パネル温度ｔ_ｐ及び室内気温ｔ_ａについてのアナログ温度計測データが、Ａ／Ｄ変換部５１に取得される（ステップＳ２）。なお、温度計測データを取得するサンプリング周期は、５〜１０分程度が適当である。前記アナログ温度計測データは、Ａ／Ｄ変換部５１にてデジタルデータに変換され、ＲＡＭ５２に一時的に格納される。

次に、温度制御部５４の平均放射温度算出部５４１により、ステップＳ２で取得された床暖房パネル温度ｔ_ｐ及び室内気温ｔ_ａ、並びにパラメータ記憶部５５１に格納されている係数値を使用して、上記（１０）式若しくは（１１）式に基づき平均放射温度ｔ_ｒが求められる（ステップＳ３）。続いて、作用温度算出部５４２により、求められた平均放射温度ｔ_ｒと、前記室内気温ｔ_ａとを使用して、上記（１）式に基づき作用温度Ｔ_０が算出される（ステップＳ４）。

そして、比較部５４３により、ステップＳ４で算出された作用温度Ｔ_０と、作用温度記憶部５５２に格納されている快適作用温度とが比較され、両者の乖離度合いを求める演算が行われる（ステップＳ５）。比較部５４３にて得られた数値が快適範囲であるか否か（快適範囲に維持されているか）が確認され（ステップＳ６）、快適範囲でない場合（ステップＳ６でＮＯ。ここでは、作用温度Ｔ_０が低く寒いと感じられる場合となる）、床暖房パネル２０による床面１０１の加熱が実行される。

すなわち、温度制御信号生成部５４４により、床暖房パネル温度ｔ_ｐ及び室内気温ｔ_ａから算出される作用温度Ｔ_０を、快適作用温度範囲に至らせることができるような（快適作用温度範囲に維持されるような）床暖房パネル２０に対する温度制御信号、つまりヒートポンプ駆動部２１１に対する駆動制御信号が生成される（ステップＳ７）。そして、この駆動制御信号に基づき、所定時間ヒートポンプ装置２１が駆動され、目標温度に到達させることが可能な温度とされた温水が熱パイプ２２へ供給されるものである（ステップＳ８）。

その後、床暖房装置Ｓの運転終了指令があるか否かが確認され（ステップＳ９）、終了指令がない場合（ステップＳ９でＮＯ）は、ステップＳ１に戻って処理が繰り返される。なお、ステップＳ６で快適範囲であると判定された場合も、ステップＳ９を経由してステップＳ１に戻る。一方、床暖房装置Ｓの運転終了指令がある場合（ステップＳ９でＹＥＳ）は、処理が終了される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の実施形態を採ることができる。例えば、上記実施形態では、床面１０１の温度と室内の気温とを調整するシステムを例示したが、床面温度に加えて、壁面１０３または天井１０４の温度を制御する場合も、上記の手法を同様にして適用することができる。

また、上述の床暖房装置Ｓとしてではなく、該床暖房装置Ｓに備えられているコンピュータに制御動作を実行させる制御プログラムとして提供することもできる。このようなプログラムは、コンピュータに付属するフレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびメモリカードなどのコンピュータ読取り可能な記録媒体にて記録させて、プログラム製品として提供することもできる。若しくは、制御装置５０（或いはヒートポンプ装置２１）が備えるＲＯＭ５３などの記録媒体にて記録させて、プログラムを提供することもできる。また、ネットワークを介したダウンロードによって、プログラムを提供することもできる。

本発明の床暖房装置Ｓの構成を概略的に示す構成図である。 発明で用いられる快適性評価算定式の要素と室内との関係を概略的に示す説明図である。 形態係数Ｆ_ｉ−ｐの算出方法に関する説明図である。 制御装置の機能構成を示す機能ブロック図である。 １９７２年版のＡＳＨＲＡＥハンドブックに掲載されたＡＳＨＲＡＥ標準有効温度（ＳＥＴ^＊）線図に基づいて、社団法人空気調和衛生工学会が温度単位を℃に書き改めた線図である。 本発明の床暖房装置Ｓの動作フローを示すフローチャートである。

符号の説明

１００ 室内
１０１ 床面
２０ 床暖房パネル
２１ ヒートポンプ装置
２１１ ヒートポンプ駆動部
２２ 熱パイプ
３０ パネル温度センサ
４０ 室温センサ
５０ 制御装置（制御手段）
５１ Ａ／Ｄ変換部
５２ ＲＡＭ
５３ ＲＯＭ
５４ 温度制御部
５４１ 平均放射温度算出部
５４２ 作用温度算出部
５４３ 比較部
５４４ 温度制御信号生成部
５５ データ格納部
５５１ パラメータ記憶部
５５２ 作用温度記憶部
５６ 全体制御部
Ｓ 床暖房装置

Claims (5)

1. 室内の床下に床暖房パネルを配置して床面を加熱するよう構成された床暖房装置を、前記床面からの放射熱の影響を考慮して温度制御する方法において、
   前記床暖房パネルの温度ｔ_ｐと室内の気温ｔ_ａとを計測し、これらの計測値から室内の平均放射温度ｔ_ｒを求め、前記室内環境における、前記平均放射温度ｔ_ｒと前記室内気温ｔ_ａとを用いて次式で求められる作用温度Ｔ_０
   Ｔ_０＝（ｔ_ｒ＋ｔ_ａ）／２
   が所定の快適範囲に維持されるように前記床暖房パネルの発熱温度を制御するに際し、
   前記平均放射温度ｔ_ｒを次式に基づき算出することを特徴とする床暖房装置の温度制御方法。
   ｎ＞０．５の場合
   ｔ_ｒ＝Ｆ_ｂ−ｐｔ_ｐ＋（１−Ｆ_ｂ−ｐ）［Ａｔ_ａ−Ａ_ｐｔ_ｐ＋ｎＣ_ｐρＶ（ｔ_ａ−ｔ_ｏ）／α_ｃ］／（Ａ−Ａ_ｐ）
   ｎ≦０．５の場合
   ｔ_ｒ＝Ｆ_ｂ−ｐｔ_ｐ＋（１−Ｆ_ｂ−ｐ）（Ａｔ_ａ−Ａ_ｐｔ_ｐ）／（Ａ−Ａ_ｐ）
   但し、Ｆ_ｂ−ｐ：人体から床を見る形態係数、ｔ_ｐ：床暖房パネルの温度、ｔ_ａ：室内気温、Ａ_ｐ：床暖房パネルの面積、Ａ：Ａ_ｐを含む室内の全周壁面積、Ｃ_ｐ：空気の定圧比熱、ρ：空気の密度、α_ｃ：壁表面の対流熱伝達率、ｎ：換気回数、Ｖ：室容積、ｔ_ｏ：外気温
2. 室内の床下に配置される床暖房パネルと、該床暖房パネルの温度ｔ_ｐを計測するパネル温度センサと、室内の気温ｔ_ａを計測する室温センサと、前記床暖房パネルの発熱温度を制御することで床面の温度を調節する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記室内環境における、平均放射温度ｔ_ｒと前記室内気温ｔ_ａとを用いて次式で求められる作用温度Ｔ_０
   Ｔ_０＝（ｔ_ｒ＋ｔ_ａ）／２
   が快適範囲に維持されるように制御を行うものであって、
   少なくとも前記パネル温度センサにより検知される床暖房パネル温度ｔ_ｐと、前記室温センサにより検知される室内気温ｔ_ａとを取得して前記平均放射温度ｔ_ｒを算出する平均放射温度算出部と、
   前記作用温度Ｔ_０の快適範囲である快適作用温度を記憶する記憶部と、
   算出された平均放射温度ｔ_ｒを用いて作用温度Ｔ_０を求め、該作用温度Ｔ_０と前記快適作用温度との乖離に応じて前記床暖房パネルの発熱温度を制御する温度制御部とを具備することを特徴とする床暖房装置。
3. 前記平均放射温度算出部は、前記平均放射温度ｔ_ｒを次式に基づき算出することを特徴とする請求項２記載の床暖房装置。
   ｎ＞０．５の場合
   ｔ_ｒ＝Ｆ_ｂ−ｐｔ_ｐ＋（１−Ｆ_ｂ−ｐ）［Ａｔ_ａ−Ａ_ｐｔ_ｐ＋ｎＣ_ｐρＶ（ｔ_ａ−ｔ_ｏ）／α_ｃ］／（Ａ−Ａ_ｐ）
   ｎ≦０．５の場合
   ｔ_ｒ＝Ｆ_ｂ−ｐｔ_ｐ＋（１−Ｆ_ｂ−ｐ）（Ａｔ_ａ−Ａ_ｐｔ_ｐ）／（Ａ−Ａ_ｐ）
   但し、Ｆ_ｂ−ｐ：人体から床を見る形態係数、ｔ_ｐ：床暖房パネルの温度、ｔ_ａ：室内気温、Ａ_ｐ：床暖房パネルの面積、Ａ：Ａ_ｐを含む室内の全周壁面積、Ｃ_ｐ：空気の定圧比熱、ρ：空気の密度、α_ｃ：壁表面の対流熱伝達率、ｎ：換気回数、Ｖ：室容積、ｔ_ｏ：外気温
4. 室内の床下に配置される床暖房パネルと、該床暖房パネルの温度ｔ_ｐを計測するパネル温度センサと、室内の気温ｔ_ａを計測する室温センサと、前記床暖房パネルの発熱温度を制御することで床面の温度を調節する制御手段とを備える床暖房装置の制御プログラムであって、コンピュータに、
   前記パネル温度センサから床暖房パネル温度ｔ_ｐ情報を取得させる第１ステップと、
   前記室温センサから室内気温ｔ_ａ情報を取得させる第２ステップと、
   前記制御手段に、前記室内環境における、平均放射温度ｔ_ｒと前記室内気温ｔ_ａとを用いて次式で求められる作用温度Ｔ_０
   Ｔ_０＝（ｔ_ｒ＋ｔ_ａ）／２
   が快適範囲に維持されるように前記床暖房パネルの発熱温度を制御させる第３ステップと、を実行させる制御プログラムであって、
   前記第３ステップとして、
   前記床暖房パネル温度ｔ_ｐと室内気温ｔ_ａとから、所定の演算式を用いて平均放射温度ｔ_ｒを算出するステップと、
   算出された平均放射温度ｔ_ｒを用いて作用温度Ｔ_０を求めるステップと、
   前記作用温度Ｔ_０の快適範囲である快適作用温度を記憶する記憶部から前記快適作用温度を読み出し、前記作用温度Ｔ_０と前記快適作用温度とを比較するステップと、
   前記作用温度Ｔ_０と前記快適作用温度との乖離度合いに応じて、前記床暖房パネルの発熱温度を制御する制御信号を生成するステップと
   をコンピュータに実行させることを特徴とする床暖房装置の制御プログラム。
   
5. 前記平均放射温度ｔ_ｒを算出する所定の演算式が、次式からなることを特徴とする請求項４記載の床暖房装置の制御プログラム。
   ｎ＞０．５の場合
   ｔ_ｒ＝Ｆ_ｂ−ｐｔ_ｐ＋（１−Ｆ_ｂ−ｐ）［Ａｔ_ａ−Ａ_ｐｔ_ｐ＋ｎＣ_ｐρＶ（ｔ_ａ−ｔ_ｏ）／α_ｃ］／（Ａ−Ａ_ｐ）
   ｎ≦０．５の場合
   ｔ_ｒ＝Ｆ_ｂ−ｐｔ_ｐ＋（１−Ｆ_ｂ−ｐ）（Ａｔ_ａ−Ａ_ｐｔ_ｐ）／（Ａ−Ａ_ｐ）
   但し、Ｆ_ｂ−ｐ：人体から床を見る形態係数、ｔ_ｐ：床暖房パネルの温度、ｔ_ａ：室内気温、Ａ_ｐ：床暖房パネルの面積、Ａ：Ａ_ｐを含む室内の全周壁面積、Ｃ_ｐ：空気の定圧比熱、ρ：空気の密度、α_ｃ：壁表面の対流熱伝達率、ｎ：換気回数、Ｖ：室容積、ｔ_ｏ：外気温

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