(57)【要約】【課題】  特に精度の高い流量計を用いることなく、精度の高い流量計によるものと同等の熱媒体液流量の測定を可能とする床暖房制御システムを提供する。【解決手段】  熱媒体液を加熱するために発生する熱量を変化させることができる加熱手段と、加熱手段への熱媒体液の入り側、及び出側に配置された温度測定手段と、制御装置と、前記熱媒体液の流量を変化させる熱媒体液流量可変手段とを具備し、制御装置は所定の時間間隔で、加熱手段に対し温度測定手段の許容測定誤差の少なくとも５倍以上の温度差が加熱手段の入り側と出側との間に発生するように加熱手段の発生熱量を変化させるとともに、発生した熱量、発生した熱量により生じた温度差、及び熱媒体液の比熱から、熱媒体液流量を導き出して、その後の熱媒体液流量可変手段の流量制御を行う。【選択図】      図１
2005069530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体液を加熱する加熱手段と、加熱された前記熱媒体液の温度を測定する温度測定手段と、前記熱媒体液を循環させる管路とを具備し、前記管路に前記熱媒体液を循環させて所定の部位に熱を供給する熱供給システムにおける前記熱媒体液の流量測定方法であって、
前記温度測定手段の許容測定誤差の少なくとも５倍以上の温度差が前記加熱手段の入り側と出側との間の前記熱媒体液に生じるように前記加熱手段による加熱を行い、前記加熱により発生した熱量Ｈ、前記発生した熱量Ｈにより前記加熱手段の入り側、及び出側に生じた前記熱媒体液の温度差Ｔｄ、及び前記熱媒体液の比熱Ｓｇから、下式（１）に基づいて演算により導き出す前記熱媒体液流量Ｖの測定方法。
Ｖ＝Ｈ／（Ｔｄ・Ｓｇ）                  （１）
【請求項２】
管路に熱媒体液を循環させて所定の部位に熱を供給する熱供給システムであって、
前記熱媒体液を加熱するために発生する熱量を変化させることができる加熱手段と、前記加熱手段への前記熱媒体液の入り側、及び出側に配置された温度測定手段と、制御装置と、前記熱媒体液の流量を変化させる熱媒体液流量可変手段とを具備し、
前記制御装置は、所定の時間間隔で、前記温度測定手段の許容測定誤差の少なくとも５倍以上の温度差が前記加熱手段の入り側と出側との間の前記熱媒体液に発生するように前記加熱手段の発生熱量を変化させるとともに、前記発生した熱量Ｈ、前記発生した熱量Ｈにより生じた前記温度差Ｔｄ、及び前記熱媒体液の比熱Ｓｇから、下式（２）に基づいて演算により前記熱媒体液流量Ｖを導き出して、その後の前記熱媒体液流量可変手段の流量制御を行うことを特徴とする熱供給システム。
Ｖ＝Ｈ／（Ｔｄ・Ｓｇ）                  （２）
【請求項３】
建物の床に敷設した管路に熱媒体液を循環させて建物内に熱を供給する床暖房の制御システムであって、
前記熱媒体液を加熱するために発生する熱量を変化させることができる加熱手段と、前記加熱手段への前記熱媒体液の入り側、及び出側に配置された温度測定手段と、制御装置と、前記熱媒体液の流量を変化させる熱媒体液流量可変手段とを具備し、
前記制御装置は、所定の時間間隔で、前記温度測定手段の許容測定誤差の少なくとも５倍以上の温度差が前記加熱手段の入り側と出側との間の前記熱媒体液に発生するように前記加熱手段の発生熱量を変化させるとともに、前記発生した熱量Ｈ、前記発生した熱量Ｈにより生じた前記温度差Ｔｄ、及び前記熱媒体液の比熱Ｓｇから、下式（３）に基づいて演算により前記熱媒体液流量Ｖを導き出して、その後の前記熱媒体液流量可変手段の流量制御を行うことを特徴とする床暖房制御システム。
Ｖ＝Ｈ／（Ｔｄ・Ｓｇ）                  （３）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温水式床暖房を利用して床温度と室温を制御する床暖房制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の床暖房制御システムは、室温や床温を制御しようとする場合、温水の流量を直接制御することはせず、温水の配管内への流通を間欠的に行う運転を主とするものであった。すなわち、温水流量が所定値であるか、あるいは０であるかというものであった。このような制御方法をとった場合、省エネルギーの面から最適化をはかる運転制御を行い得ないのは明らかである。これに対処するため、精度の高い流量計で流量を測定しながら弁の開度やモーター回転数などを制御する、いわゆるフィードバック制御を行えばうまくゆくことが考えられる。
【０００３】
また、特許文献１に開示されているように、熱交換器前後の熱媒体液の温度を測定して演算により流量を測定する方法も提案されている。
【特許文献１】特開１０−１５５４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、床暖房システムに上記のような、精度の高い流量計で流量を測定しながら弁の開度やモーター回転数などを制御する、いわゆるフィードバック制御を行おうとする場合、校正のとれた流量計は値段が高く、逆に安価な流量計では数値が安定しないので役に立たないという問題がある。つまり、精度の高い高価な流量計や、これとは逆に精度の点で妥協した安価な流量計は、いずれも床暖房システムにおける使用を前提とすると、実用的ではなかった。特に羽根を用いて回転数で測定する測定器の場合、精度の良いものは非常に高価な上に、異物がいったん入ってしまうとすぐに故障してしまうという問題があった。
【０００５】
一方、特許文献１に開示されている方法を床暖房システムに適用しようとする場合、流量が多い割に十分な発熱がないなどの理由により、熱媒体液の温度差が少ないため精度良く流量制御を行うことが困難であった。これは一般に温度測定器の測定誤差は、０．５℃程度はあるので、床暖房システムの場合、通常の運転条件では温水温度差が小さいため、温度の測定誤差の割合が大きくなってしまい、流量を制御するにあたって、温度差と流量との関係に基づいて熱媒体液を弁やモーター回転数を制御しようとすると流量が安定しないからである。
【０００６】
そこで、本発明は、特に精度の高い流量計を用いることなく、精度の高い流量計によるものと同等の熱媒体液流量の測定を可能とする床暖房制御システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
近年、温度測定器の精度が向上し、測定誤差範囲が０．５℃程度以内のものが経済的な価格にて入手可能となっている。本願発明者は、ヒーターで熱媒体液を加熱する場合、発生熱量を制御できるように工夫し、これと前記精度の高い温度測定器とを組み合わせることにより、かなりの精度で熱媒体液の流量制御が可能となることを見出した。具体的には、測定誤差の割合が十分に小さいと認めることができるぐらいの温度差がとれれば、熱媒体液の流量は、発生熱量をヒーター加熱前と加熱後の温度差と比熱で割ることで、実用上、十分に正確な数値を求めることが可能となる。
【０００８】
すなわち、
熱媒体液流量：Ｖ
ヒーター単位熱量：Ｈ
ヒーター通過前熱媒体液温度：Ｔｓ
ヒーター通過後熱媒体液温度：Ｔｒ
熱媒体液の比熱：Ｓｇ
とすると、
Ｖ＝Ｈ／（Ｔｓ−Ｔｒ）／Ｓｇ
の関係が成り立つ。ヒーターが急激に温度上昇できるようにすれば、上記式の（Ｔｓ−Ｔｒ）の項の値が温度測定誤差の値より十分に大きなものとなり、演算される熱媒体液流量Ｖの精度をそれだけ高めることが可能となる。つまり、床暖房制御システムにおいて、短い時間だけヒーターによる発熱を多くして、ヒーター前後での十分な温度差を保証することで、演算により得られる熱媒体液流量の誤差を十分に小さいものとすることができるのである。これらに必要な機器は、ボイラーに必要なセンサとして実用的な価格で供給されている。したがって、高価な流量計を用いなくても、流量を演算で求めることができるようになり、流量や温度を実用上正確なレベルで制御できるようになった。
【０００９】
以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。
【００１０】
第一の本発明は、熱媒体液を加熱する加熱手段（１０１）と、加熱された熱媒体液の温度を測定する温度測定手段（１２１、１２２、２０１、２０２）と、熱媒体液を循環させる管路（１０２、１０５）とを具備し、管路に熱媒体液を循環させて所定の部位に熱を供給する熱供給システムにおける熱媒体液の流量測定方法であって、温度測定手段の許容測定誤差の少なくとも５倍以上の温度差が加熱手段の入り側と出側との間の熱媒体液に生じるように加熱手段による加熱を行い、加熱により発生した熱量Ｈ、発生した熱量Ｈにより手段の入り側、及び出側に生じた前記熱媒体液の温度差Ｔｄ、及び熱媒体液の比熱Ｓｇから、下式（１）に基づいて演算により導き出す前記熱媒体液流量Ｖの測定方法により前記課題を解決するものである。
Ｖ＝Ｈ／（Ｔｄ・Ｓｇ）                  （１）
【００１１】
ここに加熱手段は、それ自体が熱を発生するヒーター、または他から熱を受け容れる熱交換器で構成しても良い。
【００１２】
第２の本発明は、管路（１０２、１０５）に熱媒体液を循環させて所定の部位に熱を供給する熱供給システムであって、熱媒体液を加熱するために発生する熱量を変化させることができる加熱手段（１０１）と、加熱手段への熱媒体液の入り側、及び出側に配置された温度測定手段（２０１、２０２）と、制御装置（１１０）と、熱媒体液の流量を変化させる熱媒体液流量可変手段（１０３）とを具備し、制御装置は所定の時間間隔で、温度測定手段の許容測定誤差の少なくとも５倍以上の温度差が加熱手段の入り側と出側との間の熱媒体液に発生するように加熱手段の発生熱量を変化させるとともに、発生した熱量Ｈ、発生した熱量Ｈにより生じた温度差Ｔｄ、及び熱媒体液の比熱Ｓｇから、下式（２）に基づいて演算により熱媒体液流量Ｖを導き出して、その後の熱媒体液流量可変手段の流量制御を行うことを特徴とする熱供給システムにより前記課題の解決を図らんとするものである。
Ｖ＝Ｈ／（Ｔｄ・Ｓｇ）                  （２）
【００１３】
上記熱供給システムにおいて、加熱手段は、それ自体が熱を発生するヒーター、または他から熱を受け容れる熱交換器で構成しても良い。制御装置は、マイクロプロセッサー、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えたものを使用することができる。また、熱媒体液流量可変手段は、可変流量ポンプ、あるいは管路中に設けた流量制御弁などにより構成してもよい。
【００１４】
第３の本発明は、建物の床（１３０）に敷設した管路（１０２、１０５）に熱媒体液を循環させて建物内に熱を供給する床暖房の制御システムであって、熱媒体液を加熱するために発生する熱量を変化させることができる加熱手段（１０１）と、加熱手段への熱媒体液の入り側、及び出側に配置された温度測定手段（２０１、２０２）と、制御装置（１１０）と、熱媒体液の流量を変化させる熱媒体液流量可変手段（１０３）とを具備し、制御装置は所定の時間間隔で温度測定手段の許容測定誤差の少なくとも５倍以上の温度差が加熱手段の入り側と出側との間の熱媒体液に発生するように加熱手段の発生熱量を変化させるとともに、発生した熱量Ｈ、発生した熱量Ｈにより生じた温度差Ｔｄ、及び熱媒体液の比熱Ｓｇから、下式（３）に基づいて演算により熱媒体液流量Ｖを導き出して、その後の熱媒体液流量可変手段の流量制御を行うことを特徴とする床暖房制御システムを提供することにより前記課題を解決しようとするものである。
Ｖ＝Ｈ／（Ｔｄ・Ｓｇ）                  （３）
【００１５】
上記床暖房制御システムにおいて、加熱手段は、それ自体が熱を発生するヒーター、または他から熱を受け容れる熱交換器で構成しても良い。また、通常の暖房に使用する熱源機と、流量測定時にのみ使用するヒーターとを別体に設けても良い。制御装置は、マイクロプロセッサー、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えたものを使用することができる。また、熱媒体液流量可変手段は、可変流量ポンプ、あるいは管路中に設けた流量制御弁などにより構成してもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、発生熱量を制御できるようにするとともに、精度の高い温度計を用いることで精度の高い流量計を使用する場合と同等な温度の制御が可能となる。したがって、設備コスト、メンテナンスコストの低減を図りつつ、省エネルギー性の高い床暖房システムを構築することが可能となった。本発明のこのような作用及び利得は、次に説明する発明を実施するための最良の形態から明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。
【００１８】
図１は、本発明にかかる床暖房制御システムを有する床暖房装置１００の概念図である。この床暖房装置１００において、熱源１０１にて昇温された温水は、往き配管１０２を介して、室内１３０に設置されたマット１０４内の配管１０４ａに供給される。室内に放熱後、温度の低下した温水は戻り配管１０５を通じて熱源１０１に戻され、再加熱されて再び上記循環に供される。往き配管１０２には、制御装置１１０からの命令を受けて往き温水の流量を連続的に変化させることが可能な可変流量ポンプ１０３が設けられている。なお、可変流量ポンプ１０３に代えて、定量流量ポンプと流量制御弁とを組み合わせて構成しても良い。制御装置１１０が可変流量ポンプ１０３にする命令は、熱源１０１の前後の管路に配置された温度センサ２０１、２０２と、室温センサ１２２と、戻り温水温度センサ１２１から送られる信号、および床温度設定パネル１２５から送られる設定床温度の情報に基づき決定される。
【００１９】
熱源１０１はヒーターもしくは熱交換器により、熱量を与えられる。ヒーターもしくは熱交換器は、その内部回路において熱量を制御できる構造になっている。例えば、電気ヒーターならば電力であり、ガスヒーターならばガス燃焼量であり、熱交換機ならば熱交換器の熱媒体液の流量などである。
【００２０】
上記構成における具体的動作を以下に説明する。床暖房の運転スイッチがオン状態になると、暖房運転が開始される。設定床温度は、床温度設定パネル１２５により設定される。熱源１０１にて初期設定温度に昇温された温水は、往き配管１０２を介して、室内１３０に設置されたマット１０４内の配管１０４ａに供給される。室内に放熱後、温度の低下した温水は戻り配管１０５を通じて熱源１０１に戻されるが、その際、戻り温水温度センサ１２１によって、戻り温水温度が計測され、その信号が制御装置１１０に送られる。それと同時に、室温センサ１２２からも計測された室温の信号が制御装置１１０に送られる。
【００２１】
一方、制御装置１１０は、所定の時間間隔で、熱源１０１に対し、温度センサ２０１、２０２の許容測定誤差の少なくとも５倍以上、好ましくは１０倍以上、さらに好ましくは２０倍以上の温度差が熱源１０１の入り側と出側との間の温水に発生するように熱源１０１の発生熱量を変化させる。そして、発生した熱量、発生した熱量により生じた温度センサ２０１、２０２の間の温度差、及び温水の比熱から、温水流量Ｖを導き出す。すなわち、
温水流量：Ｖ
熱源１０１の単位熱量：Ｈ
熱源１０１通過前の温水温度：Ｔｓ
熱源１０１通過後の温水温度：Ｔｒ
温水の比熱：Ｓｇ
とすると、
Ｖ＝Ｈ／（Ｔｓ−Ｔｒ）／Ｓｇ
の関係式より温水流量Ｖを演算する。上記式において、温度センサ２０１、２０２による測定温度差（Ｔｓ−Ｔｒ）は、これらセンサの許容測定誤差より十分に大きいので、温水流量の演算値Ｖは、十分に正確な数値であると推定することができる。したがって、精度の高い流量計で流量を測定することなく、それと同等の精度で流量を測定することが可能となる。その後、演算により得られた流量に基づいて可変流量ポンプ１０３の流量制御を、ポンプモーターの回転数を制御するなどして容易に行える。また、流量制御弁を使用している場合には制御弁の開度を制御して流量制御を容易に行える。
【００２２】
図２ａは、本発明にかかる床暖房制御システムの制御処理メインルーティンのフローチャートを示す図である。まずメインルーティンの開始にあたり、制御装置に備えられたクロックが「ＯＮ」とされる。そして、ステップＳ１において、床温度設定パネル１２５において設定された床温度が何度であるかが感知される。続くステップＳ２においては、室温センサ１２２により室温が感知される。ステップＳ３では、これらの情報に基づいて、所定の計算式により最適な温水温度及び温水流量が制御装置１１０で演算され、続くステップＳ４では、演算結果に基づいて、制御装置１１０が熱源１０１に所定量の発熱を促すとともに、可変流量ポンプ１０３の流量が制御装置１１０により制御される。続くステップＳ５では、所定時間が経過したがどうかが前記クロックに基づき制御装置１１０により判断され、肯定判断された場合には、処理は流量測定ルーティンへとジャンプされる（ステップＳ６）。否定判断された場合には処理はステップＳ１へと戻される。
【００２３】
図２ｂは、上記ステップ６によりジャンプされる流量測定ルーティンにおける処理のフローチャートを示す図である。処理が流量測定ルーティンへとジャンプされると、まずジャンプからの経過時間が前記クロックを利用して計測開始される。そして、加熱手段（熱源）１０１に通常より高い発熱をするよう制御装置１１０の命令が発せられる（ステップＳ１１）。続くステップＳ１２では、流量測定ルーティンの開始から所定時間が経過したかどうかが判断され、肯定判断された場合には次のステップＳ１３において加熱手段（熱源）１０１の入り側及び出側の温水温度差が温度センサ２０１、２０２により感知される。そしてステップＳ１４では、所定の計算式に基づいて温水の流量が計算される。その後処理はメインルーティンへと戻される（ステップＳ１５）。ステップＳ１２において否定判断された場合には処理はステップＳ１１へと戻される。
【実施例１】
【００２４】
電気ヒーターを用いて１０００Ｗほど熱量を発生させて、０．５Ｌ／分、１．０Ｌ／分、２．０Ｌ／分の水の温度上昇を測定した。５０秒ほどで安定した状態において温度上昇を測定してみると、理論通りの反比例関係を見ることができた（図３参照）。したがって、温度上昇と発生熱量から、流量の測定は可能で、これにより特別な流量計を用いなくとも温度測定とヒーターもしくは熱交換機の性能表から十分に正確な温水流量を算出することができることが確認された。
【００２５】
しかしながら、この関係は反比例である。この実験からも１０００Ｗの電力の場合２．０Ｌ／分の水の上昇は７℃であり、４．０Ｌ／分であれば３．５℃程度でかなり精度が悪くなると考えられる。したがって４．０Ｌ／分であれば２０００Ｗの電力が必要である。もし、このシステムで１０００Ｗの電力による加熱が必要な場合、６０秒間ほど２０００Ｗの電力により発熱して温度測定後、０Ｗを６０秒間ほど継続すれば良い。温水床暖房の場合はその程度の温度ショックはすぐにシステムに吸収されて解消される。このようなシステムを用いれば大きな流量範囲を正確に測定できるため、モーター回転数や弁などを用いて流量制御する場合、それ自体に流量と直線関係のある特別な構造を用いなくとも良い。すなわち、本発明の床暖房制御システムによる演算を用いて流量が測定できるため、汎用品のポンプやボール弁などを使用することができるようになった。また部品点数も少なくできるため、大幅な小型化が可能になった。参考までに、流量チェック運転時の電力１０００Ｗ、通常暖房運転時の電力５００Ｗである場合の運転パターンを、時間経過に伴う熱量の変化として図４に示す。
【００２６】
床暖房においては短時間の立ち上がりにおいては６０℃を越えるような高温水が必要であるが、高温水はヒーター特性や配管ロスなどにより損失が大きくなってしまう。それは、高い温度から低い温度へ熱は容易に移動するためである。したがって運転時間が長い場合においては高い温度の温水を少し流すよりも低い温度の温水を大量に流した方が暖房に使われる熱量は同じとしても、効率的である。しかしながら、この場合、流量が十分に取れている場合には有効であるが、パイプのつまりなどの経年変化によって流量が十分にとれなくなることもあり得る。流量が取れない場合は低温水では十分な暖房感は得られない。したがって必ず流量が必要量に達していることを絶えずチェックする必要がある。そのような場合に本発明の方法が非常に有効である。
【００２７】
以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う床暖房制御システムもまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】床暖房制御システムを示す概念図である。
【図２ａ】床暖房制御システムのメインルーティン処理のフローチャートを示す図である。
【図２ｂ】流量測定のフローチャートを示す図である。
【図３】流量と温度差との間に反比例の関係があることを示す図である。
【図４】流量チェック運転時の運転パターンを、時間経過に伴う熱量の変化として示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１００  床暖房システム
１０２  往き配管（管路）
１０３  可変流量ポンプ（熱媒体液流量可変手段）
１０５  戻り配管（管路）
１２１  戻り温水温度センサ（温度測定手段）
１２２  室温センサ（温度測定手段）
２０１  入り側温度センサ（温度測定手段）
２０２  出側温度センサ（温度測定手段）
【図１】
2005069530.tif 000003
【図２ａ】
2005069530.tif 000004
【図２ｂ】
2005069530.tif 000005
【図３】
2005069530.tif 000006
【図４】
2005069530.tif 000007