JP6062498B1

JP6062498B1 - 農業栽培施設の温度調節装置

Info

Publication number: JP6062498B1
Application number: JP2015130914A
Authority: JP
Inventors: 高杉　真司; 真司高杉
Original assignee: ジオシステム株式会社
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: JP2017012054A

Abstract

【課題】日光により温められたハウス内の熱を地中内に一時的に蓄熱し、状況に応じて地中に蓄えた熱をハウス内に戻すことにより、効率的に熱エネルギーを利用することができる農業栽培施設の温度調節装置を提供する。【解決手段】蓄熱用の第１循環路６とは別に、蓄熱層４に蓄熱された熱をハウス２内に戻す第２循環路８を備え、熱源側回路８１と利用側回路８４との間に中間回路８２（ヒートポンプユニット）を設け、地中熱とヒートポンプユニットとを組み合わせたハイブリッド熱源を用いて農業栽培施設の温度調節する。【選択図】図１

Description

本発明は、農業栽培施設の温度調節装置に関し、さらに詳しく言えば、昼間にハウス内で温められた熱を地中に蓄熱し、夜間に蓄熱した熱を用いてハウス内を温める地中熱熱交換装置に関する。

農業用ハウスは、栽培する農作物に応じてハウス内の温度を一定に保つ必要があるため、冷暖房機器を使ってハウス内を調温している。しかしながら、冷暖房機器には主に電力や火力を用いるため、その運用コストが嵩む。

そこで、近年では年間を通して安定した地中熱を利用してハウス内を温める地中熱熱交換装置が注目されている。その一例として、例えば特許文献１には、ハウス内の空気を取り込む吸気用パイプと、空気を吐き出す排気用パイプと、地中に埋設される熱交換パイプとを備え、吸気パイプから取り込んだ空気を、熱交換パイプにて地中熱と熱交換したのち、排気パイプからハウス内に排気するようになっている。

これによれば、送風ファンの電力のみで地中熱により調温された一定温度の空気をハウス内に吹き出すことができ、常に安定した室内温度を得ることができる。しかしながら、特許文献１に記載の方法では、室温を地中熱温度よりも高くすることはできず、さらに温度を高くしたい場合には、暖房機器を必要とする。

他方において、農業用のハウスは、日中の日照時間が短い冬場であっても、天候がよいとハウス内の気温が３０℃を越えることがあり、ハウス内の温度が上がり過ぎた場合には、窓を開けて熱を外に逃がしている。したがって、昼間は、温められたハウス内の空気を外に捨てており、逆に、夜間は暖房機器を用いてハウス内の温度を上げているため、熱効率が悪い。

特開２００５−９４４８６号公報

そこで、本発明の課題は、ハウス内で太陽光で温められた熱を地中内に一時的に蓄えたのち、その蓄えた熱を必要に応じてハウス内に戻すことにより、より効率的に熱エネルギーを利用することができる農業栽培施設の温度調節装置を提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明は、採光部を有する農業用のハウス内に配置される放熱器と熱源とを含み、上記ハウス内の温度が所定の設定温度以下になった場合に、上記熱源が有する熱を上記放熱器より上記ハウス内に放熱する農業栽培施設の温度調節装置において、
上記ハウス内に配置される採熱器と、地中に掘削された地中熱熱交換井と、上記地中熱熱交換井内に配置される主熱交換器と、上記採熱器と上記主熱交換器との間で所定の熱媒体を循環させる第１循環路と、上記放熱器と上記主熱交換器との間で所定の熱媒体を循環させる第２循環路とを備え、上記採熱器には、熱媒体流入側の第１端管と熱媒体流出側の第２端管との間に可撓性を有する複数本のパイプを並列的に接続してなる面状熱交換器が用いられ、上記第２循環路は、上記主熱交換器を含む熱源側回路と、上記放熱器を含む利用側回路と、上記熱源側回路と上記利用側回路とを熱的に接続する中間回路とを備え、上記利用側回路には、上記採熱器および開閉弁を含む分岐回路が上記放熱器に対して並列に接続されており、上記開閉弁の開時に上記採熱器に熱媒体が供給され、上記採熱器より上記利用側回路内の熱媒体が有する熱が上記ハウス内に放熱されることを特徴としている。

本発明において好ましくは、上記中間回路として、上記熱源側回路に対して凝縮器として作用する第１副熱交換器、上記利用側回路に対して蒸発器として作用する第２副熱交換器および冷媒圧縮機を含むヒートポンプユニットが用いられる。

本発明によれば、昼間に日光で温められたハウス内の熱を地中の蓄熱層に蓄熱し、ハウス内が冷える夜間に地中に蓄熱された熱をハウス内に還元することにより、より安価なコストでハウス内を温めることができる。さらには、ヒートポンプユニットを利用してハイブリッドで加熱することにより、より効率的に加熱することができる。

本発明の一実施形態に係る農業栽培施設の温度調節装置の構成を示す模式図。上記地中熱熱交換装置の採熱器の構造を模式的に示した模式図。（ａ）上記採熱器を農業用ハウスの側壁に沿って配置した状態の模式図，（ｂ）上記採熱器を高設栽培用の台座の脚部に沿って配置した状態の模式図。昼間の蓄熱運転時の動きを示す模式図。夜間の放熱運転時の動きを示す模式図。

次に、本発明の実施形態について、図１〜図５を参照して説明するが、本発明はこれに限定されない。

図１に示すように、本発明の温度調節装置１は、農業用ハウス２（以下、単にハウス２とする）内に設置される採熱器３と、地中内に設けられた蓄熱層内４に埋設される第１熱交換器５（主熱交換器）と、第１採熱器３と第１熱交換器５との間で所定の熱媒体を循環させる第１循環路６と、温度調節装置１の運転を制御する制御部１０とを備えている。

この実施形態において、ハウス２は、図３に示すように、金属パイプ製の支柱フレーム２１をアーチ状に折り曲げ、所定の間隔をもって地面に垂直となるように差し込んだのち、ビニールシート２２を被せることにより直方ドーム状に形成されている。ハウス２２には、ハウス２内の温度を計測する室温センサ２３が設置されている。

この実施形態において、ハウス２は、いわゆるビニールハウスであるが、例えば樹脂パネルや木造などの家屋状であってもよく、屋内栽培型農業ハウスであれば、ビニールハウス以外の態様も本発明に含まれる。

図２を併せて参照して、採熱器３は、熱媒体流入側の第１端管３１と熱媒体流出側の第２端管３２との間に、可撓性を有する複数本のポリエチレン製の細パイプ３３を並列的に接続してなる面状熱交換器（カーペット状熱交換器）からなる。

この実施形態において、採熱器３には、パイプ３３をシート状に束ねておくための梁部３４が設けられている。この種のカーペット状熱交換器の一例としては、ダイカポリマー社製の商品名「Ｇ−カーペット」が好適に用いられるが、これ以外であってもよい。

図３（ａ）を参照して、採熱器３は、ハウス２の側壁２２１に沿って縦置き状に立て掛けられている。採熱器３を立て掛けるに当たっては、図示しない支柱を地面からほぼ立てておき、そこに固定紐などを用いて、採熱器３を括り付けることで取り付けられる。

また別の方法として、ハウス２内に設けられた畝２４と畝２４の間に支柱を立てて、そこに採熱器３を立設してもよい。このように採熱器３は、畝２４に対して日光の照射を遮るような場所でなければ、その設置位置は任意に設定可能である。

さらに別の態様としては、図３（ｂ）に示すように、このハウス２には、高設栽培用の台座２５が設置されており、台座２５の脚部２５１に沿って採熱器３が立て掛けられている。これによれば、農作物への日光を遮ることなく、熱を効率的に回収することができる。

蓄熱層４は、地表面Ｇから所定の深さに掘削された掘削穴であって、その内部には、砕石や砂利、目砂などの充填材４１が充填されている。蓄熱層４の形状や深さなどは、仕様に応じて任意に変更されてよい。また、蓄熱層４の設置場所は、省スペースの観点からハウス２の下に設置することが好ましいが、ハウス２の外の地下に設けてもよい。

さらには、また、充填材４１は、蓄熱層４の蓄熱効率を高める蓄熱材として砂などが充填されているが、例えば水などを満たしてもよく、充填材４１の仕様についても、蓄熱層４の蓄熱能力や使用する第１熱交換器５の仕様に応じて任意に変更されてよい。

第１循環路６は、採熱器３と第１熱交換器５とを直列で接続する第１循環パイプ６１と、第１循環パイプ６１内を流れる熱媒体を一方向に向かって循環させる第１循環ポンプ６２と、第１循環路６を開閉する第１開閉弁６３と、第１循環路６内を流れる熱媒体の温度を測定する第１温度センサ６４とを備えている。

ハウス２内にはさらに、採熱器３とは別に放熱器７が設置されている。放熱器７は、いわゆるラジエターであって、内部に図示しないラジエターファンを備えている。放熱器７も制御部１０によって制御される。

放熱器７は、第１循環路６とは別に第１熱交換器５との間で所定の熱媒体を循環させる第２循環路８に接続されている。この実施形態において、第１循環路６および第２循環路８内を流れる熱媒体としては、水に不凍液（プロピレングリコールなど）を混ぜた循環液が用いられるが、熱媒体は液体であれば種類は選ばない。

第２循環路８は、第１熱交換器５を含む熱源側回路としての熱源側回路８１と、放熱器７を含む利用側回路８４と、熱源側回路８１と利用側回路８４とを熱的に接続する中間回路８２とを備えている。

熱源側回路８１は、第１熱交換器５と放熱器７とに接続される閉ループ回路であって、その一部には、第２循環ポンプ８１１と第２開閉弁８１２と、熱源側回路８１内を流れる熱媒の温度を計測する第２温度センサ８１３とが設けられている。第２循環ポンプ８１１、第２開閉弁８１２も制御部１０によって運転が制御される。

中間回路８２は、熱源側回路８１に対して凝縮器として作用する第１副熱交換器８３と、利用側回路８４に対して蒸発器として作用する第２副熱交換器８５と、冷媒圧縮機８２１とを含むヒートポンプユニットからなる。

中間回路８２は、冷媒ガスが流れる閉ループ回路８２４にコンプレッサ８２１を備えた冷凍サイクル回路であって、低温の熱源（この例では地中熱）から熱を吸収して、高温の熱源を加熱するヒートポンプユニットである。中間回路８２には、第３温度センサ８２３が設けられている。コンプレッサ８２１も制御部１０によって運転が制御される。

この実施形態において、中間回路８２は、熱源側回路８１を流れる熱媒体と中間回路８２内を流れる熱媒体とを第１副熱交換器８３で熱交換したのち、冷凍サイクルによって加熱し、第２副熱交換器８５でさらに熱交換するが、ヒートポンプユニットに代えて電気式や石油燃焼式の加熱装置が用いられてもよい。

この実施形態において、第１熱交換器５は、１台の第１熱交換器５に第１循環パイプ６１と熱源側回路８１の両方が接続されているが、第１熱交換器５を２台用意し、一方を第１循環パイプ６１に接続し、他方を熱源側回路８１に接続し、両方を蓄熱層４に埋設してもよい。

利用側回路８４は、第２副熱交換器８５と放熱器７とを接続する閉ループ回路８４１を有し、閉ループ回路８４１には、第３ポンプ８４２と第３開閉弁８４３とを備えている。利用側回路８４にはさらに、放熱器７に対して採熱器３および第１開閉弁６３を含む分岐回路８４４が並列に接続されている。

これによれば、第１開閉弁６３を開とし、第３開閉弁８４３を閉として、第３ポンプ８４２を駆動することにより、採熱器３に利用側回路８４の熱媒体が供給され、採熱器３より利用側回路内の熱媒体が有する熱をハウス２内に放熱することもできる。

次に、図４を参照しながら、まず、昼間の蓄熱運転時における運転手順の一例を説明する。まず、制御部１０は、室温センサ２３を用いてハウス３内の温度（Ｔ１）を計測し、さらに第１温度センサ６４を用いて第１循環路６内を流れる熱媒体の温度（Ｔ２）を測定する。

次に、制御部１０は、室温センサ２３の測定値（Ｔ１）と第１温度センサ６４の測定値（Ｔ２）が所定の温度差以上（Ｔ１−Ｔ２≧Ｔａ、例えばＴａ＝５℃）であると判断した場合、まず、第２開閉弁８１２が「閉」、第２循環ポンプ８１１が「ＯＦＦ」であることを確認したのち、第１開閉弁６３を「開」、第１循環ポンプ６２を「ＯＮ」とする。

これにより、熱媒体が、採熱器３→第１循環路６→第１熱交換器５→第１循環路６→採熱器３の順に一方向に流れることにより、ハウス２内の熱が採熱器３から第１熱交換器５に移動し、第１熱交換器５から蓄熱層４に蓄熱される。

制御部１０は、第１温度センサ２３の測定値（Ｔ１）と第１温度センサ６４の測定値（Ｔ２）が所定の温度範囲内であると判断した場合には、蓄熱層４への蓄熱が十分行われたと判断して、第１開閉弁６３を「閉」、第１循環ポンプ６２を「ＯＦＦ」として蓄熱運転を停止する。なお、制御部１０は、図示しないタイマーにより設定時間に応じて蓄熱運転を行ってもよい。

次に、制御部１０は、ハウス２内の温度が所定の設定温度まで冷えると、蓄熱した熱をハウス２内に戻す放熱運転が行われる。

図５に示すように、制御部１０は、まず、第１開閉弁６３を「閉」、第１循環ポンプ６２を「ＯＦＦ」となっていることを確認したのち、室温センサ２３の測定値（Ｔ１）が所定の設定温度以下であると判断した場合には、第２開閉弁８１２を「開」、第２循環ポンプ８１１を「ＯＮ」、さらに第３ポンプ８４２を「ＯＮ」、第３開閉弁８４３を「開」とし、さらに放熱器７の図示しないラジエターファンをＯＮとする。

さらに制御部１０は、中間回路８２のコンプレッサー８２１を「ＯＮ」とし、第１副熱交換器８３で温められた冷媒をヒートポンプにより加熱したのち、第２副熱交換器８５にて利用側回路８４内を流れる熱媒体と熱交換する。これによれば、地中熱とヒートポンプによるハイブリッド運転により、地中熱を有効的に利用して、ハウス２内を暖房することができる。

これによれば、蓄熱層４で蓄熱された熱は、第１熱交換器５→熱源側回路８１→第１副熱交換器８３（凝縮器）→中間回路８２→第２副熱交換器８５（放熱器）→利用側回路８４→放熱器７の順路を経てハウス２内に戻される。

また、第１開閉弁６３を「開」、第３開閉弁８４３を「閉」として、第３ポンプ８４２を「ＯＮ」すれば、採熱器３に利用側回路８４の熱媒体が供給され、採熱器３より利用側回路内の熱媒体が有する熱をハウス２内に放熱することもできる。

この実施形態において、蓄熱運転時は昼間行われ、放熱運転時は夜間に行う場合について例示したが、曇天や降雪時などの昼間でも気温が上がらない場合には、地中熱を用いた放熱運転を行ってもよい。

本発明によれば、昼間日光により温められたハウス内の熱を蓄熱層に蓄熱し、ハウス内が冷える夜間に地中に蓄熱された熱をハウス内に還元することにより、より安価なコストでハウス内を温めることができる。さらには、ヒートポンプユニットを利用してハイブリッドで加熱することにより、より効率的に加熱することができる。

１地中熱熱交換装置
２農業用ハウス
３採熱器
４蓄熱層
５第１熱交換器（主熱交換器）
６第１循環路
７放熱器
８第２循環路
８１熱源側回路
８２中間回路（ヒートポンプユニット）
８３第１副熱交換器
８４利用側回路
８５第２副熱交換器

Claims

採光部を有する農業用のハウス内に配置される放熱器と熱源とを含み、上記ハウス内の温度が所定の設定温度以下になった場合に、上記熱源が有する熱を上記放熱器より上記ハウス内に放熱する農業栽培施設の温度調節装置において、
上記ハウス内に配置される採熱器と、地中に掘削された地中熱熱交換井と、上記地中熱熱交換井内に配置される主熱交換器と、上記採熱器と上記主熱交換器との間で所定の熱媒体を循環させる第１循環路と、上記放熱器と上記主熱交換器との間で所定の熱媒体を循環させる第２循環路とを備え、
上記採熱器には、熱媒体流入側の第１端管と熱媒体流出側の第２端管との間に可撓性を有する複数本のパイプを並列的に接続してなる面状熱交換器が用いられ、
上記第２循環路は、上記主熱交換器を含む熱源側回路と、上記放熱器を含む利用側回路と、上記熱源側回路と上記利用側回路とを熱的に接続する中間回路とを備え、上記利用側回路には、上記採熱器および開閉弁を含む分岐回路が上記放熱器に対して並列に接続されており、上記開閉弁の開時に上記採熱器に熱媒体が供給され、上記採熱器より上記利用側回路内の熱媒体が有する熱が上記ハウス内に放熱されることを特徴とする農業栽培施設の温度調節装置。
上記中間回路として、上記熱源側回路に対して凝縮器として作用する第１副熱交換器、上記利用側回路に対して蒸発器として作用する第２副熱交換器および冷媒圧縮機を含むヒートポンプユニットが用いられることを特徴とする請求項１に記載の農業栽培施設の温度調節装置。