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

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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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