JP5116051B2 - 温室の温湿度管理システム及び温湿度管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、温室の温湿度管理システム及び温湿度管理方法に関し、特に、ヒートポンプ式冷暖房機を利用した温室の温湿度管理システム及び温湿度管理方法に関する。

温室で作物を栽培する場合、その作物に適した温度や湿度を管理する必要がある。しかし、安易な変温は湿度の上昇を招き、高湿度を原因とするうどん粉病、ベト病、灰色かび病などの病害を多発するため留意しなければならない。

温室内の日中の湿度は、天窓等を開閉すれば過湿になることは少ないが、夜間や雨天時に温室を閉め切ると、土壌や作物などから水蒸気が発生し、温室内の湿度が上昇していく。また、温度が低下すると飽和水蒸気量が低下し高湿となる。

例えば１℃温度が低下すると５％の相対湿度の上昇を招くことが知られている。すなわち、夕方２０℃で天窓等を閉める時の湿度が６０％であったとすると、夜間温度を１２℃まで（つまり８℃）低下した場合、湿度はさらに４０％上昇することになり、温室内の湿度は１００％になる。

このような問題に対し、従来は石油燃料を燃焼し、温度を２〜３℃上昇させ飽和水蒸気量を上げる（相対湿度を低下させる）ことによって高湿になるのを防止していた。しかしながら、原油の価格変動が著しい今日では石油燃料のコストが大きな負担となっており、施設園芸を営む農家の努力だけでは克服できるレベルではなくなってきている。

そのような状況の中、石油代替技術として、施設園芸にヒートポンプ式冷暖房機を利用する動きが出ている。一般的にヒートポンプ式冷暖房機は、圧縮機及び室外熱交換器（凝縮機ともいう）を備えた室外機と、膨張弁及び室内熱交換器（蒸発器ともいう）を備えた室内機から構成され、室外機と室内機との間は冷媒が管内で循環している。冷媒は膨張すると温度が下がり、圧縮すると温度が上がる性質があり、例えば冷媒を膨張させて−１０℃にすれば、外気が０℃と低くても室外機内で冷媒は外気から熱を吸収して温度上昇するため暖房に利用できる。一方、冷媒を圧縮して仮に５０℃まで温度上昇させれば室内が４０℃と高くても冷媒が室内の熱を吸収して外気へ放出するため冷房に利用できる。このときの熱効率に相当する「出力熱量／消費エネルギー」の値を成績係数（ＣＯＰ）と呼び、電気ストーブの場合ＣＯＰは１が上限であるが、最新のヒートポンプエアコンでは６〜７に達する。すなわち、１の消費エネルギーで得られる熱量が６から７に達するということである。冷房の場合もサイクルが逆になるだけで基本的に同じ原理であり、ＣＯＰはやはり６〜７に達する。このように、ヒートポンプ式冷暖房機はエネルギー効率がよく、石油系燃料に代わる温湿度管理手段としての期待が高まっている。

ヒートポンプ式冷暖房機を温室の温湿度管理に利用した従来例を図１３及び図１４に示す。図１３はヒートポンプ式冷暖房機を用いて温室を暖房する場合の従来例を説明するための概略図である。図１３に示すように、温室１００は、作物Ｐが植えられている内室１２０と、内室１２０を覆う外室１１０とから構成され、内室１２０の天井部分は、熱の放出を抑制するための二層カーテン１２２で覆われている。そして、ヒートポンプ式冷暖房機は、温室１００外に設置された室外機１０２と、内室１２０内に設置された室内機１０４とから構成されている。

室外機１０２で集められた熱は、図示しない冷媒を伝わり、室内機１０４から放出される。例えば、内室１２０内の温度を１５℃に設定した場合は、室内機１０４から温度３５℃、湿度２５％の空気が放出される。しかし、温度差があるものが接触した場合、熱は移動する。すなわち、熱は温度の高い方から低い方へ移動するため、内室１２０内へ放出された熱は、外気温が８℃の場合、外気に向かって温度を下げながら移動する。

温室１００内の熱は、（投入エネルギー）−（放熱エネルギー）という式を考えた場合、プラスとなれば温度の上昇、マイナスとなれば温度の下降を招く。図１３に示す場合、内室１２０の室温１５℃→二層カーテン１２２中の温度１２℃→二層カーテン１２２上の温度１０℃→外気８℃と移動していく。この場合、外気から温室１００内へ熱が移動することはない。

ヒートポンプ式冷暖房機を普通に暖房運転した場合、室外機１０２は温室１００の外に設置されているので、外気温度が５℃以下に低下してくると、熱交換効率が低下する。また、室外機１０２に着霜するので、霜取り運転を行わなければならない。しかしながら、霜取り運転時は温室１００内へ熱エネルギーが入ってこなくなる。一方で熱は外気へ移動し続けるため、室温は徐々に設定温度以下になってしまう。温度が徐々に低下するにつれて飽和水蒸気量が低下し高湿となるため、うどん粉病、ベト病、灰色かび病などの病害が発生しやすくなってしまう。

図１４はヒートポンプ式冷暖房機を用いて温室を冷房する場合の従来例を説明するための概略図である。基本的な構成は図１３と同様である。

例えば、外気温が２８℃で、室温を１９℃に設定した場合は、室外機１０２から放出される空気の温度は４８℃となり、内室１０４の室内機１０４からは温度９℃、相対湿度９９％の空気が放出される。

冷房するということは、２８℃の外気から１９℃の温室１００内に熱が侵入してくることを意味する。そして、侵入した熱をヒートポンプ式冷暖房機の室内機１０４で集めて室外機１０２から放出することである。

しかしながら、熱は外気（２８℃）から二層カーテン１２２上（２５℃）→二層カーテン１２２中（２２℃）→室内（１９℃）と侵入してくるため、ヒートポンプ式冷暖房機は室温を維持するため常に冷房運転を続けなければならない。

ヒートポンプ式冷暖房機を用いて温室の温湿度管理を行う例としては、例えば、特開２００８−１１６１７８号公報に、ビニールハウス内を暖房するときにエアコンの冷房運転を行ない、室内機より発生する冷気を、ダクトを介して屋根と二層カーテンとの間のスペースに送り込み、外気とビニールハウスとの間に冷気による断熱層を形成して、ビニールハウス内の保温効果を高め、ビニールハウス内を冷房するときには逆に暖房運転を行ない、室内機より発生する暖気を、ダクトを介して屋根と二層カーテンとの間のスペースに送り込み、外気とビニールハウスとの間に暖気による断熱層を形成する冷暖房方法が記載されている（特許文献１）。

特開２００８−１１６１７８号公報

上記特許文献に記載された発明は、ハウス内を暖房する場合、ヒートポンプの運転モードを冷房運転にするため、温度に基づいて自動運転を行うためには別のサーモスタットを設置してON／OFFの制御を行うしかなく、インバータを使用した省エネ運転を行うことができない。これは冷房運転時においても同様である。また、室内の空気をヒートポンプによってエネルギーを奪って２層カーテンの上に空気を送る場合、そのまま全量を送ると、冷房又は暖房効率が低下することがあった。

そのため、より簡易な手段で効率よく温室の温湿度管理が実施できるシステム及び方法が求められていた。

したがって本発明は、ヒートポンプ式冷暖房機を利用した温室の温湿度管理システム及び温湿度管理方法において、より簡易な手段で効率よく温室の温湿度管理が実施できる技術を提供することを目的とする。

本発明は、作物を栽培するための内室と、一定の空間を形成して該内室の全体を覆う外室と、室外機及び室内機とから構成されたヒートポンプ式冷暖房装置と、を備えた温室の温湿度管理システムであって、該室外機が該内室の空気を吸気して該内室と該外室との間に形成された空間に排気し、該空間において、排気された空気を外気温度との温度差を利用して熱交換すると共に湿度を低下せしめ、熱交換され湿度が低下した空気を該内室へ導くことを特徴とする、温室の温湿度管理システムを提供するものである。

また、本発明は、作物を栽培するための内室と、一定の空間を形成して該内室の全体を覆う外室と、室外機及び室内機とから構成されたヒートポンプ式冷暖房装置と、を用いる温室の温湿度管理方法であって、該室外機が該内室の空気を吸気して該内室と該外室との間に形成された空間に排気し、該空間において、排気された空気を外気温度との温度差を利用して熱交換すると共に湿度を低下せしめ、熱交換され湿度が低下した空気を該内室へ導くことを特徴とする、温室の温湿度管理方法を提供するものである。

本発明の温室の温湿度管理システム及び温室の温湿度管理方法によれば、低いコストで効率的に除湿を行うことができるため、作物の病気を未然に防止することができる。作物を栽培する場合に最も気をつけなければならないことは病気である。作物の病気の原因は９０％以上がカビによるものであるが、湿度を下げることでカビの発生を抑制することができる。その他の原因は細菌であるが、細菌についても湿度を下げることでカビと同様の効果を得ることができる。

本発明の実施形態に係る温湿度管理システムの概略図である。 本発明の実施形態におけるショートサーキット手段の一例を示す図である。 一体型ヒートポンプ式冷暖房装置を使用した例を示す図である。 図３の実施形態にショートサーキット手段を備えた例を示す図である。 本発明の実施形態に係る温湿度管理システムを暖房運転した時の温度と湿度の変化を説明するための図である。 本発明の他の実施形態に係る温湿度管理システムを暖房運転した時の温度と湿度の変化を説明するための図である。 結露水発生のメカニズムを説明するための図である。 本発明の実施形態に係る温湿度管理システムを冷房運転した時の温度と湿度の変化を説明するための図である。 ショートサーキット手段の実施例を示す図である。 送風ファン６０のインバータを３０サイクルに設定した時の温度と湿度の経時的変化を示す図である。 送風ファン６０のインバータを２０サイクルに設定した時の温度と湿度の経時的変化を示す図である。 送風ファン６０のインバータを１５サイクルに設定した時の温度と湿度の経時的変化を示す図である。 ヒートポンプ式冷暖房装置を暖房運転した場合の従来例を説明するための図である。 ヒートポンプ式冷暖房装置を冷房運転した場合の従来例を説明するための図である。

図１に本発明に係る温室の温湿度管理システムの概略図を示す。図１に示すように、本発明に係る温室の温湿度管理システム１は、作物Ｐを栽培するための内室１０と、内室１０の全体を覆い空気が通る一定の空間（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３）が形成された外室２０と、室外機３２及び室内機３４とから構成されたヒートポンプ式冷暖房装置３０を備えている。なお、内室１０は外室２０から空気を導入できる程度の隙間を有しており、後述するように、外室２０で熱交換され湿度が低下した空気を内室１０に導入することができるようになっている。なお、隙間は内室１０の全周にわたって形成しても、一部に形成してもよい。

本実施形態において「温室」とは、ガラスのほか、ポリカーボネート、ビニールなどの合成樹脂板又はシートなどで空間を区画した中で花卉類、野菜類、果樹類を育てる、いわゆる通常的な意味での温室、ビニールハウスのような簡易温室、住宅などと併設した温室、サンルームなど、住宅、ビルの屋上などの一部に太陽光が十分差し込むようにした部屋、比較的急勾配の一般住宅などの屋根の一部をガラス屋根とした屋根裏部屋や、ベランダ、
テラスなどに作った仮設的なものも含まれる。

本実施形態において「作物」とは、一般に作物と称されるものであれば特に制限はなく、いずれの作物も対象となる。作物の中でも園芸作物であることが好ましく、その中でも、特に温度と湿度の管理如何によって品質に大きく影響を受ける園芸作物は本発明の効果をより享受することができる。ここで、「園芸作物」とは、花卉類、野菜類、果樹類のことを意味する。

園芸作物の具体例としては、例えば、花卉類としてバラ、カーネーション、洋ラン、ガーベラ、トルコキキョウ等を挙げることができ、野菜類としてトマト、ピーマン、ナス、キュウリ等を挙げることができ、果樹類としてイチゴ、ミカン、マンゴー、ブドウ、ナシ等を挙げることができる。

室外機３２は図示しない圧縮機及び室外熱交換器を備えており、室内機３４は図示しない膨張弁及び室内熱交換器を備えている。そして室外機３２と室内機３４とは図示しない配管で接続されており、配管内は冷媒が循環している。また、室外機３２は、吸気口が内室１０側に、排気口が外室２０にそれぞれ露出しており、内室１０の空気を吸い込んで外室２０の流路（Ｓ_１）に排出するように構成されている。一方、室内機３４は内室１０に設置されている。

室外機３２には、ヒートポンプ式冷暖房装置３０を稼働させる際に、室外機３２から排出された空気（矢印）を上昇させるための手段として、風向ガイド４０が装着されていることが好ましい。本実施形態において「風向ガイド」とは、室外機３２から排出される空気の風向きを変えて空気を上昇させ、内室１０と外室２０との間に形成された空間（Ｓ_２）に導くために室外機３２の排気口部分に装着されるものである。その形状は上記目的を達成できる範囲内で適宜変更することができる。なお、風向ガイド４０は製造メーカーによって風向調整板、吹き出しガイド、ガイドルーバーなどとも称される。

風向ガイド４０を用いることで、室外機３２から排出される空気（矢印）を内室１０と外室２０との間に形成された空間（Ｓ_２）に導くことができるため、室外機３２から排出される空気を温湿度管理システム１内にゆっくり循環させることができる。

内室１０（の二層カーテン１４）と外室２０との間に形成された空間（Ｓ_２）と、室外機３２が設置された空間（Ｓ_１）との境界には開口部５０が形成されており、風向ガイド４０により上昇した空気（矢印）は、この開口部５０を通って内室１０と外室２０との間に形成された空間（Ｓ_２）に導かれる。開口部５０の形状は特に限定はなく、例えば断面四角形、断面三角形、断面円形としたり、筒状のダクトを設ける等、任意の形状とすることができるが、８馬力から１０馬力のヒートポンプの場合、少なくとも面積が０．５ｍ^２以上であることが、所望の風量を確保する観点から好ましい。

このとき、送風ファン６０を用いて、室外機３２から排出された空気（矢印）を内室１０と外室２０との間に形成された空間（Ｓ_２）に導入することが好ましい。送風ファン６０の位置は特に限定されないが、開口部５０の近傍に備えることで、排出された空気をより確実に空間（Ｓ_２）内に導入することができる。また、排出された空気を空間（Ｓ_２）に拡散する役割も果たす。なお、「開口部５０の近傍」とは、開口部５０を基準として、空間（Ｓ_２）全体の半分より開口部５０側の位置、または空間（Ｓ_１）全体の半分より開口部５０側の位置を意味する。

内室１０と外室２０との間に形成された空間（Ｓ_２）に導かれた空気は、外気温度（Ｔｍｐ２）と室外機２０から排出された空気の温度（Ｔｍｐ１）との温度差を利用して熱交換され湿度が低下する。このとき、内室１０と外室２０との間に形成された空間（Ｓ_２）に導入された空気の風量は、暖房・冷房能力が２２〜２８ｋｗの機種の場合、６０〜７０ｍ^３／分であることが好ましい。かかる範囲の風量で内室と外室との間に形成された空間を空気が移動すれば、熱交換と湿度の低下を効率よく行うことができる。そして、熱交換と湿度の低下が行われた空気は、室外機３２が内室１０の空気を吸い込んで内室１０がやや引圧になっているため、内室１０と外室２０との間に形成された空間（Ｓ_３）を通って内室１０に移動する。

例えば、本実施形態のシステムを用いて内室１０の室温を上げるために暖房を行った場合、室外機３２から排出される空気の温度は比較的低く、湿度は比較的高いものとなる。室外機３２から排出された空気の温度（Ｔｍｐ１）と外気の温度（Ｔｍｐ２）との関係がＴｍｐ１＜Ｔｍｐ２のとき、熱は外気から温湿度管理システム１内へと移動する（Ａ）。すなわち、外気の熱エネルギーを温湿度管理システム１に導入することができる。暖められた空気は飽和水蒸気量が高くなるため、相対湿度が低くなった状態で内室１０に移動する。その結果、内室１０の湿度を下げることができる。

暖房運転時に室外機３２から排出された空気の温度（Ｔｍｐ１）と外気の温度（Ｔｍｐ２）との関係がＴｍｐ１＞Ｔｍｐ２のとき、熱は温湿度管理システム１内から外気へと移動する（Ｂ）。このとき、外室２０の内側では結露が発生し、空気中の水蒸気が凝縮し水滴ｄとなって付着する。また、空気中の水蒸気が凝縮し水滴ｄとなる時に約５５０〜５６０ｋｃａｌの凝縮熱が発生する。凝縮熱とは、気体が凝縮によって液体となるときに放出する熱（潜熱）である。水滴ｄの熱が外気に奪われて温度が低下するまでの間は、外気に向かう熱の移動が抑制される。すなわち水滴ｄが断熱材としての役割を果たすことになる。さらに、内室１０から外室２０に向かって移動する熱と相まって、一旦低下した温度（Ｔｍｐ１）が再び上昇する。水滴ｄの熱が外気に奪われて温度が低下すれば、再び温湿度管理システム１内から外気へと移動し、結露→水滴ｄ発生→凝縮熱の発生→断熱→内室１０から外室２０に向かって熱が移動→空気の温度上昇というプロセスを繰り返す。

このように、一種の除湿効果が得られると共に、水滴ｄが断熱材としての機能も発揮するため外室２０の内側から外気へ放出される放熱量を抑制することができる。除湿された空気はその後流路（Ｓ_３）を通って内室１０に移動する。その結果、内室１０の湿度を下げることができる。なお、発生した水滴は外室２０の内壁を伝って温湿度管理システム１の外に排出される。

以上のように、暖房運転時に室外機３２から排出された空気の温度（Ｔｍｐ１）と外気の温度（Ｔｍｐ２）との関係がＴｍｐ１＞Ｔｍｐ２のときであっても、室外機３２の吸気口が内室１０側に露出するように設置しているので、室内の空気から熱を利用することができる。このため、外気温度がいくら下がっても除霜運転が行われる心配がなく、寒冷地でもヒートポンプ式冷暖房装置３０を利用することができる。

一方、本実施形態のシステムを用いて内室１０の室温を下げるために冷房を行った場合、室外機３２から排出される空気の温度は吸気口に吸い込まれた空気よりも１５〜２０℃高くなり、温度が１℃上がれば湿度は５％下がることから、室外機３２から排出される空気の湿度は低いものとなる。室外機３２から排出された空気の温度（Ｔｍｐ１）と外気の温度（Ｔｍｐ２）との関係はＴｍｐ１＞Ｔｍｐ２となる。従って熱は温湿度管理システム１から外気へと移動する（Ｂ）。なお、このとき飽和水蒸気量が低下するため相対湿度が高くなるが、飽和水蒸気量が１００％を超えることはないため結露は発生しない。また、相対湿度が高くなるといっても内室１０内の絶対湿度より高くなることはない。そのため室外機３２から排出された空気の温度（Ｔｍｐ１）を下げることができ、また、内室１０内の湿度よりも低い湿度の空気が内室１０内に導入されるため、効率よく冷房と湿度低下を行うことが可能となる。なお、本実施形態の温室の温湿度管理システムを使用しない一般的な温室の冷房（図１４参照）と比較して、消費電力を２０〜３０％節約することができる。

従来、ヒートポンプ式冷暖房装置を利用して温室又は工場などの大型の施設を暖房又は冷房する場合、室外機は必ず建物の外に設置しなければならなかった。一般に、温室が大型になればなるほど、ヒートポンプ式冷暖房機の室外機と室内機とを接続する冷媒配管の距離が長くなり、例えば１００ｍ×１００ｍ以上の規模を有する温室では、冷媒配管の価格がヒートポンプの本体価格より高価になる場合があった。また、冷媒配管が長くなるほどヒートポンプ効率も低下していた。

これに対して本願発明では、暖房運転、冷房運転のどちらの場合でも、温室内に室内機及び室外機を設置することができるため、大型温室においても冷媒配管の長さを数ｍ以内に抑えることができ、設備コストが大幅に低減できるとともに、ヒートポンプ効率の低下も抑制することができる。また、室外機の吸気口が内室に露出しており、内室の空気を吸い込んで外室の流路に排出するように構成されているため、本発明の温室の温湿度管理システムを実施する時間が長くなるほど、暖房運転の場合は高温、低湿度の空気を利用することができ、冷房運転の場合は低温、低湿度の空気を利用することができる。そのため、時間の経過とともに温湿度管理システムの利用効率が高まる。

なお、本実施形態においては、内室１０に室内送風ファン１２を備えていることが好ましい。内室１０は温度の高い場所・低い場所又は湿度の高い場所・低い場所が存在するため、室内送風ファン１２を用いて内室１０内の空気を循環させることにより、温度や湿度を均一に保つことができる。

また、内室１０は、外室２０との間に複数層からなるカーテン１４を備えていることが好ましい。複数層からなるカーテン１４を備えることにより、内室１０の室温を一定に保持する効果を高めることができる。例えば、カーテンを二層にした場合は、一層の場合と比較して、保温効果が１７．５％向上する。

また、室外機３２近傍には、いわゆる「ショートサーキット」を発生させるためのショートサーキット手段を備えていることが好ましい。ショートサーキット手段は、室外機３２から排出された空気の一部を内室１０へ戻し、戻した空気を内室１０の空気と混合した後、その混合空気を室外機３２によって内室１０と外室２０との間に形成された空間に排出させるためのものである。

本実施形態において、「ショートサーキット」とは、室外機３２から排出された空気の一部が室外機３２の吸気口側にまわり、内室１０の空気と混合された後、その混合空気が再び室外機３２から排出される状態をいう。一般にショートサーキットは室外機からの排熱ができなくなり運転能力の低下や運転停止などエアコンが動作不良を招く原因とされているが、本実施形態においては、ショートサーキットを生じさせることによって室外機３２から排出された空気の熱を再び内室１０に取り込み、熱エネルギーの放出量を抑制することができるため、ヒートポンプ式冷暖房装置３０に消費されるエネルギー量はそのままに、省エネ効果をより高めることができる。

なお、「室外機３２の近傍」とは、室外機３２の上面、底面、側面またはそれらの周辺であって、室外機３２から排出された空気の一部が内室１０へ戻り、ショートサーキットを起こすような位置を意味する。

図２は本発明の実施形態におけるショートサーキット手段の一例を示す図である。室外機３２は暖房運転時は室内温度より約１０℃温度の下がった空気を排出する。従って、例えば室内温度の設定を１６℃としたとき、室外機３２から排出される空気の温度は約６℃である。この排出された空気の一部が室外機３２近傍に設けたショートサーキット開口部５２から室内へ戻され、一旦内室１０の空気と混合された後、室外機３２の吸気口から再び吸い込まれ、内室１０と外室２０との間に形成された空間（Ｓ_２）へと排出されることで、いわゆるショートサーキットの状態が形成される。このとき、初めに排出された空気よりも温度の低い空気が排出されることになり、内室１０内の熱エネルギーの排出を抑制することができる。また、室外機３２から排出された空気の温度（Ｔｍｐ１）は外気の温度（Ｔｍｐ２）との温度差がより大きくなるため、外気の温度（Ｔｍｐ２）をより効率よく温湿度管理システム１内に取り込むことができる。

なお、図２では室外機３２の上部にショートサーキット開口部５２を設けた例を示したが、ショートサーキット開口部５２の位置はこれに限定されず、室外機３２の下部、左側面又は右側面にショートサーキット開口部５２を設けてもよい。

ショートサーキットを生じさせる空気の量は、ショートサーキット開口部５２の大きさや室外機３２の排出量を調整することによって適宜変化させることができる。

なお、ショートサーキットを起こさせるのは冷房運転時でも有効であり、その原理は暖房運転時にショートサーキットを起こさせる場合と同様である。

また、本実施形態では１つの温室に１台のヒートポンプ式冷暖房装置を使用した例を示したが、これに限定されることなく、温室の規模や外気の温度等に応じて複数台使用することもできる。

図３、図４に本発明の他の実施形態を示す。なお、説明の都合上、作物Ｐは省略してある。図３は、室外機８０ａと室内機８０ｂが一つになった一体型ヒートポンプ式冷暖房装置８０を使用した例である。室外機８０ａは図示しない圧縮機及び熱交換器を備えており、室内機８０ｂは図示しない膨張弁及び熱交換器を備えている。そして室外機８０ａと室内機８０ｂとは図示しない配管で接続されており、配管内は冷媒が循環している。

室外機８０ａの排気口側にはダクト８２の一端が接続されており、他端は二層カーテン１４を介して内室１０と外室２０との間に形成された空間に配置されている。一方、室内機８０ｂの排気口側にもダクト８４の一端が接続され、他端は内室１０内に可動可能に向けられている。

一体型ヒートポンプ式冷暖房装置８０は内室１０に装備されるため、熱交換により発生するドレイン水を温湿度管理システム１の外へ排出するための排水管８１を備えている。

このような一体型ヒートポンプ式冷暖房装置８０を使用して温湿度管理を行う場合、送風ファン８６が回転して室外機８０ａが内室１０の空気を吸気するとともに、送風ファン８６の風圧で排気がダクト８２を上昇し、二層カーテン１４上の内室１０と外室２０との間に形成された空間（Ｓ）に排出される。そして空気は内室１０及び外室２０の側面の空間を通って、熱交換及び湿度の低下を伴いながら内室１０に形成された隙間を通って内室１０に移動する。なお、熱交換及び湿度の低下のメカニズムは、図１で説明したものと同様である。

一方、室内機８０ｂ側では、送風ファン８８が回転して内室１０の空気が吸気口から吸気され、送風ファン８８の風圧で、ダクト８４を通って熱交換された空気が内室１０の空間に排出される。

図４は、図３に示した実施形態にショートサーキット手段を追加した実施形態である。本実施形態においては、ショートサーキット手段としてダクト８２の一部を分岐させ、室外機８０ａの近傍にショートカット用ダクト８５を備えた点が図３に示した実施形態とは異なる。ショートカット用ダクト８５には複数の空気穴が形成されており、室外機８０ａから排出された空気の一部が室外機８０ａの吸気口から再び吸気されるように（つまりショートサーキットが生じるように）構成されている。

図１に示す温室の温湿度管理システム１を使用して、バラ栽培において温湿度管理を行った実施例を示す。なお、温室の内室１０及び外室２０は０．１ｍｍ厚の農業用ポリ塩化ビニル製フィルムを使用したビニールハウスを使用し、ヒートポンプ式冷暖房装置３０は（日立アプライアンス社製、型式RPI-AP224）を使用し、風向ガイド４０は室外ユニット風向ガイド（日立アプライアンス社製、形式SP-HK-3）を使用し、送風ファン６０及び室内送風ファン１２は（ミツビシソーワ社製、形名DF-40ETD1）を使用した。また、内室１０と外室２０との間に形成された空気の流路（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３）を移動する風量は６５ｍ^３／分とした。

１．暖房運転（Ｔｍｐ１＜Ｔｍｐ２）による温室の温湿度管理
図５に、温室の温湿度管理システム１を使用して、室外機３２から排出される空気の温度（Ｔｍｐ１）が外気温（Ｔｍｐ２）よりも低いときに（Ｔｍｐ１＜Ｔｍｐ２）、バラＲを栽培している温室の内室１０の室温が１５℃となるように暖房運転を行った際の実施例を示す。

このとき、外気温度（Ｔｍｐ２）は８℃、ヒートポンプ式冷暖房装置３０の室内機３４から放出された空気は温度が３３℃、湿度が２５％であった。一方、室内機３４と熱交換される内室１０の空気の温度は１３℃であった。内室１０の温度と湿度を均一にするため、室内送風ファン１２により室内の空気を還流させた。

室外機３２は暖房運転時は室内温度より１０℃温度の下がった空気を排出する。そのため、室外機３２から排出された空気の温度（Ｔｍｐ１）は３℃、湿度は９９％であった。排出された空気は風向ガイド４０により流路（Ｓ_１）を上昇し、開口部５０の近傍に設置してある送風ファン６０によって内室１０の二層カーテン１４と外室２０との間に形成された空間（Ｓ_２）に導入された。

空気がその空間（Ｓ_２）を移動すると共に、熱交換と湿度の低下が生じ、３℃であった排気温度が４℃上昇して７℃となり、９９％であった湿度が２０％低下して７９％となった。そして、温度が高められ、湿度が低下した空気は流路（Ｓ_３）を通って内室１０の隙間から内室１０内へ移動した。

暖房運転中、内室１０内の温度は１５℃、湿度は７０〜８０％に保持され、温度湿度管理システム１の効果が実証された。

なお、日中は日光によって温室内に熱エネルギーを取り込むことができたため、温度湿度管理システム１の効果がより高まった。そのほか、ヒートポンプ式冷暖房装置３０を作動させた際に発生した作動熱、バラＲを栽培している栽培空間から放出された熱も併せて利用していると考えられる。

また、梅雨時に同様の操作を行ったところ、外気が１５℃以上のときは除湿能力が高まることが判明した。

２．暖房運転（Ｔｍｐ１＞Ｔｍｐ２）による温室の温湿度管理
図６に、温室の温湿度管理システム１を使用して、室外機３２から排出される空気の温度（Ｔｍｐ１）が外気温（Ｔｍｐ２）よりも高いときに（Ｔｍｐ１＞Ｔｍｐ２）、バラＲを栽培している温室の内室１０の室温が１５℃となるように暖房運転を行った際の実施例を示す。

このとき、外気温度（Ｔｍｐ２）は０℃、ヒートポンプ式冷暖房装置３０の室内機３４から放出された空気は温度が３５℃、湿度が２５％であった。一方、室内機３４と熱交換される内室１０の空気は１５℃であった。但し、室外機３２の吸気口に取り込まれる空気の温度は１３℃であった。なお、内室１０の温度と湿度を均一にするため、室内送風ファン１２により室内の空気を還流させた。

室外機３２から排出された空気の温度（Ｔｍｐ１）は５℃、湿度は９９％であった。排出された空気は風向ガイド４０により流路（Ｓ_１）を上昇し、開口部５０の近傍に設置してある送風ファン６０によって内室１０の二層カーテン１４と外室２０との間に形成された空間（Ｓ_２）に導いた。

空気がその空間（Ｓ_２）を移動すると共に、熱交換と除湿が行われ、５℃であった排気温度が外気に熱を奪われ２．５℃にまで温度が下がった。このとき、外室２０の内側では結露が発生し、空気中の水蒸気が凝縮し水滴ｄとなって付着した。

図７は結露が発生した状態を説明するための図である。結露が発生して水滴ｄが外室２０の内側に付着すると、空気中の水蒸気が凝縮する時には凝縮熱が発生し、外室２０の内側の境界面の温度が２．５℃よりも高くなる。これは１ｃｃの水から５９７ｃａｌの熱が発生するためである。水滴ｄの熱が外気に奪われて温度が低下するまでの間は、外気に向かう熱の移動が抑制された。これは水滴ｄが断熱材としての役割を果たしているからである。さらに、内室１０の二層カーテン１４から外室２０に向かって熱が移動するため、一旦２．５℃に低下した温度が４℃に上昇した。

すなわち、内室１０と外室２０との間の空間（Ｓ_２）では、結露→水滴ｄ発生→凝縮熱の発生→断熱→内室１０から外室２０に向かって熱が移動→空気の温度上昇というプロセスを繰り返し、温度が５℃→２．５℃→４℃と変化していった。このとき、湿度は２．５℃のときは９９％であったものが４℃のときに９０％にまで減少し、さらに水滴ｄが外室２０の屋根の傾斜に沿って地面方向に移動し、最終的には温湿度管理システム１の外に排出されたため、外室２０の内側から外気へ放出される放熱量の減少を抑制するとともに、除湿が効率よく行われていることが明らかとなった。

除湿された空気はその後流路（Ｓ_３）を通って内室１０に移動した。その結果、内室１０内の温度は１５℃、湿度は７０〜８０％に保持され、温度湿度管理システム１の効果が実証された。

このように、暖房運転時に室外機３２から排出された空気の温度（Ｔｍｐ１）と外気の温度（Ｔｍｐ２）との関係がＴｍｐ１＞Ｔｍｐ２のときであっても、室外機３２を外室２０内に設置しているので、室内の空気から熱を利用することができた。また、外気温度がいくら下がっても除霜運転が行われず、寒冷地でもヒートポンプ式冷暖房装置３０を利用することができた。

３．冷房運転（Ｔｍｐ１＞Ｔｍｐ２）による温室の温湿度管理
図８に、温室の温湿度管理システム１を使用して、室外機３２から排出される空気の温度（Ｔｍｐ１）が外気温（Ｔｍｐ２）よりも高いときに（Ｔｍｐ１＞Ｔｍｐ２）、バラＲを栽培している温室の内室１０の室温が１９℃となるように冷房運転を行った際の実施例を示す。

このとき、外気温度（Ｔｍｐ２）は２８℃、ヒートポンプ式冷暖房装置３０の室内機３４から放出された空気は温度が９℃、湿度が９９％であった。一方、室内機３４と熱交換される内室１０の空気の温度は１９℃であった。内室１０の温度と湿度を均一にするため、室内送風ファン１２により室内の空気を還流させた。なお、室内機３４は内室１０の空気と熱交換する際、空気中の水蒸気の凝縮水をドレイン水として温湿度管理システム１外に排出するため、内室１０内の絶対湿度が低下する。

室外機３２から排出された空気の温度（Ｔｍｐ１）は３８℃、湿度は３０％であった。なお、温度が上昇したため湿度は３０％に低下した。排出された空気は風向ガイド４０により流路（Ｓ_１）を上昇し、開口部５０の近傍に設置してある送風ファン６０によって内室１０の二層カーテン１４と外室２０との間に形成された空間（Ｓ_２）に導入された。

空気がその空間（Ｓ_２）を移動していくと、熱交換が行われると共に、内室１０から二層カーテン１４上に逃げてきた冷気がキャッチされ、３８℃であった排気温度が１２℃低下して２６℃となり、これにより相対湿度が高くなって３０％であった湿度が７０％となった（但し、上記のとおり室内機３４で除湿されているため内室１０の絶対湿度は低下する）。

そして、温度が低下し、絶対湿度が低下した空気は流路（Ｓ_３）を通って内室１０の隙間から内室１０内へ移動した。

冷房運転中、内室１０内の温度は１９℃、湿度は約８０％に保持され、温度湿度管理システム１の効果が実証された。また、本実施例のシステムでは、通常の冷房運転時（従来例）と比較して、消費電力が２０〜３０％低下した。

なお、室外機３２から排出された空気の温度（Ｔｍｐ１）と外気の温度（Ｔｍｐ２）との温度差が１０℃の時の温室表面からの放熱量は１０ａ当たりおよそ１５万ｋｃａｌである。ヒートポンプ式冷暖房装置３０の作動熱は、８馬力のヒートポンプ式冷暖房装置１台当たり約２２０００ｋｃａｌであり、冷房時に３台使用しても合計約６６０００ｋｃａｌしか発生しない。そのため、ヒートポンプ式冷暖房装置３０の作動熱が内室１０の室温に与える影響は無視することができる。

４．ショートサーキットを利用した温室の温湿度管理
図９は、ショートサーキット手段の実施例を示す図である。図９に示すように、室外機３２の下部に、ショートサーキット手段として、１００ｃｍ×５０ｃｍのショートサーキット開口部５２を備え、室外機３２から排出された空気の一部が室外機３２の底を通って内室１０に戻る、いわゆるショートサーキットを発生させた。そして、風向ガイド４０により流路（Ｓ_１）を上昇する空気の温度がより低くなるように構成された温湿度管理システムを使用して、暖房運転を行った際の温度及び湿度を経時的に測定した。

このとき、室内温度（Ｔｍｐ１）と外気温度（Ｔｍｐ２）との関係は、前記２．（図６）と同様、Ｔｍｐ１＞Ｔｍｐ２であった。

室外機３２から排出される空気の量（換言すれば、排出された空気を内室１０へ戻す量）は、実験用に送風ファン６０を備えたダクト７０を設け、この送風ファン６０のインバータを３０サイクル、２０サイクル、１５サイクルにそれぞれ設定することにより調整した。また、室内の温度は、午後１０時以降は１６℃、午前６時から午後１０時までは１８℃に設定した。

図９に示すように、内室１０の空気が室外機３２の吸気口に取り込まれ、排気口から排出されると、排出された空気の一部がショートサーキット開口部５２に導入されて内室１０に戻される。そして、内室１０の空気と混合されて、再び室外機３２の吸気口に取り込まれ、排気口から排出される。そのため、ショートサーキット開口部５２を備えていない温湿度管理システムよりも、さらに低い温度の空気が室外機３２から排出されることになる。

室外機３２から排出される空気の温度は、内室１０の空気の温度が１８℃に設定されているとき、インバータ３０サイクルでは７〜８℃、インバータ２０サイクルでは５〜６℃、インバータ１５サイクルでは２〜３℃であった。

ショートサーキットにより温度が低下した空気の一部は、送風ファン６０により流路（Ｓ_１）を上昇し、前記２．（図６）で説明した場合と同じメカニズムで熱交換及び除湿が実施され、内室１０に移動した。これを繰り返し、一定時間、温度と湿度を管理した。結果を図１０〜１２に示す。

図１０は送風ファン６０のインバータを３０サイクルに設定した時の温度と湿度の経時的変化を示す図である。インバータを３０サイクルに設定した場合は、外気温度が−５．３〜−６．４℃であっても、内室１０の温度を１４．１〜１６．６℃の範囲、湿度を５６〜６５％ＲＨの範囲で制御することができた。この結果、本実施例のシステムでは、前記２．の温湿度管理システム（図６）と比較して、エネルギー消費量が約１０％低下した。

図１１は送風ファン６０のインバータを２０サイクルに設定した時の温度と湿度の経時的変化を示す図である。インバータを２０サイクルに設定した場合は、外気温度が−３．５〜−５．４℃であっても、内室１０の温度を１４．４〜１７．３℃の範囲、湿度を５８〜６５％ＲＨの範囲で制御することができた。この結果、前記２．の温湿度管理システム（図６）と比較して、エネルギー消費量が約２０％低下した。

図１２は送風ファン６０のインバータを１５サイクルに設定した時の温度と湿度の経時的変化を示す図である。インバータを１５サイクルに設定した場合、外気温度が−４．４〜−５．７℃であっても、内室１０の温度を１４．０〜１７．５℃の範囲、湿度を５８〜７２％ＲＨの範囲で制御することができた。この結果、前記２．の温湿度管理システム（図６）と比較して、エネルギー消費量が約１５％低下した。

本実施例によれば、ヒートポンプ式冷暖房装置３０に使用するエネルギー量はそのままで、内室１０の暖かい空気を排出する割合を減らし、ショートサーキットを利用して室外機３２から排出される空気の温度をより低くすることができるため、内室１０内の熱エネルギーの放出量をより減少させることができる。

１…温湿度管理システム
１０…内室
１２…室内送風ファン
１４…二層カーテン
２０…外室
３０…ヒートポンプ式冷暖房装置
３２…室外機
３４…室内機
４０…風向ガイド
５０…開口部
５２…ショートサーキット開口部
６０…送風ファン
７０…ダクト
８０…一体型ヒートポンプ式冷暖房装置
８０ａ…室外機
８０ｂ…室内機
８１…排水管
８２、８４…ダクト
８５…ショートカット用ダクト
８６、８８…送風ファン
１００…温室
１０２…室外機
１０４…室内機
１１０…外室
１２０…内室
１２２…二層カーテン
Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３…空気の流路
Ｐ…作物
Ｒ…バラ
ｄ…水滴

Claims (11)

1. 作物を栽培するための内室と、一定の空間を形成して該内室の全体を覆う外室と、室外機及び室内機とから構成された空気熱源式ヒートポンプ式冷暖房装置と、を備えた温室の温湿度管理システムであって、
   該内室に設置された室内機が該内室の空気を吸気して冷気又は暖気を排気することで該内室を冷房又は暖房するとともに、
   該室外機が該内室の空気を吸気して該内室と該外室との間に形成された空間に排気し、
   該空間において、排気された空気を外気温度との温度差を利用して熱交換すると共に湿度を低下せしめ、
   熱交換され湿度が低下した空気を該内室へ導くことを特徴とする、
   温室の温湿度管理システム。
2. 前記室外機を、その吸気口が前記室内側に、排気口が前記外室側にそれぞれ露出するように備えたことを特徴とする、請求項１に記載の温室の温湿度管理システム。
3. 前記室外機から排出された空気を上昇させる手段として、前記室外機に装着された風向ガイド又は前記内室と前記外室との間に形成された空間に設置された送風ファンを備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の温室の温湿度管理システム。
4. 前記内室と前記外室との間に形成された空間と、前記室外機が設置された空間との境界に開口部が形成されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の温室の温湿度管理システム。
5. 前記送風ファンを、前記開口部の近傍に備えたことを特徴とする、請求項３に記載の温室の温湿度管理システム。
6. 前記内室に室内送風ファンを備えたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の温室の温湿度管理システム。
7. 前記内室が、前記外室との間に複数層からなるカーテンを備えていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の温室の温湿度管理システム。
8. 前記作物が園芸作物であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の温室の温湿度管理システム。
9. 前記ヒートポンプ式冷暖房装置の前記室外機と前記室内機とが一体形成されてなり、
   一端が前記室外機の排気口に接続され、他端が前記内室と前記外室との間に形成された空間に配置されたダクトを備えていることを特徴とする、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の温室の温湿度管理システム。
10. 前記室外機から排出された空気の一部を前記内室へ導入するためのショートサーキット手段を備え、
    該ショートサーキット手段から導入された空気を前記内室の空気と混合した後、その混合空気を前記室外機によって前記内室と外室との間に形成された空間に排出することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の温室の温湿度管理システム。
11. 作物を栽培するための内室と、一定の空間を形成して該内室の全体を覆う外室と、室外機及び室内機とから構成された空気熱源式ヒートポンプ式冷暖房装置と、を用いる温室の温湿度管理方法であって、
    該内室に設置された室内機が該内室の空気を吸気して冷気又は暖気を排気することで該内室を冷房又は暖房するとともに、
    該室外機が該内室の空気を吸気して該内室と該外室との間に形成された空間に排気し、
    該空間において、排気された空気を外気温度との温度差を利用して熱交換すると共に湿度を低下せしめ、
    熱交換され湿度が低下した空気を該内室へ導くことを特徴とする、
    温室の温湿度管理方法。