JP2006336886A - 複合式ヒータおよび該複合式ヒータを備えた暖房システム - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い複合式ヒータを提供する。
【解決手段】ヒータ１は、内部を温水が流れる温水パイプ１ａと、温水パイプ１ａと同軸に、温水パイプのない周面に接して固定された金属管１ｂとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、床暖房といった建物内の暖房に好適に用いられる複合式ヒータ、および複合式ヒータを備えた暖房システムに関する。

床暖房システムは、温水式と電気式に大別される。温水式の床暖房システムは、床下地と床仕上げ材との間に敷設された、温水パイプを内蔵したパネルを有し、ボイラー、ヒートポンプあるいは燃料電池等の熱源器で発生した熱を利用して温水を製造し、製造した温水を温水パイプに循環させることで室内の暖房を行う。電気式の床暖房システムは、床下地と床仕上げ材との間に敷設された、電熱ヒータを内蔵したパネルを有し、電熱ヒータに通電することによって室内の暖房を行う。

さらに、特許文献１には、温水パイプの全長にわたって電熱ヒータとして銅線を内挿した暖房装置が開示されている。この暖房装置によれば、銅線に通電することによって、温水パイプ内に充填された水を加熱し暖房を行う。銅線は、十分な発熱量を得るために、直径が０．３〜０．５ｍｍといった極細の線が用いられる。
特開平１０−３０６９２６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたものは、極細の銅線を温水パイプの全長にわたって内挿した構成であり、温水パイプへの銅線の挿入時、温水パイプの設置時、および設置後における銅線の熱膨張／収縮の繰り返し等によって、銅線が切れてしまうおそれがある。また、夜間の暖房については安価な深夜電力を利用できるが、昼間の暖房については電力料金の関係から暖房コストがかさんでしまう。

一方、温水式の暖房システムでは、製造した温水は給湯にも用いており、使用量の変化に柔軟に対応するため、製造された温水を貯える貯湯タンクを有している。

熱源器として電気式ヒートポンプを用いた場合、電力料金を考慮して温水を深夜に製造し、貯湯タンクに貯えておくことが行われている。温水の製造には所定の時間を要するため、湯切れを起こさないために昼間の使用量（給湯量）に合わせて貯湯タンクの容量を大きくすると、給湯タンクの設置場所をとるといったデメリットが発生する。また、貯湯タンク内の温水を給湯に使用せず温水量が減らないまま長時間が経過した場合や、暖房のみを行い、放熱によって温度低下した温水が貯湯タンク内に戻ってきた場合は、貯湯タンク内の温水の温度が低下してしまう。そこで貯湯タンク内の温水を再加熱する必要があるが、貯湯タンク内の温水を再加熱することによって、新たなコストが発生する。しかも、再加熱された温水は、暖房に用いるために建物内に引き込まれる間に温度低下し、熱的なロスが生じる。

熱電併給型のコージェネシステムや家庭用燃料電池を熱源器に用いた場合、安定した発電効率を維持するためには、定常運転が必要であり、温水の吐出量はほぼ一定となる。また、発電効率を高めれば高めるほど、発生する熱は減り、温水の吐出量が減る。温水の吐出量を夏場の使用量に合わせると、夏場は暖房を使用せず給湯での使用が大部分なので、冬場に暖房による使用量が加算され、湯切れを起こしてしまう。逆に、冬場の暖房による使用量も考慮して発電能力や貯湯能力を大きくすると、夏場に温水が余ってしまい、その余剰を処理できなくなる。また、留守宅など電力消費量が低下した際の余剰電力は、貯湯タンク内の温水の再加熱に利用することができるが、結局は徐々に放熱されてしまうといったロスが生じる。

そこで本発明は、信頼性が高く、かつ高効率な暖房を可能とする複合式ヒータおよびそれを用いた暖房システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の複合式ヒータは、内部を温水が流れる温水パイプと、温水パイプの外周面または内周面に接して固定された、通電により発熱する発熱体とを有する。

また本発明の複合式ヒータは、内部を温水が流れる温水パイプと、上面に溝が形成され、この溝に温水パイプを収容したパネル状の基材と、基材の上面、下面、または内部に固定された、通電によって発熱する発熱体と、基材の上面を覆って設けられた均熱材とを有する。

本発明の複合式ヒータでは、発熱体は、温水パイプの外周面またはない周面に接して固定され、あるいはパネル状の基材に固定されている。このように、発熱体を温水パイプまたは基材に固定することで、発熱体の位置が安定し、結果的に発熱体の断線が防止される。発熱体を温水パイプに固定したものはパイプ状ヒータとして構成され、発熱体を基材に固定したものはパネル状ヒータとして構成される。ただし、パイプ状ヒータにおいても、発熱体が固定された温水パイプをパネル状の基材に収容し、パネル状ヒータとすることもできる。発熱体としては、パイプ状ヒータでは金属管やヒーティングケーブルを好ましく用いることができ、パネル状ヒータでは面状発熱体を好ましく用いることができる。

本発明の暖房システムは、上記本発明の複合式ヒータと、水を加熱することにより温水を製造する熱源器と、熱源器によって製造された温水を貯留する貯湯ユニットと、貯湯ユニット内の温水を複合式ヒータとの間で循環させるための温水配管と、複合式ヒータの発熱体の駆動を制御する制御部とを有する。

本発明の暖房システムでは、複合式ヒータは、温水パイプと発熱体とを有しているので、熱源器で製造された温水を温水パイプに流すことによる暖房も可能であるし、発熱体への通電による暖房も可能である。また、発熱体に通電することによって、温水パイプ内の温水が加熱され、それを貯湯ユニットとの間で循環させれば、貯湯ユニット内の温水の温度低下が抑制される。従って、制御部によって発熱体の駆動を適宜制御することにより、貯湯ユニット内の温水の再加熱は不要であり複合式ヒータ内の温水を直接加熱できるので、貯湯ユニットから複合式ヒータまでの間のロスがなくなり、結果的に高効率の暖房が可能となる。

具体的には、貯湯ユニットは、温水を貯留するタンクと、タンク内の温水の温度を測定する温度センサとを有し、制御部は、測定された温度が通電制御温度よりも低いときに発熱体に通電させ、測定された温度が通電制御温度以上のときには発熱体への通電を停止させる。これにより、貯湯ユニット内の温水の温度がほぼ一定に保たれ、貯湯ユニット内の温水の再加熱が不要となる。また、暖房での使用を考慮して過剰にタンク容量を大きくする必要はなくなるので貯湯ユニットの小型化が可能となる。

以上のように、本発明によれば、製造中や使用中に発熱体が断線することのない信頼性の高い複合式ヒータを達成することができる。また、本発明の複合式ヒータを用い、温水による暖房だけでなく、発熱体への通電による暖房および温水の加熱を行えるようにすることで、効率のよい暖房を達成することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態による複合式ヒータの斜視図である。図１に示すヒータ１は、温水パイプ１ａと、温水パイプ１ａと同軸に、温水パイプ１ａの内面に接して固定された金属管１ｂとを有する。金属管１ｂは、発熱体として機能するものであり、金属管１ｂに通電することで発熱する。金属管１ｂを構成する金属としては、通電によって発熱する適宜金属を用いることができる。金属管１ｂの内面には、防水絶縁処理が施されている。温水パイプ１ａは、放熱効果を有するものであれば、金属や合成樹脂など任意の材料で構成することができる。

ヒータ１は、室内の暖房用、特に床暖房用に用いることができる。ヒータ１を床暖房に使用する場合、ヒータ１は、床下地（不図示）の上に適宜引き回しパターンで引き回されて敷設され、その上にさらに床仕上げ材（付図示）が敷設される。ヒータ１を引き回すために、ヒータ１は、それ自身が可撓性を有するものとされるか、あるいは直線形状や曲線形状、屈曲形状など適宜形状のものを用意しておき、これらを組み合わせて所定のパターンとされる。

以上のように構成されたヒータ１によれば、ボイラー、ヒートポンプあるいは燃料電池等の熱源器で発生した熱を利用して製造された温水は、貯湯タンク（不図示）に一旦貯えられた後、ヒータ１の中を通って流れ、その間の放熱によって室内を暖房する。また、このヒータ１によれば、金属管１ｂへ通電して金属管１ｂを発熱させることによっても、ヒータ１内の温水を加熱することができる。つまり、ヒータ１自身の加熱によって、温水を加熱することができる。ここで、発熱体として温水パイプ１ａの内面に接して固定された金属管１ｂを用いているので、温水パイプ１ａに対する位置が安定し、施工時や使用中に発熱体が断線するおそれはない。

ヒータ１は、そのまま床下地上に敷設してもよいが、実際の施工においては、施工の容易性の観点からパネルに組み込んで構成するのが望ましい。図２Ａに、ヒータ１を備えたパネル１０の一例の平面図を示す。また、図２Ｂに、図２ＡのＢ−Ｂ線断面図を示す。

パネル１０は、板状の基材１２と、基材１２の表面を覆って貼り付けられた均熱板１３と、基材１２と均熱板１３との間に配されたヒータ１とを有する。基材１２としては、パネル１０に必要な機械的強度および断熱性能を確保できるものであれば任意の材料を用いることができ、例えば、発泡樹脂板が用いられる。また、基材１２の構造についても任意であり、単層構造であってもよいし積層構造であってもよい。基材１２の上面には溝１２ａがヒータ１の引き回しパターンに応じて形成されており、ヒータ１は、この溝１２ａ内に収容されている。均熱板１３は、ヒータ１から発生した熱を面内方向に均一に分散して床仕上げ材に伝えるものであり、溝１２ａ内にヒータ１が収容された状態で基材１２の上面を覆っている。均熱板１３としては、アルミニウムや銅といった金属製の箔あるいは板などを用いることができる。

床暖房へのパネル１０の適用に際しては、ヒータ１が１本の温水流路を形成するように、複数のパネル１０を継ぎ合わせる。そのため、パネル１０の端面にはヒータ１の両端が露出しており、隣り合うパネル１０同士は、ヒータ１の端部が接続されるように接合される。ヒータ１の端部の接続には、温水の漏れを防止し、かつ、金属管１ｂ同士が電気的に接続されるようにジョイント等を用いる。

図３および図４に、本発明による複合式ヒータの他の例を示す。

図３に示すヒータ２は、発熱体である金属管２ｂを温水パイプ２ａと同軸に温水パイプ２ａの外周面に接して固定している。発熱体を温水パイプ２ａの外周面に配することで、発熱体が温水と接触しなくなるので、発熱体として金属管２ｂを用いた場合であっても金属管２ｂに防水処理を施す必要はなくなる。また、温水パイプ２ａとして合成樹脂管など絶縁性材料を用いれば、絶縁処理も不要である。

図４に示すヒータ３は、温水パイプ３ａの外周面に、発熱体であるヒーティングケーブル３ｂを螺旋状に巻き付けて固定したものである。この構成によれば、温水パイプ３ａおよびヒーティングケーブル３ｂとして汎用のものを用いることができるという利点がある。なお、図４ではヒーティングケーブル３ｂを温水パイプ３ａの外周面に配した例を示したが、ヒーティングケーブル３ｂを温水パイプ３ａの内周面に螺旋状に接して固定してもよいし、管壁内に螺旋状に埋設してもよい。

図５に、本発明によるヒータパネルの他の例を示す。

前述した例では、温水パイプ自身が発熱体を有するものを示したが、本例では、発熱体は温水パイプと別に構成されている。具体的には、パネル２０は、基材２２と、基材２２に収容された温水パイプ２１と、基材２２の上面を覆って固定された面状発熱体２４と、さらに面状発熱体２４を覆って設けられた均熱板２３とを有する。

温水パイプ２１は、一般的な温水式暖房システムに用いられるものと同様のものであり、基材２２に形成された溝の中に収容されている。面状発熱体２４は、特に限定されるものではないが、耐久性の観点から、炭素繊維を発熱抵抗体とするものを好ましく用いることができる。また、炭素繊維を発熱抵抗体とする面状発熱体２４を用いることで、温水パイプ２１内の温水を加熱するだけでなく、遠赤外線放射による室内の暖房効果も期待できる。面状発熱体２４の厚さは、好ましくは２ｍｍ以下、より好ましくは０．８ｍｍ以下である。このような面状発熱体２４としては、例えば、特開平８−２０７１９１号公報に開示されたような、非導電性繊維および導電性繊維の交点を接合してなる網目構造体の両端で導電性繊維と電極とを接続した後、樹脂に包埋あるいは繊維強化プリプレグシートを積層した繊維強化樹脂成形体が挙げられる。

基材２２および均熱板２３としては、前述したものと同様のものを用いることができるので、それらの説明は省略する。

ここでは、面状発熱体２４をヒータパネル２０の上面側に配した例を示したが、面状発熱体２４は基材２２の下面に固定してもよいし、基材２２の中に埋め込んでもよい。また、パネル２０に設ける発熱体としては、面状発熱体２４に限定されるものではなく、金属板やヒーティングケーブルなど、通電することによって発熱する種々の部材を用いることができる。

次に、本発明の複合式ヒータを用いた暖房システムについて説明する。

図６は、本発明による暖房システムの一例の模式的構成図である。図１に示す暖房システムは、水を加熱することにより温水を製造する熱源器１０１と、熱源器１０１によって製造された温水を貯える貯湯ユニット１０２と、複合式ヒータユニット１０３と、これらを制御する制御部１０４とを有する。熱源器１０１および貯湯ユニット１０２は、建物外に設置され、複合式ヒータユニット１０３は建物内に設置されている。また、建物内には、複合式ヒータユニット１０３の他に、キッチンユニット１０５、浴槽１０６といった給湯設備や、エアコン１０７、照明１０８といった電気製品が設置されている。

熱源器１０１には、例えば、燃料電池やガスエンジンといった発電ユニット、あるいはヒートポンプなどを用いることができる。

熱源器１０１として発電ユニットを用いた場合、発電用の燃料としてはガスを利用し、得られた電力は、エアコン１０７や照明１０８といった電気製品、および制御部１０４へ供給される。また、発電によって発生した熱を利用して温水が製造され、製造された温水は貯湯ユニット１０２内に貯えられる。発電ユニットを稼動させていない間は、電力会社から供給された電力が電気製品に供給される。

一方、熱源器１０１としてヒートポンプを用いた場合、電力会社から供給された電力によってヒートポンプが稼動され、大気中の熱を利用して温水を製造する。製造された温水は貯湯ユニット１０２内に貯えられる。

貯湯ユニット１０２は、温水配管によって、キッチンユニット１０５や浴槽１０６といった給湯設備、および複合式ヒータユニット１０３と接続され、貯湯ユニット１０２内に貯えられた温水は、必要に応じて、キッチンユニット１０５や浴槽１０６などの給湯設備で使用され、また、複合式ヒータユニット１０３に供給される。複合式ヒータユニット１０３に供給された温水は、複合式ヒータユニット１０３内の温水経路を通ったのち、戻り用の温水配管を介して貯湯ユニット１０２に戻される。

複合式ヒータユニット１０３は、例えば、図１に示したヒータ１、図２Ａに示したパネル１０、図５に示したパネル２０など、温水パイプと発熱体とを複合化した複合式ヒータを含み、ここでは床暖房パネルとして構成している。また、複合式ヒータは、設置される領域の面積や平面形状に応じて適宜組み合わせて設置される。複合式ヒータユニット１０３には、発熱体を駆動するために、電力会社から供給された電力あるいは発電ユニットから得られた電力が供給される。なそ、図６では、電力の経路を一点鎖線、水の経路を破線、温水の経路を太い実線で示している。

貯湯ユニット１０２は、温水を貯留するタンクと、タンクから温水を送り出すポンプと、タンク内の温水の温度を測定する温度センサとを有する。この暖房システムの動作中は、温度センサで測定された温水の温度が電気信号として制御部１０４へ送られ、制御部は測定された温度に基づいて、ポンプの動作および複合式ヒータユニット１０３への通電を制御する。

次に、上述した暖房システムの動作について説明する。

この暖房システムは、製造した温水を給湯用および暖房用に使用するものであるが、給湯時の動作は従来の温水式暖房システムと同様であるので説明は省略し、暖房時の動作について説明する。

暖房中は、複合式ヒータユニット１０３が動作している。複合式ヒータユニット１０３の動作中は、貯湯ユニット１０２のタンクと複合式ヒータユニット１０３との間を温水が循環している。この間、給湯によってタンク内の温水が使用されなければ、新たに温水が製造されないので、タンク内の温水の温度は時間の経過とともに低下する。

貯湯ユニット１０２内の温水の温度は、温度センサによってリアルタイムあるいは一定時間間隔で測定され、その結果が制御部１０４に送られる。制御部１０４には、複合式ヒータユニット１０３の通電を制御する基準となる通電制御温度が設定されており、測定された温度が通電制御温度以上である場合は、複合式ヒータユニット１０３の発熱体への通電は行わず、温水の循環のみによる暖房を行う。熱源器１０１により製造される温水の温度は、一般には６０℃〜８０℃であり、その場合、通電制御温度とは、例えば５０℃である。一方、タンク内の温水の温度が通電制御温度よりも低い場合は、複合式ヒータユニット１０３の発熱体へ通電し、それによって発生した熱で、複合式ヒータユニット１０３内の温水の加熱および暖房を行う。加熱された複合式ヒータユニット１０３内の温水は、貯湯ユニット１０２のタンク内へ戻り、タンク内の温水の温度を上昇させる。

以上のような制御を行うことで、給湯によって温水が使用されるか否かに拘わらず、貯湯ユニット１０２内の温水の温度がほぼ一定に保たれる。したがって、従来のように貯湯ユニット１０２内の温水の再加熱が不要となる。本例でも温度低下した温水の加熱のためにエネルギーを消費するが、従来のように貯湯ユニット１０２内の温水を加熱するのではなく、複合式ヒータユニット１０３内の温水を加熱するので、温水を加熱するのに用いたエネルギーの大部分を暖房に利用することができ、結果的に高効率の暖房システムが達成される。従来の温水式暖房システムでは、貯湯ユニット１０２内の温水を加熱するために用いたエネルギーのうち５０％程度は、温水を建物内に導入するまでの間に失われるといわれているが、本暖房システムではこのようなロスは殆ど生じない。

また、貯湯ユニット１０２内の温水の温度がほぼ一定に保たれることから、貯湯ユニット１０２のタンク容量を、暖房での使用による温度低下を考慮して過剰に大きくする必要はなく、熱源器１０１の発電能力または加熱能力に応じた最適な容量とし、タンクの容量を小さくすることができる。貯湯ユニット１０２のサイズの大部分はタンクが占めており、タンクの容量を小さくできることによって、貯湯ユニット１０２の小型化が達成される。

なお、上述した例では、通電制御温度を一定のものとして説明したが、暖房に用いるのに必要な温水の温度は熱負荷によっても変化する。

例えば、熱負荷が低い場合は、温水の温度が低くても十分に暖房に利用することができ、通電による加熱が不要な場合もある。

一方、熱負荷が高い場合は、給湯にも使用されるケースが多いため、温水の温度が高くても貯湯ユニット１０２のタンク内の温水が減少し、温水による暖房が十分に行えないこともある。この場合は、複合式ヒータユニット１０３への通電によって暖房を行ったほうが好ましい。また、熱源器１０１がヒートポンプの場合、温水を製造するための成績係数（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）は気温の低下とともに下がる傾向があり、配管からのロスを含めると、複合式ヒータユニット１０３の発熱体で直接暖めたほうが効率がよくなる場合もある。また、熱源器１０１が発電ユニットの場合、燃料使用量を電力会社からの電力料金とを比較したとき、電力料金のほうが安価であることがあり、その場合は複合式ヒータユニット１０３の発熱体への通電により暖房を行ったほうが効率的である。

そこで、熱負荷に応じて通電制御温度を変化させることが好ましい。熱負荷は、一般に気温に依存しており、気温が高いほど熱負荷は低くなり、気温が低いほど熱負荷は高くなる。従って、暖房システムは、気温を測定する気温センサ（不図示）をさらに備え、制御部１０４は、気温センサによる測定結果とタンク内の温度を測定する温度センサによる測定結果とに基づいて複合式ヒータユニット１０３への通電を制御するようにすることもできる。

熱負荷（気温）を考慮した通電制御温度の制御は、例えば、以下のようにして行うことができる。制御部１０４に、気温をパラメータとした通電制御温度のテーブルを予め持たせておく。このテーブルには、気温を、例えば、−３０℃から＋５０℃まで、５℃の温度範囲ごとにランク分けしておき、各ランクに対応して通電制御温度が定められている。通電制御温度は、全体として、気温が高くなればなるほど通電制御温度が低くなるように定められる。気温センサからの測定結果が電気信号として制御部１０４に送られると、制御部１０４は、送られてきた気温データから、テーブル内のランクに従って、通電制御温度を決定する。それ以降は、前述したのと同様に、決定した通電制御温度に基づいて、複合式ヒータユニット１０３への通電を制御する。気温が変化し、ランクが変わった場合は、新たなランクにより決定された通電制御温度に基づいて複合式ヒータユニット１０３への通電を制御する。

このように、熱負荷に応じて通電制御温度を変更することで、より効率的な暖房が可能となる。ここでは、気温に応じて制御部１０４が自動的に通電制御温度を変更させるものとしたが、ユーザがマニュアルで変更するようにしてもよい。

本発明の一実施形態による複合式ヒータの斜視図である。 図１に示すヒータを内蔵したパネルの一例の平面図である。 図２Ａに示すパネルのＢ−Ｂ線断面図である。 本発明による複合式ヒータの他の例を示す斜視図である。 本発明による複合式ヒータのさらに他の例を示す斜視図である。 パネルとして構成した本発明による複合式ヒータの他の例を示す断面図である。 本発明による暖房システムの一例の模式的構成図である。

符号の説明

１，２，３ ヒータ
１ａ，２ａ，３ａ，２１ 温水パイプ
１ｂ，２ｂ 金属管
３ｂ ヒーティングケーブル
１０，２０ パネル
１２，２２ 基材
１２ａ 溝
１３，２３ 均熱板
２４ 面状発熱体
１０１ 熱源器
１０２ 貯湯ユニット
１０３ 複合式ヒータユニット
１０４ 制御部

Claims (12)

1. 内部を温水が流れる温水パイプと、
   前記温水パイプの外周面または内周面に接して固定された、通電により発熱する発熱体とを有する複合式ヒータ。
2. 前記発熱体は、前記温水パイプと同軸に設けられた金属管である、請求項１に記載の複合式ヒータ。
3. 前記発熱体は、前記温水パイプの外周面、内周面または管壁内に螺旋状に設けられたヒーティングケーブルである、請求項１に記載の複合式ヒータ。
4. 上面に溝が形成され、該溝に前記温水パイプを収容したパネル状の基材と、前記基材の上面を覆って設けられた均熱材とをさらに有する、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の複合式ヒータ。
5. 内部を温水が流れる温水パイプと、
   上面に溝が形成され、該溝に前記温水パイプを収容したパネル状の基材と、
   前記基材の上面、下面、または内部に固定された、通電によって発熱する発熱体と、
   前記基材の上面を覆って設けられた均熱材とを有する複合式ヒータ。
6. 前記発熱体は面状発熱体である、請求項５に記載の複合式ヒータ。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の複合式ヒータと、
   水を加熱することにより温水を製造する熱源器と、
   前記熱源器によって製造された温水を貯留する貯湯ユニットと、
   前記貯湯ユニット内の温水を前記複合式ヒータとの間で循環させるための温水配管と、
   前記複合式ヒータの発熱体の駆動を制御する制御部とを有する暖房システム。
8. 前記貯湯ユニットは、温水を貯留するタンクと、該タンク内の温水の温度を測定する温度センサとを有し、
   前記制御部は、測定された温度が予め設定された通電制御温度よりも低いときに前記発熱体に通電させ、測定された温度が前記通電制御温度以上のときには前記発熱体への通電を停止させる、請求項７に記載の暖房システム。
9. 前記通電制御温度は変更可能である、請求項８に記載の暖房システム。
10. 気温を測定する気温センサをさらに有し、前記制御部は前記気温センサで測定された気温に基づいて前記通電制御温度を変更する、請求項９に記載の暖房システム。
11. 前記熱源器は発電ユニットである、請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の暖房システム。
12. 前記熱源器はヒートポンプである、請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の暖房システム。

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