JP3962032B2 - 蓄熱式暖房装置の通電制御システム - Google Patents

Description

本発明は、電気料金が安価である夜間電力の時間帯に蓄熱体に埋設した発熱体に通電することで発生する熱を蓄熱し、蓄熱された熱は昼間に放熱されて暖房を行う蓄熱式暖房装置の通電制御システムに関する。

蓄熱式床暖房装置もしくは蓄熱式床下暖房装置は、床もしくは床下の一部を構成する蓄熱体に埋設された発熱体に通電して発熱させることで蓄熱を行い、その熱の放熱により住宅等の暖房を行うものである。この場合、蓄熱には安価な夜間電力が使用され、深夜に蓄熱を行い、昼間にその熱を放熱して暖房を行うのが一般的である。このような暖房システムは、ランニングコストが非常に安価であり、尚且つ快適な暖房が得られるという効果を奏すものである。

しかし、夜間電力時間帯にずっと通電をしていては蓄熱体や床面が高温になってしまい快適な暖房が得られず、また必要以上の電力を消費してしまい不経済であることから、通電を制御する必要があった。

そこで、夜間電力開始後に通電を開始し、蓄熱体や床面が目標設定温度に到達したら通電を終了するように通電を制御しているのが一般的である。

しかしながら、本来、たとえ夜間電力時間帯であっても電力消費が平均化されるのが望ましく、なるべくなら電力消費が少ない早朝に通電するのが好ましいとされているが、上記従来方法では、夜間電力開始後に電力消費が同時に行われるというピーク現象を生じる問題があった。

また最近では、前記問題を解決するために、外気温、蓄熱体の温度、前日の通電時間等のデータから通電開始時間を予測し、通電を制御するシステムがいくつか提案されているが、正確に予測して通電制御するのは非常に困難であった。
特開Ｈ１０−６１９５８号公報 特開２０００−２７４７１２号公報

解決しようとする課題は、夜間電力時間帯において、蓄熱体が所定時刻に目標設定温度に到達するように通電開始時刻をより正確に予測設定して通電を制御しようとする点である。

本発明は、夜間電力を使用して蓄熱体に埋設された発熱体に通電することで発熱させて蓄熱を行い、その熱を昼間に放熱することによって暖房を行う蓄熱式床暖房装置もしくは蓄熱式床下暖房装置において、まず夜間電力開始時刻に、前日もしくは過去の蓄熱体の温度データから予測通電開始時刻を求め、その結果に従い発熱体への通電を制御することで、目標時刻に蓄熱体の温度が目標設定温度に到達して通電が終了するようにしようとするものである。

しかし、夜間電力開始時刻に予測通電開始時刻を算出し、その結果に従って通電を制御するだけでは、外気温の影響などで通電開始時刻と蓄熱体の温度の関係に多少の誤差が生じてしまうことがある。そこで、夜間電力開始時刻に予測通電開始時刻を算出した後、所定時間経過ごとに補正計算をして予測通電開始時刻を修正する。

これらの演算には前日もしくは過去の蓄熱体の温度データを利用する。例えば放熱時における所定時間の蓄熱体の１分あたりの平均下降温度と蓄熱時における蓄熱体の１分あたりの平均上昇温度である。

夜間電力開始時に求める予測通電開始時刻は、夜間電力開始時刻から予測通電開始時刻までの時間をＴｎ（分）、夜間電力開始時刻から蓄熱体が目標設定温度Ｔｍａｘに到達する目標時刻までの時間をＳ（分）、予測通電開始時刻における蓄熱体の予測温度Ｔｓｃ、前日もしくは過去の通電時間における蓄熱体の平均上昇温度をＫｐとした場合、次の式Ｔｄ（t）＝Ｓ−Ｔｎ−（Ｔｍａｘ−Ｔｓｃ）／Ｋｐにおいて、Ｔｎに所定単位で数値を代入していき、Ｔｄ（ｔ）＝０、またはＴｄ（ｔ）がはじめて０以下になった時のＴｎ値を算出することで求めることとする。

夜間電力開始後所定時間経過毎に補正によって算出される予測通電開始時刻は、夜間電力開始時刻から補正演算時刻までの経過時間をt（分）、演算時の蓄熱体の温度をTｃｕｒとした場合、次の式Ｔｓ（t）＝S−t−（Ｔｍａｘ−Ｔｃｕｒ）／Ｋｐにおいて、tに所定単位で数値を代入していき、Ｔｓ（t）＝０又はＴｄ（t）がはじめて０以下になった時のt値を算出することで求めることとする。

尚、夜間電力開始時に算出する予測通電開始時刻における蓄熱体の予測温度Ｔｓｃは、当日もしくは過去における所定時刻から夜間電力開始時刻までの蓄熱体の平均下降温度をＫｄとし、夜間電力開始時刻の蓄熱体の温度をＴ_２３とした場合、次の式Ｔｓｃ＝Ｔ_２３−（Ｔｎ×Ｋｄ）から算出することとする。

本発明の蓄熱式暖房装置の制御システムによれば、以下のような効果を奏することができる。

昼中の放熱時における蓄熱体の下降温度データと、前日の通電時における蓄熱体の上昇温度データと、演算時の蓄熱体の温度データ等から蓄熱体の目標設定温度に必要な電気量の通電時間を制御することにより、蓄熱体に必要な熱量だけを蓄熱することができるので、消費電力及び電気料金を著しく低減することができる。

通電開始時刻をなるべく電力消費の少ない早朝とし、夜間電力終了時刻の一定時間前には蓄熱体が目標設定温度に到達して通電が終了するので、夜間電力時間帯に電力消費が同時に行われるというピーク現象を解消し、電力消費を平均化することができる。

所定時刻から夜間電力開始時刻までの前日もしくは過去の蓄熱体の下降温度データと、前日もしくは過去の通電時における蓄熱体の上昇温度データと、演算時の蓄熱体の温度データから、まず夜間電力開始時刻に予測通電時刻を算出し、その後所定時間経過毎に予測通電時刻を修正して、その結果に従い通電を制御するので、より精度の高い通電制御が可能となる。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明するが、本発明は必ずしも以下の例に限定されるものではない。

図１は蓄熱式暖房装置の構成を示す図であり、図２は本発明の一実施例のフローチャート図、図３は本発明の制御システムに基づく蓄熱体の温度変化の一例を示す概略図、図４は実施例における蓄熱体、室温、発熱体、床面、蓄熱体表面、外気温それぞれの温度変化を示す図である。

図１に示すように、本実施例の蓄熱式暖房装置は、例えばコンクリート等からなる床下の一部を構成する蓄熱体１と、複数本のシーズヒータ等をユニット化してなる所定数の発熱体ユニット３と、蓄熱体の温度を測定するセンサー４と、発熱体への通電を制御する制御部２から構成される。制御部２内にはマイクロコンピュータが内蔵され、蓄熱体の温度データを記憶するとともに、その温度データ等から目標設定温度に必要な通電時間を算出する。夜間電力を使用して発熱体へ通電することにより蓄熱体に熱が蓄熱され、その熱を昼間放熱することで暖房を行うものである。

次に、図２〜図３を参照して、本実施例における制御の過程を説明する。尚、夜間電力時間帯は一般的な午後１１時から午前７時までとする。通電時間はなるべく早朝にずれ込んだほうが電力消費のピーク現象を解消するためにはよいと考えられるが、夜間電力終了時刻までに少しの余裕をもたせるために、通電終了の目標時刻を６時３０分として、夜間電力時間を２３時から６時３０分までの４５０分間とする。

まず、夜間電力開始時刻である２３時に第１の予測通電開始時刻を算出する。夜間電力開始時刻から予測通電開始時刻までの時間をＴｎ（分）、使用者が設定した蓄熱体の目標設定温度をＴｍａｘ、予測通電開始時刻における蓄熱体の予測温度をＴｓｃ、前日もしくは過去の通電時間における蓄熱体の１分あたりの平均上昇温度をＫｐとして、２３時から蓄熱体が目標設定温度Ｔｍａｘに到達する時刻６時３０分までの時間４５０（分）であるから、次の式Ｔｄ（t）＝４５０−Ｔｎ−（Ｔｍａｘ−Ｔｓｃ）／Ｋｐにより、Ｔｎに１分単位で代入していき、Ｔｄ＝０又はＴｄ（t）がはじめて０以下になった時のＴｎ値を求めることにより予測通電開始時刻を算出する。つまり、２３時からＴｎ分後の時刻が第１の予測通電開始時刻である。

尚、予測通電開始時刻における蓄熱体の予測温度Ｔｓｃ値はＴｓｃ＝Ｔ_２３−（Ｔｎ×Ｋｄ）の式により算出される。Ｔ_２３は２３時における蓄熱体の温度、Ｋｄは２０時から２３時までの蓄熱体の１分あたりの平均下降温度であり、２０時の蓄熱体の温度をＴ_２０とすると、Ｋｄ＝（T_２０−Ｔ_２３）／１８０の式から算出される。

以下に示す表１は、２０時の蓄熱体の温度２８℃、２３時の蓄熱体の温度２７℃、蓄熱体の目標設定温度３５℃、前日の通電開始時の蓄熱体温度２２℃、前日の通電時間を２３時−４時３３分までの３３３分とした場合、前日における蓄熱体の１分あたりの平均上昇温度Ｋｐ＝０．０３９、当日の２０時から２３時までの蓄熱体の１分あたりの平均下降温度Ｋｄ＝０．００５であり、この場合の２３時における予測通電開始時刻の演算過程を表したものである。Ｔｎに１分単位で代入していき、Ｔｄ（t）値が０又は最初に０以下になった時のＴｎの値を求めることで予測通電開始時刻を算出する。すなわち、表１より夜間電力開始時刻２３時から、Tｄ（t）が最初に０以下になった時のＴn値が２１８であるから、２３時から２１８分後、２時３８分が予測通電開始時刻となる。

２３時以降は１分毎に次の式Ｔｓ（t）＝４５０−t−（Ｔｍａｘ−Ｔｃｕｒ）／Ｋｐにより予測通電開始時刻を補正する。tは２３時から補正演算時刻までの経過時間、Ｔmaxは使用者が設定した蓄熱体の目標設定温度、Ｔｃｕｒは補正演算時刻における蓄熱体の温度、Ｋｐは前日もしくは過去の通電時間における蓄熱体の１分あたりの平均上昇温度であり、tに１分単位で代入していき、Ｔｓ（t）＝０又はＴｓ（t）が最初に０以下になった時のt値を求めることにより予測通電開始時刻を補正する。つまり、２３時からt分後の時刻が補正された通電開始時刻である。

前記補正された通電開始時刻と実際の時刻が一致した場合、発熱体へ通電が開始されることになる。通電開始後、蓄熱体は午前６時３０分前後に目標設定温度に到達して通電が終了し、その約３０分後の午前７時には夜間電力が終了する。

通電中は蓄熱体の温度はマイクロコンピュータに記憶され、この日の通電時間における蓄熱体の温度データが翌日の通電開始時間の予測に用いられる。

通電終了後は、蓄熱体による放熱がなされ、暖房が行われることになる。放熱中も蓄熱体の温度はマイクロコンピュータに記憶され、所定時間から夜間電力開始時刻までの蓄熱体の１分あたりの平均下降温度データ、本実施例においては２０時から２３時までの蓄熱体の１分あたりの平均上昇温度データが翌日以降の通電開始時刻の予測に利用される。

以上の一実施例においては、１分毎のデータをもとに演算をおこなってきたが、必ずしもこれに限定されるわけではない。また、蓄積されたデータから任意の日数の平均値を算出し、その平均値をもとに演算することも可能である。

図４は、蓄熱体内部、蓄熱体表面、床面、室温、外気温それぞれの温度変化を示す図である。蓄熱体は通電開始時刻にもっとも低い温度になり、通電終了後もっとも高い温度になるが、室温はほぼ一定に保たれている。

本発明によれば、蓄熱式床暖房装置及び蓄熱式床下暖房装置に限らず、夜間電力を使用する蓄熱型装置において、所定の時刻に通電が終了するように正確に通電時刻を制御できるので、電力消費のピーク現象を解消できるとともに、ランニングコストの低減も可能である。

本発明の一実施例における蓄熱式暖房措置の構成を示す図である。 本発明の一実施例のフローチャート図である。 本発明の制御システムに基づく蓄熱体の温度変化の一例を示す概略図である。 一実施例における蓄熱体、室温、発熱体、床面、蓄熱体表面、外気温それぞれの温度変化を示す図である。

符号の説明

１ 蓄熱体
２ 制御部
３ 発熱体ユニット
４ センサー

Claims (1)

1. 夜間電力を使用して蓄熱体に埋設された発熱体に通電することで夜間に蓄熱を行い、昼間にその熱を放熱することで暖房を行う蓄熱式床暖房装置及び床下暖房装置において、夜間電力開始時に算出する予測通電開始時刻における蓄熱体の予測温度Ｔｓｃを、当日の所定時刻から夜間電力開始時刻までの蓄熱体の一定時間あたりの平均下降温度もしくは過去の温度データから算出した蓄熱体の一定時間あたりの平均下降温度をＫｄとし、夜間電力開始時刻の蓄熱体の温度をＴ_２３とした場合に、次の式Ｔｓｃ＝Ｔ_２３−（Ｔｎ×Ｋｄ）から算出し、次に、夜間電力開始時刻における予測通電時刻Ｔｄ（t）を、夜間電力開始時刻から予測通電開始時刻までの時間Ｔｎ、夜間電力開始時刻から蓄熱体が目標設定温度Ｔｍａｘに到達する目標時刻までの時間Ｓ、前日の通電時間における蓄熱体の一定時間あたりの平均上昇温度もしくは過去の温度データから算出した蓄熱体の一定時間あたりの平均上昇温度をＫｐとした場合に、次の式Ｔｄ（t）＝Ｓ−Ｔｎ−（Ｔｍａｘ−Ｔｓｃ）／Ｋｐにおいて、Ｔｎに所定単位で数値を代入してＴｄ（ｔ）＝０又はＴｄ（ｔ）がはじめて０以下になった時のＴｎ値から夜間電力開始時刻における予測通電時刻を算出するとともに、夜間電力開始後所定時間毎に補正によって算出される予測通電開始時刻Ｔｓ（t）を、夜間電力開始時刻から補正演算時刻までの経過時間をt、演算時の蓄熱体の温度をＴｃｕｒとした場合、次の式Ｔｓ（t）＝S−t−（Ｔｍａｘ−Ｔｃｕｒ）／Ｋｐにおいて、tに所定単位で数値を代入していき、Ｔｓ（ｔ）＝０又はＴｄ（ｔ）がはじめて０以下になった時のt値から算出することで、夜間電力開始時刻に、前日もしくは過去の蓄熱体の温度データと演算時の蓄熱体の温度から、蓄熱体が目標時刻に目標設定温度に到達して通電が終了するように発熱体への通電開始時刻を予測し、その後所定時間経過毎に補正計算を行って通電時刻を修正し、その結果に従い発熱体への通電を制御することを特徴とする蓄熱式暖房装置の通電制御システム。

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