JP4912079B2 - 床暖房システムの運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は床暖房システムに係り、特に、冬季夜間における快適睡眠環境を提供可能な床暖房システムの運転制御方法に関する。

近年、冬季夜間、特に睡眠時における室内快適環境の実現が求められている。睡眠時における人体の深部温度（直腸温）変化は、入床後しばらく下降し平衡状態に至り、明け方にかけて緩やかに上昇することが知られている（例えば非特許文献１）。また、寝室の室温変化をこの傾向に合わせて３時間で４℃程度低下させ、明け方にかけて緩やかに上昇させると、快適な睡眠を得られるといわれている。このように冬季夜間の空調に際しては、人体の生理リズムに合わせたきめ細かな温度制御が必要であり、制御が悪いと却って睡眠環境を妨害することになる。

この点に関して、空気調和機による室内温度制御として通常モードと睡眠モードとを運転モードとして備え、睡眠モード時の温度ディファレンシャルを通常モード時のそれより大きくすることによりＯＮ−ＯＦＦ頻度を減少させ、快適環境を実現しようとする技術が開示されている（例えば特許文献１）。同文献には、さらに、起床予定時刻の一定時間前に輻射・対流併用運転を行う技術についても開示されている。

また、人体の生理リズムに合わせた温度制御方式として、環境温度制御装置が提案されている（例えば特許文献２）。同装置は、図１３に示すように人体１０１に取り付けた体温センサ１０２から入力される実測値と、予め設定した睡眠に最適な体温履歴とをデータ解析装置１０３で比較し、その結果に基づいて温度制御装置１０４により枕１０６等に配置した温度調整手段１０５を制御するものである。

特開平９−３０３８４０号公報 特開平５−８８７５８号公報 「冬期の睡眠時における足元加温が睡眠に与える効果に関する研究」，五十嵐礼子他、人間-生活環境系シンポジウム報告集Vol.28 Page.177-180(2004.11.25)

しかしながら、特許文献１の技術は温風吹き出しタイプの空調機による室内温度制御に関するものであり、この方式では睡眠時の体温変化に合わせて床面近傍の温度制御を行うことは難しい。

一方、特許文献２の技術は睡眠時における人体の体温変化を考慮した技術ではあるが、就寝時に常時体温測定を行う必要があり、装置・システムが複雑となり実用性に欠けるという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためのものであって、簡易な構成により睡眠時における人体の生理変化（体温変化）に合わせて快適睡眠環境を実現できる床暖房システムの運転制御技術を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、
（１）床暖房システムにおいて、運転モードとして通常モードと睡眠モードとを備えており、かつ、睡眠モードが選択されたときは、睡眠モード開始とともに制御対象の設定値を通常モードにおける第一の設定値より低い第二の設定値で運転を継続し、その後、予め設定されている起床予定時刻の所定時間（ｔ２）前からは、通常モード運転に移行することを特徴とする床暖房システムの運転制御方法である。

床暖房パネルはそれ自体に蓄熱性があるため、本発明のような制御を行うことにより、睡眠時の人体の体温変化に類似した緩やかな室温降下を実現することができる。
本発明において、「床暖房システム」は熱源種類、熱媒種類（温水・電気等）を問わない。また「制御対象」とは、熱源エネルギー消費量、温水温度、室内温度など、最終的に人体の体温変化に合わせた室内環境制御が可能な対象を指す概念である。
（２）上記において、睡眠モード開始とともに運転を停止し、所定時間（ｔ１）経過後に運転再開するステップを、さらに含むことを特徴とする。
（３）上記において、制御対象が室内温度であり、第一の設定値が第一の設定温度（Ｔ１）であり、第二の設定値が第二の設定温度（Ｔ２）であることを特徴とする。

また、所定時間（ｔ１）、所定時間（ｔ２）は、目的とする室内環境条件に対応して適宜適切な時間を設定することができる。また、第一の設定温度（Ｔ１）、第二の設定温度（Ｔ２）についても、Ｔ１＞Ｔ２の条件で適宜選択することができる。
（４）上記発明において、所定時間（ｔ１）経過後運転を再開することに替えて、室温が前記第二の設定温度（Ｔ２）以下となったときに運転を再開することができる。
（５）また、所定時間（ｔ２）の設定を、睡眠モード運転時における熱源出力の経時変化率に基づいて行うことができる。
ここにいう「熱源出力」とは、熱源（ガス、灯油、電気等）のエネルギー消費量をいう。「経時変化率」とは、単位時間当たりエネルギー消費量の経時変化率を言う。
（６）また、所定時間（ｔ２）の設定を外気温に基づいて行うことができる。
一般に、朝一番の立ち上げ時間は外気温に依存する。従って、所定時間（ｔ２）の設定を外気温に基づいて行うことにより、気象条件等に対応してより快適な起床時環境を実現することができる。

（７）上記各発明において、予め設定されている就寝予定時刻の所定時間（ｔ３）前から通常モード運転を開始するステップと、予め設定されている起床予定時刻の所定時間（ｔ４）経過後に通常モード運転を停止するステップと、をさらに含むことを特徴とする。
本発明は、寝室床暖房のプログラム運転制御に関する。図１２は、本発明の作用を示す図である。請求項１以下の発明が同図Ａの範囲に関する制御であるのに対して、本発明の範囲はＢに拡大されている。このうちＢ１は、睡眠モード開始の準備（部屋・床を予め暖めておく）のために、就寝予定時刻（τ１）のｔ３時間前に通常モード運転を開始するものである。またＢ２は、起床後は寝室が無人となることが多いため、起床予定時刻（τ４）から一定時間（ｔ４）運転後に、通常モード運転を停止するものである。このような制御により、利用者は運転操作を行うことなく快適な就寝環境を享受できる。
（８）上記各発明において床暖房システムは、さらに寝具モードとして布団モードを含む複数のモードを備えており、布団モードが選択され、かつ、睡眠モード運転時における単位時間当たりエネルギー消費量が定格値に対して所定の値以下となったときは、所定時間（ｔ５）運転を停止することを特徴とする。
床暖房パネル上に布団を敷くと閉塞温度上昇（こもり熱）が発生し、快適な睡眠環境を妨げることになる。これを回避するため、本発明は、寝具モードとして布団モードが選択されたときは、睡眠モード運転時においてエネルギー消費量が小さい場合に一定時間運転を停止し、こもり熱を防止するものである。
「所定の値」は熱源種類、居室条件等に対応して適当に定めることができる。

（９）上記発明において、床暖房システムが温水式であり、かつ、運転停止の判定を単位時間当たりエネルギー消費量で行うことに替えて、熱源機戻り温水温度に基づいて行うことを特徴とする。
温水式床暖房の場合、床暖房パネル上に布団が敷かれていると床暖房パネルからの放熱が妨げられ、結果的に戻り温水温度が上昇する。この変化を検知することにより、床暖房パネル上に布団が敷かれているか否かを判定することが可能になる。なお、戻り温水温度に替えて床表面温度変化を検知する方式とすることも可能である。

（１０）さらに、寝具モードとして布団が選択されたときは、所定時間（ｔ１）及び所定時間（ｔ２）に替えて、布団を敷いた状態の床表面温度上昇に対応した所定時間（ｔ１’）及び所定時間（ｔ２’）を採用することができる。
本発明により、布団が敷かれたときの各部温度変化に対応して快適環境が実現できる。
（１１）さらに、通常モード運転における立ち上げ時の熱源機出力が所定の値以下のときは、自動的に布団モードと判定することができる。

上記各発明によれば、簡易な制御により室温変化を睡眠時における体温変化に類似させることができる。起床時の暖房立ち上がりについても同様である。このため、空気対流式の暖房のように空気温度を煩雑にコントロールする必要がなく、極めて容易に睡眠時、起床時における快適環境を実現できるという効果がある。

以下、本発明に係る床暖房システムの実施形態について、図１乃至１１を参照してさらに詳細に説明する。なお、重複を避けるため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

（第一の実施形態）
本実施形態は主として（１）、（２）の発明に対応するものであり、睡眠モード開始後、一定時間運転停止し、運転再開後は通常モード運転時の設定温度より低温の設定温度で運転継続することを特徴とする。図１は、本実施形態に係る床暖房システム１の全体構成を示す図である。図２は、本実施形態における制御フローを示す図である。図３は、本制御中における熱源機出力及び室内温度の経時変化を示す図である。
図１を参照して、床暖房システム１は屋外に設置された熱源機３、家屋２の寝室６の床面９に敷設された床暖房パネル４、寝室６壁面に設置された床暖房コントローラ７を主要構成として備えている。床暖房パネル４上にはベッド１０が置かれている。熱源機３と床暖房パネル４間は、往側温水配管５ａ及び戻側温水配管５ｂで結ばれており、熱源機３で作られた温水を循環可能に構成されている。熱源機３は、筐体３ａ内部に燃焼部３ｂ、熱交換部３ｄを主要構成として備えており、ガス供給系統（図示せず）を介して供給される都市ガスを熱源として暖房用温水を作り、床暖房パネル４に供給するように構成されている。床暖房コントローラ７表面には温度センサＳ２が設けられており、寝室６の室内温度を計測するように構成されている。また、床暖房コントローラ７は、図示を省略するが後述する運転モード（通常モード、睡眠モード）、熱源機発停タイマー設定等の各種ボタンを備えている。熱源機３内の戻側系統３ｆ経路中には温度センサＳ１が配設されており、戻側温水温度を計測するように構成されている。温度センサＳ１、Ｓ２の計測値は熱源機３内の制御部３ｃに取り込まれ、後述の温水温度制御に用いられる。

床暖房システム１は以上のように構成されており、次に図２を参照して本実施形態における運転制御フローについて説明する。なお以下の説明では時刻と時間とを、例えばτ１（時刻）、ｔ１（時間）として区別する。また、就寝時刻τ１（例えば２３：００）、起床予定時刻τ４（例えば７：００）とする。

就寝前は通常モード（室温設定Ｔ１）で運転継続されている（ステップＳ１０１）。使用者のコントローラ７による睡眠モードの選択又はタイマー設定により、睡眠モード運転が開始される（ステップＳ１０２においてＹＥＳ）。すなわち、第一段階として運転ＯＦＦ状態となり（ステップＳ１０３）、この状態がｔ１時間継続される（ステップＳ１０４）。ｔ１時間以上経過したときは（このときの時刻をτ２とする）、運転が再開される。この場合の室温設定はＴ２（Ｔ２＜Ｔ１）となる（ステップＳ１０５）。この状態で運転が継続される。この間、起床予定時刻τ４と現在時刻（τ）との差が比較される（ステップＳ１０６）。両者の差がｔ２時間以下となったときは（このときの時刻をτ３とする）、睡眠モードを終了して通常モード（室温設定Ｔ１）に戻る（ステップＳ１０６においてＹＥＳ、）。

次に図３を参照して、この間の熱源機出力、室内温度の経時変化について説明する。τ０〜τ１間及びτ３以降は通常モード、τ１〜τ３間は睡眠モードである。なお、縦軸は熱源機出力（Ｗ）および室内温度（℃）、横軸は経過時間（ｈｒ）である。まず、熱源機出力（同図（ａ））に関しては、τ０〜τ１間は外気温低下に伴い漸増していく。τ１〜τ２間は熱源機出力＝０である。さらに、τ２〜τ３間は外気温低下に伴い漸増していく。τ３以降は通常モードによる立ち上げ及び定常運転制御となる。また室内温度（同図（ｂ））に関しては、τ０〜τ１間はＴ１（一定）である。τ１〜τ２間は自然放熱に伴い漸次下降していく。時刻τ２における室温はＴ３（＜Ｔ２）である。さらに、τ２〜τ３間はＴ２（一定）である。時刻τ３以降は、起床予定時刻τ４に設定温度Ｔ１になるように制御される。なお、図３では、時刻τ２における室温Ｔ３が睡眠モード運転時の設定温度Ｔ２より低い温度となっているが、外気温度条件等によりＴ３≧Ｔ２となることもある。

（第二の実施形態）
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、主として（３）の発明に対応する。本実施形態の構成は第一の実施形態に係る床暖房システム１と同一であるので、重複説明を省略する。本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、第一の実施形態では睡眠モード開始後に一定時間運転停止するのに対して、本実施形態では室内温度が睡眠モード時の設定室温Ｔ２となるまで運転停止することである。

図４は、本実施形態における制御フローを示す図である。就寝前は通常モード（室温設定Ｔ１）で運転継続されている（ステップＳ２０１）。使用者のコントローラ７による睡眠モードの選択、又はタイマー設定により、睡眠モードによる運転制御が開始される（ステップＳ２０２においてＹＥＳ）。第一段階として運転ＯＦＦ状態となり（ステップＳ２０３）、室内温度がＴ２に降下するまでその状態が継続される（ステップＳ２０４）。室内温度≦Ｔ２となったときは（このときの時刻をτ２’とする）、運転が再開される。この場合の室温設定はＴ２（Ｔ２＜Ｔ１）である（ステップＳ２０５）。この状態で運転が継続され、この間、起床予定時刻τ４と現在時刻（τ）との差が比較される（ステップＳ２０６）。両者の差がｔ２時間以下となったときは睡眠モードを終了し（このときの時刻をτ３とする）、通常モード（室温設定Ｔ１）に戻る（ステップＳ２０６においてＹＥＳ）。

本実施形態における熱源機出力、室内温度の経時変化は図５の通りである。図３との相違点は、図３では時刻τ２における室温はＴ３（＜Ｔ２）であるのに対して、図５では時刻τ２’における室温はＴ２であることである。その他については図３と同様である。

（第三の実施形態）
さらに本発明の他の実施形態について、図６、７をも参照して説明する。本実施形態の構成についても、第一の実施形態に係る床暖房システム１と同一であるので、重複説明を省略する。本実施形態が上述の実施形態と異なる点は、上述の各実施形態では通常モードへの移行時刻を起床予定時刻から逆算しているのに対して、本実施形態では運転再開後の熱源機出力の経時変化に基づいて定めることである。

図６は、熱源機制御部３ｃに格納されている通常モードへの移行時間テーブルの概念図である。図７は、本実施形態における熱源機出力の経時変化を示す図である。
図６を参照して、移行時間テーブルは出力変化率（ΔＷ／Δｔ）増加に伴って移行時間（ｔ２）が増加するように設定されている。ここに、出力変化率（ΔＷ／Δｔ）は、図７の時刻τ２’以降の傾きα_ｂ、α_ａ、α_ｃに該当する。なお、例えばα_ａ＝（Ｗ３ａ−Ｗ２）／（τ３ａ−τ２）である。これらの値は、睡眠モード運転時における外気温低下度により定まる値である。すなわち、外気温低下度が大きいときは出力変化率も高くなり（ΔＷ／Δｔ＝α_ｂ）、移行時間は移行時間テーブル（図６）においてα_ｂに対応するｔ２_ｂとなる。また、外気温低下度が標準値のときは出力変化率も標準値（α_ａ）となり、移行時間はｔ２_ａとなる。さらに、外気温低下度が小さいときは出力変化率小（α_ｃ）となり、移行時間はｔ２_ｃとなる。このように、時刻τ２に運転再開された後の外気温低下度に対応して移行時間が変化するため、外気温に関わらず起床時において室内温度を設定値（Ｔ１）に立ち上げることが可能となる。

なお、本実施形態では移行時間を睡眠モード運転時の平均出力変化率に基づいて決定しているが、これに限らずより短時間の変化率を用いる形態としてもよい。
さらに、外気温計測手段及び出力変化率に替えて外気温に対する移行時間テーブルを備えることにより、外気温に基づいて移行時間を決定する形態とすることもできる。

（第四の実施形態）
さらに、図８、９を参照して本発明の他の実施形態について説明する。図８を参照して、本実施形態に係る床暖房システム２０が上述の実施形態に係る床暖房システム１と異なる点は、床暖房システム２０では床暖房パネル９上にベッドではなく布団２１が敷かれている点である。また、図示はしないが、床暖房コントローラ７が寝具モード（布団／ベッド）選択ボタンを備えている点である。さらに、寝具モードとして布団が選択されたときは、運転ＯＦＦ継続時間（ｔ１）、通常モード移行までの時間（ｔ２）に替えて、布団を敷いた状態の床表面温度上昇に対応した時間ｔ１’及びｔ２’を用いる点である。

図９を参照して、本実施形態における運転制御フローは以下の通りである。ステップＳ３０１、ステップＳ３０２については第一の実施形態と同一である。次に、寝具条件として布団が選択されているか否かが判定される（ステップＳ３０３）。布団が選択されていない場合には、図２のＳ１０３以下のフローが適用される。布団が選択されている場合には、運転ＯＦＦ状態がｔ１’時間継続される（ステップＳ３０４、Ｓ３０５）。ｔ１’時間以上経過したときは運転が再開され、この場合の室温設定はＴ２’（Ｔ２’＜Ｔ１）となる（ステップＳ３０６）。この間、戻り温水温度がＴ４以上となったときは、熱源機の運転を強制的にＯＦＦとする（ステップＳ３１０）。そして、運転ＯＦＦを所定時間（ｔ１”）継続する（ステップＳ３１１）。ｔ１”時間以上経過したときはステップＳ３０７に戻り、再度、戻り側温水温度制御となる。
ステップＳ３０７において戻り温水温度がＴ４未満のときは、上述の実施形態と同様に現在時刻（τ）と起床予定時刻τ４が比較され（ステップＳ３０８）、両者の差がｔ２’時間以下となったときは睡眠モードを終了し、通常モード（室温設定Ｔ１）に戻る（ステップＳ３０８においてＹＥＳ）。

以下、床暖房パネル上に布団が敷かれているか否かにより、戻り温水温度がどのように変化するかを確認した例について説明する。表１に試験条件を示す。

図１０、図１１はそれぞれ布団あり、布団なしのときの各部温度の時間的経緯を示すグラフである。図１０から、布団ありのときの戻り温水温度の平均は約５２℃、また図１１から、布団なしのときの戻り温水温度の平均は約４９℃であることが分かる。このことから、戻り温水温度により布団の有無、すなわち寝具条件を判定できることが実証された。

本発明は、熱源を問わず床暖房システムに広く利用可能である。

第一の実施形態に係る床暖房システム１を示す図である。 第一の実施形態における制御フローを示す図である。 第一の実施形態における熱源機出力及び室内温度の経時変化を示す図である。 第二の実施形態における制御フローを示す図である。 第二の実施形態の制御中における室内温度の経時変化を示す図である。 第三の実施形態における通常モードへの移行時間テーブルを示す図である。 第三の実施形態における熱源機出力の経時変化を示す図である。 第四の実施形態に係る床暖房システム２０を示す図である。 第四の実施形態における制御フローを示す図である。 床暖パネル上に布団が敷かれているときの温度推移を示す図である。 床暖パネル上に布団が敷かれていないときの温度推移を示す図である。 寝室床暖房のプログラム運転制御を示す図である。 従来の環境温度制御装置１００を示す図である。

符号の説明

１ 床暖房システム
２ 家屋
３ 熱源機
４ 床暖房パネル
５ａ 往側温水配管
５ｂ 戻側温水配管
７ 床暖房コントローラ
Ｓ１、Ｓ２ 温度センサ

Claims (4)

1. 床暖房システムにおいて、運転モードとして通常モードと睡眠モードとを備えており、かつ、
   睡眠モードが選択されたときは、睡眠モード開始とともに制御対象の設定値を通常モードにおける第一の設定値とは異なる第二の設定値で運転を継続し、
   その後、予め設定されている起床予定時刻の所定時間（ｔ２）前からは、通常モード運転に移行し、
   前記床暖房システムは、さらに寝具モードとして布団モードを含む複数のモードを備えており、
   布団モードが選択され、かつ、睡眠モード運転時における単位時間当たりエネルギー消費量が定格値に対して所定の値以下となったときは、目的とする室内環境条件に対応して適宜設定される所定時間（ｔ５）運転を停止することを特徴とする床暖房システムの運転制御方法。
2. 請求項１において、前記床暖房システムが温水式であり、かつ、「単位時間当たりエネルギー消費量が定格値に対して所定の値以下となったときは、所定時間（ｔ５）運転を停止する」ことに替えて、「戻り温水温度が所定の閾値（Ｔ４）を超えたときは、所定時間（ｔ５）運転を停止する」ことを特徴とする床暖房システムの運転制御方法。
3. 請求項１又は２において、寝具モードとして布団が選択されたときは、前記所定時間（ｔ５）及び前記所定時間（ｔ２）に替えて、布団を敷いた状態の床表面温度上昇に対応した所定時間（ｔ１’）及び所定時間（ｔ２’）を採用することを特徴とする床暖房システムの運転制御方法。
4. 通常モード運転における立ち上げ時の熱源機出力が所定の値以下のときは、自動的に布団モードと判定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の床暖房システムの運転制御方法。
   

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