JP5848424B2

JP5848424B2 - 植物栽培用ハウスの冷暖房装置

Info

Publication number: JP5848424B2
Application number: JP2014209503A
Authority: JP
Inventors: 正治河合
Original assignee: ユニテック株式会社
Priority date: 2013-12-05
Filing date: 2014-10-10
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2034-10-10
Also published as: JP2015128416A

Description

この発明は、温室等の植物栽培用ハウスでの促成栽培や抑制栽培に好適な植物栽培用ハウスの冷暖房装置に関し、特に地下水や太陽熱などの自然エネルギーを利用して植物を栽培する植物栽培用ハウスの冷暖房装置に関するものである。

例えば、イチゴの促成栽培等においては、温室やビニールハウスなどの植物栽培用ハウス内で、マルチングなどのシートを培土の上に張って被せ、そこに苗を植え付けることにより、室内を加温するとともに地温をも加温することにより、冬季でも結実させることができるようにしたものが知られている。
しかしながら、寒冷地で冬季に例えば高級果実などの栽培を行う場合には、外気温が特に低いので、重油や軽油等の化石燃料を使用した暖房を行うことが必要であり、コストが大幅に上昇するとともに、地球温暖化や大気汚染をもたらす要因ともなっている。
そのようなビニールハウスの例を図１１に示す。図１１で明らかなように、外気との境は薄いビニールであるためほとんどの熱が放熱により失われ、暖房用の重油代が生産コストの４０％以上を占めるという現状がある。

そこで、特開平１１−２３５１３０号公報（特許文献１参照）には、汲み上げる地下水を送り込むパイプを太陽光が当たる場所に多数配設した太陽熱温水器と、この太陽熱温水器で加温された温水を貯蔵する蓄熱槽と、この蓄熱槽で蓄えられた温水を栽培しようとする植物が植えられた温室の室内及び／又は土中の加温用パイプへ供給するポンプとを備えたことを特徴とする植物栽培装置が提案されている。

また、図７（地中熱利用促進協会ホームページ、非特許文献１参照）には地中に埋設した熱交換器とヒートポンプとの間で水や不凍液を循環させ、昇温ないし冷却させた空気を室内に取り込むようにした地熱利用のヒートポンプシステムが提案されている。
しかしながら、ヒートポンプを用いたとしても、空気を用いて温室の空調を行うことには、その効率の面で大きな問題があることが判明した。

特開平１１−２３５１３０号公報

地中熱利用促進協会ホームページ(http://www.geohpaj.org/introduction/index1/types）

そこで、本発明者は地下水の持つ熱エネルギーが活用できないかと考えて、次のような予備実験を行った。
＜１．予備実験結果＞
図８（ａ）および（ｂ）は立方体の小型実験用チェンバーを示し、（ａ）は蓋を開いた状態、（ｂ）は取付状態のそれぞれ概略斜視図、（ｃ）は大型実験用チェンバーを示すそれぞれ概略斜視図である。
実験にはまず図８（ａ）に示す、５０ｃｍ角の小型の地下水を通水可能な側壁パネル１０１を制作した。そして熱交換用の内壁をこの側壁パネル１０１を４枚連結して構築し、底板１０２にはウレタンゴムシートを貼付し、天井は２重構造のアクリル透明板１０３を被せて蓋をすることにより、ほぼ立方体の密封したチェンバー１００を製作した。
これを通常のガラスハウス温室内に設置し、側壁パネル１０１内に１４．０℃の地下水を流した。温度は、外気温、ハウス内温度、チェンバー内中央部温度を１時間ごとに計測した。
同様に、図８（ｃ）に示すように９０ｃｍ×１８０ｃｍの大型の実験チェンバー２００を制作し、小型チェンバー１００と同じ条件で冬季の実験を行った。

図９は、小型チェンバーでの秋季の実験結果の一例を示すグラフである。
この実験は、山梨県都留市で２０１３年１０月２７〜２８日にかけて、小型チェンバーに地下水（温度１３．４℃）を３００ｍｌ／分の流量で流したものである。左側の数表は、１時間ごとの外気温・ハウス内温度・チェンバー内温度の計測値である。右側はその時系列変化を折れ線グラフにしたもので、無印が外気温、丸い点がハウス内温度、三角の点がチェンバー内温度である。
実験は２７日１０時丁度に側壁パネル内に地下水を流し始めた。このとき外気温は１５．９℃、ハウス内は３１．７℃であったが、小型チェンバー内は日照のため３６．６℃に上昇していた。しかし１時間後には水流の影響で２２．４℃に下がった。その後１４時までは外気温が２１．３℃まで上昇したが、日照の影響でハウス内は４０．５℃まで上昇した。しかし、小型チェンバー内は日照を受けたとはいうものの、２３．９℃が最高になった。注目すべきなのはチェンバー内温度が１７時項から翌朝まで１４．５℃±１℃位で安定し、横ばいになっていることである。この日は秋とはいえ冷え込んで、深夜には外気温の最低は５．５℃、ハウス内も８．５℃まで下がったが、チェンバー内は通水した地下水温の１３．４℃より下がらないという結果が得られた。

＜２．大型チェンバーでの冬季実験結果＞
図１０は、大型チェンバーでの冬季の実験結果の一例を示すグラフである。計測は２０１４年３月１１日１１時から１２日までの２６時間の温度計測結果である。１時間ごとの外気温・ハウス内温度・チェンバー内温度、流水温度の計測値の時系列を折れ線グラフにしたもので、無印が外気温、丸い点がハウス内温度、三角の点がチェンバー内温度、四角の点がパネルに流した地下水温である。１１日は昼間小春日和で昼間の気温は１５℃まで上昇した。しかし午後は上空に厳しい寒気団が入り、急速に気温が下がり、１２日の早朝にはマイナス８．６度まで冷え込んだ状況であった。本来の地下水温は１４℃前後であるが、ハウスまでの送水経路で若干外気温に影響されているようだが、１３．５〜１４．５℃とほぼ一定であった。夜間の外気温は−８．６℃まで下がったが、チェンバー内は１１．２℃以下にはならず、流水温に引きずられる感じで、２℃ほど低い状況で横ばいとなった。チェンバー内温度が流水によって一定に保たれることが証明されたと思う。１４時ごろのハウス内は日照により３０℃を越えている。チェンバー温度も若干している。チェンバーは上蓋が透明アクリル二重板になっているので、これも太陽光線照射によるものである。
実験結果により、地下水による温調技術が十分実用的であると証明された。

＜３．流水量の検討＞
次に、どのくらいの流水量で温調効果があるかを検討した。
表１は、水と空気の物性値データと熱容量の計算方法を示すものである。

水１ｍ³に蓄えられる熱量は４１７７ＭＪ／（ｍ³・Ｋ）で、空気１ｍ³では１．１２６ＭＪ／（ｍ³・Ｋ）となり、計算すると３，７１０倍（約４千倍）もの差がある。つまり、１リットルの水は３，７１０リットルの空気と同じ量の熱量を持つことになる。言い換えると水１リットルで１℃分の熱量では空気３，７１０リットルを１℃上昇できる。
縦横５ｍ×１０ｍで高さが３ｍの標準的なビニールハウスの体積（空気量）は１５０，０００リットルになるので、ハウス内の温度を１℃上昇させるには約４０リットルの水がいることになる。もし仮に外気温が０℃の時、ハウス内温度を１５℃まで上昇させるとすると、４０×１５＝６００となり、６００リットルの地下水が必要となる。この量を１分間に流すと（仮に熱交換が効率よく行われるとする）、計算上は１分間で０℃から１５℃まで上がることになる。
流す量を１０分の１にすると１０分間となり、１００分の１にすると１００分間でハウス内は１５℃に達することになる。早い遅いはさておき、いずれにせよハウス内温度は最終的には１５℃になる計算である。外気温の気温変動はゆっくり緩慢に変わっていくので、流水量は多くする必要はない。ちなみに一般家庭の水道を例に考える。バケツに水を入れる時のように大きめに蛇口をひねった場合は水量が３０リットル／分位なので、ハウス内を２０分間で０℃から１５℃まで上昇させることになる。この計算で、地下水による温度調節での使用水量が大量なものではなく、極めて現実的で容易に実現できることものであることが解った。
以上のように、空気によってハウス内温度を制御するのではなく地下水の持つ大きな比熱を利用するものであり、ヒートポンプやエアの送風などを行うことなく、ハウス内の室内空気と地下水との直接的熱交換により室温を制御することが本発明の主眼とするところである。
これを図示すると図１２に示すようになる。
すなわち、植物の生育に望ましい快適温度を約２０℃とすると、従来方法では冬季の外気温からボイラを用いて温める必要があり、多大な重油代が発生する。同様に夏季の外気温から快適温度にするため、エアコンを用いて快適温度まで冷房する必要があり、やはり多大な電気代が発生する。
他方、地下水・湧水を利用した場合、快適温度を約２０℃とすると、冬季の外気温から快適温度に近い１５℃まで地下水・湧水で温めることができる。そこから快適温度までは補助加熱で温めればよい。夏季の外気温から快適温度にするためには、地下水・湧水で冷せばよい。
言い換えると、冷房コストは０であり、暖房コストは補助加熱分のみであって従来方法の１／４以下とすることができる。
以上のように本発明では、床・天井・側壁に地下水を流して地下水に取り囲まれたような空間を作り、周囲の地下水と室内空気の熱交換によりハウス内の温度調節を行う。
前記地下水の循環には、床・天井・側壁に地下水が流れるパネルを使用する。
またハウス内の温度調節は、地下水と室内空気の直接的熱交換のみで行う。
細かい温度調節は、地下水の流量のオンオフと、流水温調節（湯を使う）で行う。
基本的には、流量を一定にしながら求める室温の地下水をパネルに流し続けるものとする。
なお、冷房時の室温の下がり過ぎ、暖房時の上がり過ぎは、パネル内の地下水の流れのオンオフで行う。

そこで、この発明は上記した事情に鑑み、冬季の場合には水温を効率よく昇温させることができ、また夏季においては湧水や地下水を有効に利用することにより効果的に冷房することができるようにした植物栽培用ハウスの冷暖房装置を提供することを目的とするものである。

すなわち、この発明の植物栽培用ハウスの冷暖房装置は、ハウスを囲む壁面および＼またはその内部に地下水が循環するジグザグの循環路を有する地下水循環パネルを配設した植物栽培用ハウスを備え、該植物栽培用ハウスの地盤内には断熱蓄湯槽を設置し、前記植物栽培用ハウスの地盤の外の前記断熱蓄湯槽よりも低い位置に貯水槽を設置するとともに、前記貯水槽に補助加熱装置を連結し、かつ前記地下水循環パネルと前記断熱蓄湯槽と前記貯水槽との間を循環パイプで連結して、温水および冷水を循環させるようにしたことを特徴とするものである。

この発明の植物栽培用ハウスの冷暖房装置は、前記断熱蓄湯槽と前記貯水槽との間を連結した循環パイプは、前記断熱蓄湯槽と前記貯水槽との間の上下に一対配設され、上部循環パイプにより温水を、また下部循環パイプにより冷水を循環させるようにしたことをも特徴とするものである。

以上説明してきたようにこの発明によれば、植物栽培用ハウスを湧水・地下水で効率的に温度管理することができる。
しかも太陽熱温水装置等の補助加熱装置で加温された温水を貯蔵する貯水槽および断熱蓄湯槽とで蓄えるようにすれば、従来のような化石燃料を使用しなくとも冬季や寒冷地での植物の栽培が可能となり、また夏季においても湧水・地下水を利用して非常に効率的に温度管理することができるようになった。
この発明の植物栽培用ハウスの冷暖房装置は非常に安い価格で施工することができる。
また非常に構造が単純である。
しかも、従来施設にパネルを貼るだけで良く、施工の手間がかからない。

植物栽培用ハウス部分の概略図である。（ａ）は地下水循環パネルの側面図、（ｂ）は地下水循環パネルを立設した状態の斜視図である。湧水・地下水と外気温との関係を説明するための概略図である。湧水・地下水で植物栽培用ハウス内を所定温度に保持するための湧水洞窟構造を示す概略図である。図５のより詳細な構造を示す概略図である。この発明の植物栽培用ハウスの冷暖房装置の１実施例を示す概略図である。従来の地熱利用のヒートポンプシステムの概略図である。（ａ）および（ｂ）は立方体の小型実験用チェンバーを示し、（ａ）は蓋を開いた状態の、（ｂ）は取付状態のそれぞれ概略斜視図、（ｃ）は大型実験用チェンバーを示すそれぞれ概略斜視図である。小型チェンバーでの秋季の実験結果の一例を示すグラフである。大型チェンバーでの冬季の実験結果の一例を示すグラフである。従来のビニールハウスにおける熱損失の状況を示す概略図である。地下水の持つ大きな比熱を利用し、ヒートポンプやエアの送風などを行うことなく、ハウス内の室内空気と地下水との直接的熱交換により室温を制御することのメリットを示す説明図である。

以下、この発明の好適な実施例について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、前記植物栽培用ハウス１１の断熱壁１１ａの内側に地下水循環パネル１２を配設した２重壁構造を示すものである。
すなわち、前記植物栽培用ハウス１１の外周には内壁用の地下水循環パネル１２ａが取り囲むように上部まで配設され、また屋根部分もビニール天井１１ｂと透明な地下水循環パネル１２ｂとの２重構造となっている。
また、前記植物栽培用ハウス１１の内部には複数列の培地２１が配置されており、その間には湧水溝２２が通されている。

図２（ａ）は、前記植物栽培用ハウス１１のハウスを囲む壁面およびその内部に配設した地下水循環パネル１２を連結する構造を示すものである。
図２（ａ）における地下水循環パネル１２は、内部に地下水が循環するジグザグの循環路３１が形成されたプラスチック製パネルで構成されている。もちろんその熱交換部位は、アルミその他の金属により形成され、熱交換効率の良い構造となっている。
そして、各地下水循環パネル１２の間は該循環路３１の端部に設けられた給水口３２に取り付けた接続コネクタ３３によって連結されている。３４は水導入口コネクタ、３５は水排出口コネクタである。
また図２（ｂ）は複数連結した地下水循環パネル１２を立設する状態を示すものであり、樋状の立設ガイド３６に地下水循環パネル１２をはめ込んで倒伏を防止するようになっている。

図３は、湧水・地下水を利用した冷暖房装置の機能の概略を示すものである。
すなわち、湧水・地下水は我が国においては、夏でも冬でもほぼ一定の水温であることが知られている。たとえば出願人の住所地である都留市においては、富士山の伏流水が採取可能であり、年間を通して１３℃〜１７℃の範囲内にあることが知られている。
したがって、夏の外気温が３５℃以上あっても、前記湧水・地下水を用いれば冷却することが可能である。
また、冬の外気温が氷点下であっても、前記湧水・地下水を用いて加温することが可能である。

したがって、図４に示すように植物栽培用ハウスのハウスを囲む壁面全体を地下水循環パネルで囲み、湧水で周辺を覆った湧水洞窟Ｃを作れば、夏に外気温が３５℃以上あっても前記湧水・地下水を用いれば約１５〜２５℃程度まで冷却することができ、また冬の外気温が氷点下であっても前記湧水・地下水を用いて一定の温度まで加温することができる。
図５を用いて前記湧水洞窟Ｃをより詳しく説明すると、前記植物栽培用ハウス４１のほぼハウスを囲む壁面全体を地下水循環パネル４２で囲み、地下水循環カーテン４２ａを前記植物栽培用ハウス４１の出入り口に開閉自在に設置してある。なお、天井部分には透明な地下水循環パネル４２ｂを設置してあり、日光で植物栽培を促進したり、ハウス内が昇温できるように日光を採光可能としてある。
また、植物栽培床４３の各列間には湧水を通水する湧水溝４４が配設してある。

図６に示すように、この発明の植物栽培用ハウスの冷暖房装置は、傾斜地Ｓに立設された植物栽培用ハウス１１を備えている。なお、前記傾斜地Ｓは南面に位置していることが望ましい。
ちなみに、前記植物栽培用ハウス１１のハウスを囲む壁面および＼またはその内部に地下水循環パネル１２を配設してある。該地下水循環パネル１２にはポンプＰを介して、年間を通して１３℃〜１７℃の湧水や地下水が供給され、循環されるようになっている。

そして、前記植物栽培用ハウス１１の傾斜地Ｓの地盤内には、所望の容積の断熱蓄湯槽１３が傾斜地Ｓに沿うように設置してある。一方、前記植物栽培用ハウス１１の地盤の外の前記断熱蓄湯槽１３よりも低い位置には貯水槽１４を設置してあり、該貯水槽１４上に補助加熱装置として、例えば太陽熱温水装置１５を用いて温水を蓄えることができるようになっている。
なお前記補助加熱装置として、太陽熱温水装置１５に代えて植物栽培用ハウス１１の外側にボイラまたは湯沸し器（図示せず）を設置し、該ボイラまたは湯沸し器に前記貯水槽１４を連結してもよい。
前記地下水は単独の配管で前記地下水循環パネル１２に循環させ、加熱して得た温水も地下水の配管とは別の系統で循環させてもよい。その場合には前記地下水循環パネル１２の循環を遮断弁や制御弁などにより調整することが望ましい。
また別の手段として、地下水と温水とを混合して所定の温度に調整した水や温水を循環させることもできる。

前記断熱蓄湯槽１３と前記貯水槽１４との間は循環パイプ１７で連結してある。該循環パイプ１７は、前記断熱蓄湯槽１３と前記貯水槽１４との間において上部循環パイプ１７ａと下部循環パイプ１７ｂとが上下に一対配置されている。
したがって、前記太陽熱温水装置１５で加温されて貯水槽１４に蓄えられた温水は上部循環パイプ１７ａを通って前記断熱蓄湯槽１３に給湯され、前記断熱蓄湯槽１３において冷された冷水は下部循環パイプ１７ｂを通って前記貯水槽１４に給水されるようになっていて、いずれも温水あるいは冷水の温度差によって自然に循環するようになっている。

以上のようにこの発明によれば、地下水を利用し、これを太陽光で加温して貯水槽１４に多量に蓄え、また前記植物栽培用ハウス１１の地盤内に設けた断熱蓄湯槽１３において前記植物栽培用ハウス１１の暖房に用いるようにしたので、冬季や寒冷地であっても重油や軽油等を暖房用燃料として多量に使用せずに２０℃から２５℃前後に室温を保つことができ、果実、野菜、花等の各種の植物を良好に育てることができる。
もちろん、夏季においては前記植物栽培用ハウス１１内に設置した地下水循環パネル１２に湧水・地下水を循環することにより、１５℃から２５℃前後に室温を冷却することができ、夏季においても果実、野菜、花等の各種の植物を良好に育てることができる。

以上のようにこの発明を植物栽培用ハウスに適用した例について説明してきたが何ら植物栽培用ハウスに限定されるものではなく、住宅や工場、倉庫その他の建造物にも応用できることはいうまでもない。
フォームの始まり
フォームの始まり

１１植物栽培用ハウス
１１ａ断熱壁
１１ｂビニール天井
１２地下水循環パネル
１２ａ内壁用の地下水循環パネル１２ａ
１２ｂ透明な地下水循環パネル
１３断熱蓄湯槽
１４貯水槽
１５太陽熱温水装置
１７循環パイプ
１７ａ上部循環パイプ
１７ｂ下部循環パイプ
２１培地
２２湧水溝
３１循環路
３２給水口
３３接続コネクタ
３４水導入口コネクタ
３５水排出口コネクタ
３６立設ガイド
４１植物栽培用ハウス
４２地下水循環パネル
４２ａ地下水循環カーテン
４２ｂ透明地下水循環パネル
４３植物栽培床
４４湧水溝
Ｃ湧水洞窟
Ｓ傾斜地
Ｐポンプ

Claims

ハウスを囲む壁面および＼またはその内部に地下水が循環するジグザグの循環路を有する地下水循環パネルを配設した植物栽培用ハウスを備え、該植物栽培用ハウスの地盤内には断熱蓄湯槽を設置し、前記植物栽培用ハウスの地盤の外の前記断熱蓄湯槽よりも低い位置に貯水槽を設置するとともに、前記貯水槽に補助加熱装置を連結し、かつ前記地下水循環パネルと前記断熱蓄湯槽と前記貯水槽との間を循環パイプで連結して、温水および冷水を循環させるようにしたことを特徴とする植物栽培用ハウスの冷暖房装置。
前記断熱蓄湯槽と前記貯水槽との間を連結した循環パイプは、前記断熱蓄湯槽と前記貯水槽との間の上下に一対配設され、上部循環パイプにより温水を、また下部循環パイプにより冷水を循環させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の植物栽培用ハウスの冷暖房装置。