JP5583587B2 - 暖房および除湿のための方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、その一部の例示的実施形態では、囲繞体の内部を除湿するための方法およびシステムに関し、さらに詳しくは、植物が栽培される温室囲繞体の内部を除湿するための方法、装置、およびシステムに関するが、それらに限定されない。

温室は、乾燥した葉面および植物の健康を維持するような葉面温度および蒸散率を確実にするために、温室内の空気を温度および湿度に関して制御することが要求される。植物葉面の高い湿気、特に自由水は、トマトブライト、灰色カビ病、および種々の作物のべと病のような葉病害の発生を促進する。これらの病害は作物に多大な損害をもたらし、収穫量をかなり低減させ、生産物の品質を著しく損ねる。これらの病害を防除するために農薬が使用されるが、それらの使用は多くの理由から制限される。それらの使用は多くの病原体の農薬耐性を助長し、一般的な政府の方針は、一部の農薬の使用を段階的に廃止するか、それらの使用を制限するというものである。多くの消費者は、残留農薬の無い生産物を要求している。加えて、そのような農薬の使用は他の環境配慮に好ましくない影響を及ぼす場合がある。

温室の空気を外部空気と入れ替えることは、温室内の湿度を低下させ、それによって葉面に自由水が発生するリスクを低下させるための習慣的な方法である。絶対湿度の低い外部冷気が温室の暖気と入れ替わり、蒸発する過剰水分を吸収する。しかし、そのような方法は、エネルギを非常に浪費する。

本発明の一部の実施形態の態様では、内部の下部から空気を捕集するステップと、捕集した空気を除湿するステップと、除湿した空気を内部の上部で放出し、それによって囲繞体内部の空気の状態を制御するステップとを含む、囲繞体内部の空気の状態を制御する方法を提供する。

本発明の一部の実施形態では、該方法はさらに、囲繞体の天井壁を介する熱エネルギの移動を低減または防止するステップを含む。

本発明の一部の実施形態では、低減または防止するステップが、対流による熱エネルギの移動を低減または防止することを含む。

本発明の一部の実施形態では、低減または防止するステップが、伝導による熱エネルギの移動を低減または防止することを含む。

本発明の一部の実施形態では、低減または防止するステップが、輻射による熱エネルギの移動を低減または防止することを含む。

本発明の一部の実施形態では、該方法はさらに、天井壁の下で内部を覆うサーマルスクリーンから熱輻射を反射させるステップを含む。

本発明の一部の実施形態では、該方法はさらに、除湿した空気を内部の上部で放出する前に加熱するステップを含む。

本発明の一部の実施形態では、除湿するステップは、冷媒流体が中で循環する除湿ユニットを使用することを含み、該ユニットは、冷媒流体が蒸発する蒸発器と、冷媒流体が凝縮する凝縮器とを有し、そこで空気は蒸発器によって冷却除湿され、かつ凝縮器によって加熱される。

本発明の一部の実施形態の態様では、内部の下部から空気を捕集するように構成された空気入口と、捕集した空気を除湿するための除湿ユニットと、除湿した空気を内部の上部で放出するように構成された空気出口とを備えた、囲繞体内部の空気の状態を制御するための装置を提供する。

本発明の一部の実施形態の態様では、本明細書に記載する装置と、少なくとも部分的に環境から隔離された内部を有する囲繞体とを備え、該装置が内部に配置されて成る、温室システムを提供する。

本発明の一部の実施形態の態様では、本明細書に記載する複数の装置と、少なくとも部分的に環境から隔離された内部を有する囲繞体とを備え、該装置が内部に配備されて成る、温室システムを提供する。

本発明の一部の実施形態では、該装置は内部の上部に配置される。

本発明の一部の実施形態では、囲繞体は囲繞体を覆うサーマルスクリーンを備え、サーマルスクリーンはサーマルスクリーンを介する熱エネルギの移動を低減または防止するように構成される。

本発明の一部の実施形態では、サーマルスクリーンは、対流による熱エネルギの移動を低減または防止するために、空気の透過に対して密閉される。

本発明の一部の実施形態では、サーマルスクリーンは、伝導による熱エネルギの移動を低減または防止するために、断熱材から作られる。

本発明の一部の実施形態では、サーマルスクリーンは、輻射による熱エネルギの移動を低減または防止するために、熱輻射を通さない。

本発明の一部の実施形態では、サーマルスクリーンは、熱輻射を反射するために熱反射性である。

本発明の一部の実施形態では、内部の下部には熱源が無い。

本発明の一部の実施形態では、空気は、上部より下部の方が低い平均温度を常時維持するように、捕集かつ放出される。

本発明の一部の実施形態では、除湿ユニットは冷媒流体をその中で循環させ、冷媒流体が蒸発する蒸発器と、冷媒流体が凝縮する凝縮器とを含み、捕集した空気は蒸発器によって除湿かつ冷却され、除湿冷却した空気は凝縮器によって加熱される。

本発明の一部の実施形態では、除湿ユニットは暖房兼除湿ユニットであり、除湿した空気を内部の上部で放出する前に加熱するための熱交換器を含む。

本発明の一部の実施形態では、熱交換器は液体型熱交換器である。

本発明の一部の実施形態では、除湿ユニットは共通ハウジング内に収容される。

本発明の一部の実施形態では、空気は、除湿ユニット内に配置されたファンによって、囲繞体内部から除湿ユニットを介して循環される。

本発明の一部の実施形態では、除湿ユニットは、外向きにアサガオ形に開いた入口、外向きにアサガオ形に開いた出口、および相互接続する比較的狭幅の隘路を含むハウジング内に収容され、外向きにアサガオ形に開いた入口は蒸発器および凝縮器を収容し、幅狭の隘路はファンを収容する。

本発明の一部の実施形態では、空気は、暖房兼除湿ユニット内に配置されたファンによって、囲繞体内部から暖房兼除湿ユニットを介して循環される。

本発明の一部の実施形態では、ファンは、熱交換器から流離してくる空気を受容し、かつ空気出口から空気を吹き出すように配置される。

本発明の一部の実施形態では、凝縮器から流離してくる空気をファンが受容し、かつファンから流離してくる空気を熱交換器が受容するように、ファンは凝縮器と熱交換器との間に介在する。

本発明の一部の実施形態では、凝縮器から流出する冷媒流体は、蒸発器と凝縮器との間の空気によってさらに冷却される。

本発明の一部の実施形態では、蒸発器に入る囲繞体からの空気は、蒸発器と凝縮器との間の空気によって予冷される。

本発明の一部の実施形態では、除湿した空気は囲繞体からの空気と混合されて混合気をもたらし、混合気は熱交換器によって加熱される。

本発明の一部の実施形態では、囲繞体は植物を栽培するための温室であり、空気は植物の葉より上に放出される。

別途定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術的用語および／または科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載される方法および材料と類似または同等である方法および材料を本発明の実施または試験において使用することができるが、例示的な方法および／または材料が下記に記載される。矛盾する場合には、定義を含めて、本特許明細書が優先する。加えて、材料、方法および実施例は例示にすぎず、限定であることは意図されない。

本明細書では、本発明のいくつかの実施形態を単に例示し添付の図面を参照して説明する。特に詳細に図面を参照して、示されている詳細が例示として本発明の実施形態を例示考察することだけを目的としていることを強調するものである。この点について、図面について行う説明によって、本発明の実施形態を実施する方法は当業者には明らかになるであろう。

図１は、温室の概略図である。

図２は、本発明の種々の例示的実施形態に係る、囲繞体内部の空気の状態を制御するのに適した方法の流れ図である。

図３は、本発明の一部の実施形態に係る方法が使用されている囲繞体の概略図である。

図４Ａは、本発明の種々の例示的実施形態に従って実行されたコンピュータシミュレーションによって得られた速度分布を示す。図４Ｂは、本発明の種々の例示的実施形態に従って実行されたコンピュータシミュレーションによって得られた温度分布を示す。

図５Ａは、本発明の種々の例示的実施形態に係る、囲繞体内部の空気の状態を制御するための装置の概略図である。

図５Ｂは、本発明の種々の例示的実施形態に係る、囲繞体内部の空気の状態を制御するための装置の概略図である。

図５Ｃは、本発明の種々の例示的実施形態に係る、囲繞体内部の空気の状態を制御するための装置の概略図である。

図５Ｄは、本発明の種々の例示的実施形態に係る、囲繞体内部の空気の状態を制御するための装置の概略図である。

図５Ｅは、本発明の種々の例示的実施形態に係る、囲繞体内部の空気の状態を制御するための装置の概略図である。

図５Ｆは、本発明の種々の例示的実施形態に係る、囲繞体内部の空気の状態を制御するための装置の概略図である。

図５Ｇは、本発明の種々の例示的実施形態に係る、囲繞体内部の空気の状態を制御するための装置の概略図である。

図６は、本発明の種々の例示的実施形態に係る、幾つかの装置が配備された実施形態の囲繞体の概略平面図である。

本発明は、その一部の実施形態では、囲繞体内部を除湿するための方法およびシステムに関し、さらに詳しくは、そこで植物が栽培される温室囲繞体内部を除湿するための方法、装置、およびシステムに関するが、それらに限定されない。

図面の図２〜図６に示す本発明の一部の実施形態をよく理解するために、最初に、図１に示す植物１２を栽培するための温室１０の構造および動作について言及する。

温室１０は、温室の内部１６を画定する側壁１４および天井壁３６を含む。壁１４には典型的に開口３０および３１が形成される。暖房ユニット１８は、地表面またはその付近かつ植物１２の葉の高さより概して下に配設された導管２２の配列に、暖気２０を供給する。導管２２の開口２４は、内部１６を暖房するために暖気２０を導管２２から上向きに内部１６に流出させる。暖房中に、内部の空気は増湿し、水蒸気が葉面に凝縮する傾向があり、結果的に（ジャガイモ疫病菌によって生じる）トマトブライト、（灰色カビ病菌によって生じる）灰色カビ病、および種々の作物のべと病のような葉病害の発生を引き起こす。

葉面上の水分の凝縮を防止するために、通気処置が採用され、それによって環境空気２６が温室内部に流入し、湿った空気２８と入れ替わる。通気は、壁１４に配置された１つ以上のファン３１によって促進される。加えて、１つ以上のファン３２は内部１６内の空気を循環させる。典型的には低温で絶対湿度（水蒸気量）の低い環境空気は温室暖気と入れ替わり、蒸発する過剰水分を吸収する。加えて、温室１０は天井壁３６の下で内部１６を覆う透過性または半透過性のスクリーン３４を含み、それは、スクリーン３４を通して湿った空気２８の一部分を排出させ、水蒸気を天井壁３６に凝縮させることによって、湿度のさらなる低下を可能にする。

上記の解決策は内部１６内の湿度を部分的に低減し得るが、それらは最適とは言い難いことが、本発明の発明者らによって明らかになった。これは、温室１０の外部との空気の交換が（壁１４の開口３０または天井壁３６のどちらを介する場合でも）かなりの熱損失を引き起こすので、暖房ユニット１８により多くのエネルギを供給することによってその熱損失を補償しなければならないからである。燃料価格の現在の上昇傾向に照らして、暖房コストは温室投入量の主要な構成要素となってきた。したがって、通気による熱損失を補償するために要求される追加エネルギは、利益幅をかなり減少させる。

本発明を考案するに当たっては、囲繞体の内部を除湿しかつ任意選択的に省エネで暖房することができるという仮説を立て、本発明を実施に移す際に、それを実現した。

本発明の少なくとも１つの実施形態を詳しく説明する前に、本発明は、その適用において、下記の説明に示されるか、および／または図面および／または実施例において例示される構成要素および／または方法の組み立ておよび構成の細部に必ずしも限定されないことを理解しなければならない。本発明は他の実施形態が可能であり、または様々な方法で実施または実行されることが可能である。

ここで図２を参照すると、それは、本発明の種々の例示的実施形態に係る、囲繞体（例えば温室）の内部の空気の状態を制御するのに適した方法の流れ図である。

特に定義しない限り、本明細書で下述する動作は、同時に、または実行の多くの組合せもしくは順序で逐次的に、実行することができることを理解されたい。特に、流れ図の順序付けを制限とみなすべきではない。例えば以下の説明または流れ図に特定の順序で現れる２つ以上の動作は、異なる順序で（例えば逆の順序で）または実質的に同時に実行することができる。加えて、下述する幾つかの動作（例えば図２のブロック１０１、１０２、１０５、および１０７の動作の１つ以上）は任意であり、実行されない場合もある。

本実施形態の方法は１００で開始され、任意選択的にかつ好ましくは１０１に続き、そこで囲繞体の側壁および／または天井壁を介する熱エネルギの移動が低減され（例えば最小化され）、または防止される。これは、側壁に形成された開口を閉鎖することによって、またはそのような開口の無い側壁を囲繞体に設けることによって達成することができる。本発明の種々の例示的実施形態では、囲繞体の天井壁は空気および水蒸気に対し非透過性に作られる。本発明の種々の例示的実施形態では、環境からの内部の熱的隔離を改善するために、サーマルスクリーンが天井壁の下で囲繞体の内部を覆う。

熱エネルギ移動の低減または防止は、対流、伝導、および輻射から成る群から選択された少なくとも１タイプの移動に関連することが好ましい。さらに好ましくは、低減または防止は少なくとも２タイプ、例えば全タイプの熱移動に関連する。

対流による移動の低減または防止は、通気を低減することによって、より好ましくは通気を排除することによって達成することができる。この実施形態では、側壁、天井壁、および／またはサーマルスクリーンが、空気および水蒸気の透過に対して密閉される。伝導による移動の低減または防止は、断熱材から作られた側壁、天井壁、および／またはサーマルスクリーンを用いて達成することができる。輻射による移動の低減または防止は、典型的には波長が非常に長い（例えば約１００００ｎｍ以上）熱輻射を通さない側壁、天井壁、および／またはサーマルスクリーンを用いて達成することができる。これらの実施形態では、以下でさらに詳述するサーマルスクリーンを使用することができる。

本発明の種々の例示的実施形態では、該方法は任意選択的にかつ好ましくは１０２に続き、そこで囲繞体内で発生した熱輻射がサーマルスクリーンから反射する。これは、熱反射性に作られたサーマルスクリーンを用いて達成することができる。囲繞体内の対象物（例えば葉面）がサーマルスクリーンの温度より高い温度であるときに、熱輻射の反射は特に有用である。そのような場合、より暖かい対象物は熱輻射を放出し、それは熱反射性スクリーンによって反射され囲繞体の内部に戻る。サーマルスクリーンの温度が囲繞体内の対象物の温度より高い場合、典型的には熱輻射がサーマルスクリーンによって（反射するというよりむしろ）放出される。

該方法は１０３に続き、そこで空気が内部の下部から捕集される。例えば囲繞体が植物栽培用の温室である場合、空気は典型的には、葉面の平均高さレベルより低い高さレベルから捕集される。下部から空気が捕集されるが、捕集は必ずしも囲繞体の下部で実行されないことを理解されたい。例えば本発明の一部の実施形態では、空気の捕集は、内部の下部から、内部の上部（例えば葉面の平均高さレベル以上）に配置された空気入口に上向きの空気流を発生させることによって行われる。さらに、温室の下部で（例えば下部に位置する空気入口を使用して）空気が捕集される実施形態も考えられる。

該方法は１０４に続き、そこで捕集された空気が除湿される。

本明細書で使用する場合、除湿とは、空気の水分が低減されるが、必ずしも最小化または無化されないプロセスである。したがって本明細書で使用する場合、「除湿した空気」とは、除湿前のその含水量と比較してより低い含水量を有する空気である。例えば、囲繞体が植物栽培用の温室である場合、除湿は、葉面の近傍では充分に高い湿度を確保しながら、葉面における凝縮を最小化または排除するために行われる。葉面の近傍の適切な状態の代表例は、限定することなく、約１８℃の温度および約８０％の相対湿度である。

本発明の種々の例示的実施形態では、除湿は、熱サイクルを発生させる冷媒回路によって達成される。これらの実施形態では、冷媒流体が蒸発する蒸発器と冷媒流体が凝縮する凝縮器との間で、冷媒流体が循環する。回路の熱サイクルについてここで説明する。

蒸発器内での冷媒流体の蒸発のために必要な熱エネルギは、蒸発器を通過する空気によって供給される。その結果、（例えば葉面および地面から放出された）水蒸気を帯びる捕集した空気は、蒸発器を通過しながら冷却し、空気の水蒸気量の少なくとも一部分は凝縮する。凝縮水は排出され、空気は除湿される。冷媒流体の凝縮は熱を放出し、それは次に凝縮器を通過する除湿冷却された空気に伝達される。こうして、空気は蒸発器によって冷却除湿され、かつ凝縮器に再加熱される。

本発明の種々の例示的実施形態では、該方法は１０５に続き、除湿した空気は、以下でさらに詳述するように、熱交換器を用いてさらに加熱される。

該方法は１０６に続き、空気は、除湿され任意選択的にさらに加熱された後、囲繞体の内部を暖房かつ除湿するために囲繞体の上部で放出される。こうして、本発明の実施形態の該方法は、湿った空気を囲繞体の下部から捕集し、より乾燥しかつ任意選択的により暖かい空気を囲繞体の上部で放出するヒートポンプとして作用する。１０７で、該方法は任意選択的にかつ好ましくは、例えばより暖かくかつより乾燥した空気を葉面の近傍によりよく分散させるために、囲繞体内で空気を循環させる。

該方法は１０８で終了する。

本発明の一部の実施形態のさらなる詳細な説明を提供する前に、それによって提示される利点および潜在的な用途に注目されたい。

本発明の実施形態は、囲繞体の暖房、除湿、および断熱を組み合わせることによって、エネルギ消費量をかなり低減しながら、囲繞体における過度の湿気の問題の革新的な解決策を提示する。本発明の一部の実施形態は、例えば図１に関連して上述したように地表面またはその付近に配設された導管を用いるなど、他の手段によってすでに暖房されている囲繞体の湿度を低減するのに有用である。

囲繞体内でのヒートポンプの使用は、最初に冷却されている空気に対し、除湿中に除去された熱および熱サイクルを駆動するために必要な外部エネルギを供給することによって、該空気を再加熱することを可能にする。本発明の実施形態はこうして、環境への熱損失を最小限または零にしながら、エネルギが潜熱（水蒸気の凝縮）から顕熱（空気温度の上昇）へと変換されるプロセスを提供する。このプロセスのエネルギ消費量は、エネルギの一部がプロセス中に再利用されるので、従来技術のエネルギ消費量より低い。

本発明の実施形態はまた、燃料使用のリターンをも増強することができる。電力発電は熱の発生を伴うことが認識されている。本発明の種々の例示的実施形態では、冷媒回路の動作に必要な電力は、囲繞体の近傍またはその内部に配置された発電機を用いて生成され、発電機によって発生した熱は、囲繞体内部の空気をさらに加熱するために使用される。これは、例えば発電機から熱を取り出しかつ囲繞体の上部でそれを放出させるための流体（気体または液体）が充填された導管を使用することによって、行うことができる。

本発明の一部の実施形態では、電力発電に使用される燃料は、その燃焼副産物の１つが二酸化炭素となるように選択される。これらの実施形態では、二酸化炭素、または少なくともその一部分が、温室内の植物の成長を促進するために、温室の内部に放出される。本発明の実施形態に従って改善される燃料の使用は、環境配慮の観点からも有益である。そのような使用は、燃料の使用を減少することによって、かつ／またはＣＯ_２の大気中への排出を低減することによって、地球の温暖化を軽減し得る。

温室の除湿、暖房、および／またはＣＯ_２量の増加のための本発明の実施形態の実現は、燃料消費量を低減しながら温室における植物の適切な栽培条件を生成することができる。これは成長を改善し、かつ栽培者がその利益を増やすことを可能にする。

本発明の実施形態の方法は、暖房が必要である一方で、乾燥させかつ過度の湿気を除去するために、天然資源を使用する可能性、例えば内部の空気を外気と入れ替える可能性が無いときに、実行することが好ましい。そのような場合、囲繞体を閉鎖することが望まれるときに、除湿動作は最初に安定的かつ連続的に作動させることが好ましい。ヒートポンプは空気の潜熱を顕熱に変換させ、冷却サイクルを作動させるときに投入した電気エネルギにほぼ等しいエネルギを空気に加える。暖房動作は、環境条件、囲繞体の断熱性、および囲繞体内の所望の条件によって必要に応じて、様々なやり方で作動させることができる。

上述した動作は、所望の温度および湿度状態を得るために監視することができる。特に、除湿は相対湿度に従って行うことが好ましく、かつ暖房プロセスは空気の温度に従って行うことが好ましい。所望の状態が安定しているときに、蒸発フラックスは略一定であり、したがって該方法を連続的に一定負荷状態で実行することができる。

上述した本発明の実施形態の基本的除湿サイクルの典型的な性能係数（ＣＯＰ）は、約５から約１２であるが、それに限定されない。

図３は、本発明の一部の実施形態に係る方法が使用されている内部３０２を有する囲繞体３００の概略図である。該方法は、一般的に３０６で示す空気入口を備えた装置３０４によって実行することができる。入口３０６は、内部３０２の下部３１０から空気３０８を捕集するように構成される。装置３０４はさらに、捕集した空気を除湿するための除湿ユニット３１２、および除湿した空気３３０を内部３０２の上部３１８で放出するように構成された空気出口３１４を備える。任意選択的に、かつ好ましくは、除湿ユニット３１２は、以下でさらに詳述するように除湿に続いて空気を加熱する除湿兼暖房ユニットである。装置３０４は上部３１８に配置し、空気の捕集３０８を可能にするために、（例えば入口３０６に圧力を加えて発生させることによって）下部３１０から略上向きの空気流を発生させるように構成することができる。代替的に、装置３０４は、入口３０６が下部３１０に存在し、出口３１４が上部３１８に存在するように、内部３０２の両方の部分にわたって延在することができる。

図３の概略図では、囲繞体３００は植物１２を栽培するための温室として示される。この実施形態では、下部３１０は、植物１２の平均葉面レベルより低い部分と定義することが好ましく、上部３１８は、植物１２の最大葉面レベルより上の部分と定義することが好ましい。平均葉面レベルおよび最大葉面レベルは、図３にそれぞれ破線３２０および３２２で示される。

囲繞体３００の壁は、上で詳述した通り、熱損失を低減または防止するように設計かつ構成することが好ましい。本発明の種々の例示的実施形態では、壁には開口が無く、あるいはそれらには閉鎖可能な開口（図示せず）が形成される。側壁３２４および／または天井壁３２６は、空気の透過に対して密閉されることが好ましい。側壁３２４および／または天井壁３２６はまた、断熱材から作製することもできる。加えてまたは代替的に、側壁３２４および／または天井壁３２６は熱輻射を通さない。

本発明の種々の例示的実施形態では、囲繞体３００は、内部３０２の環境からの隔離を改善するためにサーマルスクリーン３２８を含む。スクリーン３２８は、熱輻射を通さないことが好ましい。本発明の一部の実施形態では、サーマルスクリーンは上で詳述した通り、熱輻射を反射して内部３０２に戻すように熱反射性である。例えば、内部３０２は、内部３０２に対面する構造の表面に付着または一体化された熱反射性スクリーン３２８を有する、二重壁の例えばアサガオ形に広がった密閉構造によって覆うことができる。そのような構造は温室構造の分野における従来の傾向とは対照的であり、それにより、上で詳述した通り、透過性または半透過性スクリーンが使用されることが理解される。

本発明の種々の例示的実施形態では、内向きの太陽光が壁を透過することを可能にするために、囲繞体の壁の少なくとも１つ、好ましくは壁の多くまたは全部が太陽光を透過する。

本発明の一部の実施形態に係る内部３０２内の空気の分布を図３に太い矢印によって示す。除湿されかつ任意選択的に加熱された空気を白抜きのブロック矢印３３０によって示す。図示する通り、空気３３０は出口３１４を介してスクリーン３２８に向かって排出され、次いで囲繞体の下部の植物１２に向かって反射される。そのような構成では、空気３３０は、スクリーン３２８の内面における凝縮水の蓄積を防止または少なくとも低減する。したがって内部の上部３１８における湿度は相対的に低い。

スクリーン３２８の近傍で流動しながら、空気は熱をスクリーン３２８に伝達して冷却し、下降し始め、出口３１４からより暖かい空気の空間を形成する。部分的に冷却した空気は黒の矢印３３２で示される。出口３１４の空気の温度は、部分冷却プロセスにより空気が所望の温度になるように、内部の中間部における所望の温度より高く選択されることが好ましい。例えば囲繞体が植物栽培用の温室である場合、平均葉面レベル３２０での空気３３２の温度は約１７〜１９℃とすることができ、出口３１４における空気３３０の温度は２０℃より高い。空気３３０は湿度が比較的低い領域から来るので、空気３３０は、植物１２の葉面における凝縮水の蓄積を防止または低減させる。葉面を通過しながら、空気３３０は水蒸気（潜熱）を捕集し、顕熱を供給する。したがって空気３３０は冷却される。空気がその下降を続ける間、空気の冷却プロセスは続く。下部３１０の冷たい空気はパターン付き矢印３０８によって示される。

入口３０６はその近傍に下部３１０から上向きの空気流を形成するので、循環が発生し、それによって装置３０４から比較的離れた位置で、下部３１０の空気３０８が装置３０４の方向に流動する。循環に対する別の寄与は、出口３１４を介して装置３０４から離れる空気３１４の流れである。空気３０８は空気３３２より冷たいので、空気３０８の動きは、特に装置３０４から比較的離れた領域で、主に水平方向に沿っている。次に、空気３３２はその冷却および下降を続ける。

図４Ａ〜図４Ｂは、本発明の発明者らによって実行されたコンピュータシミュレーションによって得られた速度分布（図４Ａ）および温度分布（図４Ｂ）を示す。図４Ａ〜図４Ｂにおいて、赤い線はより高い温度および速度に対応し、緑色の線はより低い温度および速度に対応する。図示する通り、図４Ｂにおいて、下部の空気の温度は上部の空気の温度より低い。同様の効果は図４Ａにも示され、下部の空気の速度は、上部の空気の速度より概して低い。

本発明の一部の実施形態に係る装置３０４の構成を図５Ａ〜図５Ｇに示す。

装置３０４は、１端（下端）に外向きにアサガオ形に開いた入口部分３４２と、反対側の端に外向きにアサガオ形に開いた出口部分３４４と、入口端および出口端を相互接続する比較的狭幅の隘路３４６とを有する、ハウジング３４０を備えることが好ましい。本発明の一部の実施形態では、共通ハウジングが使用され、それによって装置３０４の全ての要素が同一ハウジング内に存在する。別の実施形態では、２つ以上のハウジングが使用され、例えば除湿ユニットは１つのハウジング内に導入することができ、暖房ユニットは別のハウジングに導入することができる。また、外向きにアサガオ形に開いた入口部分３４２が１つのハウジングに存在し、外向きにアサガオ形に開いた出口部分３４４が別のハウジングに存在する構成も考えられる。

そのようなハウジング構成は、入口部分３４２を画定する略円筒状の下端を有し、隘路３４６を画定するように中間部分が小径にテーパリングし、次いで出口部分３４４を画定するように上端に向かってわずかに大きい直径にテーパリングするハウジングを提供し、かつ円錐形バフル３４８をその下端に設け、別のより小さい円錐形バフル３５０をその上端に設けることによって作製することができる。入口部分３４２は囲繞体の内部から空気３０８を取り込む一方、温度および湿度のような空気の状態を制御するためにハウジングを通過する空気がハウジング内の種々の装置によって処理された後、出口部分３４４は空気を囲繞体に戻す。

ハウジング３４０の外向きにアサガオ形に開いた入口部分３４２は、除湿ユニット３１２を収容する。本発明の種々の例示的実施形態では、ユニット３１２は蒸発器３５０および凝縮器３５２を含む。蒸発器３５０および凝縮器３５２は、冷媒流体の圧力を低減するための膨張弁３４５、および凝縮器３５２に給送される冷媒流体を加圧するために外部モータ（図示せず）によって駆動される圧縮機３５６を介してその中を循環する冷媒流体（図示せず）を含むヒートポンプを構成する。蒸発器３５０はしたがって、上で詳述した通り、囲繞体から入口部分３４２を介して取り込まれた空気を受容し、取り込まれた空気を冷却し、その中で水の凝縮を生じさせるのに有効である。水蒸気の少なくとも一部分は、出口ドレン３５８を介して、ハウジング３４０から、かつ任意選択的に囲繞体３００（図示せず；図３参照）からも排出するために、蒸発器３５０の外面に凝縮する。凝縮器３５２は、上で詳述した通り、冷却除湿した空気３６０を再加熱するために蒸発器３５０から受容するのに有効である。凝縮器３５２から流離する除湿した空気を３６４で示す。

蒸発器３５０から凝縮器３５２への空気流および凝縮器３５２から離れる空気流は、必ずしも同一ではない。図５Ａおよび図５Ｂは、実質的に全ての捕集した空気３０８が最初に蒸発器３５０を通過し、その後凝縮器３５２を通過する実施形態を示す。これは、蒸発器３５０における空気流が凝縮器３５２における空気流と実質的に同一である実施形態に対応する。図５Ｃは、空気３０８の一部が蒸発器３５０を通過し、その後凝縮器３５２を通過する一方、空気３０８の別の部分が蒸発器３５０を迂回しながら凝縮器３５２を通過する実施形態を示す。これは、蒸発器３５０における空気流が凝縮器３５２における空気流と異なる実施形態に対応する。除湿の所望のレベルに応じて装置３０４の性能を最適化するように、蒸発器３５０における空気流と凝縮器３５２における空気流との間の比率を選択するために、乾湿図表解析を使用することができる。

除湿した空気は、出口部分３４４を介して空気を放出するために、モータ３６６によって駆動されるファン３６２によって排出させることができる。ファン３６２はハウジング３４０の隘路３４６に収容することができる。

本発明の種々の例示的実施形態では、装置３０４は、ハウジング出口３４４を介して囲繞体に戻す前に空気をさらに加熱するための熱交換器３６８を備える。熱交換器３６８は、図５Ａ、図５Ｃ、および図５Ｄに示すように隘路部分３４６に収容することができ、あるいは図５Ｂに示すように凝縮器３５２に隣接して入口部分３４２に収容することができる。熱交換器３６８が隘路部分３４６に収容される場合、ファン３６２は凝縮器３５２から流離する予熱され除湿された空気を受容し、それをファンから熱交換器３６８の方向に吹き飛ばす。熱交換器３６８が入口部分３４２に収容される場合、ファン３６２は熱交換器３６８から流離する除湿されかつ加熱された空気を受容し、出口３１４を介して空気を吹き出す。また、幾つかの熱交換器３６８を使用し、例えば１つが隘路部分３４６に収容され、１つが入口部分３４２に収容される実施形態も考えられる。

熱交換器３６８のために任意の熱源を使用することができる。本発明の一部の実施形態では、熱交換器３６８は、液体管路と流体連通する液体型熱交換器である。流入管路２７０から熱交換器３６８に入る温液は熱交換器３６８を加熱し、次に熱交換器がそこを通過する空気を加熱する。冷却した液体は流出管路２７２によって排出される。他の型の熱交換器も本発明の範囲から排除されない。

蒸発器３５０および凝縮器３５２は相互に同軸の円形またはトロイダル構成とすることができる。熱交換器３６８が凝縮器３５２に隣接する場合、それも蒸発器３５０および凝縮器３５２と同軸の円形またはトロイダル構成とすることができる。熱交換器３６８が隘路部分３４６に収容される場合、それはハウジングの軸線３６０と同軸であることが好ましい。

図５Ｄは、凝縮器３５２から流出する冷媒流体が蒸発器３５０と凝縮器３５２との間で、冷却され除湿された空気３６０によってさらに冷却される構成を示す。この実施形態では、空気３６０の流路で蒸発器３５０と凝縮器３５２との間に冷媒サブ回路３７４を配備することができる。冷媒流体は、空気３６０が膨張弁３４５および蒸発器３５０に流入する前に冷媒流体を冷却するために、凝縮器３５２から出てサブ回路３７４を介して蒸発器３５０内に流入させることができる。この実施形態の利点は、熱サイクルを特徴付ける温度差を増大することなく、性能係数を高めることである。

図５Ｅは、囲繞体から捕集した空気３０８が蒸発器３５０と凝縮器３５２との間で、冷却され除湿された空気３６０によって予冷される構成を示す。図５Ｅに示す装置は上述したものと基本的に同じであり、したがって対応する部品を識別するために同一参照番号が使用されている。それでもなお、説明を明瞭にするために、幾つかの部品を図５Ｅの説明図から省略した。変更は入口部分３４２の底部における入口３０６の位置、および蒸発器３５０と凝縮器３５２との間に空気対空気熱交換器３５４を設けたことである。図５Ｅに示す別の変更は、空気３０８を誘導するための空気流路２７６を設けたことである。空気対空気熱交換器３５４は、囲繞体から装置に流入する空気を、蒸発器３５０から流出する冷却空気によって予冷するのに有効である。流路２７６は入口３０６から始まり、交換器３５４を通過し、蒸発器３５０の（凝縮器３５２から離れた）反対側に続く。流路２７６は空気３６０の流路を遮るので、流路２７６を流れる捕集した空気３０８は、蒸発器２５０と相互作用する前に、空気３６０と相互作用する。したがって捕集した空気は空気３６０によって予冷される。この実施形態の利点は、除湿プロセスの効率が向上することである。

図５Ｆ〜図５Ｇは、空気３６４（凝縮器３５２から流離する除湿された空気）を囲繞体の内部からの空気３７８と混合させる構成を示す。空気３６４と空気３７８の混合気３８０は、加熱のために熱交換器３６８を通過し、加熱された混合気３８２は出口３１４を介して装置３０４から放出される。図５Ｆは、空気３８０が熱交換器３６８によって加熱され、出口３１４を介して囲繞体に戻る前に、外向きにアサガオ形に開いた出口部分３４４内で流動し続ける実施形態を示し、図５Ｇは、熱交換器３６８が出口３１４に配置された実施形態を示す。

空気３６４が空気３７８と混合される（図５Ｆ〜図５Ｇに示すような）実施形態では、装置３０４は、囲繞体からの空気３７８がそこを介して流入する追加的な空気入口３０６´を備えることが好ましい。空気３６４の流路への空気３７８の吸込み、および空気３６４と空気３７８との間の混合は、追加モータ３６６´によって駆動することのできる追加ファン３６２´によって容易化することができる。この実施形態では、追加的な空気入口３０６´はファン３６２とファン３６２´との間に存在する。加熱する前に空気３６４を空気３７８と混合する利点は、この構成により、放出される空気３８２と出口３１４の近傍の囲繞体内の空気との間の温度差に対する制御が可能になることである。そのような制御は、装置３０４付近の高温領域の形成を防止し、したがって囲繞体内のより優れた温度分布を容易化する。

空気の状態が効率的に制御される効果的な領域を増大させるために、幾つかの装置を１つの囲繞体に配備することができる。図６は、装置３０４と同様の幾つかの装置が囲繞体内部に配備された実施形態の囲繞体３００の概略平面図である。図６に示されているのは複数の装置３０４、熱エネルギを熱交換器に送達するための装置３０４の液体流入管路２７０（図示せず；図５Ａ〜図５Ｅ参照）、熱交換器から流離する冷却した液体を戻すための液体流出管路２７２、および（例えば圧縮機３５６等を起動するために）装置３０４に電力を供給するための電力線２７８である。囲繞体３００付近に配置することのできる熱および電力複合システム２８０は、液体管路および電力線への電力および熱の供給を制御する。

本発明の実施形態のそのような方法、装置、およびシステムは、人間または動物によって占有される建物構造、建物構造内の部屋等のような他のタイプの囲繞体にも使用することができることは理解されるであろう。そのような用途では、人間または動物によって占有される囲繞体の下部の乾燥を最大化するために、空気が（図３のように下向きの方向ではなく）上向きの方向に流れるように、加熱除湿された空気を空気出口システムから囲繞体の下部に向かって排出させるように方向付けることが望ましいであろう。

本出願から成熟する特許の存続期間の期間中には、多くの関連する除湿技術が開発されることが予想され、除湿ユニットの用語の範囲は、すべてのそのような新しい技術を先験的に包含することが意図される。

本明細書で使用する場合、用語「約」は±１０％を示す。

用語「含む／備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびそれらの同根語は、「含むが、それらに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味する。

用語「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」は、「含み、それらに限定される（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｎｄ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」ことを意味する。

表現「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」は、さらなる成分、工程および／または部分が、主張される組成物、方法または構造の基本的かつ新規な特徴を実質的に変化させない場合にだけ、組成物、方法または構造がさらなる成分、工程および／または部分を含み得ることを意味する。

本明細書で使用される場合、単数形態（「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」）は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数の参照物を包含する。例えば、用語「化合物（ａ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）」または用語「少なくとも１つの化合物」は、その混合物を含めて、複数の化合物を包含し得る。

本開示を通して、本発明の様々な態様が範囲形式で提示され得る。範囲形式での記載は単に便宜上および簡潔化のためであり、本発明の範囲に対する柔軟性のない限定として解釈すべきでないことを理解しなければならない。従って、範囲の記載は、具体的に開示された可能なすべての部分範囲、ならびに、その範囲に含まれる個々の数値を有すると見なさなければならない。例えば、１〜６などの範囲の記載は、具体的に開示された部分範囲（例えば、１〜３、１〜４、１〜５、２〜４、２〜６、３〜６など）、ならびに、その範囲に含まれる個々の数値（例えば、１、２、３、４、５および６）を有すると見なさなければならない。このことは、範囲の広さにかかわらず、適用される。

数値範囲が本明細書で示される場合には常に、示された範囲に含まれる任意の言及された数字（分数または整数）を含むことが意味される。第１の示された数字および第２の示された数字「の範囲である／の間の範囲」という表現、および、第１の示された数字「から」第２の示された数「まで及ぶ／までの範囲」という表現は、交換可能に使用され、第１の示された数字と、第２の示された数字と、その間のすべての分数および整数とを含むことが意味される。

明確にするため別個の実施形態の文脈で説明されている本発明の特定の特徴が、単一の実施形態に組み合わせて提供されることもできることは分かるであろう。逆に、簡潔にするため単一の実施形態で説明されている本発明の各種の特徴は別個にまたは適切なサブコンビネーションで、あるいは本発明の他の記載される実施形態において好適なように提供することもできる。種々の実施形態の文脈において記載される特定の特徴は、その実施形態がそれらの要素なしに動作不能である場合を除いては、それらの実施形態の不可欠な特徴であると見なされるべきではない。

本明細書中上記に描かれるような、および、下記の請求項の節において特許請求されるような本発明の様々な実施形態および態様のそれぞれは、実験的裏付けが下記の実施例において見出される。

次に下記の実施例が参照されるが、下記の実施例は、上記の説明と一緒に、本発明を非限定様式で例示する。

本発明の発明者らは、囲繞体が温室である実施形態について、以下の想定に基づいて経済的計算を実施した。
温室の面積１０００ｍ^２当たり１台の装置
温室の所望の状態、約１８℃および約８０％の相対湿度
植物の蒸散流量：毎時約４０ｇ／ｍ^２
燃料コスト：１トン当たり約６００米ドル
電力コスト：１ｋＷｈ当たり約０．１米ドル
除湿サイクルの性能係数（ＣＯＰ）：約６

本発明の好適な実施形態に従って過度の湿度を除去するための空気の入れ替えを回避することは、温室１０００ｍ^２当たり約６ｌ／時に相当し、それは半乾燥条件下で１シーズン（１４４０時間）当たり約８．７トンの燃料であり、１４４００ｋＷｈの電気エネルギの投入に相当し、それは１．５トンの燃料の追加的加熱に相当する。

年間の暖房時間数は世界中で、１０００（高温領域）から３０００（寒冷領域）の範囲で変動する。

加えて、本発明の一部の実施形態では、燃料を１トン節約するたびに、３トンの温室ガスの排出が防止されるので、温室ガス（ＣＯ_２）の排出の著しい減少が存在する。

本発明の一部の実施形態に係る技術の寄与を、イスラエルの状況について、（湿潤化の無い）所望の状態が夜間の暖房および通気によって維持される対照温室と、本発明の実施形態の技術を使用する温室との間の比較によって推算した。４０％および６０％のエネルギ節約を可能にする２つのサーマルスクリーン（以下でそれぞれ組立体Ｉおよび組立体ＩＩと呼ぶ）について推算を行った。結果を表１に要約する。

本発明はその特定の実施態様によって説明してきたが、多くの別法、変更および変形があることは当業者には明らかであることは明白である。従って、本発明は、本願の請求項の精神と広い範囲の中に入るこのような別法、変更および変形すべてを包含するものである。

本明細書で挙げた刊行物、特許および特許出願はすべて、個々の刊行物、特許および特許出願が各々あたかも具体的にかつ個々に引用提示されているのと同程度に、全体を本明細書に援用するものである。さらに、本願で引用または確認したことは本発明の先行技術として利用できるという自白とみなすべきではない。節の見出しが使用されている程度まで、それらは必ずしも限定であると解釈されるべきではない。

Claims (18)

1. 植物を栽培するための温室囲繞体の内部の空気の状態を制御する方法であって、内部の下部から空気を捕集するステップと、前記捕集した空気を除湿するステップと、前記除湿した空気を加熱するステップと、前記除湿しかつ加熱した空気を内部の上部で放出するステップと、温室囲繞体内の前記除湿しかつ加熱した空気を植物の葉の近傍で循環し、それによって温室囲繞体内部の空気の状態を制御するステップとを含む方法。
2. 温室囲繞体の天井壁を介する熱エネルギの移動を低減または防止するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記天井壁の下で前記内部を覆うサーマルスクリーンから熱輻射を反射させるステップをさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記除湿するステップは、冷媒流体が中で循環する除湿ユニットを使用することを含み、前記ユニットは、前記冷媒流体が蒸発する蒸発器と、前記冷媒流体が凝縮する凝縮器とを有し、前記空気は前記蒸発器によって冷却除湿され、かつ前記凝縮器によって加熱される、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記空気は、前記上部より前記下部の方が低い平均温度を常時維持するように、捕集かつ放出される、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記除湿ユニットは暖房兼除湿ユニットであり、前記除湿した空気を内部の前記上部で放出する前に加熱するための熱交換器を含む、請求項４に記載の方法。
7. 前記空気は、前記暖房兼除湿ユニット内に配置されたファンによって、温室囲繞体内部に前記暖房兼除湿ユニットを介して循環される、請求項６に記載の方法。
8. 前記凝縮器から流出する冷媒流体は、前記蒸発器と前記凝縮器との間の空気によってさらに冷却される、請求項４〜７のいずれかに記載の方法。
9. 前記蒸発器に入る温室囲繞体からの空気は、前記蒸発器と前記凝縮器との間の空気によって予冷される、請求項４〜８のいずれかに記載の方法。
10. 前記除湿した空気は温室囲繞体からの空気と混合されて混合気をもたらし、前記混合気は前記熱交換器によって加熱される、請求項６に記載の方法。
11. 温室囲繞体の天井壁および側壁を密閉して、それらを通る空気および水蒸気の侵入を防止するステップをさらに含む、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記循環は、前記上部で主に水平方向に沿った熱い空気の動きおよび前記下部で主に前記水平方向に沿った冷たい空気の動きを確立することを含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 植物を栽培するための温室囲繞体の内部の空気の状態を制御するための装置であって、内部の下部から空気を捕集するように構成された空気入口と、前記捕集した空気を除湿するための除湿ユニットであって、前記除湿ユニットはその中で冷媒流体を循環し、前記冷媒流体が蒸発する蒸発器と、前記冷媒流体が凝縮する凝縮器とを含み、前記捕集された空気が前記蒸発器によって除湿冷却され、前記除湿冷却された空気が前記凝縮器によって加熱されるものと、前記除湿しかつ加熱された空気を内部の上部で放出し、温室囲繞体内の前記除湿した空気を植物の葉の近傍で循環するように構成された空気出口とを備えた装置。
14. 請求項１３に記載の装置と、少なくとも部分的に環境から隔離された内部を有する温室囲繞体とを備え、前記装置が前記内部に配置されている、温室システム。
15. 複数の請求項１３に記載の装置と、少なくとも部分的に環境から隔離された内部を有する温室囲繞体とを備え、前記装置が前記内部に配備されている、温室システム。
16. 前記温室囲繞体は前記温室囲繞体を覆うサーマルスクリーンを備え、前記サーマルスクリーンは前記サーマルスクリーンを介する熱エネルギの移動を低減または防止するように構成される、請求項１４または１５に記載のシステム。
17. 前記サーマルスクリーンは、熱輻射を反射するために熱反射性である、請求項１６に記載のシステム。
18. 植物を栽培するための温室囲繞体の内部の空気の状態を制御する方法であって、内部の下部から空気を捕集するステップと、前記捕集した空気を除湿するステップと、前記除湿した空気を内部の上部で放出するステップと、温室囲繞体内の前記除湿した空気を植物の葉の近傍で循環し、それによって温室囲繞体内部の空気の状態を制御するステップとを含む方法であって、
    前記除湿するステップは、冷媒流体が中で循環する暖房兼除湿ユニットを使用することを含み、前記暖房兼除湿ユニットは、前記冷媒流体が蒸発する蒸発器と、前記冷媒流体が凝縮する凝縮器とを有し、前記空気は前記蒸発器によって冷却除湿され、かつ前記凝縮器によって加熱され、
    前記暖房兼除湿ユニットは、前記除湿した空気を内部の前記上部で放出する前に加熱するための熱交換器を含む、方法。