(57)【要約】【課題】  急激な外気温度の変化があっても蓄熱不足や蓄熱過剰が生じない蓄熱式暖房システムを提供する。【解決手段】  蓄熱式暖房システム１０は、電気ヒータ１１と、電気ヒータ１１により加熱されて蓄熱する蓄熱材１２と、電気ヒータ１１の通電制御を行う通電制御部１３と、を備える。通電制御部１３は、電気ヒータ１１を連続通電したときの蓄熱材１２の経時的な基準昇温パターンを各温度での昇温速度が小さくなるように補正した補正昇温パターンを求め、その補正昇温パターンで蓄熱材１２が昇温するように電気ヒータ１１への通電をオンオフ制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気ヒータと、
上記電気ヒータにより加熱されて蓄熱する蓄熱材と、
上記電気ヒータの通電制御を行う通電制御部と、
を備え、
上記通電制御部は、上記電気ヒータを連続通電したときの上記蓄熱材の経時的な基準昇温パターンを各温度での昇温速度が小さくなるように補正した補正昇温パターンを求め、その補正昇温パターンで該蓄熱材が昇温するように上記電気ヒータへの通電をオンオフ制御する、蓄熱式暖房システム。
【請求項２】
請求項１に記載された蓄熱式暖房システムにおいて、
上記通電制御部は、補正昇温パターンから上記蓄熱材が目標温度に達するまでの時間を予測し、予め定められた蓄熱終了時刻からその時間を逆算した時刻より上記電気ヒータのオンオフ制御を開始する、蓄熱式暖房システム。
【請求項３】
請求項１に記載された蓄熱式暖房システムにおいて、
上記通電制御部は、過去の補正昇温パターンから上記電気ヒータのオフ時の部分及び該電気ヒータのオン時の部分のうちオフ時に低下した温度に相当する温度を昇温させる部分を除去して連続させたものを基準昇温パターンとする、蓄熱式暖房システム。
【請求項４】
請求項１に記載された蓄熱式暖房システムにおいて、
上記通電制御部は、上記蓄熱材の過去の複数の昇温パターンの平均を基準昇温パターンとする、蓄熱式暖房システム。
【請求項５】
請求項１に記載された蓄熱式暖房システムにおいて、
上記通電制御部は、基準昇温パターンにおける各温度での昇温速度に所定の定数又は変数を乗じたものを補正昇温パターンにおける該蓄熱材の対応する温度での昇温速度とする、蓄熱式暖房システム。
【請求項６】
請求項１に記載された蓄熱式暖房システムにおいて、
床暖房用途に用いられる、蓄熱式暖房システム。
【請求項７】
電気ヒータと、該電気ヒータにより加熱されて蓄熱する蓄熱材と、を備えた蓄熱式暖房システムの制御方法であって、
上記電気ヒータを連続通電したときの上記蓄熱材の経時的な基準昇温パターンを決定するステップと、
上記基準昇温パターンを各温度での昇温速度が小さくなるように補正した補正昇温パターンを求めるステップと、
上記補正昇温パターンで上記蓄熱材が昇温するように上記電気ヒータへの通電をオンオフ制御するステップと、
を備えた蓄熱式暖房システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気ヒータと、その電気ヒータにより加熱されて蓄熱する蓄熱材と、を備えた蓄熱式暖房システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄熱式床暖房システムは、一般的に、電気ヒータ、蓄熱構造床（蓄熱材）、床温度を測定するための温度センサ、及び、タイマー機能を有する通電制御部を有しており、電気料金の安い深夜電力を使って電気ヒータに通電して蓄熱材に蓄熱しておき、日中に放熱して部屋を暖めるものである。
【０００３】
例えば、特許文献１には、蓄熱式電気床暖房システムの非通電時間の総和を算出し、その後の蓄熱運転において、算出された非通電時間の総和に基づいて定まる所定時間だけ蓄熱運転開始時刻を遅らせることが開示されている。そして、これによれば、蓄熱式電気床暖房システムの温度を設定温度になるように蓄熱運転を行うに当たって、蓄熱運転開始時刻を正確に設定することができると記載されている。
【０００４】
特許文献２には、蓄熱運転時間の初期から蓄熱運転開始時刻までにおける床下温度と設定床下温度とを比較し、蓄熱運転開始時刻前に床下温度が設定床下温度にまで低下した場合に、床下温度の温度勾配から床下温度が設定床下温度と等しくなる時刻を予測し、予測時刻から蓄熱運転開始時刻までの時間に対応する時間だけ蓄熱運転開始時刻を早めることが開示されている。そして、これによれば、蓄熱式電気床暖房システムの温度を設定温度になるように蓄熱運転を行うに当たって、蓄熱運転開始時刻を放熱量に合わせて正確に設定することができると記載されている。
【０００５】
ところで、深夜電力が安価であるとはいえ、無駄な電力の消費を極力控えて効率的に蓄熱式床暖房システムを運転することが望まれる。理想的には、深夜電力供給時間帯において、翌日に必要な熱量を深夜電力供給時間が終了する時点でちょうど蓄熱終了するのがよい。
【０００６】
特許文献３には、当日の外気温度若しくは外気温度に対応して推移する部位の当日の温度から翌日の放熱運転に必要な熱量を予測し、この予測に基づいて必要熱量を蓄えるのに要するヒータ通電時間を決定し、あらかじめ定められた蓄熱運転終了時刻から逆算して蓄熱運転開始時刻を求め、蓄熱運転開始時刻を外気温度に応じて可変とすることが開示されている。そして、これによれば、暖房に必要な熱量のみを蓄熱材に蓄熱させ、蓄熱量を暖房時に使い切らせ、蓄熱電気床暖房装置の効率的な運転を可能とすると記載されている。      
【特許文献１】特開２０００−８１２１９号公報
【特許文献２】特開２０００−８１２２０号公報
【特許文献３】特開２００１−９０９６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献３に記載されている技術によれば、過去のデータの平均値を主としてヒータ通電開始時間を予測しているため、外気温度がある程度安定している時期には、最適な蓄熱量を確保することができる。
【０００８】
しかしながら、ヒータの通電時に外気温度が急激に変化すると、蓄熱材への蓄熱が不十分或いは過度となる場合がある。例えば、翌日の床暖房のためにある一定量の蓄熱量が必要であるとして所定時にヒータに通電して蓄熱を開始したとする。このときに外気温度が急激に低下した場合、蓄熱材を加熱しても温度が十分に上昇せず、現実に翌日に必要とされる熱量が蓄積されないまま通電時間が終了してしまい、蓄熱不足のために寒いと感じてしまうこととなる。特に、秋から冬、冬から春などの季節の変わり目には、短い周期で気温が変化しながら平均的に大きく変化するが、上記のシステムでは、大きい変化に対応できても、急激な変化に対しては対応できない場合が多い。
【０００９】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、急激な外気温度の変化があっても蓄熱不足や蓄熱過剰が生じない蓄熱式暖房システム及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する本発明に係る蓄熱式暖房システムは、
電気ヒータと、
上記電気ヒータにより加熱されて蓄熱する蓄熱材と、
上記電気ヒータの通電制御を行う通電制御部と、
を備え、
上記通電制御部は、上記電気ヒータを連続通電したときの上記蓄熱材の経時的な基準昇温パターンを各温度での昇温速度が小さくなるように補正した補正昇温パターンを求め、その補正昇温パターンで該蓄熱材が昇温するように上記電気ヒータへの通電をオンオフ制御する。
【００１１】
上記の構成によれば、基準昇温パターンに従って蓄熱材を昇温させる場合よりも時間的な余裕を有する。そのため、外気温度に変化がない標準の場合には、電気ヒータがオンオフ制御されて蓄熱材が所定温度になるまで蓄熱がなされる。そして、外気温度が急激に低下した場合には、蓄熱材を補正昇温パターンに従って昇温させるためには、標準の場合よりも多くの熱量が必要となるので、標準の場合よりも電気ヒータのオン時間が長くなり、それによって加熱時間が補われて蓄熱材が所定温度になるまで蓄熱がなされる。また、外気温度が急激に上昇した場合には、蓄熱材を補正昇温パターンに従って昇温させるには、標準の場合ほども熱量を必要としないので、標準の場合よりも電気ヒータのオン時間が短くなり、それによって加熱時間が削られながらも蓄熱材が所定温度になるまで蓄熱がなされる。このように外気温度に急激な低下や上昇が生じても、電気ヒータのオン時間が伸縮することによって蓄熱不足や蓄熱過剰の発生が防止される。
【００１２】
このような蓄熱式暖房システムでは、補正昇温パターンから上記蓄熱材が目標温度に達するまでの時間を予測し、予め定められた蓄熱終了時刻、例えば、深夜電力供給終了時刻からその時間を逆算した時刻より電気ヒータのオンオフ制御を開始するようにすればよい。深夜電力供給開始時刻と共に蓄熱材の蓄熱を開始した場合、深夜電力供給終了時刻前に蓄熱が完了してしまうと、放熱するまでの間に蓄熱を維持するための余計な電力を使用しなければならない。しかしながら、上記のようにすれば、深夜電力供給終了時刻のような予め定められた蓄熱終了時刻に蓄熱が完了することとなるので、かかる余計な電力の消費が防止される。
【００１３】
基準昇温パターンのデータを固定のものとするよりは、気候の変化を反映した修正が施されたものとすることが好ましい。しかしながら、日々の蓄熱材への蓄熱は補正昇温パターンに従って行われるため、基準昇温パターンのデータを直接取得することができない。そこで、蓄熱材の過去の実際の昇温パターンから電気ヒータのオフ時の部分及び電気ヒータのオン時の部分のうちオフ時に低下した温度に相当する温度を昇温させる部分を除去して連続させたものを基準昇温パターンとして代用することが考えられる。
【００１４】
基準昇温パターンのデータは、単に前日取得したものを用いるというようにしてもよいが、それが特異なデータである場合もあるので、信頼性の高い制御を行うためには、蓄熱材の過去の複数の昇温パターンの平均を基準昇温パターンとすることが好ましい。
【００１５】
基準昇温パターンから補正昇温パターンへの補正方法は特に限定されるものではなく、種々のものが考えられるが、例えば、基準昇温パターンにおける蓄熱材の各温度での昇温速度に所定の定数又は変数を乗じたものを補正昇温パターンにおける蓄熱材の対応する温度での昇温速度とすることを挙げることができる。
【００１６】
以上のような本発明に係る蓄熱式暖房システムは、典型的には、床暖房用途に用いられる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、基準昇温パターンに従って蓄熱材を昇温させる場合よりも時間的な余裕を有するので、外気温度に急激な低下や上昇が生じても、電気ヒータのオン時間が伸縮することによって蓄熱不足や蓄熱過剰の発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る蓄熱式床暖房システム１０の構成を示す。
【００２０】
この蓄熱式床暖房システム１０は、電気ヒータ１１、蓄熱材１２、及び、通電制御部１３を備える。この蓄熱式床暖房システム１０では、通電制御部１３は、電気ヒータ１１の通電制御を行う。電気ヒータ１１は、通電されることにより蓄熱材１２を加熱して蓄熱させる。蓄熱材１２は、電気ヒータ１１の通電時及び非通電時を問わず、常時、蓄熱された熱を放熱する。そして、このような蓄熱材１２の放熱によって床暖房が行われる。なお、蓄熱材１２の温度を検知する温度センサ（図示せず）が設けられており、それによって蓄熱材１２の温度情報が通電制御部１３に常時入力されるようになっている。
【００２１】
この蓄熱式床暖房システム１０によって、例えば、潜熱及び顕熱蓄熱方式の床構造を構成することができる。
【００２２】
図２は、かかる潜熱及び顕熱蓄熱方式の床構造を示す。
【００２３】
この床構造は、コンクリートスラブ２１上に断熱材層２２、ワイヤメッシュ２３が埋設されたモルタル層２４が順に積層され、その上に床仕上材２５が設けられたものである。そして、断熱材層２２とモルタル層２４との層間に蓄熱材１２が敷設され、その蓄熱材１２の上にヒーティングケーブルからなる電気ヒータ１１が布線されている。また、コンクリートスラブ２１及び断熱材層２２を通って設けられた配線１４が電気ヒータ１１に接続されている。もちろん、この蓄熱式床暖房システム１０によって潜熱蓄熱方式の床構造や顕熱蓄熱方式の床構造を構成してもよい。
【００２４】
この蓄熱式床暖房システム１０は、電気料金の安い深夜電力を使って電気ヒータ１１に通電し、それによって蓄熱材１２に蓄熱するようにしたものである。その制御は、通電制御部１３で行われる。以下にその制御内容について説明する。
【００２５】
−基準昇温パターン決定ステップ−
電気ヒータ１１を連続通電したときの蓄熱材１２の経時的な基準昇温パターンを決定する。つまり、電気ヒータ１１を連続通電したときの通電時間と蓄熱材１２の温度との関係グラフ（以下「温度上昇曲線」という。）を決定する。
【００２６】
このとき、温度上昇曲線として、図３に示すような、例えば、期間毎に固定したものや前日に得られたものを採用してもよい。しかしながら、固定した温度上昇曲線では、異常気候が長期間続いているような場合に対応できず、また、前日に得られた温度上昇曲線では、前日が異常気象の場合に対応できず、制御の信頼性が低くなってしまう虞がある。そのため、信頼性の高い制御を行うためには、過去数日に得られた複数の温度上昇曲線を平均した平均温度上昇曲線を採用することが好ましい。平均温度上昇曲線は以下のようにして得ることができる。
【００２７】
まず、図４に示すように、図３に示すような温度上昇曲線を２９〜４５℃の範囲でΔＴa-b（＝１℃）（a、bは温度、b-a＝１℃）毎に分割し、それぞれのΔＴa-b（＝１℃）の温度範囲について温度上昇曲線を直線近似すると共に温度がΔＴa-b（＝１℃）上昇するのに要する時間Δｔa-b（a、bは温度、b-a＝１℃）を求める。各温度範囲での昇温速度は直線の傾きのΔＴa-b／Δｔa-bである。例えば、４４〜４５℃の範囲を例にとると、図５（ａ）に示すように、ΔＴ44-45＝１℃の温度上昇のためにΔｔ44-45の時間を要する。従って、この範囲での昇温速度は１／Δｔ44-45となる。なお、始点となる２９℃の時刻が不明であるが、図５（ｂ）に示すように、直線を外挿することで、ΔＴ29-30＝１℃の温度上昇のために要する時間Δｔ29-30を求めることができる。そして、過去数日分の温度上昇曲線について同様の処理を施す。
【００２８】
続いて、それぞれのΔＴa-b（＝１℃）の温度範囲について、過去数日分のΔｔa-b及び直線近似した温度上昇曲線をそれぞれ平均する。例えば、過去２日分のΔｔa-bを平均する場合、４４〜４５℃の範囲を例にとると、aveΔｔ44-45は、Δｔ44-45（前日）とΔｔ44-45（前々日）とを足し合わせたものを２で除したものとなる。つまり、
aveΔｔ44-45＝（Δｔ44-45（前日）＋Δｔ44-45（前々日））／２
となる。また、直線近似した温度上昇曲線を平均したものは、図６に示すように、直線の傾きが昇温速度となるので、前日の昇温速度（傾き）と前々日の昇温速度（傾き）との中間の昇温速度（傾き）を有する線分となる。
【００２９】
そして、図７に示すように、それぞれの温度範囲で直線近似した温度上昇曲線を平均したものを、２９〜４５℃の範囲で連続して連結することにより平均温度上昇曲線を得る。なお、この平均温度上昇曲線は、線分を連結したものであり、厳密には曲線ではない。
【００３０】
−補正昇温パターン演算ステップ−
基準昇温パターンよりも蓄熱材１２の各温度での昇温速度が小さくなるように補正した補正昇温パターンを求める。
【００３１】
まず、温度上昇曲線或いは平均温度上昇曲線を２９〜４５℃の範囲でΔＴa-b（＝１℃）（a、bは温度、b-a＝１℃）毎に分割し、それぞれのΔＴa-b（＝１℃）の温度範囲について直線近似すると共に温度がΔＴa-b（＝１℃）上昇するのに要する時間Δｔa-b（a、bは温度、b-a＝１℃）を求める。ここでも、各温度範囲での昇温速度は直線の傾きのΔＴa-b／Δｔa-bである。例えば、平均温度上昇曲線を用いた場合、４４〜４５℃の範囲を例にとると、ΔＴ44-45＝１℃の温度上昇のためにaveΔｔ44-45の時間を要する。従って、この範囲での昇温速度は１／aveΔｔ44-45となる。
【００３２】
続いて、それぞれのΔＴa-b（＝１℃）の温度範囲について、Δｔa-bに定数或いは変数を乗じて時間伸長し、それに基づいて平均温度上昇曲線を変換する。これは、換言すると、それぞれのΔＴa-b（＝１℃）の温度範囲について、昇温速度に定数或いは変数（Δｔa-bに乗ずる定数或いは変数の逆数）を乗じて減速することを意味する。例えば、平均温度上昇曲線を用いて、Δｔa-bに定数Ｋ（例えば、１．１）を乗じて時間伸長する場合、４４〜４５℃の範囲を例にとると、図８に示すように、aveΔｔ44-45がＫ・aveΔｔ44-45（Ｋ＞１）に時間伸長される。従って、この範囲での昇温速度は１／（Ｋ・aveΔｔ44-45）に減速される。平均温度上昇曲線（線分）は、傾きが１／（Ｋ・aveΔｔ44-45）の緩いものに変換される。
【００３３】
そして、図９に示すように、平均温度上昇曲線（線分）を変換した線分を、２９〜４５℃の範囲で連続して連結することにより昇温目標曲線、つまり、補正昇温パターンを得る。なお、この昇温目標曲線も、線分を連結したものであり、厳密には曲線ではない。
【００３４】
−蓄熱開始時刻演算ステップ−
補正昇温パターンから蓄熱材１２が目標温度に達するまでの時間を予測し、予め定められた蓄熱終了時刻、つまり、深夜電力供給終了時刻からその時間を逆算した時刻を蓄熱開始時刻として算出する。
【００３５】
上記の例を用いて具体的に説明すると、目標温度を４５℃とした場合、蓄熱材１２が２９℃から４５℃まで昇温するのに、時間がΣＫ・aveΔｔa-b（＝Ｋ・aveΔｔ）だけかかる。深夜電力供給終了時刻（例えば午前７時）から上記時間を逆算した時刻が蓄熱開始時刻となる。
【００３６】
深夜電力供給開始時刻と共に蓄熱材１２の蓄熱を開始した場合、深夜電力供給終了時刻前に蓄熱が完了してしまうと、放熱するまでの間に蓄熱を維持するための余計な電力を使用しなければならないが、このように、深夜電力供給終了時刻から逆算して蓄熱を開始するようにし、深夜電力供給終了時刻に蓄熱が完了するようにしているので、かかる余計な電力の消費が防止される。
【００３７】
−蓄熱ステップ−
蓄熱開始時刻がきたとき、補正昇温パターンで蓄熱材１２が昇温するように電気ヒータ１１への通電をオンオフ制御する。
【００３８】
図１０（ａ）及び（ｂ）に破線で示すように、基準昇温曲線、つまり基準昇温パターンで蓄熱材を昇温させる場合、電気ヒータは連続通電されるので、蓄熱材の温度低下はなく、蓄熱材の昇温パターンは、基準昇温パターンにほぼ一致して滑らかな曲線とはなる。これに対して、この蓄熱式床暖房システム１０では、図１０（ａ）及び（ｂ）に実線で示すように、上記の場合より昇温速度が減速され、時間的余裕を持たせて蓄熱させるようにしており、電気ヒータ１１はオンオフ制御で通電されるので、通電が断続的であり、通電オフ時には蓄熱材１２の温度が下降するため、蓄熱材１２の昇温パターンは、補正昇温パターンには沿うものの滑らかな曲線とはならない。例えば、上記の例で定数Ｋ＝１．１の場合には、通電開始から終了までの９０％が通電オンで１０％が通電オフとなる。但し、これは、外気温度の変化がないような場合である。これに対し、外気温度が急激に低下した場合には、蓄熱材１２を補正昇温パターンに従って昇温させるためには、外気温度の変化がない場合よりも多くの熱量が必要となるので、ほぼ１００％が通電オンとなり、それによって加熱時間が補われて蓄熱材１２が所定温度になるまで蓄熱がなされる。また、外気温度が急激に上昇した場合には、蓄熱材１２を補正昇温パターンに従って昇温させるには、外気温度の変化がない場合ほども熱量を必要としないので、７０〜８０％が通電オンで２０〜３０％が通電オフとなり、それによって加熱時間が削られながらも蓄熱材１２が所定温度になるまで蓄熱がなされる。このように外気温度に急激な低下や上昇が生じても、電気ヒータ１１のオン時間が伸縮することによって蓄熱不足や蓄熱過剰の発生が防止される。
【００３９】
ところで、この蓄熱式床暖房システム１０では、電気ヒータ１１を連続通電することによる蓄熱材１２の加熱が行われず、蓄熱材１２への蓄熱が補正昇温パターンに従って行われるため、基準昇温パターンのデータを日々直接取得することはできない。そこで、この蓄熱式床暖房システム１０では、図１１に示すように、実際の蓄熱材１２の昇温パターン（イ）から電気ヒータ１１のオフ時の部分（ロ）及び電気ヒータ１１のオン時の部分のうちオフ時に低下した温度に相当する温度を昇温させる部分（ハ）を除去して連続させたものを基準昇温パターンとして代用している。
【００４０】
なお、従来の電気ヒータを連続通電するシステムの場合には、目標温度に到達した後の温度の高い状態で電気ヒータのオンオフ制御がなされ、オフ時に放熱しての無駄となる熱が発生する。この蓄熱式床暖房システム１０では、蓄熱材１２への蓄熱時に電気ヒータ１１をオンオフ制御するため、オフ時に放熱しての無駄となる熱が発生するが、かかる放熱は目標温度に至るまでの低温度域において生じるものである。従って、無駄となる熱量は従来のものほど多くはない。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上説明したように、本発明は、電気ヒータと、その電気ヒータにより加熱されて蓄熱する蓄熱材と、を備えた蓄熱式暖房システムについて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る蓄熱式床暖房システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る蓄熱式床暖房システムが適用された床構造の一例を示す断面図である。
【図３】蓄熱材の温度上昇曲線を示すグラフである。
【図４】蓄熱材の温度上昇曲線から平均温度上昇曲線を得るためのグラフ図である。
【図５】温度がΔＴa-b上昇するのに要する時間Δｔa-bを求めるための説明図である。
【図６】蓄熱材の温度上昇曲線から平均温度上昇曲線を得るための説明図である。
【図７】蓄熱材の平均温度上昇曲線を示すグラフである。
【図８】aveΔｔ44-45の時間伸長を示す説明図である。
【図９】昇温目標曲線を示すグラフである。
【図１０】蓄熱時の蓄熱材の昇温パターンを示すグラフである。
【図１１】実際の蓄熱材の昇温パターンから基準昇温パターンを得るための説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  蓄熱式床暖房システム
１１  電気ヒータ
１２  蓄熱材
１３  通電制御部
１４  配線
２１  コンクリートスラブ
２２  断熱材層
２３  ワイヤメッシュ
２４  モルタル層
２５  床仕上材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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