JP2021533325A - 液体乾燥剤夜間冷却器システムおよび方法 - Google Patents

液体乾燥剤夜間冷却器システムおよび方法 Download PDF

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Abstract

エンクロージャ内の温度を制御するための液体乾燥剤システムは、日中にエンクロージャ(202)内に入る空気流AAを冷却するように構成されている蒸発冷却器システム(210)と、夜間に液体乾燥剤(304、534)を使用することによってエンクロージャ(202)の内部空気流AEを冷却し乾燥させるように構成されている液体乾燥剤夜間冷却器(LDNC)システム(220)と、夜間にLDNCシステム(220)のスイッチを入れるように構成されているコントローラ(260)とを備える。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照により全体が本明細書に組み込まれている、2018年7月31日に出願した米国仮特許出願第62/712,355号、名称「LIQUID DESICCANT NIGHT COOLER FOR USE IN CONTROLLED ENVIRONMENT AGRICULTURE」および2018年11月8日に出願した米国仮特許出願第62/757,353号、名称「LIQUID DESICCANT NIGHT COOLER (LDNC)」の優先権を主張するものである。
本明細書において開示されている主題の実施形態は、一般に、液体乾燥剤夜間空気式チラー(liquid desiccant nigh-time air chiller)および除湿器(LDNC)システムに関するものであり、より具体的には、蒸発冷却システムと合わせて、エンクロージャの環境を制御するための方法およびLDNCシステムに関するものである。
蒸発冷却は、暑い気候における温室の冷却および加湿のために世界中で利用されている。真水と省エネルギーに関連して特に関心があるのは、塩水資源を蒸発冷却に利用することである(たとえば、Davies and Paton、2004年、Kassem、1994年、Paton and Davies、1996年、Sabeh、2007年を参照)。しかしながら、従来の蒸発冷却で達成可能な最低温度は湿球温度であるので、高湿度の時期には蒸発冷却の有効性は限定的である。したがって、特定の地域および/または湾岸諸国の一年のうちの特定の時期の場合のように、高温環境で動作するエンクロージャを冷却するときには蒸発冷却は効果のない技術であり得る。
液体乾燥剤は、高温多湿気候に対する冷却および除湿を提供するための潜在的な貢献技術として長い間提案されてきた。制御環境農業のために、液体乾燥剤は、より涼しい温度を達成するために蒸発冷却プロセスと組み合わせて提案されてきた(たとえば、Al-Sulaimanら、2007年、Davies、2005年、El Houraniら、2014年、Lefersら、2016年、Lychnos and Davies、2012年を参照)。液体乾燥剤は、限定はしないが、機械的蒸気圧縮および吸着チラーを含む他の形態の空気式冷却と組み合わせて使用することもできる(Lowenstein、2008年、Mahmudら、2010年、Mohammadら、2013年a、Mohammadら、2013年b)。
農業および制御環境生産に関係して、夜間の温度は日中の温度よりも低温に維持されるべきであることが示唆されている。一般に、植物栽培者は、日中の高い太陽輻射は、トマトなどの作物がたとえば27〜30℃の範囲の高温に耐え、さらには生育することを可能にすると考えている。対照的に、夜間には日射がなく、そのため、プロの生産者は低い夜間温度を好み、20〜23℃の範囲内の温度を選好する。日中と夜間に対する正確な設定温度は、作物の種類、品種、季節、および生産者の選好/目標によって異なる。
夜間温度が高いと、植物によるエネルギー使用量が増大し、それにより、糖分の過剰消費を招き、作物の収量および品質の両方を低下させる可能性がある。作物の収量と品質に対する夜間気温の影響は、作物の種類、品種、および季節に応じて異なる。
温度に加えて、作物は高い湿度レベルにより病気のリスクが高まる。したがって、制御環境における温度だけでなく、湿度レベルも制御することが望ましい。この点に関して、図1は、複数の温度点に関して制御環境内で栽培された植物に対する好ましい湿度レベルを例示しており、温度は湿度よりも重要である。相対湿度RH%は、特定の温度における空気中の水蒸気の量と、その温度で空気が保持し得る最大量との、パーセンテージで表される比として定義され、すなわち、RH%=(絶対含水率)/(飽和含水率)×100%であることに留意されたい。飽差(HD)は、特定の温度で100%の湿度を達成するために空気に加えられなければならない水蒸気の量として定義され、すなわち、g/m3を測定単位としてHD=(飽和含水率-絶対含水率)である。図1は、異なる温度および相対湿度における飽差HDを例示している。好ましい湿度設定点は、通常の蒸発に対応する飽差レベルに対応する。
既存の蒸発冷却器システムは、高温多湿の気候で配置される所与の密閉された環境に対して日中の温度および湿度の1つのレジメン、ならびに夜間の別のレジメンを維持するためには、あまり効率的ではない。したがって、蒸発冷却器システムがもたらす利点を利用するだけでなく、湿度および温度の異なるレジメンに対するそのようなシステムの効率も改善するシステムが必要である。
一実施形態により、エンクロージャ内の温度を制御するための液体乾燥剤システムがある。システムは、日中にエンクロージャ内に入る空気流AAを冷却するように構成されている蒸発冷却器システムと、夜間に液体乾燥剤を使用することによってエンクロージャの内部空気流AEを冷却し乾燥させるように構成されている液体乾燥剤夜間冷却器(LDNC)システムと、夜間にLDNCシステムのスイッチを入れるように構成されているコントローラとを備える。
別の実施形態により、エンクロージャ内の空気流AEから湿度を冷却して除去する方法がある。この方法は、エンクロージャから空気流AEを取り出すステップと、空気流AEを除湿器で冷却して乾燥させ、冷却された乾燥空気流AFを得るステップと、冷却された乾燥空気流AFをエンクロージャに戻すステップと、除湿器の液体乾燥剤をチラーシステムで冷却するステップとを含む。
さらに別の実施形態により、エンクロージャ内の空気流AEから湿度を冷却して除去する方法がある。この方法は、エンクロージャから空気流AEを受け取るステップと、空気流AEをチラーシステムで冷却して、冷却された空気流AE'を生成するステップと、冷却された空気流AE'から湿気を液体乾燥剤除湿器の液体乾燥剤により取り除き、冷却された乾燥空気流AFを生成するステップと、冷却された乾燥空気流AFをエンクロージャに戻すステップとを含む。
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部をなす、添付図面は1つ以上の実施形態を例示しており、また説明と併せて、これらの実施形態を説明する。図面の説明を以下に示す。
様々な温度および相対湿度に対する植物の飽差を例示する図である。 大気が蒸発冷却器システムにより制御されるエンクロージャと液体乾燥剤冷却器および除湿器システムとを例示する図である。 液体乾燥剤冷却器および除湿器システムを例示する図である。 液体乾燥剤冷却器および除湿器システムを操作するための方法のフローチャートである。 別の液体乾燥剤冷却器および除湿器システムを例示する図である。 別の液体乾燥剤冷却器および除湿器システムを操作するための方法のフローチャートである。 液体乾燥剤冷却器および除湿器システムの除湿器を例示する図である。 湿度図表である。 従来の蒸発冷却器システムが使用されるときの日中および夜間のエンクロージャ内の空気の相対湿度を例示する図である。 蒸発冷却器システムが使用されるときの日中および夜間のエンクロージャ内の気温を例示する図である。 液体乾燥剤冷却器および除湿器システムが使用されるときの日中および夜間のエンクロージャ内の気温を例示する図である。 従来のACシステム、従来の蒸発冷却器システム、および蒸発冷却器システムならびに液体乾燥剤冷却器および除湿器システムのエネルギー消費量を例示する図である。 液体乾燥剤冷却器および除湿器システムを運転するための方法のフローチャートである。 他の液体乾燥剤冷却器および除湿器システムを運転するための方法のフローチャートである。
以下の実施形態の説明では、添付図面を参照する。異なる図面中の同じ参照番号は、同じまたは類似の要素を示す。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。その代わりに、本発明の範囲は、付属の請求項によって定義される。以下の実施形態は、簡単のため、日中に使用するための蒸発冷却器システムと、夜間に使用するための液体乾燥剤冷却器および除湿器とを有する温室に関して説明されている。しかしながら、蒸発冷却器システムの代わりに別の冷却システムを使用するか、または昼もしくは夜だけでなく、異なる時間間隔で2つのシステムを運転することも可能である。
本明細書全体を通して「一実施形態」または「実施形態」と記述されている場合、これは、実施形態に関連して説明されている特定の特徴、構造、または特性が開示されている主題の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、「一実施形態では」または「実施形態では」という語句が本明細書全体の様々な箇所に記載されていても、必ずしも同じ実施形態を指しているとは限らない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、好適な任意の方式で1つ以上の実施形態に組み合わせられ得る。
図2に例示されている実施形態によれば、温湿度制御システム200は、日中の冷却に使用される蒸発冷却器システム210と、夜間に使用される液体乾燥剤冷却器および除湿器システム(LDNC)220とを含む(LDNCは、日中にも使用され得ることに留意されたい)。日中は、屋外空気流AAが入口230-1で蒸発冷却システム210内に引き込まれ、このシステムでは、水の蒸発を通して顕熱(温度)が潜熱(湿度)に交換される。エンクロージャを通る空気流は、空気作動システム240(たとえば、ファン)および/または自然風流により誘発される。持続可能性に関して、海水または汽水は利用可能でありアクセス可能である場合に蒸発冷却プロセスに使用されることが好ましく、これにより脱塩のエネルギーおよび二酸化炭素排出量を回避する。次いで、冷却された空気流ABは、(任意選択で、配管システム250を通じて)温室202内に放出される。温室内に存在する植物204は、たとえば、蒸散を通じて空気流に湿気を移すことによって空気流ABと相互作用する。次いで、湿った空気流ACは、ファン240によって強制的に排出口ADのところで温室を出る。
夜間、空気流ACは、温室202から放出されるのではなく、温室202内でリサイクルされる。リサイクルされた空気流ACは、内部取り入れ口230-3で取り込まれ、液体乾燥剤夜間冷却器システム220によって冷却および除湿され、冷却された乾燥空気流AFを生成する。このプロセスは、自然光が減少するか、または完全に遮断される人工照明農業システム(たとえば、倉庫、植物工場、または垂直農場など)においても適用可能である。これらのシステムでは、屋内空気のリサイクルが望まれ、また可能である。次いで、冷却された乾燥空気流AFは、ポート230-4に通されてエンクロージャ202に直接的に戻されるか、またはポート230-5に通されて蒸発冷却器システム210で冷却され、次いでエンクロージャ202内に放出される。空気は、配管250を使って、または配管250なしで、戻されてよい。
次に、第1の実装形態において、LDNCシステム220が図3に関して説明される。LDNCシステムは、一定量の液体乾燥剤304を保持する容器302を有する除湿器300を備える。容器302内に配置されているポンプP1(ポンプは、容器302の外側にも配置され得ることに留意されたい)は、液体乾燥剤304を、弁V1を通して、多孔質材料で形成されたパッド306に送出する。パッド306は、それを通る流入した空気流AEの移動を促進する多数の流路を有する。たとえば、パッドは、限定はしないが、中空繊維膜、フラットシート膜、充填媒体床、セルロースパッド、ポリプロピレンパッドなどを含む。それと同時に、パッド306の頂部306Aで放出される、液体乾燥剤304は、重力および/または圧力により、容器302に戻るまでパッドを通って流れる。パッド306の底部306Bは、乾燥剤溶液が貯蔵容器302に戻るように容器302内に配置されるか、または容器と流体的に連通していることに留意されたい。
空気流AEが高温多湿であり、液体乾燥剤304の蒸気圧よりも高い蒸気圧を有するという事実の結果として、パッド306内の空気流AEと液体乾燥剤304との間の相互作用は、湿気および熱が空気流AEから液体乾燥剤に移されるときに乾燥空気流AFを生成する。空気流AFは、図2に示されているように、ポート230-4を通して温室内に直接的に放出されるか、または図2にも示されているように、別のポート230-5を通して、追加のシステム、たとえば、蒸発冷却器システム210に供給され得る。図2にも示されているように、制御システム260は、必要に応じてポート230-4および230-5を開閉する役目を有することに留意されたい。たとえば、後で説明される様々な読み取り値に基づき、コントローラ260は、日中にポート230-3を閉じ、日中に外部空気流AAが蒸発冷却器システム210によって冷却されるようにポート230-1を開き得る。しかしながら、望ましくない気候条件の夜間には、コントローラは、空気流がエンクロージャの外部から取り込まれないようにポート203-1を閉じるように構成されている。空気流ACは、ポート230-3を開き、除湿された空気流AEをエンクロージャ202内に直接的にまたは蒸発冷却器システム210内に放出するためにポート230-4またはポート230-5のいずれかを使用することによってLDNCシステム220を通して再循環される。夜間、コントローラ260は、空気がエンクロージャの外部と交換されないようにポート230-2も閉じる。複数の追加のシステムが、空気流AFをさらに冷却するためにLDNCシステム220と直列に接続され得る。追加のシステムは、従来のACユニットまたは蒸発冷却器システム、または別のシステムタイプであってもよい。
液体乾燥剤304が弱くなったとき、すなわち、その蒸気圧が流入した空気流AEの蒸気圧を超えて上昇し、液体乾燥剤の温度も上昇するときに、制御システム260は、貯槽SのポンプP2を始動して、新鮮な液体乾燥剤305を容器302内に送り込み、また弱い液体乾燥剤304の一部を容器302から取り除くものとしてよい。この操作のために、制御システム260は、液体乾燥剤304内に配置されているセンサWS1から乾燥剤読み取り値の平衡相対湿度強度に変換される液体、密度、導電率、屈折率、温度、および/または他の読み取り値、また取り入れ口308内に配置されているセンサAS1からの湿度および温度の読み取り値を受け取る。2つの測定された湿度を比較した後、液体乾燥剤内の蒸気圧が流入した空気流の蒸気圧よりも高い場合、制御システムは、弁V1およびV4を閉じ、弁V2およびV3を開き、容器302内の液体乾燥剤をリフレッシュする。存在する場合には弁V5も、液体乾燥剤をリフレッシュするために制御システム260によって開かれる。
図3は、液体乾燥剤305がポンプP2によって、弁V5およびV4を通って熱交換器に送出され、次いで貯槽Sに戻ることができるように、チラーシステム330の一部である熱交換器320が貯槽Sに流体的に接続されていることをさらに示している。この動作が行われた場合、容器304から貯槽Sによって受け取られた、高蒸気圧液体乾燥剤304は、熱交換器320内で冷却され、貯槽Sに戻された液体乾燥剤がパッド306と協働して再び使用できるようになる。熱交換器320は、液体チラー331からの流体(たとえば、水)を使用して液体乾燥剤304を冷却し得る。液体チラー331は、送電系統332から、または代替エネルギー源、たとえば、温室または温室の隣に設置されたソーラーパネル334、風力、ディーゼル発電機などから電力を供給されてもよい。
チラー331は、太陽光発電パネル334に直接的に接続されている可変速チラー、または送電系統332に接続されている単速チラーであり得る。配管、貯槽、弁、ポンプ、および他のコンポーネントは、すべて、耐食性材料(たとえば、プラスチック)から作られてよい。貯槽Sは、複数のタンクと複数のポンプとを含み得る。除湿器300は、複数のユニットを備えてよく、また複数のポンプを備えてもよく、また任意の構成で組み立てられてもよい。空気センサAS1、AS2は、限定はしないが、温度センサ、相対湿度センサ、CO2センサを含み得る。空気センサの数は様々であり得る。液体センサWS1およびWS2は、限定はしないが、温度センサ、液位センサ、導電率センサ、屈折率センサ、および密度センサを含み得る。液体センサの数は様々である。コンポーネントのサイズおよびタイプも、環境の温度および湿度、ならびに制御される必要があるエンクロージャのサイズに応じて変化し得る。
動作時に、LDNCシステム220は、図4に示されているフローチャートに関してここで議論されるステップを実行する。夜の初め(または、人工照明農業システムで必要とされる追加の冷却/除湿の任意の期間)に、強力で冷たい(低蒸気圧の)液体乾燥剤304が、ステップ400において、ポンプP1を介して、弁V1を通して(V2は閉じている)送出され、多孔質媒体パッド306(または他の熱および質量交換器)を湿らせ、ステップ402において高温多湿空気流AE(温室からリサイクルされてもよい)が多孔質媒体パッド306に通され、乾燥冷却空気流AFを得る。乾燥冷却空気流AFは、ステップ404で温室に直接入るか、または追加の冷却ステップを経て、温室に入る。
時間が経つにつれて、空気流AEから液体乾燥剤に水(湿気)が吸収され、液体乾燥剤の温度が上昇すると液体乾燥剤304は弱くなる(蒸気圧が高くなる)。液体センサWS1および空気センサAS1、AS2を使用することによってステップ406において制御システム260によって決定されるのに従い、液体乾燥剤304が提供することができるものを超えて追加の冷却または除湿が必要になる点に達したときには、ステップ408において、ポンプP2を使って、V4が閉じられた状態で弁V3を介して貯槽Sから追加の冷たい強い液体乾燥剤がシステムに追加され、および/またはP1を介して、弁V1が閉じられ、弁V2が開いている状態で、ポンプにより温かくて弱い液体乾燥剤が除湿器300から貯槽Sに送出され得る。
一定時間の経過後に、容器302内の液体乾燥剤304は、流入した空気流AEよりも高い蒸気圧に達し得る。これは、通常の日周変動ならびに環境の温度および相対湿度レベルの自然変動によるものであり、日中の温度はより低い相対湿度で高くなる傾向があり、夜間の温度はより高い相対湿度で低くなる傾向があるが、気候は、また、寒冷前線などの天候パターンに基づき変化する。このときに、容器302内の液体乾燥剤304は、液体乾燥剤304の蒸気圧が空気流AEを超えると、自然に蒸発モードに切り替わる。したがって、ステップ410において、液体乾燥剤は、空気を冷却するために捕捉された水蒸気を放出し、液体乾燥剤の強度を高める(蒸気圧を下げる)。センサWS1からの読み取り値に基づき制御システム260によってステップ412において決定されるのに従い、液体乾燥剤の設定密度および/または蒸気圧が達成されたとき、ステップ414において液体乾燥剤304は、ポンプP1を用いて弁V2(V1は閉じている)を通して貯槽Sに送出することによって循環される。
蓄熱槽S内の液体乾燥剤305は、ステップ416においてチラーシステム330によって冷却される。ポンプP2は、このステップにおいて、弁V3が閉じられている間に、液体乾燥剤305を貯槽Sから弁V4を介してチラーシステム330の熱交換器320に移動する。熱交換器320(熱交換器は、たとえば、機械式冷却システムのプレート型蒸発器であってもよい)との間の配管340が閉じられると、冷却された液体乾燥剤305は、V4が開きV3が閉じられている状態でポンプP2が運転しているときにはいつでも、循環して自然に熱交換器320から貯槽Sに戻される。
望ましいときに、冷たい液体乾燥剤は、ポンプP2により、V3が開きV4が閉じられている状態で、容器302に送出され、プロセスはステップ400に戻る。貯槽Sから送出される液体乾燥剤の総量は、センサAS1によって決定される、温室によって必要とされる総空気冷却量、センサWS2によって決定される液体乾燥剤の強度、ならびにWS1および初期ユーザ入力によって決定される容器302の容量に依存する。
LDNCシステム220は、図2に示されている構成とは異なる構成で実装され得る。この新しい構成は、次に、図5に関して説明される。この実施形態では、LDNCシステム220は、最初に、空気チラーシステム510により流入した空気流AEを予冷し、次いで、液体乾燥剤除湿器530により結果として得られた空気流AE'を除湿して、より乾燥した、より冷たい空気流AFを得る。この実施形態では、空気流AEは、最初に除湿器530により除湿され、次いでチラーシステム510により冷却される可能性がある、すなわち、冷却と除湿の順序は交換され得る。空気流AEは、図2に示されている室内空気流である。しかしながら、修正された実施形態において、外気AAは、LDNCシステム220に供給されてもよい。一応用例において、空気流AEは、屋内空気ACと屋外空気AAとの組合せである可能性がある。
図5に示されている空気チラーシステム510は、熱交換器512およびチラー514を含む。熱交換器512とチラー514との間で流体(たとえば、空気)が交換され、流入した空気流AEを冷却する。チラー514は、電源516に接続されており、これは送電系統であるか、または自律的電源、たとえば、ソーラーモジュールであってもよい。流入した空気流AEは、入口518で受けられ、これは空気を熱交換器512に向ける。センサAS1が入口に置かれ、流入した空気流AEの蒸気圧を測定するように構成されている。センサAS1からの読み取り値は、有線またはワイヤレス方式で、コントローラ260に送信される。空気流AEが冷却された後、その結果得られる空気流AE'は、導管520を通って除湿器530へと進む。除湿器530は、液体乾燥剤534を貯蔵する容器532を備える。パッド536(パッド306に類似している)は、液体乾燥剤534内にある一端と、容器532から離れる方向に延在している他端とを備える。ポンプP1は、液体乾燥剤534をパッド536の頂部に送出し、液体乾燥剤は、空気流AE'と相互作用しながら、パッドを通って容器532に戻る。この相互作用のときに、液体乾燥剤は、空気流AE'から水蒸気を取り除き、結果として、冷却された乾燥空気流AFが得られる。空気流AFは、排出口540を通って温室202または別の冷却システムに戻される。センサAS3は蒸気圧を測定するために排出口540に置かれ、センサWS1は液体乾燥剤の蒸気圧を測定するための容器532内に置かれる。すべてのセンサおよびポンプは、コントローラ260と情報を交換するように構成されている。
図6は、図5の実施形態において実装されるようにLDNC220を操作するための方法のフローチャートを例示している。高湿度の期間中、冷却が必要なときに、センサAS1からの読み取り値に基づきコントローラ260によってステップ600で決定されるのに従い、乾燥剤の蒸気圧が空気の蒸気圧よりも低い場合は、センサAS1、AS2、およびWS1からの読み取り値に基づきコントローラ260によってステップ602で決定されるのに従い、ステップ604において空気チラーが始動され、流入した空気流AEを冷却する。空気センサAS2およびAS3からの読み取り値に基づきコントローラ260によってステップ606で決定されるのに従い、流入した空気流が湿気除去を必要とし、かつ、液体センサWS1からの読み取り値に基づきコントローラ260によって決定されるのに従い、液体乾燥剤534が十分に強い場合には、ステップ608において除湿器ポンプP1がオンにされる。空気流AEは、冷却、除湿、またはその両方の組合せを必要とすることがある。
低湿度の期間中、冷却も必要なときに、センサAS1からの読み取り値に基づきコントローラ260によってステップ610で決定されるのに従い、乾燥剤の蒸気圧が空気の蒸気圧よりも高い場合は、これもまたセンサAS1およびWS1からの読み取り値に基づきコントローラ260によって決定されるのに従い、ステップ612においてチラーシステム510がオフにされ、ポンプP1がステップ614においてオンにされ、これにより液体乾燥剤ベースの除湿器530を蒸発冷却器システムとして利用する。これらのステップで、後に除湿器内で使用するための液体乾燥剤を再充填する。
センサAS1、AS2、AS3、およびWS1からの読み取り値に基づき、ステップ616においてコントローラ260によって決定されるのに従い、液体乾燥剤が蒸発冷却器または除湿器のいずれかとして使用される必要がない期間中に、ステップ618においてポンプP1はオフにされる。
前述の実施形態と同様に、配管、ポンプ、および他のコンポーネントは、耐食性を有するように(たとえば、プラスチック)作られてよい。除湿器530は、さらに多くのユニットを備えてよく、また複数のポンプを備えてもよく、また任意の構成で組み立てられてもよい。チラーは任意のタイプのものであってよい。システム220と好適に対になる例示的なチラーシステムは、「アイスボックス」タイプのチラーである。このシステムでは、太陽エネルギーは、温室に置かれている太陽光発電パネルを介して捕捉されるものとしてよく、生成されたエネルギーは、蓄熱のための可変速度圧縮機アイスボックスチラーに向けられる。次いで、蓄熱アイスボックスは、いつでも空気冷却のために使用できる。システム220と好適に対をなす別のチラーシステムは、使用者の入力に基づき除湿前の空気の場合に応じた顕熱冷却を可能にする可変速度圧縮機空調装置である。チラーは、複数のユニットを備えてよく、任意の構成で組み立てられ得る。
空気センサは、限定はしないが、温度センサ、相対湿度センサ、CO2センサを含み得る。空気センサの数は様々であり得る。液体センサは、限定はしないが、温度センサ、液位センサ、導電率センサ、屈折率センサ、および密度センサを含み得る。センサの数は様々であり得る。システム220は、低湿度の期間中にエネルギー効率の高い冷却を行うために蒸発冷却器と対になっていることが好ましいが、これは必須ではない。温室農業の場合、夜間の冷却は、本明細書において説明されているシステムで達成され得る。人工照明農業では、暗期(消灯時)の冷却は、本明細書において説明されているシステムで達成され得る。
液体乾燥剤夜間冷却器システム220と従来の「パッドおよびファン」蒸発冷却器との間の相違点は、限定はしないが、液体貯蔵領域(すなわち、容器)を含む。図7に例示されているように、除湿器700は、除湿器300または除湿器530であってよく、限定はしないが、通常はパッド長さの1リニアメートル当たり300〜500リットルの大量の乾燥剤液体を収容するように設計されている容器702を備える。この貯槽702は、絶縁された壁704および底部706と、液体乾燥剤の上に浮いている浮遊サーマルトップ710とを有することによって、環境から断熱されるようにも設計されており、これにより、液体乾燥剤712と周囲714との間で交換される熱を最小に減らす。図7は、ポンプP1が、パイプ716を通して液体乾燥剤712をパッド720の頂部に送出することを示している。パイプ716は、パッド720の内側に配置される。しかし、図3および図5に示されているように、パイプはパッドの外側に配置されていてもよい。
容器702の容積は、乾燥した暑い気候での夜間除湿に必要な量の液体乾燥剤を保持するように選択される。たとえば、サウジアラビアのジェッダでは、夜の時間中に必要とされる液体乾燥剤の量は、セットアップオプション、すなわち、(i)図3の実施形態のような乾燥剤液体冷却、または(ii)図5の実施形態のような乾燥剤除湿のみによる空気冷却に依存する。MgCl2乾燥剤溶液を使用するときに、オプション(i)では、制御環境の空気量1m3当たり約1〜2リットルのオーダーの乾燥剤貯蔵量が必要となる。オプション(ii)では、乾燥剤貯蔵量は、制御環境の空気量1m3当たり液体乾燥剤0.1リットルと少なくてよい。ただし、このオプションでは、ピーク時の負荷(限定はしないが、夜間空気冷却の最初の1時間を含む)が高いので、4倍大きいサイズのチラーシステムが必要となる。オプション(i)は、より多くの総貯蔵量を必要とするが、乾燥剤液体は冷凍貯蔵「バッテリー」として働き、より長い時間にわたって液体を冷却することができ、したがって、より小さいピーク負荷およびより小さい全体的なチラーサイズを可能にする。
オプション(i)では、空気の冷却および除湿のために液体乾燥剤を使用するために、液体乾燥剤は、暖かく湿った制御環境空気流ACから移されるべきkJ単位のエネルギーを吸収するのに十分に冷却される必要がある。モデル化されたケースでは、これは制御環境の体積の約70kJ/m3と推定される。チラーシステム330で液体乾燥剤を冷却することで、その除湿ポテンシャルを高め(蒸気圧を下げ)、またヒートシンク(液体乾燥剤の低kJ/kg)として働くことを可能にする。空気から湿気が取られると、凝縮の潜熱は、顕熱(温度上昇)のkJとして「放出」される。この凝縮の熱は空気中に放散されるか、または液体乾燥剤に放散される必要がある。除湿の前に液体乾燥剤を冷やす(kJを除去する)ことによって、液体乾燥剤は、空気をそのまま冷却しながら(または、少なくとも空気を暖めずに)これらの余分なkJを取るためのヒートシンクとして働くことができる。
オプション(ii)の場合、空気チラー510によって空気流ACからkJが取り除かれるので、液体乾燥剤は冷却される必要がない。空気チラー510は、空気を露点まで冷却することができ、液体水が空気から凝縮するときに湿気が取り除かれる。しかしながら、チラー単独システム(乾燥剤なし)では、空気チラーは、露点に到達するために空気を過冷却して余分な湿気を取り除かなければならない。たとえば、目標気温および相対湿度(温室内)がそれぞれ22℃および70%相対湿度である場合、空気はまず露点温度16.3℃まで冷やされ、次いで、図8の湿度図表の線800で示されるように、相対湿度100%での16.3℃から22℃および70%相対湿度に移動するように空気が再加熱される必要がある(約6kJ/kgの空気を追加)。図8のX軸は温度を示し、Y軸は湿度を示していることに留意されたい。提案されているオプション(ii)では、空気は、100%相対湿度(湿球温度)で18.3℃まで空気チラーによって冷却されるだけでよい。次いで、液体乾燥剤は、図8の線802によって示されているように、湿度を温度に自然に交換するために使用され得る。この場合の除湿のための液体乾燥剤と組み合わされた空気冷却は、空気チラーを介した冷却のための電気エネルギーに、再加熱のための追加のエネルギーを加えたエネルギーに関して約15%を節減する。それに加えて、液体乾燥剤に捕捉される水蒸気は、液体乾燥剤が再生されるときに、日中の蒸発空気冷却に再利用され、追加の水およびエネルギーを節減することができる。
液体乾燥剤がオプション(i)または(ii)を介して冷却に使用されるかどうかに関係なく、液体乾燥剤の除湿ポテンシャルを所望のレベルに維持するために液体水として液体乾燥剤に吸収される湿気は取り除かれる必要がある。液体乾燥剤の蒸気圧は、多くの場合、空気と同じ温度での平衡相対湿度(ERH)として伝えられる。本発明の実施形態において、液体乾燥剤夜間冷却器/除湿器システム220は、(1)日中に、蒸発冷却器/乾燥剤再生器として、夜間除湿のために液体乾燥剤のERHを下げて所望のレベルに戻すために、また(2)制御環境に対して追加の冷却を提供するために使用される。液体乾燥剤の望ましいERHは様々であるが、サウジアラビアのトゥワルにおけるモデルケースでは、夜間除湿および冷却のサイクルの始めに望ましいERHは約65%である。したがって、液体乾燥剤から液体水が蒸発する際に乾燥剤の再生を可能にするために周囲湿度は日中の時間帯に65%以下の値に低下する必要がある。
この点に関して、図9は、周囲の相対湿度が概日周期に基づいて一般的にどのように変化するかを示しており、一般的に夜間の湿度902は高く、日中の湿度904は低い。図9は、周囲空気の相対湿度対時間をプロットしており、この時間は8月の数日に対応する。目標900もプロットされている。湿度レベルが、例示的な週の全曜日の特定の時刻に所望のERH目標900よりも下がり、これは液体乾燥剤が再生されることを可能にし、制御環境に対する追加の蒸発冷却を提供することがわかる。
図10は、2016年8月1〜3日にサウジアラビアのトゥワルの温室に設置された海水蒸発冷却器から得られた実データを使用して、8月という高温多湿の月に従来の蒸発冷却システムで達成され得る屋内温度を示している。図からわかるように、蒸発冷却器システムは、日中には温度目標を達成することができるが(目標線1000に関係する丸い点)、周囲湿度が高いので、夜間には目標を達成することができない(目標線1010に関係する菱形の点)(AC/機械冷却の代わりに蒸発冷却が使用される場合に夜間のエネルギー負荷が低減されるにも関わらず)。
しかしながら、同じ条件の下で同じエンクロージャが上で説明されているシステム220で冷却されるときに、LDNCシステム220は液体乾燥剤を他の形態の冷却と組み合わせるので、日中(ドット)および夜間(三角形)の両方の温度目標値(図11の日中1100および夜間1110の目標気温を参照)は、余分な送電系統のエネルギー消費量を最小限度に抑えつつ制御環境内で作物の栽培に対して達成され得る。図11は、図10に例示されている2016年8月1〜2日の実験からの入力データを使用する液体乾燥剤夜間冷却システムを日中の塩水蒸発冷却器と組み合わせることによって達成され得る開発モデルからの理論温度の例を示している。
図12は、2016年8月1日の時間期間におけるサウジアラビアのトゥワルにある2000m2のガラス温室のための3タイプの冷却システムに対する推定された1日当たりの電気エネルギー消費量を示している。第1のシステムは、終日使用される従来の機械式蒸気圧縮システム(エアコン=AC)である。達成される温度は、図11の夜間液体乾燥剤による日中の蒸発冷却について示されたものと同様である。第2のシステムは、終日使用される従来の蒸発冷却システムであり、投入水の脱塩は行わないと仮定している(達成可能な温度は図10に示されている)。第3のシステムは、液体乾燥剤夜間冷却器(LDNC220)と組み合わされた日中使用の蒸発冷却器(ECD)であり、達成可能な温度は図11に示されている。
チラーシステムに接続されているソーラーPVを備えるオプション(i)の構成を使用するECD+LDNCシステムは、従来のAC(AC約4倍以上)と比較したときに著しい送電系統電気エネルギー消費量を削減し、図12に例示されているように、夜間の余分な冷却に対する植物栽培者の要望を満たす一方で、一日中運転する蒸発冷却器よりもわずかに大きい送電系統電気エネルギーを消費する(約1.2倍以上)のみである。推定される月次運転費用に関して、予想される電気OPEXは、AC=3,860ドル、スタンドアロンEC=770ドル、およびECD+LDNC=930ドル(電気料金を0.08ドル/kWhと仮定)である。生産された野菜の出荷価格を5ドル/kgと仮定すると、温室は、追加されるOPEXを正当化するためにECよりもACで3.6kg/m2/年以上生産する必要があるが、温室は、追加されるOPEXを正当化するためにECD+LDNCで0.2kg/m2/年以上生産するだけでよい。したがって、ECD+LDNCは、高温多湿の気候において従来の蒸発冷却単独で達成可能なものよりも生産量と収益が増大し得るように温室を効率的に冷却するために非常に有望である。
ECD+LDNCシステムは、従来のAC冷却で達成されることもあり得るものに比べて著しく低いエネルギーフットプリントで高温多湿気候における制御環境農業に対する温度および湿度の、栽培者が望む設定点の条件を満たすことが期待される。そのようなものとして、本明細書において開示されているLDNCシステムは、より低いエネルギーおよびコストフットプリントで製品の量および品質を高める大きな可能性を保持しており、したがって、これらの気候における栽培者に対する制御環境農業からの収入および持続可能性を向上する。
次に、オプション(i)を実装するための方法が図13に関して説明される。この方法は、エンクロージャから空気流AEを取り出すステップ1300と、空気流AEを除湿器300で冷却して乾燥させ、冷却された乾燥空気流AFを得るステップ1302と、冷却された乾燥空気流AFをエンクロージャに戻すステップ1304と、除湿器300の液体乾燥剤をチラーシステムで冷却するステップ1306とを含む。この方法は、外部の空気がエンクロージャ内に入り、内部の空気がエンクロージャから流出することを可能にするポートを一晩中閉じるステップ、および/または冷却された乾燥空気流AFを、エンクロージャに戻す前に、蒸発冷却器システムで処理するステップをさらに含み得る。ポートを閉じるかまたは開き、ならびに除湿器および蒸発冷却器システムを始動するかまたは停止するかのタイミングを、コントローラ260(たとえば、プロセッサ)が、空気流AEおよび液体乾燥剤からの蒸気圧の読み取り値に基づいて決定する。
次に、オプション(ii)を実装するための方法が図14に関して説明される。この方法は、エンクロージャから空気流AEを受け取るステップ1400と、空気流AEをチラーシステム510で冷却して、冷却された空気流AE'を生成するステップ1402と、冷却された空気流AE'から湿気を液体乾燥剤除湿器530の液体乾燥剤により取り除き、冷却された乾燥空気流AFを生成するステップ1404と、冷却された乾燥空気流AFをエンクロージャに戻すステップ1406とを含む。
この方法は、外部の空気がエンクロージャ内に入り、内部の空気がエンクロージャから流出することを可能にするポートを一晩中閉じるステップ、および/または冷却された乾燥空気流AFを、エンクロージャに戻す前に、蒸発冷却器システムで処理するステップをさらに含み得る。コントローラ260は、空気流AEおよび液体乾燥剤からの蒸気圧の読み取り値に基づき、ポートを閉じるかまたは開き、ならびに液体乾燥剤除湿器および蒸発冷却器システムを始動するかまたは停止するかのタイミングを決定する。
開示されている実施形態は、所望の温度および/または湿度を達成するためにエンクロージャ内で夜間に使用され得る液体乾燥剤冷却器および除湿器システムを提供する。本明細書は、本発明を限定することを意図されていないことは理解されるべきである。それどころか、これらの例示的な実施形態は、付属の請求項において定義されているように本発明の精神および範囲内に収まる、代替的形態、修正形態、および等価形態を対象とすることを意図されている。さらに、例示的な実施形態の詳細な説明において、請求されている発明を包括的に理解できるように多数の具体的詳細が述べられている。しかしながら、当業者であれば、そのような具体的詳細がなくても様々な実施形態が実施され得ることを理解するであろう。
本発明の実施形態の特徴および要素は、特定の組合せで実施形態において説明されているが、各特徴または要素は、実施形態の他の特徴および要素なしで単独で、または本明細書において開示されている他の特徴および要素との様々な組合せで、またはそれらなしで使用することができる。
本明細書では、任意のデバイスまたはシステムを製作して使用すること、および任意の組み込まれた方法を実行することを含む、当技術者が実施することを可能にするように開示されている主題の例を使用している。主題の特許可能な範囲は、請求項によって定められ、当業者であれば思い付く他の例を含むものとしてよい。そのような他の例は、請求項の範囲内に収まることを意図されている。
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AA 屋外空気流
AB 空気流
AC 湿った空気流
AD 排出口
AE 流入した空気流
AE' 空気流
AF 乾燥空気流
AS1、AS2 空気センサ
AS3 センサ
P2 ポンプ
S 貯槽
V1、V2、V3、V4、V5 弁
WS1およびWS2 液体センサ
200 温湿度制御システム
202 温室
203-1 ポート
204 植物
210 蒸発冷却器システム
220 液体乾燥剤冷却器および除湿器システム(LDNC)
230-1 入口
230-3 内部取り入れ口
230-4 ポート
230-5 ポート
240 空気作動システム
240 ファン
250 配管システム
260 コントローラ
300 除湿器
302 容器
304 液体乾燥剤
305 液体乾燥剤
306 パッド
306A 頂部
320 熱交換器
330 チラーシステム
331 液体チラー
332 送電系統
510 空気チラーシステム
512 熱交換器
514 チラー
516 電源
530 液体乾燥剤除湿器
532 容器
534 液体乾燥剤
536 パッド
700 除湿器
702 容器
704 壁
706 底部
710 浮遊サーマルトップ
712 液体乾燥剤
714 周囲
716 パイプ
720 パッド
900 目標
1000 目標線
1010 目標線

Claims (20)

  1. エンクロージャ内の温度を制御するための液体乾燥剤システム(200)であって、
    日中に前記エンクロージャ(202)内に入る空気流AAを冷却するように構成されている蒸発冷却器システム(210)と、
    夜間に液体乾燥剤(304、534)を使用することによって前記エンクロージャ(202)の内部空気流AEを冷却し乾燥させるように構成されている液体乾燥剤夜間冷却器(LDNC)システム(220)と、
    夜間に前記LDNCシステム(220)のスイッチを入れるように構成されているコントローラ(260)とを備える液体乾燥剤システム。
  2. 前記コントローラは、前記エンクロージャの外部から前記空気流AAを受け取るために日中に第1のポート(230-1)をオンにし、夜間に第1のポートをオフにするように構成される請求項1に記載の液体乾燥剤システム。
  3. 前記コントローラは、日中に第2のポート230-2を通して前記エンクロージャの空気流ACを前記エンクロージャの外に追い出し、夜間に第2のポート230-2を閉じ、前記エンクロージャと前記LDNCシステムとの間に配置されている第3のポート230-3を開くことによって、前記LDNCシステムを通して前記空気流ACを再循環させるようにさらに構成される請求項2に記載の液体乾燥剤システム。
  4. 前記コントローラは、前記LDNCシステムによって冷却された前記空気流AEを放出して前記エンクロージャ内に戻すために第4のポート(230-4)を開き、前記空気流AEが前記蒸発冷却器システムに入るのを防ぐために第5のポート(230-5)を閉じるようにさらに構成される請求項3に記載の液体乾燥剤システム。
  5. 前記コントローラは、前記LDNCシステムによって冷却された前記空気流AEを放出して前記エンクロージャ内に戻さないために第4のポート(230-4)を閉じ、さらなる冷却のために前記蒸発冷却器システム内に入るように前記空気流AEを誘導するために第5のポート(230-5)を開くようにさらに構成される請求項3に記載の液体乾燥剤システム。
  6. 前記LDNCシステム(220)は、
    前記液体乾燥剤を保持する容器(302)と、
    一端が前記液体乾燥剤と流体的に接触しているパッド(306)と、
    前記パッド上に流入する前記空気流AAを冷却して乾燥させるために、前記液体乾燥剤を前記パッドの別の端部に送出するポンプ(P1)とを備える請求項1に記載の液体乾燥剤システム。
  7. 前記液体乾燥剤を保持し、前記容器と流体的に連通している貯槽Sと、
    前記貯槽からの前記液体乾燥剤を冷却するチラーシステム(330)とをさらに備える請求項6に記載の液体乾燥剤システム。
  8. 前記チラーシステムは、
    前記貯槽からの前記液体乾燥剤を冷却するように構成されている熱交換器(320)と、
    前記熱交換器から熱を取り除くように構成されているチラー(331)とを備える請求項7に記載の液体乾燥剤システム。
  9. 前記LDNCシステム(220)は、
    前記内部空気流AEを冷却するためのチラーシステム(510)と、
    前記チラーシステム(510)から冷却された空気流AE'を受け入れ、前記エンクロージャに戻される空気流AFを生成するために湿気を取り除くように構成されている除湿器(530)とを備える請求項1に記載の液体乾燥剤システム。
  10. 前記除湿器は、
    前記液体乾燥剤を保持する容器(532)と、
    一端が前記液体乾燥剤と流体的に連通しているパッド(536)と、
    前記パッド上に流入する前記空気流AE'を乾燥させるために、前記液体乾燥剤を前記パッドの別の端部に送出するポンプ(P1)とを備える請求項9に記載の液体乾燥剤システム。
  11. 前記チラーシステムは、
    前記空気流AEを冷却するように構成されている熱交換器(512)と、
    前記熱交換器から熱を取り除くように構成されているチラー(514)とを備える請求項9に記載の液体乾燥剤システム。
  12. エンクロージャ内の空気流AEを冷却し、湿気を取り除くための方法であって、
    前記エンクロージャから前記空気流AEを取り出すステップ(1300)と、
    冷却された乾燥空気流AFを得るために前記空気流AEを除湿器(300)で冷却して乾燥させるステップ(1302)と、
    前記冷却された乾燥空気流AFを前記エンクロージャに戻すステップ(1304)と、
    前記除湿器(300)の液体乾燥剤をチラーシステム(330)で冷却するステップ(1306)とを含む方法。
  13. 外部の空気が前記エンクロージャ内に入り、内部の空気が前記エンクロージャから流出することを可能にするポートを一晩中閉じるステップをさらに含む請求項12に記載の方法。
  14. 前記冷却された乾燥空気流AFを、前記エンクロージャに戻す前に、蒸発冷却器システムで処理するステップをさらに含む請求項13に記載の方法。
  15. ポートを閉じ、開き、ならびに前記除湿器および前記蒸発冷却器システムを始動し、停止するタイミングを、プロセッサが、前記空気流AEおよび前記液体乾燥剤からの蒸気圧の読み取り値に基づいて決定する請求項14に記載の方法。
  16. エンクロージャ内の空気流AEを冷却し、湿気を取り除くための方法であって、
    前記エンクロージャから前記空気流AEを受けるステップ(1400)と、
    冷却された空気流AE'を生成するために前記空気流AEをチラーシステム(510)で冷却するステップ(1402)と、
    冷却された乾燥空気流AFを生成するために、前記冷却された空気流AE'から湿気を液体乾燥剤除湿器(530)の液体乾燥剤により取り除くステップ(1404)と、
    前記冷却された乾燥空気流AFを前記エンクロージャに戻すステップ(1406)とを含む方法。
  17. 外部の空気が前記エンクロージャ内に入り、内部の空気が前記エンクロージャから流出することを可能にするポートを一晩中閉じるステップをさらに含む請求項16に記載の方法。
  18. 前記冷却された乾燥空気流AFを、前記エンクロージャに戻す前に、蒸発冷却器システムで処理するステップをさらに含む請求項16に記載の方法。
  19. ポートを閉じ、開き、ならびに前記液体乾燥剤除湿器および前記蒸発冷却器システムを始動し、停止するタイミングを、プロセッサが、前記空気流AEおよび前記液体乾燥剤からの蒸気圧の読み取り値に基づいて決定する請求項18に記載の方法。
  20. 前記液体乾燥剤から湿気を取り除くために日中に前記液体乾燥剤除湿器を運転するステップをさらに含む請求項16に記載の方法。
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