JP2016151273A - Ｃｏ２の貯槽を付設した、ハウス用電熱併給型暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハウスの暖房に用いる、化石燃料の燃焼の熱エネルギーと燃焼排ガスから、効率の良い発電電力と、栽培用ＣＯ２源を得ることのできるハウス用電熱併給型暖房装置を提供する。【解決手段】ガスエンジン発電機を用いたコジェネレーション装置を用いて、発電と、ガスエンジンの冷却水を排ガスボイラーで、排ガスの熱を利用して加熱して、温風発生機の熱交換器に導入して暖房を行い、これを暖房主体で運転すること及び、ＣＯ２源として密閉式ビニールダクトをエンジン排ガスの精製ガス貯蔵用ダクトとして使用する。【選択図】図４

Description

本発明は、農業で利用する栽培ハウス（通常ビニールハウス、以下ハウスと言う）の暖房装置に関するものである。

ハウスは外周を透明の材料で覆った構造の大きな部屋であって、気温の低い時期に、外周から入射する太陽光によって、日中の室温の維持と光合成用のエネルギーを得て栽培を行い、日没後の温度管理は暖房機による暖房によって温度を制御するものであって、これによって自然の条件を超えて多種類の植物を栽培することを可能とするものであって、このようなハウスを利用した栽培（以下、ハウス栽培と言う）の日本全国の耕作面積は約４万８千ｈａ（２００８年度の統計）となっている。
現状のハウス栽培において使用して、普及している栽培用暖房機（以下、暖房機と言う）の仕様の概要は、以下の▲１▼〜▲４▼の通りである。
▲１▼ 栽培面積 ： １０ａ（１，０００ ｍ^２）
▲２▼ 暖房機の型式 ： 温風発生型（図１のハウス用暖房機１に示す）
▲３▼ 暖房機の容量 ： 粗 １１０ ｋｗ （粗 ９５０００ ｋｃａｌ）
▲４▼ 熱源、燃料 ： Ａ重油、灯油、ＬＰＧ
又、ハウス栽培における暖房機の使用方法と栽培技術における特徴については、以下▲５▼〜▲１１▼の７点が技術的な特徴となる。
▲５▼ 使用時間帯として日没後〜明朝の９時頃の室温の上昇による換気までの間におけるハウス内の室温維持に用いる。
▲６▼ ハウス内の夜間適正温度は栽培植物によって異なるが、ピーマンが１８℃、メロン１７℃と高いが、その他の植物は概ね１３℃である。
▲７▼ 暖房機はハウス内に設置されている事から、暖房用の熱利用の効率は高く９５％以上（メーカーの仕様書による）である。
▲８▼ 日の出後〜概略１時間以内の太陽光の光りの弱い時間帯においては、室温も低く温度維持のため、ハウスのため換気が充分に行えない（ハウスの密閉状態を保つ必要があること）。
▲９▼ 暖房機はハウス内に設置されている事から、暖房用の熱利用の効率は高く９５％以上（メーカーの仕様書による）である。
▲１０▼ 日の出後〜概略２時間以内（ハウスの換気前の時間）の時間帯においても光合成は進行し、ハウス内のＣＯ_２の濃度が低下するときには栽培上の効率が下がり、障害も発生することから、人工的に作ったＣＯ_２を供給する必要があること。
（外気の炭酸ガス濃度より低下し、ＣＯ_２の補償点まで至る場合には、光合成の回復が遅れる等の大きな害が発生する）
又、この時間帯にハウス内を、外気のＣＯ_２の濃度（４００ｐｐｍ）を超えた濃度の雰囲気として栽培するときには品質及び収量に好結果を及ぼすことから積極的に人工的に作ったＣＯ_２を供給する方法が栽培方法として定着している。
▲１１▼ 他方、晴天日の日の出時間から粗１時間以上を経過した後の時間帯は、ハウス内の温度が栽培適正温を超えて、上昇し栽培上の障害となることから、ハウスを開放して外気を入れて冷却し、室内を適温に維持すると共に、外気からのＣＯ_２の供給を行う作業を行う必要がある。
（この場合、外気による換気量は充分に大きいことから、人工的に作ったＣＯ_２を供給する方法は効率が悪くなることから、ハウスの解放中のＣＯ_２の供給は外気の供給だけで賄う。）
以上が従来のハウス暖房の技術的概要である。

続いて、本考案者が先に行った、従来のハウス暖房の技術に関する二つの提案を、図を以って説明する。
図１に示す提案は、暖房機１の煙突２から排出する燃焼排ガスの一部を精製して、ハウス内へ戻してＣＯ_２の資源として活用するものである。（平成７年実用新案公開番号：第４２６０４号、考案の名称：ハウス内におけるＣＯ_２の供給兼暖房装置）である。（以下、先の第１の提案の暖房機という）
図２示す、コジェネレーション型のハウス用暖房機は、特許出願として提案したものである。
（出願（申請）日：平成２５年９月４日、出願（申請）番号：特願２０１３−１９７４８５、発明の名称：暖房用熱を利用した、発電機能を付加したハウス用暖房機）
上記、暖房用熱を利用した、発電機能を付加したハウス用暖房機（（以下、第２の提案によるコジェネレーション型ハウス暖房機という）は、従来の暖房機１へ発電機２５を付設することに由って、コジェネレーションの出力として、熱出力と電力の出力を完全に一致させて利用することが出来ることに着目して、高い熱効率での発電を達成したものである。
図２は、暖房機１の入熱の一部であるバーナー１１の燃焼ガスの高温の部分をスターリングエンジンの１６の入熱として利用し、その出力で発電機２５を駆動して電力を得て、残りの燃焼排ガスでハウス内空気を加熱する、第２の提案によるコジェネレーション型ハウス暖房機の仕組みを示した図面であって、以下、第２の提案によるコジェネレーション型ハウス暖房機についての利点等について説明する。
図２において、暖房機１は暖房対象となるハウスの室内に設置して使用することから、▲１▼暖房機１に入力された熱は、煙突２からハウス外へ排出される燃焼排ガスが同伴する熱量を除き全て、ハウスの室内に放出され室内空気を加温して暖房用の熱となること、▲２▼又、ハウスの室温維持温度は大半のハウスは１５℃以下と空調用温度としては低温であり高音部の熱の利用の影響を小さくして利用出来ること、▲３▼室温の制御は暖房機１のＯＮとＯＦで行う事から、エンジンを最も効率の良い状態で利用出来ること、▲４▼コジェネレーション出力としての電力は自家消費（自身の熱源としても利用できる）又は、売電電力等に利用出来ること。
従って、暖房機１の暖房出力に追従して発電機２５の運転を行うときには、発電に要した熱効率は粗１００％と高いコジェネレーション効果のある装置となる装置となる。

発明が解決しようとする課題

ハウスのＣＯ_２施用栽培は、ハウス内のＣＯ_２濃度を大気のＣＯ_２濃度より高い濃度の環境の中で光合成をおこなわせることで、高品質な農産物を増産させる技術であるが、ＣＯ_２濃度を維持するためにはＣＯ_２の供給の他、ハウスの密閉度を保つ必要があり、ＣＯ_２の飽和濃度等の関係から、現状では実用的な濃度の上限としては１，０００ｐｐｍ程度を目標として施用されている。
しかし、ハウスの密閉度を保つためには室内の上限温度の制限があることから、日の出後から粗２時間〜２時間３０分を経過した時点でハウスを開放することで外気を導入し、適正温度を維持して作物の高温障害を避けると共に、外気中のＣＯ_２の供給による光合成に切り替える。
以下、図３の事例によって、ハウス内の照度とＣＯ_２濃度の関係を説明する。
図３は、２月の晴天日のトマト栽培ハウスにおける、日の出の前後の時間（ＡＭ５〜９時）のハウス内のＣＯ_２濃度と照度の変化を測定して表した図面である。
（図３は、昭和５１年１月１０日発行、誠文堂新光社、書籍名：「炭酸ガス施用入門」において図２７として示されたものを参考としたものです）
図３において、日の出はＡＭ６時２０分頃、照度が１，０００〜１，５００ｌｘに達する時間はＡＭ７時１０分頃、換気時間がＡＭ８時４０分頃となっている。
又、ＣＯ_２濃度の変化はＡＭ７時１０分頃がピークで７００ｐｐｍ、ＡＭ７時３０分頃には３５０ｐｐｍと低下して、換気時間がＡＭ８時４０分頃には１８０ｐｐｍ程度まで低下していることを示している、又現状のＣＯ_２施用栽培においても同様の傾向となっている。
他方、栽培植物の１日における光合成量の７０〜８０％は午前中に行はれるものであって、特に晴天日においての日の出後、照度が３，０００ｌｘを超えた時点〜ハウスを開放して換気するまでの時間帯（以下、最適ＣＯ_２施用時間帯という）にＣＯ_２を供給して光合成を効率的に行う事が、高い品質や生産効率に効果があることから、ハウスにおけるＣＯ_２施用栽培の効果を充分に発揮させるためには、
最適ＣＯ_２施用時間帯における人為的なＣＯ_２の供給量を増加する必要があるが、ＣＯ_２施用栽培の現状においては、ＣＯ_２供給の手段は灯油やＬＰＧ等を少量ハウス内で燃焼してその排ガスを利用する方法であることから、ＣＯ_２の充分な供給が出来ていないのが現状である。

本発明は、先の第２の提案によるコジェネレーション型ハウス暖房機の、煙突２より排出する燃焼排ガスから回収した豊富なＣＯ_２に着目して、このＣＯ_２を有効に利用して、最適ＣＯ_２施用時間帯にハウス内のＣＯ_２濃度を、大気中の濃度より高く保って、ＣＯ_２施用効果を高めることを目的（以下、第１の目的という）とした。
又、併せて発電機２５の出力の比率を高くしてコジェネレーション機器の付加価値を高める事も目的（以下、第２の目的という）とした。

第１の目的を達成するための第１の課題を、以下の▲１▼〜▲３▼によって説明する。
▲１▼ 第２の提案によるコジェネレーション型ハウス暖房機より発生する精製された燃焼排ガス（以下、精製ガスという）は、機器を暖房用としての利用時に発生するものであることから、この精製ガスを最適ＣＯ_２施用時間帯にこのままの状態で利用するときには、ハウス温度が上昇してハウスの換気時間が早まり、最適ＣＯ_２施用時間帯が短くなる（ＣＯ_２の高濃度による栽培時間が短くなる）ことからＣＯ_２施用栽培の効果も小さくなる。
▲２▼ 従って、最適ＣＯ_２施用時間帯に供給する、ＣＯ_２の供給源となる精製ガスは、暖房運転中に一旦貯蔵した精製ガスを暖房運転の停止中にハウス内に放出する必要があること。
▲３▼ しかし、精製ガスは燃焼排ガスであることから、必要なＣＯ_２を貯蔵するために余分なガスを貯蔵する必要が発生する必要が発生することである。
因みに、燃焼に必要な空気を理論空気として（過剰空気を０とした場合）、燃料をＬＰＧ（プロパンガス：Ｃ_３Ｈ_８）としたばあいの燃焼ガスの組成は下記の式で示される。
Ｃ_３Ｈ_８＋２４空気＝Ｃ_３Ｈ_８ＣＯ_２５Ｏ_２＋１９Ｎ_２→３ＣＯ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋１９Ｎ_２
即ち、プロパンガス１ｍ^３を燃焼するためには２４ｍ^３の空気が必要であり、この燃焼ガスの組成はＣＯ_２が３ｍ^３、Ｈ_２Ｏが４ｍ^３、Ｎ_２が１９ｍ^３となる。
従って、必要なＣＯ_２を３ｍ^３貯蔵するためには、２６ｍ^３のガスを貯蔵する必要があること。（Ｈ_２Ｏが４ｍ^３については、大気で冷却してドレン水として容易に排出が出来るが、これを行っても２２ｍ^３のガスを貯蔵する必要がある）
又、最適ＣＯ_２施用時間帯における必要な貯蔵量を、１０ａの耕作面積のハウスで検討すると、最大ＣＯ_２の吸収量を３ｋｇ／時間、最大継続投与の時間帯を２時間で設定すると、ＣＯ_２貯蔵量は６ｋｇ（標準状態で３ｍ^３）となり、水分を除去した状態においての精製ガスの貯蔵必要量は２２ｍ^３となる。
２２ｍ^３の精製ガスを圧縮してタンクへ貯槽するときには、２．２ｍ^３の高圧タンクへ貯蔵するときには１０気圧以上に圧縮することが必要であり、高圧タンクやコンプレッサーなどの設備が必要となる、又ＣＯ_２を精製ガスから分離する方法においては貯蔵するガス量としては小さくなるが、ＣＯ_２の吸収、吸着、膜による分離等の何れの方法においてもコストが嵩み適当でないことから、新たに低い圧力で農作業や栽培面を損なわない方法で、暖房運転中に発生する精製ガスを多量（２２ｍ^３／１，０００ｍ^２）の貯蔵が出来る貯蔵設備の設置が課題（以下、第１の課題という）となる。

第２の目的の課題は、発電機２５の動力として、燃焼ガスがクリーンである動力として、スターリングエンジン１６を使用したものであるが、スターリングエンジンの現状は汎用性が無くコストも高く、効率が悪いことから、この点を改善したコジェネレーション機器となす事を第２の課題とした。

課題を解決する手段

本発明は、第１の課題を解決するための手段として、精製ガスの貯蔵設備として、密閉式ビニールダクトを貯蔵用ダクトとして使用することで解決したものであり。
又、第２の課題については、先の第２の提案によるコジェネレーションおいての動力として、スターリングエンジン１６を利用した理由は、内燃機関のエンジンを選択した場合よりクリーンな排気ガスが得られることであったが、先の第１の提案及び、第２の提案で利用する精製装置は、白金触媒による再燃装置と活性炭に吸着装置を備えていてＡ重油の燃焼排ガスを対象としたものであることから、天然ガスやＬＰガスを利用したガスエンジンであれば、内燃機関のエンジンであってもその精製ガスの安全な利用が可能であることから、このてんに着目して、本発明は先の第２の提案の動力をスターリングエンジン１６から内燃機関のガスエンジンに変更して目的を達したものである。
図４は本発明のＣＯ_２の貯槽を付設した、ハウス用電熱併給型暖房装置（以下、本発明の装置という）の仕組みを示すフローシートである。
以下、図４をもって本発明の課題を解決する手段を説明する。
図４は、ガスエンジン発電機をハウス内に設置して、ガスエンジンを運転するときには、電力を得ると共にエンジンの排熱をハウスの暖房用熱源として活用し、エンジンの排気ガスはこれを精製して栽培用ＣＯ_２源として利用する本発明の装置である。
暖房用に利用する場合は、冷却水出口配管から出た高温のジャケット冷却水を排気ボイラーに導入して、エンジンの排気ガスでさらに加熱して温風発生機の熱交換器へ導入してハウス用空気と熱交換して空気を加熱する熱源として利用する仕組みであるが、このような仕組みの装置においては、エンジンの運転をハウスの暖房用の熱の供給のために利用することを主体として、発電出力を従として運転して、発生する電力を全て有効に利用するときには、エンジンからのジャケット冷却水や排ガスからの熱ロスは略ハウスの暖房熱として利用されることから、高い熱効率のコジェネレーション効果のある装置である。
（本装置の電力は、地域の電力会社への売電電力、自家使用の電力、蓄電装置を備えた蓄電用電力又は、温風発生機に備えた電熱ヒーターに供給して温風用熱源として利用することに由って、発電連力を１００％の利用が可能である）
又、エンジン排ガスを栽培用ＣＯ_２源として使用するときには、煙突からハウス外へ廃棄されるガスエンジンの排気ガスの一部を、電磁弁１を開としてブロアー１を運転して、精製装置を通して精製して安全なガスとして、加圧してドレン分離器へ送り、排ガス中の水分を減少させて、電磁弁２、電磁弁４を開いて、ブロアー２を運転して、温風発生機の循環空気入口で放出して、温風発生機の温風吹き出し口から出る温風と混合してハウス内へ配気する仕組みである。
又、エンジンを停止しているとき（暖房運転を停止しているとき）の栽培用ＣＯ_２の供給に備えた備蓄の方法は、ドレン分離器から出た精製ガスを、電磁弁４を開いてブロアー２を運転して加圧して、貯蔵用タンク（貯蔵用ダクトの接続用の小さなタンク）を通して、貯蔵用ダクト（密閉式のビニールダクト）の中へ送って、萎んだダクトを膨らまして貯める仕組みであり、貯蔵した精製ガスの利用は、電磁弁３を開いてブロアー３を運転して温風発生機の入り口で放出し温風発生機のファンを運転して、最適ＣＯ_２施用時間帯のハウス内へ配気する方法の仕組みで利用するものである。

発明の効果

本発明の装置を利用する効果については、コジェネレーションの機能による効果としては以下の（１）〜（４）に記述した効果があり、栽培の技術としては以下の（５）として記述した通りである。
（１）内燃機関のエンジンを利用したことから、エンジン単独での効率が高くなり、エンジン単独で３０％を超える出力の効率が期待できる。
（２）汎用のエンジンが利用できることからエンジンの調達が容易で、製作費が安価となり経済性が優れていること。
（３）暖房用熱を含めた熱効率が極めて高いことから、安価な発電電力が得られること。
因みに、１０ａのハウスにおけるトマト栽培における、燃料の使用量から１シーズンの電力量を推定すると以下の通りとなる。
▲１▼現状の暖房機の容量とエネルギーの使用量：１１２ｋｗ、３４，９００ｋｗｈ／年
運転時間：３１１．６ｈｒ
▲２▼本発明の装置の場合の収支の概算値（発電効率：３０％として）
エンジンの入熱 ： １１２ｋｗ／０．７＝１６０ｋｗ
年間入力 ： ４９，８５６ｋｗｈ
エンジンの出力 ： ４８ｋｗ
年間発電電力量 ： １４，９５７ｋｗｈ となる
（４８ｋｗの出力のエンジンを利用した発電機を使用して、１０ａ当たりのハウス１棟についての夜間暖房を利用して、高い効率で年間１４，９５７ｋｗｈの電力を回収することが可能となる）
（４）非常用の発電装置としての役割が大きいこと。
上記４８ｋｗを全国のハウスに普及し、暖房効果を無視して発電設備として利用するときには４８×４８０，０００ｋｗの非常用発電の装置となり、他地区の災害時におけるバックアップ電力に貢献できること。
（５）最適ＣＯ_２施用時間帯のハウス内でのＣＯ_２濃度を高位で維持する時間帯を長くできる事から、農作物の品質の向上、大幅な増収量が見込まれること。

本発明の装置において使用する内燃機関は、精製装置の性能として、通常の自動車に利用するエンジンの排ガスの有害物質は充分除去できる性能のものであるが、排気ガスボイラー等の寿命等を考慮すると、クリーナ排ガスである天然ガスやＬＰガス燃料のエンジンの仕様が望ましく、燃料の供給や備蓄を考慮するときにはＬＰガスを燃料とした内燃機関が最適である。
又、ハウスに放出する精製ガスについては安全性の確認のための検知器（ＣＯ検知器等）を付設して、安全性を確保して利用する必要がある。
又、ジャケット冷却水による高温水を回収する方法は、▲１▼高温水の温度を排気ガスボイラーの出口で９０℃前後で回収する常温回収システムと、▲２▼高温水の温度を冷却水出口で１１０〜１２０℃程度まで上昇させて用いる高温水回収システム、▲３▼冷却水をエンジン本体内の高音部で直接沸騰させる蒸気回収方式があるが、図４に示すシステムは、▲１▼の常温回収システムの方式を示しているが、熱交換器を小さくするためには、▲２▼の高温水回収システムや、▲３▼の蒸気回収方式があるが冷却水を圧力水とするほか、オイルの冷却水用の回路を別に設ける等が必要となる等設備が複雑となる。
又、温風発生機の熱源としては、熱交換器の利用で可能であるが、電熱ヒーターを付設して利用するときには、発電機によっての電力に余剰が発生するときには、余剰の電力を電熱ヒーターの電源として用いることで、熱交換器の熱と電熱ヒーターの熱の双方の合わせたエネルギーで温風暖房運転を行う事が出来る事から（エンジンの入力を発電分だけ減少できることから）エネルギーの無駄の出ない運転が継続できる利便性がある。
温風発生機の熱交換機で加熱されて温風となったハウス内の循環空気は、温風吹出口のフレームに接続された、温風ダクト（小孔付きのビニールダクト）を通って、ハウス内の各所に小孔から噴き出し分配される。
又、温風ダクトは通風時には概略７０〜９０ｃｍの円形の大きなダクトなることから貯蔵用ダクトを温風ダクトに内蔵することも可能である。

は先の第１の提案の暖房機を示す正面図（部分断面）である。 は先の第２の提案によるコジェネレーション型ハウス暖房機のフローシートである。 はハウス内のＣＯ_２濃度と照度の変化を測定して表した図面である。 は本発明のＣＯ_２の貯槽を付設した、ハウス用電熱併給型暖房装置の仕組みを示すフローシートである。

１． ハウス用暖房機
２． 煙突
３． 吸気口
４． モーター
５． フアン
６． 熱交換用煙道
７． ファンのインペラ
８． 外周の壁板
９． ベース
１０．制御盤
１１．バーナー
１２．外気取り入れ口
１３．吸気ダクト
１４．熱風分配用ダクトの接続口
１５．燃焼室
１６．スターリングエンジン（α型）
１７．膨張ピストン
１８．圧縮ピストン
１９．再生機
２０．クーラー（熱交換器）
２１．ヒーター（熱交換器）
２２．フライホイール
２３．クランクシャフト
２４．カップリング
２５．発電機
２６．回転出力への変換装置
２７．出力軸端
２８．発電機の入力軸

Claims (4)

1. ガスエンジン発電機へ排気ガスボイラーと温風発生機を付設して、エンジンを運転して電力とガスエンジンの冷却水を排気ガスボイラーで、排ガスの熱を利用して加熱して、温風発生機の熱交換器に導入して、温風発生機の暖房用熱源として利用するコジェネレーション装置において、暖房運転を主体的に運転する制御方法によって、この暖房運転によって発生した電力を１００％利用するシステムのハウス用コジェネレーション暖房装置。
2. 請求項１のハウス用コジェネレーション暖房装置において、温風発生機の構造を、冷却水の熱交換器に加えて電熱のヒーターを併設して、熱源を高温の冷却水に加えて、ガスエンジン発電機で自ら発電した電力も利用できるシステムとなした温風発生機を利用した、ハウス用コジェネレーション暖房装置。
3. 請求項１及び請求項２のコジェネレーション装置の煙突へ、精製装置を付設して、煙突から排出する排気ガスの一部を精製してクリーンな精製ガスとなして、ハウス内に放出して栽培用のＣＯ_２源として利用する方法の、ＣＯ_２の供給を併設したハウス用コジェネレーション暖房装置
4. 請求項３のＣＯ_２の供給を併設したハウス用コジェネレーション暖房装置に加えて、ガスエンジンの停止中（ハウス暖房負荷が無い時間帯）においても、精製ガスを最適ＣＯ_２施用時間帯での利用可能とするために、低圧の精製ガスの貯蔵用ダクトを設けて、ガスエンジンの運転中に精製ガスを貯蔵して、最適ＣＯ_２施用時間帯にハウス内に放出して利用するシステムの装置

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