JP2010104355A - ビニールハウス等の農業用閉空間施設と省エネ管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 原油高騰により燃料費、運送費などが値上がり、値上がりは農業資材・維持・管理費へと広がっている。農業用地の有効利用の面から見た時ビニールハウス等の生産はさらに普及が期待されるが、現状は暖房用の重油の高騰でハウス生産が出来なくなる状況がある。そこで重油などを使わない暖房方法で、なおかつコストのかからないビニールハウス等を作りたい。
【解決手段】 ビニールハウス等の農業用閉空間施設にヒートポンプを併設し、さらに該閉空間施設内の土壌にパイプを敷設し、ヒートポンプから送られてくる冷媒もしくは温水によって該土壌を温度制御し、該土壌中に植生した植物活性化を計るようにした。重油を使わず、かつ従来の数分の１のエネルギーコストで外界環境から植生する植物を守るようにした。
【選択図】図１

Description

ビニールハウス等の農業用閉空間施設に関する。

地球温暖化による環境異変と、とどまる所を知らない原油の高騰は、農業生産の領域に以下のようなかってない激変をもたらしつつある。
▲１▼化石燃料由来のＣＯ２の排出を抑制するために考えられたバイオエタノールの生産によって、畜産飼料も高騰した。
▲２▼原油高は燃料費、運送費のコスト高をもたらし、同じ燃料の天然ガス等の値上げにも飛び火し、諸々の諸物価の根上りに結びつき農業資材のコスト高をもたらしている。
▲３▼日本国内の畜産業や農業は、元々小規模生産であるため、原料・資材の値上げによるコスト高によって、廃業に追い込まれる所も出始めている。

こうした激変状況の中で、これまで農業生産物を輸出していた各国も、まずは自国内の需要に振り向けることが必要となり、一方農業自給率４０％を切る日本ではそうした状況の中で、現状の農業生産地をベースにして生産量の増大を計ることが問われて来ている。

農地の有効活用としては、従来からも品種改良によって２期作、２毛作などを実現したり、ビニールハウスによって寒冷地や冬季の生産が続けられるような試みが行われてきた。ところが今回の激変状況の中では、ビニールハウスの暖房のための重油の値段も上がってしまい農業を辞めなければならないという声すら開く。今の世界の状況から言って時間が経過すれば改善に向うといった予測も立てることはできない。

このビニールハウスなどの農業用閉空間施設の暖房は、これまで重油を焚き、温風を出し閉空間内の空気をあたため、そこに植生している植物を寒さから守るという方法をとって来たがよくよく考えた時、熱効率の面でベターな方法ということが出来なかった。たとえばあたためた空気は温度が高くなれば軽くなって上に行き、ビニール等を境にして外気と接触するため、そこから冷めてしまい肝心の土壌や植っている植物をあたためるにはエネルギーを沢山使用することになる。だからと言って温風を、植物にあたる方向に吹き出すこともできなかった。

一方農業生産分野ではないが、熱エネルギーの効率のよい使用システムとして、ヒートポンプ方式や、その仕組みを更に効率よく使って行く提案が行われ始めた。
特開昭４９−１０５３４６ 特開平６−３４１６７６ 特開平９−３３０６６ 特許第３６９６２２４号

そこで本願発明では、ビニールハウス等の農業用閉空間施設に於いて、原油の値上りによって採算性を問われることなくその閉空間施設内の土壌に植生された植物の成育にとってよりよい環境条件を与えることができ、維持経費の安い構造をもつビニールハウス等の農業用閉空間施設を提案することが第１の課題である。

第２にヒートポンプの原理をベースとして、それを発展応用させたシステムを用いて、ビニールハウス等の農業用閉空間施設を温度制御することにより、熱効率や植生の育成の上で省エネ型の管理方法を提案することが目的である。

課題を解決する方法

まず、本願では課題を解決するために、ビニールハウス等の農業用閉空間施設に於いて土壌中にパイプを敷設し、該パイプに別個に用意したヒートポンプによって温度制御した冷媒もしくは水を流し、該土壌の温度制御をし、該土壌に植生している植物の活性化を計るようにした。

閉空間施設内の空気をこれまでのように温める方法をとるのではなく、土壌を温め土壌内の微生物の働きを活性化し同時に根の活性化を計り、堆肥などの肥料を植物の根から吸水できる栄養素へと分解できるようにした。そして植物の働きを活性化し、その葉から水分を、閉空間施設内に蒸散させ一方土壌の水分の蒸発も計り、同閉空間内の空気もそれら水蒸気によって温め寒冷から植物を守るようにした。

これは、閉空間施設内のいわば底を温め、水蒸気を蒸発させその水蒸気を閉空間内に於いて拡散して加湿・加温する効率の良い方法である。またこうして発散した水蒸気はヒートポンプの膨張弁から排出される冷却された冷媒と、熱交換して冷され水滴を発生させて水分除去し、水分除去した乾燥空気を再び該閉空間施設内に戻し、水蒸気を担持するようにした。

一方ヒートポンプでの熱交換によって閉空間施設内の空気から冷媒に捕捉された熱エネルギーは圧縮機によって温度を高め、次に温度を高められた冷媒もしくはその冷媒との熱交換によって温水となった水を土壌中に敷設されたパイプに送ることによって土壌中に熱エネルギーを送り、土壌中の微生物や植物の根の活性化を計り、その一方で土壌中の水分の蒸発を促すようにし、ここで水蒸気を含む空気に土壌中の熱を移して冷却された冷媒もしくは水はヒートポンプに戻されて、圧縮機からの熱で再び温められるように循環する。

夏場の暑い時や湿気の多い時などはパイプで送る冷媒や水を冷たくし、また閉空間に戻す乾燥空気の温度も下げて閉空間内をすずしく、虫のつきにくい状態にコントロールする。

発明の効果

本願発明によるビニールハウス等の農業用閉空間施設は該閉空間内の土壌の温度をコントロールすることにより、発散させる水蒸気によって空気を温める方法をとっている。これまでの空気を直接温める方法は結局閉空間内を全部の領域に於いて所定の温度にまで高める必要があり、非効率であった。また空気の熱伝導率は悪く、その面でも効率は良くなかった。しかも、高い温度となった空気は上に行くためビニール１枚を通して外気と接触し、内外の高い温度差ゆえに早く冷えてしまうためこの面でも非効率であったが本願の場合、下から上昇する水蒸気に熱をのせて閉空間内の温度を高める方法なので効率は数倍以上ある。

またヒートポンプを使い閉空間施設内の空気の熱をヒートポンプで冷やして熱交換し、水滴除去し、熱交換で冷媒に移した熱エネルギーを、圧縮機によって高温にし、この熱エネルギーを使用して土壌を温める方法なので直接化石燃料は使わずエネルギー効率はこの面でもすぐれ、重油による暖房の１／３のエネルギーで同一効果をもたらすことができる。

このため低コストでの暖房が可能となり原油高の中でもビニールハウス等の閉空間に於いて農業を続けて行くことが可能となり、農地の有効利用ひいては日本の場合農業自給率を高めることが可能となる。

またこの方法で暖房する時には、外気中に熱を放出することがシステム上はないため外界環境への悪響は避けることができる。

またこのシステムで送る温度を低め夏場の暑さや湿気に備える湿度制御が出来るように構成することによって、病害虫の少ない最適環境での植物育成が可能となる。

本発明の具体的な実施例

図１は本願発明によるビニールハウス等の閉空間施設の実施例の断面概要図である。（２）はビニールでハウスの１部、（４）はヒートポンプ、（５）は閉空間、（６）は閉空間の空気をヒートポンプ（４）に吸引する導管、（８）は吸引口、（１０）は吸引用のファン、（１２）は排出用のファン、（１４）は排出口、（１６）は水の排出口、（１８）は水の吸引口、（２１）はビニールハウス（２）下の土壌、（２２）は敷設したパイプである。

図２はヒートポンプ（４）内の主要構成図。（２４）及び（２６）は導管、（２８）は熱交換機、（３０）は圧縮機、（３２）は膨張弁、（３４）は第２の熱交換機、（３６）は冷媒である。

図３はビニールハウス等農業用閉空間施設内の土壌の断面図であり、（２１）は土壌、（２０）は敷設したパイプ、（４０）は植生している植物、（４２）はその葉、（４４）はその根である。

寒冷地もしくは冬場に於いては図１のビニールハウス（２）の内の閉空間（５）を温めるために、本願に於いては１本に連結している敷設したパイプ（２２）に温水を流し、土壌（２１）を温める。温められた土壌（２１）からは、水蒸気が閉空間（５）の空気に発散されると共に、図３で植生された植物（４０）の根（４４）の周辺の土壌（２３）も温め、土壌中の微生物を活性化し、施肥している堆肥の栄養分の根（４４）からの吸収を促す。

植物（４０）が活性化すれば葉（４２）からも水分が蒸散する。土壌（２１）からの水分の蒸発と、この葉（４２）からの水分の蒸発によって、その水分がもつ熱エネルギーは、閉空間内の空気中に拡散し、該閉空間内の温度を自然に上げ寒さから守る植物の生育、成果、熱成の条件を作る。

図１でビニールハウス（２）の上部に設けられた導管（６）の吸引口（８）から閉空間（５）内の空気は吸引ファン（１０）によって吸引され、図２に示したヒートポンプ（４）内に案内される。ヒートポンプ（４）内では導管（２４）を通って熱交換機（２８）に導かれるが、ここでは冷媒（３６）を循環させ、膨張弁（３２）の後の導管（３７）で冷却された冷媒と熱交換機（２８）で熱交換し、その空気は冷却され、その冷却温度での飽和水蒸気量を越える水分は水滴となって導管（２９）より除去される。水分除去された空気は導管（２９）を通って排出ファン（１２）で再び閉空間（５）に排出口（１４）から送られる。ここで再び水蒸気を拾って空気の循環を作っている。

図２のヒートポンプ（４）内の熱交換機（２８）に於いて、導管（２４）より送られて来た熱エネルギーを受けた冷媒（３６）は、圧縮機（３０）に於いて、この熱エネルギーを圧縮して高温にエネルギー付与する。高温になった冷媒（３６）は第２の熱交換機（３４）に於いて、この熱エネルギーを水に移す。土壌中（２１）に敷設されたパイプ（２２）から送られてくる水は、パイプ（２０）を通って吸引口（１８）から第２の熱交換機（３４）に入り、ここで高温になった冷媒の熱を移し取り、高温になった水は排出口（１６）を通って、敷設されたパイプ（２０）にパイプ（２３）を通して送られて土壌に熱を伝えて行く。また熱交換機（２８）で除去した水分は土壌に戻すように構成している。

このように本願のビニールハウスの暖房システムは、このビニールハウス（２）内の閉空間（５）の空気はヒートポンプ（４）との循環の過程で熱交換し、その熱を高温にした上で、第２の熱交換機（３４）で水に熱を移し高温になった水を土壌中に敷設したパイプに送り、その熱エネルギーによって水蒸気を発生させるというもので、いわば土壌を熱交換機として用いて空気と水の循環の橋渡し役を行わせている。その意味で、この土壌自体を熱交換機として利用している。

なお図１で土壌（２１）中に敷設したパイプ（２２）は１本のパイプとして連結するようにしているが、ビニールハウスが大きい時には土壌中を走る中で中の水の熱エネルギーが奪われ、温度差がでるため供給口を複数本にして供給することも考えられる。

また図３で敷設パイプ（２２）は、畑地の畝間の地下に敷設した。畝には、施肥のため深く掘り下げたり、また根が土中に張って行くため畝の下ではパイプが邪魔になる点を考えた。

図４は敷設するパイプのその他の例の上面外観図である。（５０）はビニールハウス、（５２）はヒートポンプで、（５４）と（５６）は対抗させて設置している常設用のパイプラインであり、それぞれの対抗する位置には排出入口（５８）（６０）を複数個設けている。そして、その時々の植生する植物によって畝間の間隔や深さを考えて、フレキシブルにパイプ（６２）を取り付ける等の方法も考えられる。

夏場の暑い時には、土壌自体が熱を持っているため図１及び図２のシステムを使い、導管（２９）で採取できる水分を土壌（２１）散布し、その水分の蒸発によって土壌（２１）の熱を取る一方でヒートポンプ（４）の圧縮機（３０）の機能を低下させたり、ゼロとし土壌（２１）中のパイプ（２２）に所定の温度の水分を送って、土壌（２１）の熱を冷ますという方法を考える。

この場合のビニールハウス（２）とヒートポンプ（４）との循環の流れは次のようになる。
▲１▼土壌（２１）に散布された水はすぐに蒸発し、土壌（２１）の暑い温度を冷ます。
▲２▼一方土壌（２１）中のパイプ（２２）に送られた適度の温度をもつ水によって土壌（２１）は同様に冷まされる。
▲３▼▲１▼と▲２▼によって植生に役立つ微生物と植物の活性化が計られ、葉（４４）からの蒸散も行われ、ビニールハウス内の閉空間（５）の温度を柔げる。
▲４▼閉空間内（５）の空気吸入口（８）から導管（６）へとファン（１０）で吸引され、導管（２４）を通し、熱交換機（２８）に送られ、ここで冷やされて導管（２９）から水分除去する。水分除去された乾燥空気はビニールハウス（２）内の閉空間（５）に戻 され、再び植物（４０）の葉（４４）から蒸発される水分と土壌（２１）から蒸発する水分を拾って担持し、吸入口（８）に送られる循環をなす。
▲５▼一方導管（２９）から採取された水は、土壌（２１）に散布され蒸発して土壌の熱を冷ます。
▲６▼圧縮機（３０）の働きは事実上停止し、膨張弁（３２）で冷やされた冷媒は熱交換機（２８）で拾った熱を加えてそのまま第２の熱交換機（３４）に送られる。ここではパイプ（２２）が土壌（２１）を走る中で拾った熱によって温度が上がった水が吸入口（１８）を通して送られてくるが、この第２の熱交換機（３４）によって、熱を冷まされて排出口（１６）を通って敷設されたパイプ（２２）に送られて行く。

このように夏場や湿気の多い時には冬場や寒冷地とは逆に土壌（２１）を冷やすように本願による仕組みを制御活用することができる。この場合吸入口（８）から内部の空気を吸うためにここに向う空気の流れができるが、別個に設けた扇風機で風の流れを起こしてもよい。

以上農業用閉空間施設としてはビニールハウスを例にとって説明して来たが、本願に於ける応用例は実施例で示したものに限られない。光を通すガラスやポリカーボネイトなどの強度もあり、耐久性もある素材でこの閉空間施設を作ってもよい。食料については自国の農業生産物でまかなえるような農業・漁業・林業の生産、経営態勢を作ることがどの国でもあたり前の製作であり、本願発明を用いれば土地の有効用が計れ、食料自給への一助になるものと考える。

は、本願発明によるビニールハウスとヒートポンプの１実施例の断面外観図である。 は、図１ヒートポンプの主要構成図である。 は、図１に示したビニールハウス内のパイプの配設図で、図４（ａ）は常設パイプの配設図と図４（ｂ）は作付によって異ならせるパイプの配設図である。

符号の説明

２、５０・・・・・ビニールハウス
４，５２・・・・・ヒートポンプ
２８・・・・・・・熱交換機
３４・・・・・・・第２の熱交換機
３０・・・・・・・圧縮機
３２・・・・・・・膨張弁
２１・・・・・・・土壌
２２、５４、５６・パイプ

Claims (6)

1. ビニールハウス等の農業用閉空間施設内の土壌に、パイプを敷設し、該パイプ内をヒートポンプによって制御した冷媒もしくは、水を流すことによって、該土壌の温度を制御し、該土壌に植生している植物の活性化を計るようにしたことを特徴とするビニールハウス等の農業用閉空間施設。
2. 前記冷媒もしくは水は、前記ヒートポンプによって温める方向で制御し、前記土壌の温度を高めるように制御することを特徴とする請求項１に示したビニールハウス等の農業用閉空間施設。
3. 前記冷媒もしくは水は、前記ヒートポンプによって冷やす方向で制御し、前記土壌の温度を冷ませるように制御することを特徴とする請求項１に示したビニールハウス等の農業用閉空間施設。
4. 前記土壌も温度が高まることによって、前記植物の活性化が計られ、該植物から蒸散される水分と、該土壌から蒸発する水分は、該閉空間施設内の空気に担持され、該両水分を担持した該空気は、該閉空間施設外に排出され前記ヒートポンプに於いて膨張冷却された冷媒と熱交換し、該水分を摘下除去させ、該水分を除去した乾燥空気は該閉空間施設内に戻され循環する一方で、該土壌の熱エネルギーは該両水分に伝播し、該ヒートポンプに於ける該熱交換によって該冷媒に伝搬し、圧縮加熱した該冷媒もしくは該冷媒から熱交換した温水へと伝播し、該土壌の温度を高めるようにした熱エネルギーの循環をみるように構成したことを特徴とする請求項２に示したビニールハウス等の農業用閉空間施設。
5. 前記摘下・除去した水分を収集し、前記閉空間施設内に戻し、前記土壌もしくは前記植物に散布し、循環利用するように構成したことを特徴とする請求項４に示したビニールハウス等の農業用閉空間施設。
6. ビニールハウス等の閉空間施設内の土壌に、ヒートポンプを使って熱供給し、該土壌を交換機として利用し該土壌の温度制御を計り、該閉空間施設外との異なった植物育成環境を作るようにしたビニールハウス等の農業用の閉空間施設の省エネ管理方法。

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