JP2014187968A - 農水産物生産設備 - Google Patents

Abstract

【課題】 農産物を生産する農業用ハウスや植物工場、水産物を養殖する養殖設備、等においてそれらの室温や水温を効率よく調整・管理できる農水産物生産設備を提供する。
【解決手段】
農水産物生産設備（１）は４個以上の屋内施設（４、５、６、７）に対して温度管理システム（２）を組み合わせる。温度管理システム（２）は１台のヒートポンプ（１０）と第１、２の熱媒体が循環する第１、２の循環路（１１、１２）とから構成する。第１の循環路（１１）は凝縮器（１５）と第１、２の屋内施設（４、５）を接続し、凝縮器（１５）で加熱された第１の熱媒体によって第１、２の屋内施設（４、５）を暖房しあるいは水を加熱する。第２の循環路（１２）は蒸発器（１７）と第３、４の屋内施設（６、７）を接続し、蒸発器（１７）で冷却された第２の熱媒体によって第３、４の屋内施設（６、７）を冷房しあるいは水を冷却する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、農産物を生産する農業用ハウスや植物工場、または水産物を養殖する養殖設備等の屋内施設を複数個組み合わせた農水産物生産設備に関するものであり、これらの屋内施設の室温や水温を適切に調整・管理することができる農水産物生産設備に関するものである。

農業用ハウスは、外気温が低い季節であっても室温を調整できるので農業において広く利用され、例えばイチゴ、メロン等は冬期はそのほとんどが農業用ハウスで生産されている。また近年、植物工場も農業に利用されている。植物工場は室温調整ができるようになっており、太陽光の代わりにＬＥＤ、蛍光灯等によって植物に光合成を促すようになっている。植物工場においては土壌を使わずに栄養分を含んだ水だけで栽培する水耕栽培が実施され、例えばレタス等が生産されている。このような農業用ハウスや植物工場においては、室温および水温の管理が重要であり、灯油を使った暖房機が広く利用されている。水産業においても、室内に水槽を備えた養殖設備が利用されている。養殖設備においても水温の管理は重要であり、加熱装置によって水温が調整されることもあるが、温泉水が熱源として利用されることもある。

このような農業用ハウスや植物工場、あるいは養殖設備においては室温・水温の管理が重要であるが、近年燃料費の高騰により採算性が悪化している。また室温・水温は、栽培する農産物や養殖する水産物によっては冷却する必要があるが、暖房機や加熱装置によっては冷却ができない。そこで、エネルギー効率に優れ、冷却もできるヒートポンプの利用が検討されてきている。例えば特許文献１にはヒートポンプを利用した農業用ハウスが、特許文献２にはヒートポンプを利用した養殖設備が提案されている。

特開２０１１−２４４６９７号公報 特開平１１−５６１６０号公報

特許文献１に記載されている農業用ハウスは、ヒートポンプによって冷温水を作りそれによって水耕栽培用のベッドを加熱あるいは冷却し、あるいはヒートポンプによって室温を直接加熱あるいは冷却するようになっている。ヒートポンプは、冷温水を加熱しながら室温を冷却することもできるが、適宜外気を熱源あるいは冷却源として熱交換している。

特許文献２に記載の養殖設備は、ヒートポンプを使って水槽を冷却し、あるいは加熱して水温を調整している。特許文献２においてはヒートポンプの熱源や冷却源は記載されていないが、外気あるいは排水を利用しているとしてもその熱は捨てられていると考えられる。

特許文献１に記載の農業用ハウスも、特許文献２に記載の養殖設備も、ヒートポンプによって加熱したり冷却するようになっているので、熱効率は高く優れてはいる。しかしながら解決すべき問題点も見受けられる。すなわち、いずれにおいても熱の利用が十分でないという問題が見受けられる。特許文献１に記載の農業用ハウスの場合、農業用ハウス内を暖房しているときには外気を熱源としている。つまり外気を冷却しているが、この冷却するマイナスの熱が利用されることなく外部に無駄に捨てられている。また農業用ハウス内を冷房しているときには外気を冷却源としている。つまりプラスの熱が、外部に無駄に捨てられている。また特許文献２に記載の養殖設備についても同様であり、水槽の水温を上げたり下げたりするときに、冷却源あるいは熱源にプラスあるいはマイナスの熱が捨てられている。従って、ヒートポンプによって交換された熱の一部を有効利用していないので効率が低い。

仮に、プラスの熱を必要とする農業用ハウスとマイナスの熱を必要とする農業用ハウスとを組合せ、これらを１台のヒートポンプで温度調整するようにすれば、ある程度は効率が高くなりそうである。例えば、図２に示されているように、暖房する必要があるメロン栽培用の農業用ハウス５１と、冷房する必要があるわさび栽培用の農業用ハウス５２とを組合せ、これをヒートポンプ５３によって温度調整する農水産物生産設備５０が考えられる。そうすると、ヒートポンプ５３によってわさび栽培用の農業用ハウス５２を冷房し、これによって得られた熱によってメロン栽培用の農業用ハウス５１を暖房することができ、外部に捨てられるプラスあるいはマイナスの熱は少なくなるので、ある程度は効率が高くなる。ところでこのような設備においては、農業用ハウス５１、５２の暖房、冷房は、ヒートポンプ５３によって加熱、冷却された冷温水によって実施されている。すなわちヒートポンプ５３は従来周知のように、圧縮機５５、凝縮器５６、膨張弁５７、蒸発器５８、アキュムレータ５９からなるが、凝縮器５６は温水管６１を循環する熱媒体である温水を加熱し、この温水によってメロン栽培用の農業用ハウス５１を暖房するようになっており、蒸発器５８は冷水管６２を循環する熱媒体である冷水を冷却し、この冷水によってわさび栽培用の農業用ハウス５２を冷房するようになっている。これらの農業用ハウス５１、５２においては比較的狭い温度範囲で管理されており、メロン栽培用の農業用ハウス５１の室温は２５〜３０℃、わさび栽培用の農業用ハウス５２の室温は１０〜１５℃になっている。そうすると温水管６１を循環する温水は例えば３５℃、冷水管６２を循環する冷水は例えば５℃になる。そうするとヒートポンプ５３から見ると、５℃の冷水を熱源として利用して３５℃の温水を加熱するようになっている。あるいは３５℃の温水を冷却源として利用して５℃の冷水を冷却するようになっている。そうすると温度差の大きいところから熱を奪ったり与えたりしなければならないので、ヒートポンプ５２を運転するときに大きなエネルギーを要する。つまり、必ずしも農水産物生産設備５０の効率が高いとは言えない。

本発明は、上記したような問題点を解決した、エネルギー効率の高い農水産物生産設備を提供することを目的としている。すなわち農産物を生産する農業用ハウスや植物工場、水産物を養殖する養殖設備、等においてそれらの室温や水温を効率よく調整・管理できる農水産物生産設備を提供することを目的としている。

本発明は上記目的を達成するために、次のような農水産物生産設備として構成される。すなわち、農産物が栽培され、あるいは水産物が養殖されるようになっている屋内施設が４個以上設けられ、それぞれの屋内施設の室温あるいは水温が所定の範囲に制御されることが要求されている農水産物生産設備であって、前記農水産物生産設備はヒートポンプと、第１、２の熱媒体がそれぞれ循環する第１、２の循環路とを備え、前記第１の循環路は、前記ヒートポンプの凝縮器と、少なくとも２個以上の屋内施設のそれぞれに設けられている熱交換器とを直列に接続する管路からなり、前記凝縮器で加熱された前記第１の熱媒体によって、前記２個以上の屋内施設の室温あるいは水温を順次加熱するようになっており、前記第２の循環路は、前記ヒートポンプの蒸発器と、少なくとも２個以上の屋内施設のそれぞれに設けられている熱交換器とを直列に接続する管路からなり、前記蒸発器で冷却された前記第１の熱媒体によって、前記２個以上の屋内施設の室温あるいは水温を順次冷却するようになっていることを特徴とする農水産物生産設備として構成される。

以上のように本発明は、農水産生産設備は、ヒートポンプと、第１、２の熱媒体がそれぞれ循環する第１、２の循環路とを備え、第１の循環路は、ヒートポンプの凝縮器と、少なくとも２個以上の屋内施設のそれぞれに設けられている熱交換器とを直列に接続する管路からなり、凝縮器で加熱された第１の熱媒体によって、２個以上の屋内施設の室温あるいは水温を順次加熱するようになっており、第２の循環路は、ヒートポンプの蒸発器と、少なくとも２個以上の屋内施設のそれぞれに設けられている熱交換器とを直列に接続する管路からなり、蒸発器で冷却された第１の熱媒体によって、２個以上の屋内施設の室温あるいは水温を順次冷却するようになっている。つまり、１台のヒートポンプによって２個以上の屋内施設の室温あるいは水温を加熱し、２個以上の屋内施設の室温あるいは水温を冷却している。そうすると、第１の熱媒体によって最初に加熱される屋内施設では比較的高い温度を好む農水産物を生産することができ、次に加熱される屋内施設ではやや高い温度を好む農水産物を生産することができる。そして第２の熱媒体によって最初に冷却される屋内施設では比較的低い温度を好む農水産物を生産することができ、次に冷却される屋内施設ではやや低い温度を好む農水産物を生産することができる。つまり同時に４種類以上の農水産物を生産することができ、このとき外部にプラスあるいはマイナスの熱量を捨てる必要がない。さらに、次の理由によってヒートポンプの効率も高くなっている。すなわち第１の熱媒体は２個以上の屋内施設を順次循環すると十分に温度が低くなるし、第２の熱媒体も２個以上の屋内施設を順次循環すると十分に温度が高くなる。これによってヒートポンプから見ると、十分に温度が低くなった第１の熱媒体を冷却源とすることができると共に、十分に温度が高くなった第２の熱媒体を熱源とすることができ、少ないエネルギーで十分な熱量を与えたり、取り出すことが可能になる。すなわちヒートポンプの効率が高く、エネルギー効率の高い農水産物生産設備を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る農水産物生産設備の温度管理システムを示すフロー図である。 従来の農水産物生産設備の温度管理システムを示すフロー図である。

本実施の形態に係る農水産物生産設備１は、温度管理システム２と、この温度管理システム２によって温度管理される第１〜４の室内施設４、５、６、７とからなる。本実施の形態において第１の室内施設４は、メロンを栽培する農業用ハウスあるいは植物工場になっており室温は比較的高い温度である２５〜３０℃に維持されることが要求されている。また第２の室内設備５は、ふぐを養殖する養殖設備になっており、水槽の水温はやや高い温度である２３〜２５℃に維持されることが要求されている。第３の室内設備６は、わさびを栽培する植物工場になっており室温および水温は比較的低い温度である１０〜１５℃に維持されることが要求されている。また第４の室内設備７は、ヤマメを養殖する養殖設備であり水槽の水温はやや低い１３〜１８℃に維持されることが要求されている。

本実施の形態に係る温度管理システム２は、１台のヒートポンプ１０、第１の熱媒体が循環する第１の循環路１１、第２の熱媒体が循環する第２の循環路１２、等からなる。ヒートポンプ１０は従来周知のヒートポンプと同様に、冷媒を高圧で圧縮して送り出す圧縮機１４と、冷媒を凝縮させる凝縮器１５と、凝縮された冷媒の圧力を減圧する膨張弁１６と、冷媒を気化させる蒸発器１７と、冷媒の気液を分離するアキュムレータ１８と、そしてこれらを接続する冷媒管から構成されている。従って、圧縮機１４を駆動させると冷媒が循環して凝縮器において潜熱を放出し、蒸発器において潜熱を吸収することになる。

本実施の形態においては第１、２の熱媒体は冷温水からなり、この冷温水によってそれぞれの室内施設を暖冷房したり、水槽の水温を加熱したり冷却するようになっている。詳しく説明すると、第１の循環路１１は凝縮器１５に接続されている。凝縮器１５から引き出された第１の循環路１１は、最初に第１の室内施設４に引き込まれて室内に設置されている熱交換器すなわち暖房機２０に接続され、そして、この暖房機２０から引き出された第１の循環路１１は第２の室内施設５に引き込まれて水槽内の熱交換器すなわち温水装置２１に接続され、その後凝縮器１５に再び接続されている。これによって第１の循環路１１を循環する第１の熱媒体は凝縮器１５において加熱され、暖房機２０において熱を排出して若干温度が低下し、次いで温水装置２１において熱を排出してさらに温度が低下し、再び凝縮器１５に戻るようになっている。これによって第１の室内施設４を暖房し、第２の室内施設５の水温を加熱することができる。

第２の循環路１２は蒸発器１７に接続されており、この蒸発器１７から引き出された第２の循環路１２は、第３の室内施設６内の熱交換器である冷房・冷水装置２３に接続され、次いで第４の室内施設７内の熱交換器である冷水装置２４に接続され、その後蒸発器１７に戻されている。これによって第２の循環路１２を循環する第２の熱媒体は蒸発器１７によって冷却され、冷房・冷水装置２３において熱を奪って若干温度が上昇し、次いで冷水装置２４において熱を奪ってさらに温度が上昇し、再び蒸発器１７に戻される。これによって第３の室内施設６を冷房すると共に水を冷却させ、第４の室内施設７の水を冷却することができる。

本実施の形態に係る温度管理システム２を長時間運転して各室内施設４、５、６、７の室温、水温が安定して一定になった後に、これらの室温、水温を維持するように温度管理システム２を運転するとき、第１、２の熱媒体は第１、２の循環路１１、１２内において次のように変化する。まず、第１の熱媒体については、凝縮器１５において加熱後に３５℃に上昇し、第１の室内施設４において熱交換後に３０℃に低下し、第２の室内施設５において熱交換後に２５℃に低下する。この２５℃の第１の熱媒体が凝縮器１５に戻る。温度管理システム２は定常的に運転されている状態であるので、凝縮器１５においては２５℃から３５℃になるように加熱することになる。定常運転においても、第１の熱媒体の温度変化は大きくなっている。一方、第２の熱媒体については、蒸発器１７において５℃に冷却され、第３の室内施設６において熱交換後に１０℃に上昇し、第４の室内施設７において熱交換後に１３℃に上昇する。この１３℃の第２の熱媒体が蒸発器１７に戻るので、蒸発器１７においては１３℃から５℃に冷却することになる。定常運転においても、第２の熱媒体の温度変化は大きくなっている。このように本実施の形態に係る農水産物生産設備１は、室温、水温が安定している定常運転においても、第１、２の循環路１１、１２を循環する第１、２の熱媒体の温度の変化が大きいという特徴がある。その理由は、いずれの循環路１１、１２も、要求室温あるいは水温が異なる２個の室内施設を直列に接続していて、それぞれにおいて第１、２の熱媒体が熱交換されるようになっているからである。このように第１、２の熱媒体の温度の変化を大きくすることができるので、本実施の形態に係るヒートポンプ１０は、比較的高温の熱源と、比較的低温の冷却源を利用して熱交換することが可能になっている。つまり上記の例で考えると、ヒートポンプ１０から見て、凝縮器１５に供給される第１の熱媒体は２５℃であるので冷却源としては比較的低温であり、蒸発器１７に供給される第２の熱媒体は１３℃であるので熱源としては比較的高温である。比較的高温の熱源から熱を奪って、比較的低温の冷却源に熱を排出できるのでヒートポンプ１０の効率は高い。つまり本実施の形態に係る農水産物生産設備１はエネルギー効率が高い。

上の例では、本発明の実施の形態に係る農水産生産設備１を定常運転する場合について、つまり各室内施設４、５、…が一定の室温、水温で安定している状態で運転する場合について説明した。しかしながら、室温や水温は外気温等によって変動する。このような場合には、各室内施設４、５、…の室温、水温を一定に維持するために、第１、２の熱媒体の温度を変更する必要がある。このような場合であっても、本発明の実施の形態に係る農水産生産設備１は、第１の熱媒体は第１、２の室内施設４、５を経由するので凝縮器１５に戻るまでに十分に温度が低下するし、第２の熱媒体は第３、４の室内施設６、７を経由するので蒸発器１７に戻るまでに十分に温度が高くなる。従って、ヒートポンプ１０は比較的高温の熱源から熱を奪うことができ、比較的低温の冷却源に熱を排出することができる。つまり本実施の形態に係る農水産物生産設備１はエネルギー効率が高い。

本実施の形態に係る農水産物生産設備１は色々な変形が可能である。例えば、本実施の形態においては室内施設は４個からなるように説明したが、それ以上にしてもよい。例えば第１の熱媒体によって暖房する対象の室内施設をさらに１個追加して、トマトやイチゴ栽培ができる室内施設を設けることもできる。また第２の熱媒体によって冷房する対象の室内施設をさらに１個追加して、レタス栽培ができる室内設備を設けることもできる。さらに、本実施の形態においては、メロン、わさびを栽培し、ふぐ、ヤマメを養殖するように説明したが、栽培したり養殖する対象はこの例に限定されず、色々な種類の農水産物を対象としてよい。

１ 農水産物生産設備 ２ 温度管理システム
４ 第１の室内施設 ５ 第２の室内施設
６ 第３の室内施設 ７ 第４の室内施設
１０ ヒートポンプ １１ 第１の循環路
１２ 第２の循環路 １５ 凝縮器
１７ 蒸発器 ２０ 暖房機
２１ 温水装置 ２３ 冷房・冷水装置
２４ 冷水装置

Claims (1)

1. 農産物が栽培され、あるいは水産物が養殖されるようになっている屋内施設が４個以上設けられ、それぞれの屋内施設の室温あるいは水温が所定の範囲に制御されることが要求されている農水産物生産設備であって、
   前記農水産物生産設備はヒートポンプと、第１、２の熱媒体がそれぞれ循環する第１、２の循環路とを備え、
   前記第１の循環路は、前記ヒートポンプの凝縮器と、少なくとも２個以上の屋内施設のそれぞれに設けられている熱交換器とを直列に接続する管路からなり、前記凝縮器で加熱された前記第１の熱媒体によって、前記２個以上の屋内施設の室温あるいは水温を順次加熱するようになっており、
   前記第２の循環路は、前記ヒートポンプの蒸発器と、少なくとも２個以上の屋内施設のそれぞれに設けられている熱交換器とを直列に接続する管路からなり、前記蒸発器で冷却された前記第１の熱媒体によって、前記２個以上の屋内施設の室温あるいは水温を順次冷却するようになっていることを特徴とする農水産物生産設備。

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