JP4185302B2 - 潜熱蓄熱装置の通電制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、潜熱蓄熱材を用いる蓄熱式暖房システムに関し、特に蓄熱時における通電を制御する方法、およびその方法を用いて通電制御する蓄熱式床暖房装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液相と固相の相変化に伴う潜熱を利用して蓄熱を行う潜熱蓄熱材を用いた蓄熱式床暖房システムが知られている。このシステムの加熱手段としては温水式と電気式があり、電気式の場合、床材の下に蓄熱材と電気ヒーターが配置され、電気料金の安い深夜電力を利用して電気ヒーターに通電して蓄熱材に蓄熱を行い、昼間に蓄熱材から放熱させ、その熱を暖房に利用する。
【０００３】
従来の電気式の蓄熱式床暖房システムにおいては、深夜電力時間帯の開始時刻に電気ヒーターに通電を開始し、終了時刻に通電を終了する。この通電時間中は蓄熱材の過昇温を防止するために加熱時到達最高温度を設定してＯＮ／ＯＦＦ制御を行っている。これによって蓄熱材への蓄熱が行われる。
【０００４】
しかるに、蓄熱材温度が加熱時到達最高温度まで上昇した後の放熱を開始するまでの間は、ＯＮ／ＯＦＦ動作が繰り返されて蓄熱材の温度が一定に保たれており、その間の電力は暖房に用いられることなく無駄に消費されるので、より消費電力が少ない、ＯＮ／ＯＦＦ制御に代わる蓄熱時の通電制御方法が求められていた。
【０００５】
ＯＮ／ＯＦＦ制御に代わる消費電力が少ない通電制御方法が、特開平６−７４６７４号公報に開示されている。すなわち、翌日の予測天候、予測最低温度および蓄熱材の残りの熱量から次回の加熱時間を演算して制御する蓄熱暖房システムが開示されている。しかし、このシステムは液相と固相の相変化に伴う潜熱を利用することのない顕熱蓄熱材における通電制御方法であるため、加熱時間と蓄熱材温度が直線関係ではないうえに融解曲線と凝固曲線とが一致しない（ヒステリシスが存在する）潜熱蓄熱材に対応できるものではなかった。
【０００６】
また特開平８−４２８６６号公報には、蓄熱材温度および室温を測定し、通電時間の予測式によって通電時間を算出することによる蓄熱式暖房システムの蓄熱時の通電制御方法が開示されている。しかしながら、予測式は係数を有しており、係数を決定するためには、施工により蓄熱装置を設置した後使用開始前に通電試験が必要であった。複数回の通電試験を行って温度データを取得し、その温度データを用いて予測式の係数を重回帰により算出しておく必要があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、潜熱蓄熱材を用いた蓄熱式床暖房システムにおいて、施工後使用開始前の通電試験による温度データ取得を必要とせず、消費電力が少ない蓄熱時の通電制御方法およびその方法を用いて通電制御を行う蓄熱式床暖房装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、潜熱蓄熱材を用いた蓄熱式暖房システムの蓄熱時の通電制御方法について鋭意研究し、深夜電力時間帯開始直前から所定の時間間隔で蓄熱材温度を測定し、その値と設定された加熱時到達最高温度とから、潜熱蓄熱材の凝固時の熱量−温度曲線を近似した線を表わす特性式とを用いて、蓄熱材を加熱する電気ヒーターの通電所要時間を算出し、該電気ヒーターへの通電開始時刻を調節することにより、施工後使用開始前の通電試験による温度データ取得を必要とせず、しかも消費電力を少なくなる通電制御ができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００９】
すなわち本発明は、過冷却の存在する潜熱蓄熱材を用いた蓄熱装置において、深夜電力時間帯開始直前から所定時間間隔で測定した蓄熱材温度と設定された加熱時到達最高温度とから、潜熱蓄熱材の凝固時の熱量−温度曲線に近似し、温度の低下と共に熱量が単調に減少する曲線および／または直線を表す特性式を用いて、蓄熱材を加熱する電気ヒーターの通電所要時間を算出し、該電気ヒーターへの通電開始時刻を調節する蓄熱装置の蓄熱時における通電制御方法を提供する。また本発明は、前記記載の通電制御方法を用いて通電制御を行う蓄熱式床暖房装置を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明について詳しく説明する。
本発明の通電制御方法は、潜熱蓄熱材の熱量−温度曲線に基づきながらも、その熱量−温度曲線を制御に適した線で近似し、その線を表わす特性式を用いて通電時間の算出を行うことに特徴がある。本発明の制御方法を潜熱蓄熱材の熱量−温度曲線を用いて説明する。融点以下の温度Ｔ１(固化状態)から融点以上の温度Ｔ２（融解状態）まで加熱し（融解過程）、再びＴ２からＴ１に冷却する（凝固過程）間に出入りする熱量の温度による変化を示す曲線を熱量−温度曲線と称する。熱量−温度曲線のうち融解過程に対応する部分を融解曲線、凝固過程に対応する部分を凝固曲線と称する。
【００１１】
本発明の実施例において用いられている潜熱蓄熱材の熱量−温度曲線を図１に示す。図中のＡ−Ｂ−Ｃを結ぶ曲線が融解曲線であり、Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ａを結ぶ曲線が凝固曲線である。潜熱蓄熱材においては一般に融解曲線と凝固曲線は一致せず、ヒステリシスを示す。更に凝固曲線では、図１のＤ−Ｅ−Ｆの如く、融解状態のまま凝固点Ｆよりも低温を経過したのちに、凝固が開始されて再び昇温して凝固点Ｆに到るのが一般的であり、この現象を過冷却と称している。この過冷却が存在するために、凝固曲線においては蓄熱材の温度と熱量が１対１の対応をしない領域があることになる。即ち、Ｄ−Ｅ−Ｆを含む温度域では同一温度に対応する熱量が２または３点存在する。このことは蓄熱材温度を測定しただけでは熱量を算出できないことを意味しており、顕熱型蓄熱材とは異なる困難さがあり、障壁となっていた。
【００１２】
本発明の方法においては熱量−温度曲線の凝固曲線を温度の関数となるように近似した線を表す特性式を用いる。凝固曲線はＣ−Ｄ−Ｅ領域は通常は直線になり（融液領域）、Ｅ−Ｆ−Ａは曲線となる（固液共存領域）。この２領域に区分して近似曲線を求める。実際にはＤ−Ｅ−Ｆ領域で電気ヒーターへの通電を開始することはないので、本発明においてはＤ−Ｅ−Ｆ領域を直線Ｄ−Ｆで近似するのである。すると、Ｃ−ＤとＤ−Ｆ−Ｇ−Ａの２領域に区分することができる。直線Ｃ−Ｄと曲線Ｄ−Ｆ−Ｇ−Ａは温度の減少と共に熱量が単調に減少する関係にある。これによってＣ−Ｄ−Ｆ−Ｇ−Ａの全領域にわたって熱量と温度が１対１に対応することになるので、制御することが容易となる。ここでＤ点はＦ点における接線とＣ−Ｅとの交点である。曲線Ｄ−Ｆ−Ｇ−Ａは単一の曲線で近似してもよいし、細分化して複数の曲線の結合で近似してもよい。なお、図１ではＤ−Ｆを１次、Ｆ−Ｇを３次、Ｇ−Ａを１次曲線で近似してある。
【００１３】
本発明の方法は、トリガー作動がある場合においても、トリガー作動がない場合においても用いることができる。トリガー作動とは、過冷却の状態となった潜熱蓄熱材の凝固を開始させて液相と固相の相変化に伴う潜熱の放熱を開始させることである。トリガー作動は通常は過冷却の状態となった潜熱蓄熱材をその潜熱蓄熱材の種結晶と接触させて行う。トリガー作動がある場合は、トリガー作動の時点で凝固が始まり、それ以降は前記凝固曲線の経過をたどって冷却される。従って特性式としては直線Ｃ−Ｄと曲線Ｄ−Ｆ−Ｇ−Ａとを用いる。トリガー作動がない場合は、潜熱蓄熱材は凝固を経ずに融解状態のまま冷却されるので、特性式としては直線Ｃ−Ｄを表わす式を用いる。
【００１４】
さらに、本発明の方法は、過冷却を殆ど生じない潜熱蓄熱材を用いた蓄熱装置にも用いることができる。すなわち、過冷却を殆ど生じない潜熱蓄熱材においては、加熱蓄熱したのちに通電を停止すると、蓄熱材温度は自然放熱により低下し、図１において凝固時には温度Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ａの経過をたどる。この場合の特性式としては直線Ｃ−Ｄと曲線Ｄ−Ｆ−Ｇ−Ａとを用いればよい。
【００１５】
本発明の方法においては電気ヒーターを用いて深夜電力により蓄熱を行う。従って通電時間は深夜電力時間帯の開始時刻から終了時刻の間のある時間であり、本発明の方法により調節した通電開始時刻から深夜電力時間帯の終了時刻まで通電する。本発明においては深夜電力時間帯開始直前から所定の時間間隔で蓄熱材温度を測定し、その蓄熱材温度と加熱時到達最高温度とから上記特性式とを用いて電気ヒーターの通電所要時間を算出し、該電気ヒーターへの通電開始時刻を調節する。通常は、電気ヒーターの通電所要時間該が深夜電力時間帯の残りの時間より長くなったときに通電を開始する。従って、所定時間間隔で測定された蓄熱材温度が高い場合は、それから必要な蓄熱量が少ないので、電気ヒーターの通電所要時間が短く算出され、その結果、通電開始時刻が遅くなり、ＯＮ／ＯＦＦ制御に比較して、電力消費量を低減させることができる。
【００１６】
本発明の方法においては加熱時到達最高温度は設定可能な範囲で任意に設定される。これは蓄熱材の劣化・破損を防止し、かつ住環境の快適性を向上させる目的で施工者または蓄熱装置の使用者により設定される。
【００１７】
本発明の方法を用いることにより、蓄熱装置の施工前に、該潜熱蓄熱装置で用いる蓄熱材の熱量−温度曲線を作成し、それに近似した線を表す特性式を作成しておけば、施工後使用開始前の通電試験による温度データ取得を必要とせず、施工後直ちに蓄熱装置を使用可能とすることができる。
【００１８】
本発明の蓄熱式床暖房装置は次のようにして製造することができる。
潜熱蓄熱材としては、硫酸ナトリウム１０水塩、リン酸水素二ナトリウム１２水塩、酢酸ナトリウム３水塩、塩化カルシウム６水塩、硝酸カルシウム４水塩などを用いる。蓄熱材に、固液分離防止剤、融点調整剤、分散剤、消泡剤、腐食防止剤、着色剤などを添加することができる。蓄熱材を透湿性のない容器に充填し、蓄熱材の入った容器に蓄熱材を加熱することができる電気ヒーターと、蓄熱材の温度を測定する温度計を取り付ける。これらに電気ヒーターへの通電開始時間を調節することができる制御装置を取り付けることにより、本発明の蓄熱式床暖房装置を製造することができる。該制御装置はマイクロコンピュータを有する制御装置とし、電気ヒーターと温度計とを接続し、加熱時到達最高温度と特性式と制御用プログラムを格納する格納器を有したものとすることにより、設定された加熱時到達最高温度と温度計からの温度データと特性式とから制御用プログラムにより通電所要時間を算出し、電気ヒーターへの通電開始時間を調節することができるものとすることができる。
【００１９】
【実施例】
以下実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２０】
実施例１
熱量−温度曲線
酢酸ナトリウム３水塩からなる蓄熱材９０ｇを１００×１００×１０ｍｍのポリプロピレン容器に充填し、２枚の熱量計ではさみ、蓄熱材に熱電対を挿入し、側面を断熱材で囲み、恒温器に設置して３６℃から５８℃まで３℃／時間で昇温して融解熱量と蓄熱材温度を測定し、再び３５℃まで３℃／時間で降温して凝固熱量と蓄熱材温度を測定した。測定データを図１にプロットした。
【００２１】
特性式
図１の凝固過程のデータのプロットに対して以下の近似式を作成し、図１に実線で示した。
Ｃ−Ｄ 領域：ｙ＝３．０４４７ｘ＋４４．００
Ｄ−Ｆ 領域：ｙ＝７３．７２９ｘ−３５２１．２６
Ｆ−Ｇ 領域：ｙ＝０．１３９９８ｘ³−１７．７１９ｘ²
＋７５４．６４ｘ−１０７７２．９６
Ｇ−Ａ 領域：ｙ＝５．４９１０ｘ−１９７．０９
ここにｙ：熱量（ｊｏｕｌｅ／ｇ），ｘ：温度（℃）
【００２２】
試験体
プラスチック容器（８００×２５０×３０ｍｍ）１枚当りに蓄熱材（前記と同じ蓄熱材で過冷却防止剤を添加しない組成のもの）５ｋｇを充填したあと融点以下の温度まで冷却し、酢酸ナトリウム３水塩の種結晶を少量投入して全体を固化させた。容器形状は図２に示すようにＡ、Ｂ部分が突設された形状をしており、ＢとＣの下面に別々のヒーターを貼付した。厚さ５０ｍｍの発泡ポリスチレンの上に上記試験体を２枚設置し、側面を幅５０ｍｍ、厚さ５０ｍｍの発泡ポリスチレンで囲み、上面に厚２４ｍｍの合板を設置した。ヒーター、容器、合板の上に熱電対を貼付して温度記録計に接続した。コントローラーに前記の特性式を入力し、ヒーターを接続した。
【００２３】
放熱制御
Ｂ、Ｃ部分のヒーターに手動により２３時に通電開始して７時まで保持した。これによってＢ、Ｃ部分は融解し（６５〜７０℃）、Ａ部分は融解せず結晶のまま残った。７時にＣ部分ヒーターの通電を停止するとＣ部分の温度は低下したが、Ｂ部分は加熱されたままであった。１６時にＢ部分ヒーターの通電を停止する（トリガー作動）とＢ部分の温度が低下し、４０℃以下になるとＡ部分の内部にある蓄熱材の結晶を種結晶としてＢ部分の過冷却状態の蓄熱材が凝固（結晶化）してＢ部分が発熱し、続いてＢ部分の中の結晶を種結晶としてＣ部分の中の蓄熱材が凝固し、Ｃ部分（３３℃まで低下）が発熱した。Ｃ部分の温度は４３〜４８℃であった。これ以降はコントローラーの自動制御運転に切替えた。２３時にはＢ部分の温度は３７．７℃であり、自動制御による通電開始は０時３５分であった。２３時より１時間３５分遅延されていた。
【００２４】
実施例２
実施例１の試験体を蓄熱体として用いた。実施例１と同じコントローラーを用い、その自動運転により深夜電力時間帯に加熱され、７時にＣ部分のヒーターが通電停止された。Ｂ部分は加熱したままで、次の深夜電力時間帯に至った。（トリガー作動されなかった。）Ｃ部分の温度は１７時に３７．０℃、２３時に３２．５℃に低下した。自動制御による通電開始は４時３０分であり、２３時より５時間３０分遅延されていた。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、潜熱蓄熱材を用いた蓄熱装置において、ＯＮ／ＯＦＦ制御より消費電力が少なく、かつ施工後の実測を必要とすることなく、蓄熱時の通電開始時刻の制御を行うことができるので、工業的に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】蓄熱材の熱量−温度曲線を示す。○印は測定点を示す。実線は各領域の近似曲線を示す。
【図２】試験体容器の形状を示す。

Claims (4)

1. 過冷却の存在する潜熱蓄熱材を用いた蓄熱装置であって、深夜電力時間帯開始直前から所定時間間隔で測定した蓄熱材温度と、設定された加熱時到達最高温度と、から潜熱蓄熱材の凝固時の熱量−温度曲線に近似し、温度の低下と共に熱量が単調に減少し、かつ、潜熱蓄熱材の凝固時の熱量−温度曲線を融液領域と固液共存領域において別々に定められた曲線および／または直線を表す二以上の特性式を用いて、蓄熱材を加熱する電気ヒーターの通電所要時間を算出し、該電気ヒーターへの通電開始時刻を調節することを特徴とする蓄熱装置の蓄熱時における通電制御方法。
2. 潜熱蓄熱材が過冷却領域を有し、トリガー作動がない場合は融液領域の特性式を用い、トリガー作動がある場合は融液領域と固液共存領域とを含む特性式を用いる請求項１に記載の通電制御方法。
3. 前記潜熱蓄熱材は硫酸ナトリウム１０水塩、リン酸水素ニナトリウム１２水塩、酢酸ナトリウム３水塩、塩化カルシウム６水塩、硝酸カルシウム４水塩からなる群から選ばれるいずれか１種である請求項１又は２に記載の通電制御方法。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の通電制御方法を用いて通電制御を行う蓄熱式床暖房装置。

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