JP2009281666A - 温水暖房装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温水往き温度をできるだけ低下させて熱ロスを減らすと共に、室温を制御することができるようにする。
【解決手段】熱源機で加熱した温水を温水暖房端末器へ循環させて住宅の暖房を行う温水暖房装置において、暖房出力を設定室温Ｔｓと外気温度Ｔａとの差で除した住宅暖房係数Ｑと、必要暖房出力Ｗ１とに基づく目標温水往き温度Ｔｏｓの二元マトリクス図を予め実験で求めて記憶しておき、暖房運転開始後に温水温度が安定した時点での実際の暖房出力Ｗ２を温水往き温度Ｔｏと温水戻り温度Ｔｉと温水循環流量Ｆから算出し、暖房出力Ｗ２を設定室温Ｔｓと外気温度Ｔａとの差で除して住宅暖房係数Ｑを算出記憶し、住宅暖房係数Ｑに現在の設定室温Ｔｓと外気温度Ｔａとの差を乗じて必要暖房出力Ｗ１を算出すると共に、住宅暖房係数Ｑと必要暖房出力Ｗ１とから二元マトリクス図を参照して目標温水往き温度Ｔｏｓを再設定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、熱源機で加熱した温水を住宅内に配置された複数の温水暖房端末器へ循環させて暖房を行う温水暖房装置の制御方法に関するものである。

従来よりこの種の温水暖房装置においては、特許文献１に示すように、熱源機で加熱した温水を住宅内に配置された複数の床暖房パネルへ並列に循環させて暖房を行う温水暖房装置において、床の温度設定が一番高い暖房系統の温水の戻り温度が設定温度になるように温水往き温度を増減させ、この温水往き温度となるように熱源機の加熱量を制御すると共に、床温設定が一番高い暖房系統以外の暖房系統では、温水戻り温度が設定温度付近の所定範囲に入るように熱動弁を開閉するようにし、温水往き温度をできるだけ低下させて熱ロスを減らすようにしたものがあった。

一方、温水コンベクターや温水ラジエーターを用いた暖房システムにおいては、特許文献２に示すように、温水コンベクターや温水ラジエーターの温度を高めに保持して、各端末の温水出入口に設けたサーモバルブおよびサーモヘッドで雰囲気温度が設定室温を超えると温水の循環量を抑制することによって室温を制御するようにしているものがあった。
特開２００８−２５９４５号公報 特開平０８−１５２１５１号公報

しかし、この特許文献１のものにおいては、床暖房パネルがユーザーにより設定される設定温水戻り温度近傍の温度になるように、温水の戻り温度に基づいて熱源機が制御されるのみであるので、外気温度の変動による暖房負荷の増減については全く考慮されていないため過剰暖房や暖房不足が生じ、室温を制御することができないものであった。

また、特許文献２のものにおいては、サーモバルブおよびサーモヘッドで室温が制御できるものの、温水往き温度あるいは温水戻り温度を高くせざるを得ないため、放熱ロスが多く発生してしまうものであった。

そこで、本発明は、温水往き温度をできるだけ低下させて熱ロスを減らすと共に、室温を制御することができるようにし、温水コンベクターや温水ラジエーターを用いた全館暖房に特に好適な温水暖房装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達するため、熱源機で加熱した温水を温水暖房端末器へ循環させて住宅の暖房を行う温水暖房装置において、暖房出力を設定室温Ｔｓと外気温度Ｔａとの差で除した住宅暖房係数Ｑと、必要暖房出力Ｗ１とに基づく目標温水往き温度Ｔｏｓの二元マトリクス図を予め実験で求めて記憶しておき、暖房運転開始後に温水温度が安定した時点での実際の暖房出力Ｗ２を温水往き温度Ｔｏと温水戻り温度Ｔｉと温水循環流量Ｆから算出し、この暖房出力Ｗ２を設定室温Ｔｓと外気温度Ｔａとの差で除して住宅暖房係数Ｑを算出記憶し、この住宅暖房係数Ｑに現在の設定室温Ｔｓと外気温度Ｔａとの差を乗じて必要暖房出力Ｗ１を算出すると共に、前記住宅暖房係数Ｑと前記必要暖房出力Ｗ１とから前記二元マトリクス図を参照して目標温水往き温度Ｔｏｓを再設定するようにした。

また、請求項２では、温水温度が安定した時点での実際の暖房出力Ｗ２と、前記必要暖房出力Ｗ１を比較して、比較結果に基づき前記目標温水往き温度Ｔｏｓを増減補正するようにした

また、請求項１または２記載の方法において、前記温水循環流量Ｆは初期設定された値を用いるようにした。

また、請求項１または２記載の方法において、前記温水循環流量Ｆは、前記熱源機の加熱量に所定の熱交換効率を乗じた値を温水往き温度Ｔｏと温水戻り温度Ｔｉの差で除して算出するようにした。

また、請求項１〜４の何れかに記載の方法において、前記熱源機として、圧縮機と冷媒−水熱交換器と減圧手段と空気熱交換器を有したヒートポンプ式加熱手段を用いた。

以上の制御方法とすることで、暖房負荷の増減に適切に対応して簡単な演算で目標温水往き温度Ｔｏｓをできるだけ低下させて熱ロスを減らすと共に、室温を適切に制御することができるようになった。

次に、本発明の一実施形態であるヒートポンプ式の貯湯式給湯暖房装置について、図面に基づいて説明する。
１は湯水を貯湯する貯湯タンク、２は貯湯タンク１底部に接続された給水管、３は貯湯タンク１上部に接続された給湯管、４は貯湯タンク１内の湯水を循環加熱するヒートポンプ式加熱手段、５は貯湯タンク１底部とヒートポンプ式加熱手段４の入水側を接続するＨＰ往き管６とヒートポンプ式加熱手段４の出湯側と貯湯タンク１上部とを接続するＨＰ戻り管７から構成されるヒーポン循環回路である。

８は温水コンベクターや温水ラジエーター等の温水を循環させて暖房を行うための温水暖房端末器、９は貯湯タンク１内の湯またはヒートポンプ式加熱手段４で加熱した湯を循環させて温水暖房端末器８を循環する二次側暖房循環水を加熱するための暖房用熱交換器、１０は温水暖房端末器８と暖房用熱交換器９とに暖房循環水を循環させる二次側循環回路、１１は二次側循環回路１０に設けられた二次側循環ポンプである。

ここで、前記複数の温水暖房端末器８は温水往きヘッダー１２と温水戻りヘッダー１３によって二次側循環回路１０に並列に接続されて住宅内の必要な箇所に配置されていると共に、各温水暖房端末器８の温水出入口には、雰囲気温度に応じて温水暖房端末器８内部へ流通する温水流量を調整するためのサーモバルブ１４およびサーモヘッド１５が設けられ、温水暖房端末器８の設置されている雰囲気温度がサーモヘッド１５で設定された温度になるようにサーモバルブ１４の開度が調整される。

１６は暖房用熱交換器９に湯を供給するための熱交往き管１７と暖房用熱交換器９を流出した湯を貯湯タンク１の下部へ戻すための熱交戻り管１８を備えた一次側循環回路、１９は一次側循環回路に設けられた一次側循環ポンプ、２０はＨＰ戻り管７と熱交往き管１１と接続した位置に設けられた分配弁で、ヒートポンプ式加熱手段４で加熱した湯を暖房用熱交換器９と貯湯タンク１とに任意の割合で分流するものである。

２１は暖房用熱交換器９の一次側の入口側に設けられ一次側入口温度Ｔ１ｉを検出する一次側入口温度センサ、２２は一次側の出口側に設けられ一次側出口温度Ｔ１ｏを検出する一次側出口温度センサ、２３は二次側の入口側に設けられて温水暖房端末器９からの戻り温度である二次側入口温度Ｔｉを検出する二次側入口温度センサ、２４は二次側の出口側に設けられて温水暖房端末器９への往き温度である二次側出口温度Ｔｏを検出する二次側出口温度センサ、２５は二次側全体の温水循環流量Ｆを検出する流量センサである。

次に、前記ヒートポンプ式加熱手段４について詳細に説明すると、２６は冷媒を圧縮して高圧にする圧縮機、２７は冷媒と水との間で熱交換させる冷媒−水熱交換器、２８は開度調整可能な電子膨張弁よりなる温度低下した冷媒を減圧する減圧手段、２９は低温低圧の冷媒と空気とを熱交換させて蒸発させる空気熱交換器、３０は空気熱交換器２９に空気を強制的に送る送風機であり、これらによってヒートポンプサイクル３１を構成している。

３２はヒーポン循環回路５の途中に設けられたヒーポン循環ポンプ、３３は外気温度Ｔａを検出する外気温度センサ、３４は冷媒−水熱交換器２７の水入口側に設けられ入水温度Ｔｈｐｉを検出するヒーポン入水温度センサ、３５は冷媒−水熱交換器２７の水出口側に設けら出湯温度Ｔｈｐｏを検出するヒーポン出湯温度センサである。

そして、３６は貯湯タンク１の側面上下に複数設けられ貯湯タンク１内の貯湯温度を検出する貯湯温度センサ、３７は暖房運転の指示を行う運転スイッチ３８と全館の設定温度を設定する温度設定スイッチ３９と温度表示器４０を備えると共に、装置全体の初期設定値の入力を行うことが可能な暖房リモコン、４１は各センサの検出値が入力されて演算を行い各アクチュエータの作動を制御する制御装置で、試験等によって決められた各種のデータが設定記憶されているものである。

次に、本発明のヒートポンプ式の貯湯式給湯暖房装置の作動について説明する。
まず、深夜時間帯になると、制御装置４１は、ヒートポンプ式加熱手段４とヒーポン循環ポンプ３２を作動し、貯湯タンク１下部から取り出した水を加熱して貯湯タンク１上部へ戻すようにして貯湯運転を行う。このとき、分配弁２０は貯湯タンク１側を全開として沸き上げた温水が全て貯湯タンク１の上部から戻るようにしている。

そして、蛇口（図示せず）が開かれると、給水管２から市水が貯湯タンク１底部に流入し、貯湯タンク１上部から湯が給湯管３を介して蛇口から給湯され給湯運転が行われるものである。

次に、暖房運転を行う際の作動について説明する。暖房運転の要求があると、制御装置４１は、ヒートポンプ式加熱手段４とヒーポン循環ポンプ３２と一次側循環ポンプ１９を作動させると共に、二次側循環ポンプ１１を一定の能力で作動させる。このとき、分配弁２０は暖房用熱交換器９側を全開とする。これにより、一次側では貯湯タンク１の底部からの低温水がヒートポンプ式加熱手段４で加熱され、加熱された高温水が暖房用熱交換器９へ流通し、温度低下した温水が貯湯タンク１の下部へ戻されると共に、二次側では暖房用熱交換器９で熱交換して加熱された暖房循環水が温水暖房端末器８へ循環して暖房を行い、温度低下した暖房循環水が再度暖房用熱交換器９へ循環する。

このとき、二次側出口温度センサ２４が検出する温水往き温度Ｔｏが後述する二次側の目標温水往き温度Ｔｏｓとなるように一次側の加熱能力が制御される。本実施形態の場合は、ヒートポンプ式加熱手段４の加熱能力を増減することで温水往き温度Ｔｏを制御しているものである。

ここで、前記制御装置４１は、前記目標温水往き温度Ｔｏｓ（℃）を決定する方法のプログラムが記憶されており、暖房出力（Ｗ）を設定室温Ｔｓ（℃）と外気温度Ｔａ（℃）との差で除した値（Ｗ／Ｋ）と、暖房対象の住宅の暖房に必要な熱量である必要暖房出力Ｗ１（Ｗ）とに基づく目標温水往き温度Ｔｏｓの二元マトリクス図（図２に示す）を予め実験等により求めて記憶しているものである。ここで、暖房出力を設定室温Ｔｓと外気温度Ｔａとの差で除した値を住宅暖房係数Ｑと呼ぶ。

ここで、この二元マトリクス図は、住宅暖房係数Ｑを一定とすると暖房出力が大きくなるほど目標温水往き温度Ｔｏｓが高くなり、暖房出力を一定とすると住宅暖房係数Ｑが小さくなるほど目標温水温度Ｔｏｓが高くなる傾向を有している。

次に、前記制御装置４１による前記目標温水往き温度Ｔｏｓの決定方法について、図３および図４に示すフローチャートに基づいて説明する。
まずは、図３のフローチャートに示すように、初回の暖房運転が開始されると（ステップＳ１）、ステップＳ２で目標温水往き温度Ｔｏｓを所定の一定温度（例えば６０℃）に設定し、二次側出口温度センサ２４が検出する温水往き温度Ｔｏが前記所定の一定温度となるように一次側の加熱能力を制御する。

そして、温水往き温度Ｔｏ（℃）および温水戻り温度Ｔｉ（℃）が変動少なく安定したことを二次側入口温度センサ２３および二次側出口温度センサ２４で検知すると（ステップＳ３でＹｅｓ）、ステップＳ４では、温水往き温度Ｔｏから温水戻り温度Ｔｉを減じて温水循環流量Ｆ（ｌ／ｍｉｎ）を乗じた値を設定室温Ｔｓから外気温度Ｔａを減じた値で除して住宅暖房係数Ｑの値を算出する。

ステップＳ５では、前記ステップＳ４で算出した住宅暖房係数Ｑに設定室温Ｔｓから外気温度Ｔｓを減じた値を乗じて、現在の必要暖房出力Ｗ１の値を算出し、ステップＳ６では、前記ステップＳ４で算出した住宅暖房係数Ｑの値と前記ステップＳ５で算出した必要暖房出力Ｗ１の値から制御手段４１に記憶されている前記二元マトリクス図に基づいて目標温水往き温度Ｔｏｓを決定し、そして温水往き温度Ｔｏがこの目標温水往き温度Ｔｏｓになるように一次側の加熱能力が制御される。

そして、温水往き温度Ｔｏおよび温水戻り温度Ｔｉが変動少なく安定したことを検知すると（ステップＳ７でＹｅｓ）、ステップＳ８では、温水往き温度Ｔｏから温水戻り温度Ｔｉを減じて温水循環流量Ｆを乗じて、現在の実暖房出力Ｗ２（Ｗ）の値を算出する。

次に、ステップＳ９では、前記ステップＳ５で算出した必要暖房出力Ｗ１と前記ステップＳ８で算出した実暖房出力Ｗ２との比較を行い、必要暖房出力Ｗ１の方が実暖房出力Ｗ２よりも小さい場合は、ステップＳ１０で目標温水往き温度Ｔｏｓを低下させる補正を行い、必要暖房出力Ｗ１の方が実暖房出力Ｗ２よりも大きい場合は、ステップ１１で目標温水往き温度Ｔｏｓを増加させる補正を行うようにしている。

次に、図４のフローチャートに示すように、二回目以降の暖房運転が開始されると（ステップＳ１２）、前回までの暖房運転時に算出記憶している住宅暖房係数Ｑに設定室温Ｔｓから外気温度Ｔｓを減じた値を乗じて、現在の必要暖房出力Ｗ１の値を算出し（ステップＳ１３）、ステップＳ１４では、前記住宅暖房係数Ｑの値と前記ステップＳ１３で算出した必要暖房出力Ｗ１の値から制御手段４１に記憶されている前記二元マトリクス図に基づいて目標温水往き温度Ｔｏｓを決定し、そして温水往き温度Ｔｏがこの目標温水往き温度Ｔｏｓになるように一次側の加熱能力を制御する。

そして、温水往き温度Ｔｏおよび温水戻り温度Ｔｉが変動少なく安定したことを検知すると（ステップＳ１５でＹｅｓ）、ステップＳ１６では、温水往き温度Ｔｏから温水戻り温度Ｔｉを減じて温水循環流量Ｆを乗じた値を設定室温Ｔｓから外気温度Ｔａを減じた値で除して住宅暖房係数Ｑの値を算出して更新する。

ステップＳ１７では、前記ステップＳ１６で算出した住宅暖房係数Ｑに設定室温Ｔｓから外気温度Ｔｓを減じた値を乗じて、現在の必要暖房出力Ｗ１の値を算出して更新し、ステップＳ１８では、前記ステップＳ１６で算出した住宅暖房係数Ｑの値と前記ステップＳ１７で算出した必要暖房出力Ｗ１の値から制御手段４１に記憶されている前記二元マトリクス図に基づいて目標温水往き温度Ｔｏｓを決定し、そして温水往き温度Ｔｏがこの目標温水往き温度Ｔｏｓになるように一次側の加熱能力が制御される。

そして、温水往き温度Ｔｏおよび温水戻り温度Ｔｉが変動少なく安定したことを検知すると（ステップＳ１９でＹｅｓ）、ステップＳ２０では、温水往き温度Ｔｏから温水戻り温度Ｔｉを減じて温水循環流量Ｆを乗じて、現在の実暖房出力Ｗ２の値を算出する。

次に、ステップＳ２１では、前記ステップＳ１７で算出した必要暖房出力Ｗ１と前記ステップＳ２０で算出した実暖房出力Ｗ２との比較を行い、必要暖房出力Ｗ１の方が実暖房出力Ｗ２よりも小さい場合は、ステップＳ２２で目標温水往き温度Ｔｏｓを低下させる補正を行い、必要暖房出力Ｗ１の方が実暖房出力Ｗ２よりも大きい場合は、ステップ２３で目標温水往き温度Ｔｏｓを増加させる補正を行うようにしている。

このように、目標温水往き温度Ｔｏｓが必要暖房出力Ｗ１と住宅暖房係数Ｑに応じて適切に設定されるので、温水往き温度Ｔｏをできるだけ低下させて熱ロスを減らすことができ、ヒートポンプ式加熱手段４で温水を加熱する際のＣＯＰ（加熱効率）を向上させることができると共に、室温を適切に制御することができ、温水コンベクターや温水ラジエーターを用いた全館暖房に特に好適な温水暖房装置の制御方法を提供することができる。

また、住宅暖房係数Ｑを特別な操作や入力を必要とすることなく、設置条件に応じて自動的に算出することができるため、住宅性能や住宅面積、温水暖房端末器の種類や数が不明な場合であっても、実際の温水温度から住宅暖房係数Ｑを算出することができ、状況に合わせた暖房出力と、最適な目標温水往き温度Ｔｏｓを設定することができるため、無駄のない暖房制御が実現できる。しかも、暖房運転を行う度に住宅暖房係数Ｑを算出し直すので、住宅の暖房条件の変化に対応することが可能となった。

さらに、必要暖房出力Ｗ１と実暖房出力Ｗ２とを比較して目標温水往き温度Ｔｏｓを調整することによって、より精度よく室温を制御可能な最適な目標温水往き温度Ｔｏｓを設定することができる。

なお、本実施形態においては、流量センサ２５にて実際の温水循環流量Ｆを検出するようにしたが、流量センサ２５を用いずに、設計流量を暖房リモコン３７から入力設定し、設計流量を温水循環流量Ｆとして用いるようにしてもよい。

また、前記温水循環流量Ｆは、前記ヒートポンプ式加熱手段４の加熱量に所定の熱交換効率を乗じた値を温水往き温度Ｔｏと温水戻り温度Ｔｉの差で除して算出するようにしてもよい。ここで、ヒートポンプ式加熱手段４の加熱量は、暖房用熱交換器９の一次側の一次側入口温度センサ２１で検出する一次側入口温度Ｔｉから一次側出口温度センサ２２で検出する一次側出口温度Ｔｏを減じた値に一次側循環ポンプ１９の作動回転数に応じた流量を乗じて求めるようにしてもよい。

また、二次側の温水を加熱する構成をヒートポンプ式加熱手段４による間接加熱としたが、貯湯タンク１の貯湯温水による間接加熱や、ヒートポンプ式加熱手段４による直接加熱や、ガス燃料あるいは石油燃料の燃焼による直接加熱としてもよいもので、温水暖房端末器８へ循環させる温水の温水往き温度Ｔｉが目標温水往き温度Ｔｏｓになるように制御できる加熱手段であればよいものである。

また、図２に示した二元マトリクス図の右下の空白欄は、本一実施形態の貯湯式給湯暖房装置の暖房出力の限度を超えるため空白としており、左上の空白欄は、目標温水往き温度Ｔｏｓが低く、温水暖房端末器８が暖房能力を発揮できなくなるため空白としている。しかし、右下の空白欄には全て６０℃（本実施形態における目標温水往き温度Ｔｏｓの上限）を入力し、暖房出力の限度まで作動させるようにしてもよく、左上の空白欄には全て４０℃を入力し、暖房運転を間欠的に行うようにして低い必要暖房出力Ｗ１に合わせるように暖房能力を調節するようにすることもできる。

本発明の一実施形態の概略構成図。 住宅暖房係数Ｑと必要暖房出力Ｗ１とに基づく目標温水往き温度の二元マトリクス図。 同一実施形態の初回暖房運転時の作動を説明するためのフローチャート。 同一実施形態の暖房運転時の作動を説明するためのフローチャート。

符号の説明

４ ヒートポンプ式加熱手段（熱源機）
８ 温水暖房端末器
４１ 制御装置

Claims (5)

1. 熱源機で加熱した温水を温水暖房端末器へ循環させて住宅の暖房を行う温水暖房装置において、暖房出力を設定室温Ｔｓと外気温度Ｔａとの差で除した住宅暖房係数Ｑと、必要暖房出力Ｗ１とに基づく目標温水往き温度Ｔｏｓの二元マトリクス図を予め実験で求めて記憶しておき、暖房運転開始後に温水温度が安定した時点での実際の暖房出力Ｗ２を温水往き温度Ｔｏと温水戻り温度Ｔｉと温水循環流量Ｆから算出し、この暖房出力Ｗ２を設定室温Ｔｓと外気温度Ｔａとの差で除して住宅暖房係数Ｑを算出記憶し、この住宅暖房係数Ｑに現在の設定室温Ｔｓと外気温度Ｔａとの差を乗じて必要暖房出力Ｗ１を算出すると共に、前記住宅暖房係数Ｑと前記必要暖房出力Ｗ１とから前記二元マトリクス図を参照して目標温水往き温度Ｔｏｓを再設定するようにしたことを特徴とする温水暖房装置の制御方法。
2. 温水温度が安定した時点での実際の暖房出力Ｗ２と、前記必要暖房出力Ｗ１を比較して、比較結果に基づき前記目標温水往き温度Ｔｏｓを増減補正するようにしたことを特徴とする請求項１記載の温水暖房装置の制御方法。
3. 前記温水循環流量Ｆは初期設定された値を用いるようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の温水暖房装置の制御方法。
4. 前記温水循環流量Ｆは、前記熱源機の加熱量に所定の熱交換効率を乗じた値を温水往き温度Ｔｏと温水戻り温度Ｔｉの差で除して算出するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の温水暖房装置の制御方法。
5. 前記熱源機として、圧縮機と冷媒−水熱交換器と減圧手段と空気熱交換器を有したヒートポンプ式加熱手段を用いていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の温水暖房装置の制御方法。

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