JP2018194228A - 床暖房システム - Google Patents

Abstract

【課題】室温調整性能を向上させ、消費エネルギーを低減できる床暖房システムを提供すること。【解決手段】床暖房システム２のサイクル時間を３０分以上６０分以下の範囲内で設定して、熱源機２３と床暖房パネル２１とを接続する循環回路２２に設置した熱動弁２４のＯＮ時間をデューティ制御することにより、熱源機２３から床暖房パネル２１に温水を間欠的に供給する。そして、サイクル時間を開始してから２０分が経過したときに、室温から設定時間を減算した温度偏差が−１．０℃以下である場合には、サイクル時間とデューティ比をリセットして、デューティ制御をやり直す。【選択図】 図３

Description

本発明は、床暖房システムに関し、特に、熱源機と床暖房装置との間で温水を循環させることにより床面を暖める床暖房システムに関する。

従来から、足元から暖める暖房として、床暖房システムが知られている。床暖房システムは、例えば、所定時間に設定したサイクル時間内に熱動弁を開閉することにより、熱源機にて所定の要求温度に加熱した温水を、熱源機と床暖房装置との間で間欠的に循環させ、床面を暖める。従来の床暖房システムは、サイクル時間が２０分に設定されていた。

特開２０１３−２３４７８７号公報

従来の床暖房システムは、気密性・断熱性の低い家屋を基準に、サイクル時間を２０分に設定していた。近年、住宅の高気密化・高断熱化が進み、かかる住宅に従来の床暖房システムを適用すると、１サイクルである２０分が経過した時点で、室温が設定温度より高いことがあった。この場合でも、従来の床暖房システムは、次のサイクルが到来するため、熱動弁を弁開させ、室温を上昇させていた。よって、従来の床暖房システムは、室温が設定温度より高く維持され、エネルギーを必要以上に使うことがあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、室温調整性能を向上させ、消費エネルギーを低減できる床暖房システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様である床暖房システムは、温水を加熱する熱源機と、温水が流れることにより床面を暖める床暖房装置と、前記熱源機と前記床暖房装置に接続し、前記熱源機と前記床暖房装置との間で温水を循環させる循環回路と、前記循環回路を開閉する開閉装置と、３０分以上６０分以下のサイクル時間で、前記開閉装置のデューティ制御を行う制御装置と、を有することを特徴とする。本明細書において、デューティ制御とは、開閉装置の開閉を制御する方式をいい、より詳しくは、開閉装置を弁開させる時間がサイクル時間に占める割合を示すデューティ比をサイクル時間毎に設定し、設定したデューティ比に従って開閉装置の開閉を制御することをいう。

本発明者等は、高気密性及び高断熱性を有する家屋に使用される床暖房システムについて、サイクル時間を２０分に設定すると、室温が設定温度以下になる前に開閉装置が開かれ、室温が必要以上に高い状態に維持される問題に気付いた。そこで、本発明者らは、シミュレーションを行い、床暖房システムにおけるデューティ制御のサイクル時間を、３０分以上６０分以下の範囲で設定することが好ましいことを発見した。

上記構成では、あるサイクルのサイクル時間を開始してから２０分が経過した時点で、開閉装置を開く時間のデューティ比を設定しない。そのため、床暖房システムは、高気密性・高断熱性を有する家屋に使用されても、例えば、サイクル時間を開始してから２０分が経過した時点で室温が設定温度を超える状態で、開閉装置を開き、熱源機で加熱した温水を熱源機と床暖房装置との間で循環させることを回避できる。よって、上記床暖房システムによれば、室温が設定温度を超えて維持されることを防ぎ、室温調整性能を向上させることができる。そして、床暖房システムは、無駄なエネルギーを使って部屋の空気を暖めることを抑制し、消費エネルギーを低減することができる。

また、上記構成の床暖房システムは、前記床暖房装置が設置される部屋の室温を検出する室温検出部と、前記部屋の設定温度を設定する設定部と、前記設定部により設定された設定温度を記憶する記憶部とを有し、前記制御装置は、前記室温検出部により検出される前記室温から前記記憶部に記憶される前記設定温度を減算した温度偏差が、所定値以下であるか否かを判断する判断処理と、前記判断処理にて、前記温度偏差が所定値以下であると判断される場合に、当該判断がなされたときのサイクル時間をリセットし、前記デューティ制御をやり直すリセット処理と、前記判断処理にて、前記温度偏差が所定値以下でないと判断される場合に、当該判断がなされたときのサイクル時間を維持して前記デューティ制御を継続する継続処理とを行うことが好ましい。

上記構成の床暖房システムは、あるサイクルのサイクル時間内に、例えば床暖房中に換気のために窓が開けられ、室温が設定温度より所定値以上低くなった場合には、サイクル時間をリセットしてデューティ制御をやり直し、室温を上昇させるように床暖房の運転を変更する。よって、床暖房システムによれば、室温調整性能が良い。

尚、上記システムの機能を実現するための制御方法、コンピュータプログラム、および当該コンピュータプログラムを格納するコンピュータにて読取可能な記憶媒体も、新規で有用である。

従って、上記床暖房システムによれば、室温調整性能を向上させ、消費エネルギーを低減できる床暖房システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る床暖房システムの概略構成図である。 床暖房システムの電気ブロック図である。 床暖房運転の床暖房リモコン側の制御手順を示すフローチャートである。 実施例のシミュレーションの結果を示すグラフである。 第１比較例のシミュレーションの結果を示すグラフである。 第２比較例のシミュレーションの結果を示すグラフである。 図４に示す実施例の室温と図５に示す第１比較例の室温と図６に示す第２比較例の室温を比較するグラフである。 室温変化を説明するためのグラフである。

続いて、本発明に係る床暖房システムの一実施形態に関し、図面を参照して説明する。本形態の床暖房システムは、例えばＱ値が２．０以下の高気密性及び高断熱性を有する住宅に適用される。ここで、Ｑ値は、熱損失係数であり、住宅の断熱性能を数値的に表す値である。Ｑ値が小さいほど、気密性および断熱性が高いことを意味する。

［床暖房システムの概略構成］
まず、床暖房システム２の概略構成を説明する。図１は、床暖房システム２の概略構成図である。床暖房システム２は、床暖房パネル２１と、循環回路２２と、熱源機２３と、熱動弁２４と、床暖房リモコン２５を備える。床暖房パネル２１は、床暖房装置の一例である。熱動弁２４は、開閉装置の一例である。床暖房リモコン２５は、床暖房パネル２１が設置される部屋の壁に取り付けられ、室温センサ２５５を内蔵している。室温センサ２５５は室温検出部の一例である。

床暖房パネル２１は、温水を流す図示しないパイプが蛇行して配置されている。床暖房パネル２１は、床面９の下側に設置されてもよいし、床面９を構成する床材と一体的に設けてもよい。

循環回路２２は、往き配管２２ａと戻り配管２２ｂを備え、往き配管２２ａに熱動弁２４が配設されている。往き配管２２ａは、床暖房パネル２１の図示しないパイプの入口側端部と熱源機２３とを接続し、熱源機２３から床暖房パネル２１に温水を供給する。戻り配管２２ｂは、床暖房パネル２１の図示しないパイプの出口側端部と熱源機２３とを接続し、床暖房パネル２１にて放熱した温水を床暖房パネル２１から熱源機２３へ排出する。熱動弁２４は、弁部と駆動部とを備える。熱動弁２４の駆動部は、電力が供給される場合には、弁部に弁開動作を行わせる一方、電力が遮断される場合には、弁部に弁閉動作を行わせる。

熱源機２３は、周知の構成を備える。簡単に説明すると、熱源機２３は、戻り配管２２ｂと往き配管２２ａに接続する図示しない通路に、バーナ２３３とポンプ２３４が配設されている。バーナ２３３は、ガス供給源３に接続され、ガスを燃焼させて温水を加熱する。ポンプ２３４は、電力供給源４から電力を供給され、図示しない通路において温水を戻り配管２２ｂ側から往き配管２２ａ側へ向かって送り出す。熱源機２３は、床暖房システム２を制御するための制御基板２３１を内蔵している。また、熱源機２３は、バーナ２３３により加熱された温水を貯めるタンク２３５を備える。タンク２３５は、温水の温度を検出するための温水温度検出センサ２３６が設けられている。

［床暖房システムの電気的構成］
続いて、床暖房システム２の電気的構成について説明する。図２は、床暖房システム２の電気ブロック図である。

床暖房リモコン２５は、コントローラ２５０に、入力部２５６と表示部２５７と室温センサ２５５と通信部２５８が接続されている。入力部２５６は、設定部の一例である。入力部２５６は、床暖房運転をオンまたはオフするための運転ボタンや、設定温度を設定するための温度設定ボタンなど、ユーザによって入力操作されるボタン群により構成される。表示部２５７は、設定メモリや時間などの情報を表示する液晶パネルである。室温センサ２５５は、室温を検出するハードウエアである。通信部２５８は、通信配線が接続されるハードウエアである。

コントローラ２５０は、通信部２５８を介して熱源機２３の制御基板２３１に接続され、制御基板２３１とデータの送受信を行う。

コントローラ２５０は、ＣＰＵ２５１と、ＲＯＭ２５２と、ＲＡＭ２５３と、フラッシュメモリ２５４を備える。フラッシュメモリ２５４は、記憶部の一例である。ＣＰＵ２５１は、データをＲＡＭ２５３やフラッシュメモリ２５４に記憶させながら、ＲＯＭ２５２やフラッシュメモリ２５４に記憶されたプログラムを実行する。

フラッシュメモリ２５４には、例えば、ユーザが入力部２５６を操作して入力した設定温度が記憶される。また、フラッシュメモリ２５４には、床暖房運転プログラム２５４１と、デューティ比設定テーブル２５４２が記憶されている。床暖房運転プログラム２５４１は、床暖房システム２による床暖房を制御するためのプログラムである。デューティ比設定テーブル２５４２は、室温と設定温度との温度偏差に関連付けて、要求温度とデューティ比を記憶するものである。要求温度は、熱源機２３に作製させる温水の温度、つまり、床暖房パネル２１に供給する温水の設定温度をいう。要求温度は、例えば４０℃以上７５℃以下の範囲内で設定され、温度偏差が大きいほど、要求温度が高く設定される。デューティ比は、熱動弁２４を弁開させる時間（以下「ＯＮ時間」とする）が、サイクル時間に占める割合をいう。つまり、デューティ比は、ＯＮ時間を、サイクル時間［ＯＮ時間と、熱動弁２４を弁閉する時間（以下「ＯＦＦ時間」とする）とを加算した時間］で割った値である。デューティ比は、温度偏差が大きいほど、ＯＮ時間のデューティ比が大きく（ＯＮ時間が長く）設定される。

熱源機２３の制御基板２３１は、周知のマイクロコンピュータである。制御基板２３１は、通信部２３１１と、ＣＰＵ２３１２と、ＲＯＭ２３１３と、ＲＡＭ２３１４と、フラッシュメモリ２３１５を備える。通信部２３１１は、通信配線が接続されるハードウエアである。ＣＰＵ２３１２は、通信部２３１１を介して床暖房リモコン２５に接続され、床暖房リモコン２５とデータの送受信を行う。また、ＣＰＵ２３１２は、通信部２３１１を介して熱動弁２４に接続されている。ＣＰＵ２３１２は、通信部２３１１を介して熱動弁２４に電力を供給することにより、熱動弁２４を弁開させる。そして、ＣＰＵ２３１２は、通信部２３１１を介して熱動弁２４への電力供給を停止することにより、熱動弁２４を弁閉させる。ＣＰＵ２３１２は、ＲＡＭ２３１４やフラッシュメモリ２３１５にデータを記憶させながら、ＲＯＭ２３１３やフラッシュメモリ２３１５に記憶されるプログラムを実行する。フラッシュメモリ２３１５には、温水制御プログラム２３１６が記憶されている。バーナ２３３とポンプ２３４は、制御基板２３１に接続され、ＣＰＵ２３１２によって動作を制御される。温水温度検出センサ２３６は、制御基板２３１に接続され、温水の温度を検出して制御基板２３１に送信する。尚、制御基板２３１と床暖房リモコン２５のコントローラ２５０は、制御装置の一例を構成する。

［床暖房運転の概要］
続いて、床暖房運転の概要を説明する。床暖房システム２は、床暖房リモコン２５の運転ボタンがオンにされると、４０分のサイクル時間を開始する。また、床暖房システム２は、室温と設定温度との温度偏差に基づいてデューティ比を設定する。そして、床暖房リモコン２５は、温度偏差に基づいて要求温度を設定し、要求温度とデューティ比を熱源機２３に送信する。熱源機２３は、温水を要求温度以上に加熱すると、床暖房リモコン２５から受信したデューティ比に従って熱動弁２４を弁開閉させる。床暖房リモコン２５は、サイクル時間（４０分）が経過したことを検出すると、当該サイクルのデューティ比をリセットし、次のサイクルのために、要求温度とデューティ比を再設定する。

床暖房システム２は、熱源機２３が熱動弁２４を弁開させると、要求温度の温水が、熱源機２３と床暖房パネル２１との間で循環する。この間、床暖房パネル２１の放熱量が大きくなる。一方、床暖房システム２は、熱源機２３が熱動弁２４を弁閉させると、温水が熱源機２３と床暖房パネル２１との間で循環しなくなる。この間、床暖房パネル２１の放熱量が小さくなる。

このような床暖房システム２は、室温センサ２５５が測定する室温と、床暖房リモコン２５に設定された設定温度との温度偏差が大きい場合には、ＯＮ時間のデューティ比を大きく設定することにより、床面９の温度を上昇させる。つまり、室温の上昇を促進する。

これに対して、床暖房システム２は、室温センサ２５５が測定する室温と、床暖房リモコン２５に設定された設定温度との温度偏差が小さい場合には、ＯＮ時間のデューティ比を小さく設定することにより、床面９の温度上昇を抑制する。つまり、室温の上昇を抑制する。

よって、床暖房システム２は、床暖房運転を実行する間、サイクル時間毎に、温度偏差に基づいてデューティ比を設定し、熱動弁２４の開閉動作をデューティ制御することにより、室温を設定温度に調整することが可能である。

ここで、床暖房システム２は、熱動弁２４をデューティ制御するためのサイクル時間が、従来の２０分より長い４０分に設定される。そのため、例えばＱ値が２．０以下の高気密性及び高断熱性を有し、室温が下がりにくい家屋に床暖房システム２を設置した場合に、室温が設定温度を超える状態で、デューティ比を設定し直して、熱動弁２４を開くことが回避される。つまり、熱動弁２４のデューティ制御が、４０分間継続される。よって、床暖房システム２は、室温が設定温度より必要以上に高い温度状態になることが、抑制される。

また、床暖房システム２は、４０分のサイクル時間の途中で、室温から設定温度を減算した値である温度偏差が、所定値以下であるか判断する。そして、温度偏差が所定値以下である場合には、床暖房システム２は、当該サイクルをリセットしてデューティ比を見直し、熱動弁２４のデューティ制御のやり直しを行う。一方、温度偏差が所定値以下でない場合には、当該サイクルのデューティ比を維持し、そのまま熱動弁２４のデューティ制御を継続する。このように、床暖房システム２は、サイクル時間を長くしても、サイクル時間の途中で温度偏差に基づいてデューティ比を維持してデューティ制御を継続するか、デューティ比を見直してデューティ制御をやり直すかを判断する。そのため、例えば、床暖房で暖めた部屋の窓を開けて換気を行ったために、室温が低下した場合でも、４０分のサイクル時間の途中で、室温を上昇させるように床暖房運転を変更することができる。よって、床暖房システム２は、室温調整性能が良い。

［床暖房運転の制御手順］
続いて、床暖房運転の制御手順について、図３を参照して説明する。

床暖房リモコン２５は、入力部２５６に含まれる運転ボタンがオンされたことを契機に、フラッシュメモリ２５４から床暖房運転プログラム２５４１を読み出し、図３のフローチャートに示す制御を実行する。運転ボタンは、ユーザが手動操作することにより、オンにされる。また、ユーザが、入力部２５６を操作して、床暖房を開始する運転開始時刻を設定している場合には、コントローラ２５０が運転開始時刻になったことを検知したときに、運転ボタンが自動的にオンされる。

ＣＰＵ２５１は、制御ボタンがオンにされると、運転開始信号を熱源機２３に送信する（ステップ１、以下「Ｓ１」とする）。熱源機２３に温水制御プログラム２３１６を実行させる契機を与えるためである。

そして、ＣＰＵ２５１は、内蔵するタイマを用いてサイクル時間の計測を開始し、サイクル時間を開始させる（Ｓ２）。そして、ＣＰＵ２５１は、室温と設定温度との温度偏差を算出する（Ｓ３）。すなわち、ＣＰＵ２５１は、室温センサ２５５が検出する室温を室温センサ２５５から受信して取得する。また、フラッシュメモリ２５４には、例えば、入力部２５６の温度設定ボタンを操作して設定された設定温度が記憶される。ＣＰＵ２５１は、フラッシュメモリ２５４から設定温度を読み出して取得する。ＣＰＵ２５１は、このようにして取得される室温から設定温度を減算して温度偏差を算出する。

それから、ＣＰＵ２５１は、Ｓ２にて算出した温度偏差に基づいて、要求温度とデューティ比を取得する（Ｓ４）。すなわち、ＣＰＵ２５１は、Ｓ２にて算出した温度偏差を、フラッシュメモリ２５４に記憶されているデューティ比設定テーブル２５４２に照合し、その温度偏差に対応する要求温度とデューティ比をデューティ比設定テーブル２５４２から読み出してＲＡＭ２５３に記憶させる。

その後、ＣＰＵ２５１は、Ｓ３にて取得した要求温度とデューティ比を、通信部２５８を介して熱源機２３の制御基板２３１へ送信する（Ｓ５）。制御基板２３１のＣＰＵ２３１２は、温水温度検出センサ２３６が検出する温水の温度が、床暖房リモコン２５から受信した要求温度以上でない場合には、熱動弁２４を弁閉させた状態でバーナ２３３を燃焼させ、温水を要求温度以上に加熱する。ＣＰＵ２３１２は、温水の温度が要求温度以上である場合には、床暖房リモコン２５から受信したデューティ比に従って熱動弁２４を開閉する。

それから、ＣＰＵ２５１は、床暖房運転を停止するか否かを判断する（Ｓ６）。ＣＰＵ２５１は、ユーザが入力部２５６の運転ボタンを手動操作してオフした場合、又は、予め設定された運転終了時刻になり、入力部２５６の運転ボタンが自動的にオフされた場合に、床暖房運転を停止すると判断する。ＣＰＵ２５１は、床暖房運転を停止すると判断した場合には（Ｓ６：ＹＥＳ）、床暖房運転を停止することを示す運転停止信号を熱源機２３の制御基板２３１に送信する（Ｓ１４）。制御基板２３１は、運転停止信号を受信すると、温水の作製を停止する。また、制御基板２３１は、熱動弁２４を弁閉状態にする。その後、ＣＰＵ２５１は、床暖房運転の制御を終了する。

ＣＰＵ２５１は、床暖房運転を停止しないと判断した場合には（Ｓ６：ＮＯ）、内蔵するタイマを介して、Ｓ１にて当該サイクル時間を開始してから２０分が経過したか否かを判断する（Ｓ７）。

２０分が経過していない場合には（Ｓ７：ＮＯ）、ＣＰＵ２５１は、Ｓ６に戻る。つまり、ＣＰＵ２５１は、２０分が経過するまで、Ｓ５にて熱源機２３に送信したデューティ比を維持し、デューティ制御を継続させる。

一方、ＣＰＵ２５１は、サイクル時間を開始してから２０分が経過した場合には（Ｓ７：ＹＥＳ）、室温と設定温度を取得する（Ｓ８）。すなわち、ＣＰＵ２５１は、室温センサ２５５により検出される室温を室温センサ２５５から受信し、ＲＡＭ２５３に記憶させる。また、ＣＰＵ２５１は、フラッシュメモリ２５４に記憶される設定温度をフラッシュメモリ２５４から読み出し、ＲＡＭ２５３に記憶させる。

そして、ＣＰＵ２５１は、Ｓ８にてＲＡＭ２５３に記憶した室温から設定温度を減算することにより、温度偏差を算出する（Ｓ９）。その後、ＣＰＵ２５１は、Ｓ９にて算出した温度偏差が−１．０℃以下であるか判断する（Ｓ１０）。なお、Ｓ１０の処理は、判断処理の一例である。また、−１．０℃は所定値の一例である。

ＣＰＵ２５１は、Ｓ９にて算出した温度偏差が−１．０℃以下でないと判断する場合には（Ｓ１０：ＮＯ）、床暖房運転を停止するか否かを判断する（Ｓ１１）。つまり、ＣＰＵ２５１は、室温が設定温度より１℃以上低くない場合には、Ｓ５にて熱源機２３に送信したデューティ比を維持し、デューティ制御を継続させる。

ＣＰＵ２５１は、床暖房運転を停止すると判断した場合には（Ｓ１１：ＹＥＳ）、Ｓ１４の処理を行った後、床暖房運転の制御を終了する。Ｓ１１の処理は、Ｓ６の処理と同様なので、説明を割愛する。

一方、ＣＰＵ２５１は、床暖房運転を停止しないと判断した場合には（Ｓ１１：ＮＯ）、内蔵するタイマを介して、Ｓ１にてサイクル時間を開始してから４０分が経過したか否かを判断する（Ｓ１２）。つまり、ＣＰＵ２５１は、当該サイクルの終了を監視する。

ＣＰＵ２５１は、４０分が経過するまでは（Ｓ１２：ＮＯ）、Ｓ１１に戻る。つまり、ＣＰＵ２５１は、Ｓ５にて熱源機２３に送信したデューティ比を維持したまま、４０分が経過するまで待機する。なお、Ｓ１０：ＮＯ，Ｓ１２：ＮＯの処理は、継続処理の一例である。

ＣＰＵ２５１は、４０分が経過したと判断すると（Ｓ１２：ＹＥＳ）、内蔵するタイマを初期化して、サイクル時間をリセットする（Ｓ１３）。その後、ＣＰＵ２５１は、Ｓ２に戻り、次のサイクルを開始する。つまり、ＣＰＵ２５１は、サイクル時間が終了したとき若しくは直後の温度偏差を算出し、その温度偏差に基づいて要求温度とデューティ比を取得し直す。これにより、例えばＱ値が２．０以下の高気密性及び高断熱性を有する家屋に床暖房システム２を適用し、床暖房により暖めた部屋の室温が下がりにくい場合でも、従来の床暖房システムのサイクル時間（２０分）より長い４０分のサイクル時間でデューティ比を設定するので、室温が必要以上に高い状態で維持されることを回避できる。また、バーナ２３３が無駄にガスを燃焼することを回避し、消費エネルギー量を低減させることができる。

これに対して、ＣＰＵ２５１は、サイクル時間を開始してから２０分が経過したときに（Ｓ７：ＹＥＳ）、室温から設定温度を減算して算出される温度偏差が、−１．０℃以下である場合には（Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０：ＹＥＳ）、Ｓ１３にてサイクル時間をリセットした後、Ｓ２に戻る。つまり、例えば、床暖房システム２により部屋の空気を設定温度２０℃まで暖めたが、窓を開けて換気したために、室温が２０℃から１８℃に下がった場合、サイクル時間の途中でも、デューティ比を見直して、床暖房運転を室温を上昇させる運転に切り換えることができる。なお、Ｓ１０：ＹＥＳ、Ｓ１３の処理は、リセット処理の一例である。

［シミュレーション］
続いて、床暖房システム２の性能を調べるシミュレーションについて説明する。本発明者らは、サイクル時間を２０分に設定した場合の性能と、サイクル時間を４０分に設定した場合の性能と、６０分に設定した場合の性能を調べるシミュレーションを行った。

各シミュレーションに用いたハードウエアの構成は、同じである。すなわち、Ｑ値１．５相当の住宅の部屋に床暖房パネルを設置した。部屋は１６畳の洋室である。その部屋の床下に、床暖房パネルを約１１畳設置した。そして、床暖房パネルと熱源機とを接続する循環回路は、内径１０ｍｍのパイプで構成した。熱源機から床暖房パネルまでのパイプの全長は、５ｍである。

試験中、部屋の開口部を全閉した。そして、試験開始初期の室温は約１３℃、床面の温度は、それぞれ約１３℃とした。設定温度は、２０℃とした。試験では、熱源機と床暖房パネルとの間で所定の要求温度に加熱した温水を、４．０Ｌ／分の流量で循環させた。

そして、サイクル時間を４０分に設定して熱動弁をデューティ制御する実施例と、サイクル時間を２０分に設定して熱動弁をデューティ制御する第１比較例と、サイクル時間を６０分に設定して熱動弁をデューティ制御する第２比較例について、床温と、室温と、インプットガス熱量と、アウトプット（以下「温水熱量」とする）を調べた。床温は、床に設置した温度計により測定される床面の温度である。室温は、室内に設置される温度計により測定される温度である。インプットガス熱量は、熱源機によって使用されるガスの使用量である。温水熱量は、熱源機がガスを燃焼させて得られた床暖房パネルに供給される熱量である。実施例のシミュレーションの結果を図４に示し、第１比較例のシミュレーションの結果を図５に示し、第２比較例のシミュレーション結果を図６に示す。図４および図５、図６は、横軸に時間［分］を示し、左側縦軸に温度［℃］と熱量［ｋＷ］を示す。図７は、図４に示す実施例の室温と図５に示す第１比較例の室温と図６に示す第２比較例の室温を比較するグラフである。

実施例と第１比較例について室温を比較すると、図７のＸ１１に示すように、第１比較例は、立ち上げ時に、室温が設定温度（２０℃）を大きく上昇した後、下降し、その後、定常運転を開始する。さらに、第１比較例は、定常運転時には、Ｘ１２に示すように、室温が設定温度（２０℃）より高く維持される。これに対して、実施例は、図中Ｘ１に示すように、立ち上げ時に、室温が設定温度（２０℃）まで上昇すると、定常運転を開始する。実施例は、定常運転時には、図中Ｘ２に示すように、室温が設定温度（２０℃）に概ね安定する。よって、実施例は、第１比較例と比べ、室温を設定温度に調整する室温調整性能が高い。

また、実施例と第２比較例について室温を比較すると、実施例の方が、第２比較例よりも、設定温度に対する室温の変動が小さい。よって、実施例は、第１比較例と比べ、室温を設定温度に調整する室温調整性能が高い。

これらの原因について検討する。図８は、室温変化を説明するためのグラフである。図中細い実線で示すタイプ３のグラフは、従来の断熱性能を有するＱ値４．０の家屋について、サイクル時間Ｄ３を２０分に設定した場合の室温変化を示す。図中実線で示すタイプ１のグラフは、従来の断熱性能を有する家屋より断熱性能が高いＱ値１．５の家屋について、サイクル時間Ｄ１を４０分に設定した場合の室温変化を示す。図中点線で示すタイプ２のグラフは、従来の断熱性能を有する家屋より断熱性能が高いＱ値１．５の家屋について、サイクル時間Ｄ２を２０分に設定した場合の室温変化を示す。図中一点鎖線で示すタイプ４のグラフは、従来の断熱性能を有する家屋より断熱性能が高いＱ値１．５の家屋について、サイクル時間Ｄ４を６０分に設定した場合の室温変化を示す。尚、タイプ１〜４は、何れも、サイクル時間Ｄ１〜Ｄ４の間にＯＮ時間（室温上昇）とＯＦＦ時間（室温低下）がある。図８に示すタイプ１〜４の各グラフは、室温低下に着目して作成されている。

タイプ３のグラフでは、室温が設定温度を超える所定温度Ｔまで上昇した後、２０分が経過すると、室温が設定温度より低い温度まで下がる。Ｑ値４．０の家屋では、部屋の空気の温度が壁や窓などを介して部屋の外部に逃げやすいためである。そのため、従来の断熱性能を有するＱ値４．０の家屋に対しては、サイクル時間を２０分に設定するのが適していた。

タイプ２のグラフでは、室温が設定温度を超える所定温度Ｔまで上昇した後、２０分が経過しても、室温が設定温度未満にならない。Ｑ値１．５の家屋は、Ｑ値４．０の家屋と比べ、部屋の空気の温度が壁や窓などを介して部屋の外部に伝わりにくく、室温が下がりにくいからである。よって、Ｑ値１．５の家屋に、Ｑ値４．０に適用していた２０分をサイクル時間に設定して床暖房を行うと、室温が設定温度未満になる前にデューティ比が設定され、熱動弁が弁開されてしまう。そのため、室温が設定温度を超えた状態に維持されてしまう。

これに対して、タイプ１のグラフでは、室温が設定温度を超える所定温度Ｔまで上昇した後、２０分が経過しても、室温が設定温度未満にならない。しかし、サイクル時間が４０分に設定される床暖房システムは、サイクル時間を開始してから２０分が経過しても、デューティ比を再設定せず、当該デューティ制御を継続するため、熱動弁を必要以上に開かない。そのため、室温が低下し続ける。そして、サイクル時間である４０分が経過した時点では、室温が設定温度未満になる。この状態で、床暖房システムは、次のサイクルを始め、熱動弁を開く。よって、室温が設定温度付近で安定する。

一方、タイプ４のグラフでは、室温が低下する時間（ＯＦＦ時間）が長くなる。そのため、サイクル時間を開始してから６０分が経過したときの室温が、サイクル時間を開始してから４０分を経過したときの室温より低くなる。そして、６０分のサイクル時間が経過すると、熱動弁を開き、床面を暖める。よって、Ｑ値１．５では、サイクル時間を６０分に設定すると、サイクル時間を４０分に設定した場合より室温の変動が大きくなる。

なお、Ｑ値１．５の家屋について、サイクル時間を３０分未満に設定した場合、サイクル時間が経過したときの室温が、設定温度付近までしか低下しない。この状態で次のサイクルを開始すると、タイプ２のグラフと同様、設定温度より必要以上に高い状態で室温が維持される可能性がある。

よって、Ｑ値１．５相当の高気密性・高断熱性を有する家屋に床暖房システムを使用する場合には、サイクル時間を４０分に設定すると良いことがわかった。

次に、実施例と第１比較例と第２比較例について消費エネルギーを比較する。

図４に示すように、実施例は、ガスバーナでガスを燃焼させ、床暖房パネルで放熱した温水を加熱する。そのため、図中Ｙ１１に示すように、熱動弁の弁開動作に追従して、ガスが使用され、図中Ｙ１２に示すように、熱動弁の弁閉動作に追従して、ガスが使用されなくなる。つまり、ガスも、４０分のサイクルで、間欠的に使用される。なお、これと同様に、図５のＹ２１，Ｙ２２に示すように、第１比較例は、２０分のサイクルでガスが間欠的に使用される。また、図６のＹ３１，Ｙ３２に示すように、第２比較例は、６０分のサイクルでガスが間欠的に使用される。

実施例は、図４のＹ１１に示すように、定常運転時におけるガス使用時１回当たりのガス供給回数は、７回〜９回程度である。一方、第１比較例は、図５のＹ２１に示すように、定常運転時におけるガス使用時１回当たりのガス供給回数は、５回程度である。よって、４０分のスパンで比較すると、実施例のガス供給回数は７回から９回程度であるのに対し、第１比較例のガス供給回数は１０回程度となり、実施例のガス供給回数の方が、第１比較例のガス供給回数より少ない。つまり、実施例のインプットガス熱量は、第１比較例のインプットガス熱量よりも少ない。

本発明者らは、実施例と第１比較例について、定常状態で８０分間運転した場合のインプットガス熱量の合計値をそれぞれ計算した。その結果、実施例は、インプットガス熱量が６．４９ＭＪであったのに対し、第１比較例は、インプットガス熱量が７．９２ＭＪであり、実施例のガス使用量は第１比較例のガス使用量よりも１．４３ＭＪ少ない。この８０分間のガス使用量の差を年間に換算すると、冬期１２０日間、１日８時間暖房運転行ったと仮定した場合、約１ＧＪの暖房エネルギーを削減できることになる。これは、平成２８年省エネルギー基準に準拠したエネルギー消費性能の評価モデルの暖房負荷の約１５分の１に相当する値である。

また、第２比較例は、図６のＹ３１に示すように、定常運転時におけるガス使用時１回当たりのガス供給回数は、１３回から１４回程度である。１２０分のスパンでみると、実施例のガス供給回数は、２１回から２７回程度となり、第２比較例のガス供給回数は、２６回から２８回程度となり、実施例のガス供給回数の方が第２比較例のガス供給回数より少ない。つまり、実施例のインプットガス熱量は、第２比較例のインプットガス熱量より少ない。なお、１２０分のスパンでは、第１比較例のガス供給回数は、３０回程度である。よって、第２比較例のインプットガス熱量は第１比較例のインプットガス熱量よりも少ない。

よって、Ｑ値１．５の高気密性・高断熱性を有する家屋に対しては、サイクル時間を従来の２０分より長い時間に設定すると、消費エネルギーを低減できることがわかった。特に、サイクル時間を４０分に設定すると、高い省エネ効果が得られることがわかった。

なお、本発明者らは、サイクル時間を１０分に設定したシミュレーションも行った。サイクル時間とデューティ比を第１比較例の半分にしていること以外の条件は、上記第１比較例のシミュレーションと同様である。その結果、サイクル時間を１０分に設定した場合の消費エネルギーは、サイクル時間を２０分に設定した場合の消費エネルギーの約１．１倍であった。よって、サイクル時間を従来のサイクル時間である２０分より短くすることは、省エネ上好ましくない。

以上説明したように、本形態の床暖房システム２は、Ｑ値が２．０以下の家屋、より好ましくはＱ値が１．０以上２．０以下の家屋に使用される場合に、デューティ制御のサイクル時間を、３０分以上６０分以下の範囲で設定する。

床暖房システムを構成する機器は、日本全国で統一化されていることが多い。寒冷地でも、床暖房システムが、例えば６０℃の温水を熱源機と床暖房パネルとの間で循環させ、室温を上昇させることができる程度まで床面を暖めるには、２０分程度必要であった。また、例えばＱ値が４．０〜５．０である気密性・断熱性の低い家屋では、熱動弁をデューティ制御して室温を設定温度に制御するには、サイクル時間を２０分に設定するのが最適であった。

しかし、近年、断熱性の高い断熱材の開発や、気密性の高いサッシの開発などが進み、住宅の高気密性・高断熱性が進んでいる。そして、床暖房システムは、高気密性・高断熱性を有する住宅に設置されることが多い。高気密性・高断熱性を有する住宅は、いったん暖められた部屋の温度が下がりにくい。そのため、例えば、Ｑ値が１．５の高気密性・高断熱性を有する住宅に設置される床暖房システムについて、サイクル時間を２０分に設定すると、室温が設定温度より高いにもかかわらず、熱動弁を開き、室温を上昇させてしまう。よって、本発明者らは、サイクル時間を見直す必要があることに気付き、サイクル時間を変えて上述のようなシミュレーションを行った。

例えば、Ｑ値が１．５の高気密性・高断熱性を有する住宅に設置される床暖房システムのサイクル時間を１０分に設定した場合、サイクル時間を２０分に設定する場合より、消費エネルギーが大きかった。これは、１０分のサイクル時間のうち、熱動弁を開いて温水を熱源機と床暖房装置との間で循環させ始めてから、床暖房装置が放熱して床を暖め始めるまでの時間が大半を占め、床暖房装置に温水を流して実質的に足元を暖める時間が短くなって、熱効率が悪いためと考えられる。

これに対して、例えば、Ｑ値が１．５の高気密性・高断熱性を有する住宅に設置される床暖房システムのサイクル時間を４０分に設定した場合、サイクル時間を２０分に設定する場合より、室温を設定温度付近に調整することができた。これは、室温が設定温度を超える状態で、デューティ比を設定し直して、熱動弁を開くことをできるためと考えられる。また、サイクル時間を４０分に設定した場合、サイクル時間を２０分に設定した場合より、消費エネルギーを低減できた。これは、室温が設定温度を超える状態で、熱源機が温水を無駄に加熱しなくなったためと考えられる。

よって、本発明者らは、Ｑ値が１．５の高気密性・高断熱性を有する住宅に設置される床暖房システムでは、サイクル時間を変更してシミュレーションを重ねた結果、サイクル時間を４０分に設定するのが妥当であると判断した。

ここで、室温の変化は、家屋の断熱性能や気密性能の影響を受ける。よって、Ｑ値によってサイクル時間を４０分より短くしたり、長くしたりする必要がある。具体的に例えば、Ｑ値が２．０の家屋は、Ｑ値が１．５の家屋より室温が低下しやすい。この場合には、サイクル時間を４０分より短い時間（例えば３０分）に設定すると良い。また、Ｑ値が１．０の家屋は、Ｑ値が１．５の家屋より室温が低下しにくい。この場合には、サイクル時間を４０分より長い時間（例えば６０分）に設定すると良い。よって、Ｑ値が２．０以下の家屋、更に好ましくは、Ｑ値が１．０以上２．０以下の家屋に使用される床暖房システムでは、サイクル時間を３０分以上６０分以下に設定すれば良いと、本発明者らは、判断した。

本実施形態の床暖房システム２は、あるサイクルのサイクル時間を開始してから２０分が経過した時点で、熱動弁２４を開くＯＮ時間のデューティ比を設定しない。そのため、床暖房システム２は、Ｑ値が２．０以下の高気密性・高断熱性を有する家屋に使用されても、例えば、サイクル時間を開始してから２０分が経過した時点で室温が設定温度を超える状態で、熱動弁２４を弁開させ、熱源機２３で加熱した温水を熱源機２３と床暖房パネル２１との間で循環させることを回避できる。よって、上記床暖房システム２によれば、室温が設定温度を超えて維持されることを防ぎ、室温調整性能を向上させることができる。そして、床暖房システム２は、無駄なエネルギーを使って部屋の空気を暖めることを抑制し、消費エネルギーを低減することができる。

また、本形態の床暖房システム２は、あるサイクルのサイクル時間内に、例えば床暖房中に換気のために窓が開けられ、室温が設定温度より１．０℃以上低くなった場合には、サイクル時間をリセットしてデューティ制御をやり直し、室温を上昇させるように床暖房の運転を変更する。よって、床暖房システム２によれば、室温調整性能が良い。

尚、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、色々な応用が可能である。

図３に示す制御を行う制御装置を、床暖房リモコン２５および制御基板２３１と別個に設けてもよい。この場合、制御装置は、床暖房リモコン２５の室温センサ２５５や、入力部２５６や、フラッシュメモリ２５４と別個に設けることになる。また、熱動弁２４の弁開閉制御を床暖房リモコン２５に行わせるようにしてもよいし、図３に示す制御を制御基板２３１に行わせるようにしてもよい。

デューティ比設定テーブル２５４２は、熱源機２３の制御基板２３１のフラッシュメモリ２３１５や床暖房リモコン２５と別に設けた制御装置など、床暖房リモコン２５の外部に設けた外部装置に記憶させても良い。

上記形態では、ユーザの入力操作により設定温度を手動で設定したが、例えば学習機能などにより設定温度を自動設定するようにしてもよい。

上記構成では、熱動弁２４に代えて、流路を開閉する機能を有する他の形態の弁や装置などを使用してもよい。熱動弁２４は、熱源機２３に内設してもよい。

上記形態では、図３のＳ１０にて、温度偏差の判断基準となる所定値を−１．０℃としたが、この値は、床暖房パネル２１を設置する部屋の高断熱性や高気密性に応じて適宜変更してよいことは、言うまでもない。

上記形態では、２０分経過時にデューティ比を再設定するか判断したが（図３のＳ７：ＹＥＳ、Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１０）、Ｓ７の処理を省略してもよい。この場合、サイクル時間内に常時Ｓ８〜Ｓ１０の処理を行い、デューティ比を再設定するか判断することになる。そして、サイクル時間内に温度偏差が−１．０℃以下になった時点で、デューティ比を再設定する。また、サイクル時間内に温度偏差が−１．０℃以下にならなければ、当該サイクル時間が経過するまでデューティ制御が継続される。

上記形態では、床暖房リモコン２５に室温センサ２５５を内蔵させたが、室温センサを床暖房リモコン２５の外部に設けてもよい。

熱動弁２４を弁閉させるタイミングと、温水加熱を停止するタイミングは、どちらが先でもよいし、同時でも良い。

２ 床暖房システム
２１ 床暖房パネル
２２ 循環回路
２３ 熱源機
２４ 熱動弁
２３１ 制御基板
２５４ フラッシュメモリ
２５５ 室温センサ
２５６ 入力部

Claims (2)

1. 温水を加熱する熱源機と、
   温水が流れることにより床面を暖める床暖房装置と、
   前記熱源機と前記床暖房装置に接続し、前記熱源機と前記床暖房装置との間で温水を循環させる循環回路と、
   前記循環回路を開閉する開閉装置と、
   ３０分以上６０分以下のサイクル時間で、前記開閉装置のデューティ制御を行う制御装置と、を有する
   ことを特徴とする床暖房システム。
2. 請求項１に記載する床暖房システムにおいて、
   前記床暖房装置が設置される部屋の室温を検出する室温検出部と、
   前記部屋の設定温度を設定する設定部と、
   前記設定部により設定された設定温度を記憶する記憶部とを有し、
   前記制御装置は、
   前記室温検出部により検出される前記室温から前記記憶部に記憶される前記設定温度を減算した温度偏差が、所定値以下であるか否かを判断する判断処理と、
   前記判断処理にて、前記温度偏差が所定値以下であると判断される場合に、当該判断がなされたときのサイクル時間をリセットし、前記デューティ制御をやり直すリセット処理と、
   前記判断処理にて、前記温度偏差が所定値以下でないと判断される場合に、当該判断がなされたときのサイクル時間を維持して前記デューティ制御を継続する継続処理とを行う
   ことを特徴とする床暖房システム。

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