JP4912986B2 - 温水暖房装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は建物内の温水暖房端末器へ熱源機で加熱した温水を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、温水往き温度が温水暖房端末器の種類に応じた一定の温水温度（床暖房なら５０℃、パネルコンベクターなら６０℃等）になるように石油温水ボイラーなどの熱源機を制御することが一般的に行われている。
特開２００７−１０７８６２号公報

このような従来の温水暖房装置においては、暖房負荷が小さい場合など被暖房空間である建物側で本当に必要とされている暖房負荷に比べて過大な熱量を供給することとなり、無駄な放熱となって非効率的なものであった。

効率的な暖房運転を行うには温水暖房端末器から建物内に放熱する熱量と、建物が外部環境に放熱する熱量とがバランスすることが望ましいが、そのためには建物内に設置される温水暖房端末器の種類や数や放熱特性、また建物そのものの大きさや熱損失係数等の熱的性能データが必要となる。

しかし、温水暖房端末器の放熱特性は、温水と被暖房室の室温との温度差に依存していることに加え、温水暖房端末器が多種類あるような場合は計算条件が複雑化し、簡易的な計算による放熱特性の算出は困難で、暖房負荷と放熱量をバランスさせた効率的な暖房運転を行うことができないものであった。

そこで、本発明は高度な専門知識を必要とせずに温水暖房装置の設置環境の諸条件データを自動的に取得し、暖房負荷と放熱量をバランスさせた高効率な暖房運転を行えるようにすることを課題とする。

本発明は上記課題を解決するため、熱源機で加熱した暖房循環水を温水暖房端末器へ循環させて暖房運転を行う温水暖房装置において、暖房試運転時に、暖房循環水が第１の温水温度を保つよう熱源機を制御し、被暖房室温安定時の熱源機から建物へ流出した熱量である建物全体での第１実暖房負荷を計測し、この第１実暖房負荷と建物内の室温と熱源機での温水往き温度および温水戻り温度とから第１熱コンダクタンスの値を算出し、次に暖房循環水が前記第１の温水温度とは異なる第２の温水温度を保つよう熱源機を制御し、被暖房室温安定時の第２実暖房負荷を計測し、この第２実暖房負荷と室温と温水往き温度および温水戻り温度とから第２熱コンダクタンスの値を算出し、これら暖房負荷と熱コンダクタンスとの相関関係を求め、暖房運転時には、現在の要求暖房負荷に対応する熱コンダクタンスの値を前記相関関係から決定し、この熱コンダクタンス値と所望暖房負荷と設定室温とから目標温水温度を算出し、暖房循環水がこの目標温水温度となるように熱源機を制御して暖房運転を行うようにした。

また、前記試運転時に、実暖房負荷と室温と外気温とから建物の総熱損失係数を算出し、この総熱損失係数と所望の設定室温と外気温とから暖房運転時の要求暖房負荷を算出するようにした。

以上のように本発明によれば、温水暖房端末器の個々の種類や性能を知らずとも、専門知識を要することなく温水暖房端末器での放熱量と暖房負荷とを一致させるためのデータを自動的に取得することができ、このデータと現在の要求暖房負荷とから目標温水温度を決定するため、温水暖房端末器での放熱量と暖房負荷とをバランスさせることができ、過不足がなく適正で高効率な暖房運転を行うことが可能である。

また、建物に関する熱的性能データが不明であっても、専門知識を要することなく建物に関する熱的性能データも暖房試運転時に同時に取得することができ、より簡便にに温水暖房端末器での放熱量と暖房負荷とをバランスさせることができ、過不足がなく適正で高効率な暖房運転を行うことが可能である。

次に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
１は被暖房空間としての建物、２は暖房循環水を加熱するための熱源機、３は建物１内に複数設けられたパネルコンベクター等の温水暖房端末器、４は熱源機２と温水暖房端末器３とを暖房循環水が循環可能に接続する温水往き管４ａと温水戻り管４ｂとから構成される温水循環回路、５は建物１内の室温Ｔ_ｒを検出する室温センサである。

熱源機１は、温水循環回路４の暖房循環水を循環させる循環ポンプ６、暖房循環水の温水流量Ｖを検出する流量センサ７、暖房循環水を加熱するための熱交換器８、熱交換器８を加熱するバーナ等の加熱手段９、外気温（建物の外部環境の温度）Ｔ_ａを検出する外気温センサ１０、温水循環回路４の温水往き温度Ｔ_１を検出する往き温度センサ１１、温水戻り温度Ｔ_２を検出する戻り温度センサ１２、この熱源機１そのものおよび温水暖房装置全体を制御する制御装置１３とを備えているものである。

本発明は、このような一般的な温水暖房装置において、温水暖房端末器３から建物１内に放熱する熱量と、建物１が外部環境に放熱する熱量とを適切にバランスさせ、高効率な暖房運転を行わせるため、試運転時に後述する温水暖房端末器３全体の熱コンダクタンスＣ_ｉを計測し、この計測した熱コンダクタンスＣ_ｉに基づいて暖房運転時に熱源機２から供給する熱量を決定する制御方法に関するものである。

以下に本発明の制御方法について詳述する。
まず試運転時においては、予備日において予め暖房運転を行って建物１の内部の温度を上げ、暖房状態を安定させる。

次に、試運転第１日目には温水往き温度Ｔ_１が第１の温水温度（例えば４５℃）および一定の流量Ｖを保つように熱源機２を制御し、建物１の室温Ｔ_ｒが安定している状態で、温水往き温度Ｔ_１、温水戻り温度Ｔ_２、温水流量Ｖを計測記憶し、以下の数式１から実暖房負荷Ｑ_ｓを算出する。なお、同時に外気温Ｔ_ａと室温Ｔ_ｒも計測記憶する。

＜数式１＞
Ｑ_ｓ＝ｃ_ｐρＶ（Ｔ_１−Ｔ_２） ［kW］
ｃ_ｐ：暖房循環水の比熱 ［J/kgK］
ρ：暖房循環水の密度 ［g/cm²］

また、同時に以下の数式２から建物１に対する温水暖房端末器３全体の第１の熱コンダクタンスＣ_ｉを算出する。この熱コンダクタンスＣ_ｉは、暖房運転により建物１に流入する熱量Ｑ_ｓを室温Ｔ_ｒと温水暖房端末器３との温度差で除した値で算出され、温水暖房端末器３の内表面と循環温水との強制対流熱伝達と温水暖房端末器３自体の材料の熱伝導と温水暖房端末器３の外表面と室内空気との自然対流熱伝達とを考慮した熱通過率に基づく係数である。なお、温水暖房端末器３が温水床暖房である場合は、熱通過率を考えるに当たり、温水暖房端末器３自体の熱伝導に加えて床材料の熱伝導が考慮され、さらに温水暖房端末器３の外表面と室内空気との自然対流熱伝達の代わりに暖められた床面と室内空気との自然対流熱伝達が考慮される。

＜数式２＞
Ｃ_ｉ＝Ｑ_ｓ／｛（Ｔ_１＋Ｔ_２）／２−Ｔ_ｒ｝ ［kW/K］

そして、以下の数式３から室温Ｔ_ｒと外気温Ｔ_ａとの温度差が１℃当たりの建物１全体の暖房負荷である総熱損失係数Ｋを算出する。ここでは実暖房負荷Ｑ_ｓを建物１内外の温度差で除した値を総熱損失係数Ｋとする。

＜数式３＞
Ｋ＝Ｑ_ｓ／（Ｔ_ｒ−Ｔ_ａ） ［kW/K］

試運転第２日目には、先の第１の温水温度とは異なる第２の温水温度（例えば４０℃）および一定の流量を保つように熱源機２を制御し、建物１の室温Ｔ_ｒが安定している状態で、温水往き温度Ｔ_１、温水戻り温度Ｔ_２、温水流量Ｖを計測記憶し、数式１から実暖房負荷Ｑ_ｓを算出する。なお、同時に外気温Ｔ_ａと室温Ｔ_ｒも計測記憶し、数式２および数式３から暖房端末器３側の第２の熱コンダクタンスＣ_ｉと建物１の総熱損失係数Ｋを算出する。

試運転第３日目には、先の第１、第２の温水温度とは異なる第３の温水温度（例えば３５℃）および一定の流量を保つように熱源機２を制御し、建物１の室温Ｔ_ｒが安定している状態で、温水往き温度Ｔ_１、温水戻り温度Ｔ_２、温水流量Ｖを計測記憶し、数式１から実暖房負荷Ｑ_ｓを算出する。なお、同時に外気温Ｔ_ａと室温Ｔ_ｒも計測記憶し、数式２および数式３から暖房端末器３側の第３の熱コンダクタンスＣ_ｉと建物１の総熱損失係数Ｋを算出する。

これら各日の各計測値および各算出値を表１〜３に示す。ここで表中の各時刻における計測値は、各時刻付近の数回の計測値の平均値で、この平均値を用いて各値を算出している。

そして、各日の実暖房負荷Ｑ_ｓと第１〜第３の熱コンダクタンスＣ_ｉをそれぞれ平均した値を用いて線形補間することにより図２に示す相関関係を求める。このように線形補間することによって簡易に実暖房負荷Ｑ_ｓと熱コンダクタンスＣ_ｉの相関関係を導出記憶することが可能となり、演算能力の低いマイコンでも容易に扱える。なお、この相関関係の求め方としては、線形補間に限定されるものではなく、例えば表１〜３に示した各計測定時間での各値から最小二乗法等により近似式を求めるようにしてもよいものである。このような実暖房負荷Ｑ_ｓと熱コンダクタンスＣ_ｉの相関関係を以下の数式４のように表す。

＜数式４＞
Ｃ_ｉ＝ｆ（Ｑ_ｓ）

次に、各日の総熱損失係数Ｋの平均値を求め、この建物１全体の室温Ｔ_ｒと外気温Ｔ_ａとの温度差が１℃当たりの暖房負荷として決定する。なお、ここでは総熱損失係数Ｋは試運転時にその値を算出するようにしたが、建物１全体の熱的性能である熱損失係数ｋ［kW/m²K］が予め判明している場合には、この熱損失係数ｋおよび建物１の延床面積Ａ［m²］から算出した総熱損失係数Ｋを制御装置１３に手動で記憶させるような構成としてもよいものである。

なお、このような試運転は日射による影響を省いて簡易に各値を算出できるように夜間行うことが望ましい。なお、この実施形態における温水暖房装置の設置条件は、延床面積１４０ｍ^２の一戸建て家屋で、部屋の大きさに応じた放熱能力を持つパネルコンベクターを複数台設置し、熱源機２の循環ポンプ６による循環流量は一定になるよう制御し、建物１内の居住者の生活や照明等による内部発熱は存在しない条件としている。

そして、暖房運転を行う際は、まず設定室温Ｔ_{ｒ＿ｓｅｔ}と外気温Ｔ_ａとの温度差および総熱損失係数Ｋから以下の数式５に基づき要求暖房負荷Ｑ_ｒを求める。なお、複数の部屋で設定室温Ｔ_{ｒ＿ｓｅｔ}が相違する場合には、その最大値あるいは平均値を用いるようにすればよい。

＜数式５＞
Ｑ_ｒ＝Ｋ（Ｔ_{ｒ＿ｓｅｔ}−Ｔ_ａ） ［kW]

次に、図３に示すように、求めた要求暖房負荷Ｑ_ｒと数式４から現在の暖房運転の状況における熱コンダクタンスＣ_ｉを求める。

そして、求めた熱コンダクタンスＣ_ｉと以下の数式６から目標温水往き温度Ｔ_{１＿ｓｅｔ}を求め、熱源機２での温水往き温度Ｔ１がこの目標温水往き温度Ｔ_{１＿ｓｅｔ}となるように加熱量を制御して暖房運転を行う。

＜数式６＞
Ｔ_{１＿ｓｅｔ}＝Ｔ_{ｒ＿ｓｅｔ}＋Ｑ_ｓ（１／Ｃ_ｉ＋１／２ｃ_ｐρＶ） ［℃］

このように、暖房要求のある時点での適切な目標温水温度を算出して熱源機２を制御するので、温水暖房端末器３から建物１内に放熱する熱量と建物１が外部環境に放熱する熱量とを適切にバランスさせることができ、余分な放熱ロスの少ない高効率な暖房運転を実現することができる。

なお、数式６では目標温水温度として目標温水往き温度Ｔ_{１＿ｓｅｔ}を算出し、熱源機２の加熱量を温水往き温度Ｔ_１がこの目標温水往き温度Ｔ_{１＿ｓｅｔ}となるように制御するようにし、熱源機２での加熱量の制御を容易となるようにしたが、これに限らず、例えば目標温水戻り温度Ｔ_{２＿ｓｅｔ}あるいは平均温水温度（Ｔ_１＋Ｔ_２）／２を算出し、これを目標温水温度として適切に熱源機２の加熱量を制御してもよいものである。

このように、温水暖房端末器３の個々の種類や性能を知らずとも、専門知識を要することなく温水暖房端末器３での放熱量と暖房負荷とを一致させるためのデータである熱コンダクタンスＣ_ｉを自動的に取得することができ、この熱コンダクタンスＣ_ｉと現在の要求暖房負荷Ｑ_ｒとから目標温水温度を決定するため、温水暖房端末器３での放熱量と暖房負荷とをバランスさせることができ、過不足がなく適正で高効率な暖房運転を行うことが可能である。

また、建物１に関する熱的性能データが不明であっても、専門知識を要することなく建物１に関する熱的性能データである総熱損失係数Ｋも暖房試運転時に同時に取得することができ、より簡便にに温水暖房端末器３での放熱量と暖房負荷とをバランスさせることができ、過不足がなく適正で高効率な暖房運転を行うことが可能である。

なお、上記一実施形態の暖房試運転においては、３日間にわたり温水温度を３回変えて計測を行ったが、熱コンダクタンスＣ_ｉと実暖房負荷Ｑ_ｓとの相関関係を導出できれば最低２回の温水温度変更でよいもので、温水温度の変更からすぐに室温が収束するならば同一日に温水温度を変更するようにしてもよいものである。

また、上記一実施形態の熱源機２は燃焼式の暖房ボイラーを例にとって説明したが、これに限られず、例えばヒートポンプ式の温水加熱装置や、深夜電力で沸き上げた貯湯タンク内の温水を熱源とした蓄熱式の温水加熱装置等、要求された熱量を暖房循環水に供給できる熱源機であれば熱源の種類に特に限定されるものではない。

本発明の一実施形態の温水暖房装置のシステム図。 熱コンダクタンスＣ_ｉと暖房負荷Ｑ_ｓとの相関関係を示す図。 要求暖房負荷Ｑ_ｒから熱コンダクタンスＣ_ｉの求め方を説明する図。

符号の説明

１ 建物
２ 熱源機
３ 温水暖房端末器

Claims (2)

1. 熱源機で加熱した暖房循環水を温水暖房端末器へ循環させて暖房運転を行う温水暖房装置において、
   暖房試運転時に、暖房循環水が第１の温水温度を保つよう熱源機を制御し、被暖房室温安定時の熱源機から建物へ流出した熱量である建物全体での第１実暖房負荷を計測し、この第１実暖房負荷と建物内の室温と熱源機での温水往き温度および温水戻り温度とから第１熱コンダクタンスの値を算出し、
   次に暖房循環水が前記第１の温水温度とは異なる第２の温水温度を保つよう熱源機を制御し、被暖房室温安定時の第２実暖房負荷を計測し、この第２実暖房負荷と室温と温水往き温度および温水戻り温度とから第２熱コンダクタンスの値を算出し、
   これら暖房負荷と熱コンダクタンスとの相関関係を求め、
   暖房運転時には、現在の要求暖房負荷に対応する熱コンダクタンスの値を前記相関関係から決定し、この熱コンダクタンス値と要求暖房負荷と設定室温とから目標温水温度を算出し、暖房循環水がこの目標温水温度となるように熱源機を制御して暖房運転を行う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. 前記試運転時に、実暖房負荷と室温と外気温とから建物の総熱損失係数を算出し、
   この総熱損失係数と所望の設定室温と外気温とから暖房運転時の要求暖房負荷を算出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。

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