JP5451473B2

JP5451473B2 - 温室栽培システム

Info

Publication number: JP5451473B2
Application number: JP2010062536A
Authority: JP
Inventors: 良胤 ▲高▼島; 和伸小林
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2030-03-18
Also published as: JP2011193765A

Description

本発明は、炭化水素を燃料とする燃焼装置から排出される二酸化炭素を含む排ガスを温室空間の植物に供給する排ガス流路を備えた温室栽培システムに関する。

近年、コジェネレーションが広く採用されるようになってきており、これによりエネルギー効率が向上して、地球温暖化の原因となる二酸化炭素の排出量の低減が図られている。コジェネレーションは、発電時に発生する電力および熱をエネルギー源として利用するものであるが、更に、この時に生成され従来は廃棄されていた二酸化炭素を有効利用するものとして、トリジェネレーションという形態がある。

前記排ガスは、重油や灯油のほかＬＰガスや都市ガス等の炭化水素燃料を燃焼させたものであるから、大気中よりも高濃度の二酸化炭素を含んでいる。トリジェネレーションは、ガスエンジンをはじめとする内燃機関等から排出される排ガスを浄化して、排ガス中に含まれる二酸化炭素を温室内で光合成の原料の一つとして積極的に植物の育成促進等の目的で温室栽培システム等に利用するものである（特許文献１、２参照）。

特開２００８−２０１６４９号公報特開２００４−３４４１５４号公報

ところが、温室内の植物の好適な育成環境は、温度、光、二酸化炭素のみで決まるわけではなく、実際には湿度が重要な要素になっている場合も多い。前記排ガスは、重油や灯油のほかＬＰガスや都市ガス等の炭化水素燃料を燃焼させたものであるから、二酸化炭素のほかに水蒸気も大量に含んでいる。このような排ガスを、温室空間に供給すると、前記温室空間は、排ガスによって加熱され、二酸化炭素および水蒸気の供給を受けるため、前記育成条件のうち温度、二酸化炭素、湿度の条件が同時に変化する。そのため、例えば、前記排ガスにより、温度条件と二酸化炭素濃度条件を満たすように供給すると、前記温室内雰囲気が多湿になりすぎ、好適な植物育成条件が得られないというような問題が生じやすい。このような状況は、前記特許文献１に示されるように、前記排ガスを冷却して、その排ガス中に含まれる水蒸気をドレンとして除去する構成があるが、冷却水温度の低減による更なる低湿化や冷却水温度の向上による多湿化への対応が難しいという問題があって、実際には植物の育成環境での適切な湿度管理の制御が困難であるというのが実情であった。

本発明の目的は、上記実情に鑑み、炭化水素を燃料とする燃焼装置から排出される二酸化炭素を含む排ガスを用いて適正に温室内の植物育成環境を整えることができる温室栽培システムを提供することにある。

〔構成〕
上記目的を達成するための本発明の温室栽培システムの特徴構成は、炭化水素を燃料とする燃焼装置から排出される二酸化炭素を含む排ガスを温室空間の植物に供給する排ガス流路を備えた温室栽培システムであって、
前記燃焼装置からの排ガスの一部または全部を前記温室空間に分配する排ガス分配率を調整する排ガス分配部を排ガス流路に設け、
前記排ガス流路に前記排ガスを冷却水により冷却する潜熱回収型熱交換器を設けるとともに、前記潜熱回収型熱交換器で生成されるドレンを回収するドレン回収部を設け、前記潜熱回収型熱交換器で熱交換された冷却水を温室空間内の植物に供給し、
前記温室空間内の湿度が温室内の植物の生育に適した湿度以上の時、前記潜熱回収型熱交換器に供給される前記冷却水の温度を低下させ、前記温室空間内の湿度が温室内の植物の生育に適した湿度未満の時、前記潜熱回収型熱交換器に供給される前記冷却水の温度を上昇させる熱交換温度制御機構を設けた点にある。

〔作用効果〕
つまり、前記燃焼装置から排出される二酸化炭素を含む排ガスを排ガス流路から温室空間内に供給すると、前記排ガスは燃焼熱および二酸化炭素および水蒸気の供給源となる。このとき、前記排ガスに含まれる二酸化炭素量は、前記燃焼装置の運転条件により決定される。そして、前記排ガス流路に前記排ガスを冷却水により冷却する潜熱回収型熱交換器を設けると、前記排ガスに含まれる熱および水蒸気を加温された冷却水および冷却により生じたドレンとして除外して供給することができる。つまり、前記排ガスは、前記冷却水による冷却温度において飽和水蒸気を含有する二酸化炭素含有ガスとして前記温室空間に供給することができる。そのため、前記冷却水による冷却温度を制御パラメータとすると、前記二酸化炭素含有ガスに含まれる水蒸気量および前記排ガスの温度を制御することができることになる。すると、二酸化炭素濃度および水蒸気量を適正値に制御することができる。
また、前記排ガス分配部の排ガス分配率を調整することにより、前記温室内の二酸化炭素濃度が適正に調整される。

ここで、温度条件が水蒸気量の制御の際に固定されてしまうように思われるが、前記排ガスの熱は加温された冷却水として回収できているので、その冷却水を植物に供給する水として与え、別途燃焼装置から回収された熱を、温水循環式の温室暖房装置などにより温室空間に与えることにより、前記温度条件の制御も可能となる。

そして、熱交換温度制御機構を設けてあると、前記温室空間内の湿度が温室内の植物の生育に適した湿度以上の時、前記潜熱回収型熱交換器に供給される前記冷却水の温度を低下させ、前記排ガスに含まれる水分を十分凝縮させ、排ガスに含まれる水蒸気量を減少させる制御を行うことができ、前記温室空間内の湿度が温室内の植物の生育に適した湿度未満の時、前記潜熱回収型熱交換器に供給される前記冷却水の温度を上昇させることにより、前記排ガスに含まれる水分の凝縮量を少なくさせ、排ガスに含まれる水蒸気量を増加させる制御を行うことができ、前記温室空間に供給される水蒸気量および二酸化炭素濃度および温度を植物の育成に適した条件の範囲を外れたときに、適正範囲になるように補正することができるので、適正に制御できることになる。

〔構成〕
また、前記温室空間内の温度が、温室内の植物の生育に適した温度未満の時、前記燃焼装置から排出される熱を前記温室空間内に供給するとともに、温室内の植物の生育に適した温度以上の時、前記燃焼装置から排出される熱の前記温室空間内への供給を抑制する供給温室温度制御機構を設けても良い。

〔作用効果〕
尚、先にも述べたとおり、前記温室空間内の温度を制御するには、種々の方法が考えられるが、前記温室空間に供給される熱を燃焼装置から直接得られると、前記温室栽培システムのエネルギー効率の面から好ましい。また、得られた熱は、前記温室空間内の温度に基づいて決定されると植物の生育条件を適切な範囲内に維持するのに好適である。

即ち、前記供給温室温度制御機構を設け、前記温室空間内の温度が、温室内の植物の生育に適した温度未満の時、前記燃焼装置から排出される熱を前記温室空間内に供給することにより、前記温室空間内の温度が、植物の生育に適さない温度に低下するのを防止することができ、温室内の植物の生育に適した温度以上の時、前記燃焼装置から排出される熱の前記温室空間内への供給を抑制することにより、前記温室空間内の温度が植物の育成に適さない高温になるのを防止することができる。

〔構成〕
さらに、前記ドレン回収部に回収される水を温室空間内の植物に供給する温水供給路を設けても良い。

〔作用効果〕
つまり、前記ドレン回収部に回収される水は、前記排ガス中から凝縮されたものであり、植物の育成に用いる水として供給することができる。そのため、温水供給路を設けて温室空間内に前記ドレン回収部に回収される水や熱交換されて温度の上昇した水を供給すると、燃焼装置の排熱が前記温室空間内で有効に利用できることになり、エネルギー効率の面から好ましい。

〔構成〕
尚、植物がレタスであり、
前記温室空間に湿度計を設け、
前記熱交換温度制御機構が、前記湿度計の出力湿度がＲＨ７０％以下のとき、冷却水温度を上昇させ、前記湿度計の出力湿度がＲＨ９０％以上のときに冷却水温度を低下させる温度調整を行うことが好ましい。

〔作用効果〕
植物としてレタスを選択した場合、レタスの促成や耐病性の育成条件を考える場合には、湿度管理が最重点事項となるので、上記本発明の温室栽培システムを最も有効に活用できる形態となり、育成条件の管理の難しい植物としてのレタスを、少ない労力で適切な成育条件に管理することができるようになり、生産性の向上、品質の向上に寄与することができた。

尚、植物とは、光合成する生物一般を指すものとし、野菜、果実等の農作物、花卉、草木等のほか、藻類等の微生物を含む概念である。

また、燃焼装置とは、内燃機関、外燃機関、燃料電池、バーナ、ボイラ、ヒータ等燃料を燃焼させて熱や動力のエネルギーを得る装置全般を指すものとし、中でも内燃機関とは、燃料の燃焼によって生じた高温高圧のガスを直接ピストン及びタービン羽根などに作用させ，その膨張によって燃料の燃焼熱を機械的仕事に変える熱機関であって，ガスエンジン、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等に加えて、ガスタービン，ジェットエンジン及びロケットも内燃機関に含めうる。

従って、前記冷却水の温度を管理するだけの簡単な構成により、前記温室空間内の植物育成条件を容易に適正に維持することができるようになり、植物の育成条件の面からも、トリジェネレーションとしてエネルギーの有効利用の観点からも好適な温室栽培システムを提供することができるようになった。

温室栽培システムの概略図である。レタスの栽培制御のフロー図である。菜類植物の栽培制御のフロー図である。

以下に、本発明の温室栽培システムを説明する。以下、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。

本発明の温室栽培システムは、温室にコジェネレーション装置１を備えて構成される。前記コジェネレーション装置１は、炭化水素燃料として都市ガスを用いるガスエンジン１１に、発電機１２を設けるとともに、ガスエンジン１１を冷却するエンジン冷却水１１ａと熱交換して貯湯する貯湯タンク１３を設けて構成されている。前記発電機１２は、インバータ１２ａを備え、後述の冷却水温度調整装置２３や外部の電力消費部１４の消費電力をまかなうように電力を出力可能に構成される。また、前記貯湯タンク１３は、前記エンジン冷却水１１ａの熱をエンジン冷却水熱交換器１５により熱交換し、貯湯タンク１３内の湯水を加熱する構成とし、さらに、エンジン排ガス１１ｂから熱回収する排ガス熱交換器１６を備え、その排ガス熱交換器１６での熱交換によっても貯湯タンク１３内の湯水を加熱する構成としてある。尚、貯湯タンク１３には例えば給湯装置などの熱消費部１７を接続するほか、種々の熱回路を接続し、熱回路の湯水の流れを、開閉弁、制御弁等で制御する構成を採用するが、種々公知の構成を採用することができるので、ここでは説明を省略する。

前記ガスエンジン１１の排ガス路１８には、排ガス浄化触媒部１９が設けられ、前記排ガス１１ｂ中の植物に対する有害性分を除去、無害化する構成とする。また、前記排ガス路１８には、無害化された排ガス１１ｂの一部または全部を温室２に導く排ガス分配部２０を設けるとともに温室に対する排ガス供給路２１を接続してある。前記排ガス分配部２０の排ガス分配率を調整することにより、前記温室２内の二酸化炭素濃度が適正に調整される。前記排ガス供給路２１には、温室ガス熱交換器２２を設けて、前記排ガス１１ｂの温度を調整可能に構成する。

前記温室ガス熱交換器２２は潜熱回収型熱交換器とし、前記排ガス１１ｂ中の水蒸気をドレンとして除去する構成となっている。前記温室ガス熱交換器２２は、前記排ガス１１ｂと排ガス冷却水２３ａとの間で熱交換を行うとともに、水蒸気の一部をドレンとして除去された排ガス１１ｃを温室空間に供給するとともに、熱交換された排ガス冷却水２３ｂを温室空間２ｂにおいて植物の栽培される栽培部２ａに供給する構成としてある。また、前記排ガス冷却水２３ａの供給路２４には、冷却水温度調整装置２３が設けてある。前記冷却水温度調整装置２３は、前記発電機１２からの電力によって駆動されるヒートポンプ装置等からなる熱交換温度制御機構２３ｃを備え、排ガス冷却水２３ａの温度は、前記温室２に設けられる湿度センサ２５の出力に基き、前記温室２内の湿度を適正に維持するよう制御装置２７により制御される。前記温室ガス熱交換器２２から生じたドレンは、ドレン回収部２２ａにより温室の栽培部２ａに供給される。

また、前記温室２内部の温室空間２ｂには、前記貯湯タンク１３からの温水循環により温室に熱を供給する温室暖房装置２８を設け、温室空間２ｂを加熱可能に構成してある。前記温室空間２ｂの温度は、前記温室２に設けられる温度センサ２６の出力に基き、前記温室２内の温度を適正に維持するよう前記制御装置２７により制御される。つまり、前記制御装置２７により前記冷却水温度調整装置２３を動作制御するように、供給温室温度制御機構が構成されている。

以下に、植物の一例としてレタスを促成栽培する温室の温室空間２ｂ内の環境を制御する場合の制御フローを示す。

レタスの栽培では、温室空間２ｂ内の湿度制御が必要になる。そこで、図２に示すように、温室空間２ｂ内の湿度を計測（＃１）し、ＲＨ７０％以下のとき（＃２）湿度を上げ、ＲＨ９０％以上のとき（＃４）湿度を下げる制御を行う。湿度を上げる制御は、排ガスの露点を上げることによって行うことができるので、冷却水温度を上げる（＃３）ことにより制御できる。具体的に冷却水温度を上げるには、例えば、前記熱交換温度制御機構２３ｃとしての前記ヒートポンプ装置の大気中からの熱回収量を増大させるなどして、供給される排ガス冷却水を加熱する。逆に湿度を下げる制御は、排ガスの露点を下げることによって行うことができ、冷却水温度を下げる（＃５）ことにより制御できる。具体的に冷却水温度を下げるには、例えば、前記熱交換温度制御機構２３ｃとしての前記ヒートポンプ装置の熱回路を切替え、前記冷却水から熱を回収して大気中に放熱すればよい。
温室空間２ｂ内湿度がＲＨ７０〜９０％である場合は、そのまま冷却水温度を維持する（＃６）。

また、温室内に精密機器を設置した環境下での菜類植物を促成栽培するための温室空間内環境制御のフローを示す。

精密機器設置下での菜類の栽培では、温度および湿度の制御が必要になる。そこで、図３に示すように、温室空間２ｂ内の湿度を計測（＃１１）し、ＲＨ３０％以下のとき（＃１２）湿度を上げる制御を行い、ＲＨ８０％以上のとき（＃１３）湿度を下げる制御を行う。湿度を上げる制御は、室内温度を下げるか、排ガスの露点を上げることによって行うことができるが、温室空間内の温度が下がりすぎると好ましくないので、温室空間２ｂ内の温度を計測し（＃１４）、温度が15℃以下のときは冷却水温度を上げる（＃１６）ことにより露点を上げる制御をし、そうでなければ室内温度を下げる（＃１７）ことにより制御できる（＃１５）。逆に湿度を下げる制御は、室内温度を上げるか、排ガスの露点を下げることによって行うことができるが、室内温度を上げすぎると好ましくないので、温室空間２ｂ内の温度を計測し（＃１８）、温度が25℃未満のときは室内温度を上げ（＃２０）、それ以外の場合は、冷却水温度を下げる（＃２１）ことにより露点を下げる制御ができる（＃１９）。温室空間内の湿度がＲＨ３０％〜８０％であのときは、温室温度および湿度をそのまま維持する（＃２２）。

尚、上記実例では、二酸化炭素濃度は、植物の促成栽培に適するといわれる７００ppm〜１５００ppmになるよう前記排ガス分配部の排ガス分配率を制御している。

また、制御フローは種々変更可能であり、植物の種類等によって管理数値を設定変更する。

本発明により、温室栽培システムの温室内環境の管理が、より適格かつきめ細かく行えるようになるので、少ない労力で、品質管理の行き届いた植物を生産性高く生産できるようになった。

１コジェネレーション装置
２温室
２ａ栽培部
１８排ガス路
２２温室ガス熱交換器
２３冷却水温度調整装置
２５湿度センサ
２７制御装置

Claims

炭化水素を燃料とする燃焼装置から排出される二酸化炭素を含む排ガスを温室空間の植物に供給する排ガス流路を備えた温室栽培システムであって、
前記燃焼装置からの排ガスの一部または全部を前記温室空間に分配する排ガス分配率を調整する排ガス分配部を排ガス流路に設け、
前記排ガス流路に前記排ガスを冷却水により冷却する潜熱回収型熱交換器を設けるとともに、前記潜熱回収型熱交換器で生成されるドレンを回収するドレン回収部を設け、前記潜熱回収型熱交換器で熱交換された冷却水を温室空間内の植物に供給し、
前記温室空間内の湿度が温室内の植物の生育に適した湿度以上の時、前記潜熱回収型熱交換器に供給される前記冷却水の温度を低下させ、前記温室空間内の湿度が温室内の植物の生育に適した湿度未満の時、前記潜熱回収型熱交換器に供給される前記冷却水の温度を上昇させる熱交換温度制御機構を設けた温室栽培システム。
前記温室空間内の温度が、温室内の植物の生育に適した温度未満の時、前記燃焼装置から排出される熱を前記温室空間内に供給するとともに、温室内の植物の生育に適した温度以上の時、前記燃焼装置から排出される熱の前記温室空間内への供給を抑制する供給温室温度制御機構を設けた請求項１に記載の温室栽培システム。
前記ドレン回収部に回収される水を温室空間内の植物に供給する温水供給路を設けた請求項１または２に記載の温室栽培システム。
前記植物がレタスであり、
前記温室空間に湿度計を設け、
前記熱交換温度制御機構が、前記湿度計の出力湿度がＲＨ７０％以下のとき、冷却水温度を上昇させ、前記湿度計の出力湿度がＲＨ９０％以上のときに冷却水温度を低下させる温度調整を行う、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の温室栽培システム。
前記熱交換温度制御機構が、大気から熱を回収して冷却水に付与するヒートポンプ装置である請求項１〜４のいずれか１項に記載の温室栽培システム。