JP6664253B2 - 暖房装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数のバーナーを有する熱源機で加温された熱媒を暖房端末に供給して暖房する暖房装置に関する。

従来、熱源機で加熱した熱媒を暖房端末に循環させて暖房する暖房装置が利用されてきた。このような暖房装置で用いられる熱源機にあっては、燃料が供給される複数本のバーナーに対して、ファンによって酸素（空気）を供給して燃料を燃焼させる。そして、バーナーの上方に設置された熱媒循環路を流れる熱媒を、燃焼により発生する燃焼熱及びそのファンの送風に伴って送られる燃焼排ガスの熱により加熱する。

例えば暖房装置に要求される負荷が小さくなった場合には、熱源機による熱媒の加熱量も小さくする必要がある。このような熱源機による熱媒の加熱量を小さくする手法として、特許文献１に記載されるような比例制御がある。比例制御とは、熱源機に設けられた比例弁を用いてバーナーに供給するガス量を比例的に調整し、調整可能な範囲を超える場合にはバーナーの燃焼本数を増減させる手法である。特許文献１に記載の技術では、この比例制御とは別にオンオフ制御も利用される。オンオフ制御とは、加熱期間の間で、全てのバーナーの燃焼作動させる時間帯と燃焼停止させる時間帯とを交互に繰り返す手法である。この場合、熱媒の温度は上下動するが、平均すると目標温度となるように制御される。

比例制御では、燃焼していないバーナーにも、ファンによって空気が送られる。その結果、燃焼しているバーナーの近傍にある熱媒循環路は、燃焼しているバーナーで発生した燃焼排ガスによっても加熱されるが、燃焼していないバーナーの近傍にある熱媒循環路には空気が送られるだけになり、その部分で熱媒循環路から空気への放熱が発生する可能性がある。

これに対して、オンオフ制御であれば、全てのバーナーを燃焼させて、熱媒循環路の全体に燃焼排ガスが送られるため、熱媒循環路から空気への放熱という問題は発生しない。このため、比例制御と比較して、熱源機を高効率な状態で運転させることができる。

特開２０１２−４７３５６号公報

ここで、熱媒循環路の加熱に用いられた後の燃焼排ガスは、排気口及びその排気口に接続される排気管などを通して排出される。排気口や排気管を通る間に燃焼排ガスは冷却されるため、排気口や排気管の途中で燃焼排ガスに含まれる水分が凝縮する可能性もある。

このような排気口や排気管に含まれる水分は、排気口や排気管において燃焼排ガスの流れが止まっても、しばらくの間、ファンのみを回転させてパージすることにより除去することが可能である。しかしながら、パージを行う時間が長いと排気口や排気管における結露の発生は抑制できるが、熱媒が熱媒循環路を流れて循環している時には、パージによる冷却で熱媒循環路（熱媒）の熱が放熱することになるため効率が悪化する可能性がある。

そこで、熱源機を高効率な状態で運転しながら、結露の問題の対処も行える暖房装置が求められる。

本発明に係る暖房装置の特徴構成は、複数のバーナーを有する熱源機で加熱された熱媒を暖房端末に供給して暖房する暖房装置であって、
前記熱源機と前記暖房端末との間を連通し、前記熱媒が導入される熱媒循環路と、
前記熱媒循環路内の前記熱媒を流通させるポンプと、
前記熱源機に設けられ、予め設定された所定時間内に、全てのバーナーを燃焼させる燃焼状態と前記全てのバーナーの燃焼を停止させる停止状態とを交互に切り換える第１運転状態、及び前記所定時間に亘って前記複数のバーナーのうちの一部のバーナーのみを燃焼させる第２運転状態に切り換え可能な燃焼器と、
前記燃焼器の運転条件に応じて規定された、燃焼排ガスが通過する前記熱源機の排気部における結露の発生度合を示す発生指数に基づいて前記燃焼器の運転状態を、前記第１運転状態から前記第２運転状態に切り換える制御部と、を備えており、
前記発生指数は、前記第１運転状態における前記燃焼状態と前記停止状態との切り換え回数が多くなる程、大きくなり、且つ、前記暖房端末に供給される前記熱媒の温度が低くなる程、大きくなり、且つ、前記熱源機が設けられる場所の外気温度が低くなる程、大きくなる関係で規定され、
前記制御部は、前記切り換え回数、前記熱媒の温度、及び前記外気温度に応じた発生指数を積算して、当該積算結果が予め設定された判定値に達した時に前記燃焼器の運転状態を、前記第１運転状態から前記第２運転状態に切り換える点にある。

このような特徴構成とすれば、熱源機の排気部における結露の発生し易さを発生指数で規定し、この発生指数に基づき、結露が発生する可能性が低いと想定されている間は、燃焼器のバーナーの全てを運転効率の良い第１運転状態で運転できる。一方、前記発生指数に基づき、結露が発生する可能性が高いと想定された場合には、燃焼器のバーナーの一部を結露の発生を抑制できる第２運転状態で運転できる。このように本特徴構成によれば、所定の発生指数に基づく燃焼器の運転制御を行うことにより、熱源機の排気部における結露の発生を抑制することが可能となる。したがって、熱源機を高効率な状態で運転しながら、結露の問題の対処も行える暖房装置を実現できる。

また、前記発生指数は、前記第１運転状態における前記燃焼状態と前記停止状態との切り換え回数が多くなる程、大きくなる関係で規定され、前記制御部は、前記切り換え回数に応じて積算した発生指数の積算結果が予め設定された判定値に達した時に前記燃焼器の運転状態を、前記第１運転状態から前記第２運転状態に切り換えると好適である。

また、今回、第１運転状態における燃焼状態と停止状態との切り換え回数が多い程、熱源機の排気部において結露が発生し易いことが見出された。そこで、本構成のように、第１運転状態における燃焼状態と停止状態との切り換え回数が多くなる程、発生指数が大きくなるように設定することにより、結露が発生する可能性を精度良く特定することが可能となる。

更に、今回、暖房端末に供給される熱媒の温度が低い程、熱源機の排気部において結露が発生し易いことが見出された。そこで、本構成のように、暖房端末に供給される熱媒の温度が低くなる程、発生指数が大きくなるように設定することにより、結露が発生する可能性を精度良く特定することが可能となる。

暖房装置の構成を模式的に示した図である。 燃焼器の運転状態を模式的に示した図である。 燃焼器の運転サイクルについて示した図である。 発生指数の一例を示した図である。 第１運転状態から第２運転状態への切り換えについて示した図である。

本発明に係る暖房装置は、複数のバーナーを有する熱源機で加熱された熱媒を供給して暖房する際に、熱源機の排気部における結露の発生を抑制することができるように構成されている。以下、本実施形態の暖房装置１について説明する。

図１は、本実施形態の暖房装置１の構成を模式的に示した図である。図１に示されるように、暖房装置１は、熱源機１０、熱媒循環路２０、ポンプ３０、暖房端末４０、制御部５０を備えて構成され、特に制御部５０は、暖房装置１の運転に係る処理を行うために、ＣＰＵを中核部材としてハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。

熱源機１０は熱交換機構１１を備えて構成される。熱交換機構１１は、熱交換部１２と燃焼器１３と比例弁１４とファン１５とを備えて構成される。熱交換部１２は、後述する熱媒循環路２０を流通する熱媒と燃焼器１３が有する複数のバーナー１６との間で熱交換を行う。すなわち、熱媒と、バーナー１６による輻射熱及び燃焼排ガスの熱との間で熱交換が行われる。

熱媒循環路２０は、熱源機１０と暖房端末４０との間を連通し、熱媒が導入される。暖房端末４０とは、例えば床暖房のように後述する熱媒循環路２０のような循環路を流通する熱媒を熱エネルギー源とする暖房器具である。この熱媒循環路２０内の熱媒はポンプ３０により流通される。ポンプ３０が駆動され、熱媒循環路２０内の熱媒が流通された状態で、比例弁１４及び開閉弁７０が開弁されると、熱源機１０に燃料（例えばガス）が供給される。これにより燃焼器１３が運転を開始し、バーナー１６が着火され、熱媒循環路２０を流通する熱媒が熱交換機構１１において加熱される。暖房装置１は、このように熱源機１０で加熱された熱媒を暖房端末４０に供給することにより暖房することが可能となる。なお、この時、バーナー１６の着火に応じてファン１５も動作するように制御される。

燃焼器１３は、運転状態が第１運転状態、及び第２運転状態に切り換え可能に構成される。ここで、図２は第１運転状態と第２運転状態とを示した模式図である。第１運転状態とは、予め設定された所定時間内に、全てのバーナー１６を燃焼させる燃焼状態と全てのバーナー１６の燃焼を停止させる停止状態とを交互に切り換える運転である。「予め設定された所定時間」とは、後述する制御部５０により行われる制御上、設定されている時間であり、図２では符号Ｔを付して示される。「燃焼状態」とは、図２の（ａ）に示されるように、燃焼器１３が有するバーナー１６の全て（図２の例では、６本のバーナー１６）が点火され、燃焼している状態である。「停止状態」とは、図２の（ｂ）に示されるように、燃焼器１３が有するバーナー１６の全て（図２の例では、６本のバーナー１６）が消火され、燃焼していない状態である。

第１運転状態では、このような燃焼状態と停止状態とが、交互に切り換えられる。このような切り換えは、上述した予め設定された所定時間Ｔの間に亘って行われる。したがって、図２に示されるように、第１運転状態の暖房出力（熱量）が、燃焼状態と停止状態とに合わせて所定時間Ｔ内において大きくなったり小さくなったりする。第１運転状態では、特に燃焼状態にあっては、最大燃焼となるため熱交換部１２の全ての領域（バーナー１６が設けられている領域）において熱交換が行われることになる。

第２運転状態とは、所定時間に亘って複数のバーナー１６のうちの一部のバーナー１６のみを燃焼させる運転である。「所定時間」とは、上述した所定時間Ｔと同様である。「複数のバーナー１６のうちの一部のバーナー１６」とは、図２の（ｃ）に示されるように、燃焼器１３が有するバーナー１６のうち、いくつかが点火され、燃焼している状態である。図２の例では、６本のバーナー１６のうち、３本のバーナー１６が燃焼されている。したがって、第２運転状態では、燃焼されているバーナー１６と、燃焼していないバーナー１６とが存在する。このように第２運転状態とは、加熱期間の間で、バーナーの燃焼本数が減少された状態である。

第２運転状態では、このような一部のバーナー１６が燃焼された状態と、他のバーナー１６が燃焼を停止された状態とが所定時間Ｔに亘って継続される。したがって、図２に示されるように、第２運転状態の暖房出力（熱量）が、所定時間Ｔ内において一定となる。第２運転状態では、部分燃焼となるため熱交換部１２の一部において熱交換が行われ、他の部分（燃焼が停止された状態のバーナー１６側）においてはファン１５により冷却される。

制御部５０は、燃焼器１３の運転条件に応じて規定された、燃焼排ガスが通過する熱源機１０の排気部１９又は当該排気部１９に接続される排気管（図示せず）における結露の発生度合を示す発生指数に基づいて燃焼器１３の運転状態を、第１運転状態から第２運転状態に切り換える。「燃焼器１３の運転条件に応じて規定された」とは、燃焼器１３が運転される状況や、条件により規定されることを意味する。具体的には、熱媒循環路２０に流通される熱媒の温度や、上述した所定時間Ｔ内において燃焼状態と停止状態とが切り換えられた回数や、熱源機１０が設けられた場所の外気温度等が相当する。

ここで、図１に示されるように、熱交換機構１１や熱交換部１２や燃焼器１３やバーナー１６は、燃焼室１７に収容され、バーナー１６の燃焼により発生する燃焼ガスは排気通路１８を経由して排気部１９から熱源機１０の外に排出される。このような排気部１９では、燃焼器１３が第１運転状態で運転されている場合において、その運転条件と、外気温度とによって結露が発生することがある。制御部５０は結露の発生度合を示す発生指数に基づいて排気部１９において結露が発生すると予測した場合には、燃焼器１３の運転状態を第１運転状態から第２運転状態に切り換える。「結露の発生度合を示す発生指数」とは、事前に予測を行ったり実験を行ったりして、排気部１９において結露が発生する可能性が高い燃焼器１３の運転条件である程、高い値として設定し、排気部１９において結露が発生する可能性が高くない燃焼器１３の運転条件である程、低い値として設定した、排気部１９において結露が発生する可能性を判定する際に用いる判定指標にあたる。以下、この切り換えについて説明する。

ここで、第１運転状態は上述したように所定時間Ｔ内に燃焼器１３を燃焼状態と停止状態とに交互に切り換えられる。より詳細に説明すると、制御部５０による制御は、図３に示されるように１サイクル中において、熱媒循環路２０に設けられた熱動弁２１（図１参照）が開弁状態とされ、ポンプ３０が駆動される開弁期間と、熱動弁２１が閉弁状態とされ、ポンプ３０が停止される閉弁期間とを有するように構成される。上述した所定時間Ｔは、この開弁期間に相当する。なお、所定時間Ｔは各サイクル毎に長さが異なっていても良い。

図４には、本実施形態に係る発生指数の一例が示される。図４に示されるように、本実施形態では、発生指数が第１運転状態における燃焼状態と停止状態との切り換え回数が多くなる程、大きくなる関係で規定される。すなわち、発生指数は上述した所定時間Ｔ内において燃焼器１３が燃焼状態と停止状態とに切り換えられる回数により規定され、図４では「１サイクルあたりの燃焼回数」として示される。図４の例では、当該燃焼回数が「０〜５回」、「６〜１０回」、「１１〜１５回」、・・・と５回毎に区分けされる。なお、燃焼回数０回とは、バーナー１６が燃焼されたままの状態であり、燃焼が停止されなかったことをいう。

また、発生指数は、暖房端末４０に供給される熱媒の温度が低くなる程、大きくなる関係で規定される。すなわち、発生指数は熱交換機構１１において加熱された熱媒の温度（換言すれば、燃焼排ガスを冷却することになる熱媒の温度）により規定され、図４では「温水温度」として示される。図４の例では、温水温度は「６０℃」、「４０℃」で区分けされる。

更に、発生指数は、熱源機１０が設けられる場所の外気温度、特に排気部１９は熱源機１０の外に設けられるがその排気部１９の場所の温度に応じて規定される。図４の例では、外気温度ｔが「ｔ≦０℃」、「０℃＜ｔ≦５℃」、「５℃＜ｔ≦１０℃」で区分けされる。

このように区分けされた区分において、発生指数は「１サイクルあたりの燃焼回数」が多い程、大きい値に設定され、温水温度が低い程、大きい値に設定される。また、外気温度が低い程、発生指数は大きい値に設定される。例えば、本実施形態では、温水温度が６０℃、１サイクルあたりの燃焼回数が１０回、外気温度ｔ＝０℃の場合には、発生指数は３５０で設定されている。

制御部５０には、このような発生指数を規定したマップが予め記憶されている。制御部５０は、燃焼器１３の運転を制御すると共に、所定時間Ｔにおける切り替え回数、温水温度、外気温度に応じた発生指数をマップから取得し、順次、積算する。この積算結果が、予め設定された判定値（例えば「１０００」等）に達した時に、制御部５０は燃焼器１３の運転状態を、第１運転状態から第２運転状態に切り換える。このような判定値も、発生指数と同様に、事前に予測を行ったり実験を行ったりして、設定しておくと良い。このように構成することにより、燃焼効率の優れた第１運転状態で燃焼器１３を運転し、結露が発生しそうになった場合には事前に燃焼器１３の運転状態を第１運転状態から第２運転状態に切り換えることで排気部１９における結露の発生を抑制することが可能となる。なお、排気部１９は熱交換機構１１を収容する熱源機１０の筐体から延長して（例えば数メートル）構成した場合であっても、結露の発生を抑制することが可能である。

図５には、第１運転状態から第２運転状態に切り換えられる際のタイムチャートが示される。ｔ０で暖房装置１の動作を開始した際に（図５の（ａ）参照）、（ｂ）に示されるように制御部５０により燃焼器１３が第１運転状態で運転されるとする。この状態で、例えば燃焼状態と停止状態との切り換え回数に基づく発生指数が積算される（図５の（ｃ）参照）。この積算結果が、予め設定された判定値に達すると（ｔ１）、制御部５０は燃焼器１３の運転状態を第１運転状態から第２運転状態に切り換える。この第２運転状態による運転は、暖房装置１が運転終了するまで継続される。

ここで、結露の発生度合は、周知のように湿度にも依存する。そこで、制御部５０は、湿度を所定の区分に区分けし、この区分に応じて図４のようなマップを設けておくと良い。この時、湿度情報取得部６０が、熱源機１０が設けられる場所の現在の湿度を示す湿度情報を取得すると良い。熱源機１０が設けられる場所とは、熱源機１０の排気部１９が設けられる場所の湿度である。このような湿度は、暖房装置１が湿度計を有する場合は、当該湿度計による計測結果を用いても良いし、暖房装置１が湿度計を有さない場合は、ネットワークを介してその場所の湿度を示す湿度情報を取得しても良い。制御部５０は、湿度情報取得部６０により取得された湿度情報により示される湿度に応じたマップを用いて結露の発生度合を演算し、燃焼器１３を運転すると良い。

あるいは、発生指数が、所定の基準湿度における結露の発生度合に基づいて規定されるように構成することも可能である。すなわち、所定の基準湿度のみのマップを設けておくことも可能である。この場合には、制御部５０は、湿度情報取得部６０より取得された現在の湿度と基準湿度との差異に応じて、基準湿度に基づいて発生指数を補正し、この補正した発生指数に基づいて燃焼器１３の運転状態を切り換えると良い。このように構成することで、発生指数のマップを記憶しておく記憶量を低減できる。なお、発生指数の補正は、例えば現在の湿度が基準湿度に対して何％増減しているかを演算し、発生指数にこの増減量を乗除して演算することが可能である。もちろん、他の手法により演算することも可能である。

なお、燃焼器１３の運転状態が第１運転状態から第２運転状態に切り換えられた場合であって、暖房装置１の運転終了時には一定期間、燃焼を停止した状態でファン１５を動作させて燃焼室１７、排気通路１８、排気部１９を乾燥させると良い。あるいは、運転終了後、一定期間が経過するまでは第１運転状態で燃焼器１３を運転することができないようにしても良い。このような構成であっても、暖房装置１の運転終了後の結露の発生を抑制できる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、発生指数が、第１運転状態における燃焼状態と停止状態との切り換え回数が多くなる程、大きくなる関係で規定され、制御部５０は、切り換え回数に応じて積算した発生指数の積算結果が予め設定された判定値に達した時に燃焼器１３の運転状態を、第１運転状態から第２運転状態に切り換えるとして説明したが、発生指数を、第１運転状態における燃焼状態と停止状態との切り換え回数を用いずに規定することも可能である。

上記実施形態では、発生指数が、暖房端末４０に供給される熱媒の温度が低くなる程、大きくなる関係で規定されているとして説明した。この時、制御部５０は、所定時間Ｔ毎に、暖房端末４０に供給される熱媒の温度に基づいて規定された発生指数を積算し、積算した発生指数の積算結果が予め設定された判定値に達した時に燃焼器１３の運転状態を、第１運転状態から第２運転状態に切り換えるように構成することも可能である。もちろん、発生指数を、暖房端末４０に供給される熱媒の温度を用いずに規定することも可能である。

上記実施形態では、発生指数が、所定の基準湿度における結露の発生度合に基づいて規定されるとして説明したが、発生指数を、所定の基準湿度における結露の発生度合を用いずに規定することも可能である。

なお、上記実施形態（その他の実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、複数のバーナーを有する熱源機で加温された熱媒を暖房端末に供給して暖房する暖房装置に用いることが可能である。

１：暖房装置
１０：熱源機
１３：燃焼器
１６：バーナー
１９：排気部
２０：熱媒循環路
３０：ポンプ
４０：暖房端末
５０：制御部
６０：湿度情報取得部
Ｔ：所定時間

Claims (1)

1. 複数のバーナーを有する熱源機で加熱された熱媒を暖房端末に供給して暖房する暖房装置であって、
   前記熱源機と前記暖房端末との間を連通し、前記熱媒が導入される熱媒循環路と、
   前記熱媒循環路内の前記熱媒を流通させるポンプと、
   前記熱源機に設けられ、予め設定された所定時間内に、全てのバーナーを燃焼させる燃焼状態と前記全てのバーナーの燃焼を停止させる停止状態とを交互に切り換える第１運転状態、及び前記所定時間に亘って前記複数のバーナーのうちの一部のバーナーのみを燃焼させる第２運転状態に切り換え可能な燃焼器と、
   前記燃焼器の運転条件に応じて規定された、燃焼排ガスが通過する前記熱源機の排気部における結露の発生度合を示す発生指数に基づいて前記燃焼器の運転状態を、前記第１運転状態から前記第２運転状態に切り換える制御部と、を備えており、
   前記発生指数は、前記第１運転状態における前記燃焼状態と前記停止状態との切り換え回数が多くなる程、大きくなり、且つ、前記暖房端末に供給される前記熱媒の温度が低くなる程、大きくなり、且つ、前記熱源機が設けられる場所の外気温度が低くなる程、大きくなる関係で規定され、
   前記制御部は、前記切り換え回数、前記熱媒の温度、及び前記外気温度に応じた発生指数を積算して、当該積算結果が予め設定された判定値に達した時に前記燃焼器の運転状態を、前記第１運転状態から前記第２運転状態に切り換える暖房装置。

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