JP6918545B2

JP6918545B2 - 蓄熱利用構造

Info

Publication number: JP6918545B2
Application number: JP2017067121A
Authority: JP
Inventors: 中村　好伸; 好伸中村; 俊樹瀬良
Original assignee: Air Water Inc
Current assignee: Air Water Inc
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: JP2018166451A

Description

本発明は、発電で生じた排熱を蓄熱して利用する蓄熱利用構造に関するものである。

日本ではいま盛んに、未利用の間伐材を木質バイオマスとして有効利用することが検討されている。その一部について運用もはじまっている。
主伐や間伐で木材を伐採したあと、間伐材や枝条が未利用のまま林地に残置されている。そうして発生する未利用木材は、年間約２０００万ｍ^３ほどにもなる。これらの新たな需要を開拓し、有効利用することがかねてから問題であった。最近になって、このような間伐材を発電に利用する木質バイオマス発電が行われはじめている。

木質バイオマス発電については、下記の林野庁ホームページに紹介記事がある。
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｉｎｙａ．ｍａｆｆ．ｇｏ．ｊｐ／ｊ／ｓａｎｓｏｎ／ｋａｓｓｅｉ／ｐｄｆ／ｓｈｉｓｈｉｎ＿ｓ２−２＿１￣２．ｐｄｆ

木質バイオマス発電には、出力５０００ｋＷ以上の規模の「蒸気ボイラー・タービン方式」と、出力１００〜２０００ｋＷ規模の「ガス化・エンジン方式」がある。いずれの方式も、建材などへの利用が難しい間伐材をストックヤードに集積し、乾燥してチップ状に加工したものを燃料にする。これをチップサイロから蒸気ボイラーやガス化炉に供給し、発電機を作動させて発電する。発電の副産物として発電排熱が生じる。蒸気ボイラー・タービン方式では蒸気を冷却したあとに温水が排出される。ガス化・エンジン方式ではエンジンを冷却したあとに温水が排出される。それぞれ温排水というかたちで発電排熱が生じている。

これらの発電排熱は、発電所を運用するためのエネルギーとして利用される。ところが、それでも使い切れない余剰排熱が生じてしまう。この余剰排熱は、エネルギー資源として有効に活用すべきである。
上記林野庁ホームページでは、木質バイオマス発電の発電所に農業用ハウスを併設し、余剰排熱を農業用ハウスの加温などに利用する方法が提案されている。

しかし、木質バイオマス発電と同時に農業用ハウスを安定に稼動させようとすると、いくつか問題が生じる。

まず、環境温度の低い冬期には、農業用ハウスの加温熱源として余剰排熱だけでは足りなくなる。したがって、農業用ハウスの加温を補助するため、余剰排熱と別に加温設備を準備しなければならない。加温設備には一般にボイラーが用いられ、結局、石油などの化石燃料を燃やすことになる。
一方、環境温度の高い夏期に、農業用ハウスの加温は必要がない。このため、余剰排熱が使い切れずにあまることになる。そうすると結果的に、あまった余剰排熱を冷却しなければならず、冷却用にエネルギーが必要になる。冷却用のエネルギーを節減するには、発電排熱を減らさなければならない。そうすると結局、発電出力を抑制することになり、年間を通して安定した出力で稼動できない発電所になってしまう。年間を通して安定した出力で稼動すれば、夏期には余剰排熱を廃棄することになり、極めて無駄の多い施設になる。

発電所は、一年をとおして安定した出力を維持することが望まれる。ところが、木質バイオマス発電所でそのような発電を続けると、余剰排熱が、夏期にあまり冬期に足りなくなるのである。このように、木質バイオマス発電所において、安定した発電出力と余剰排熱の利用とをバランスした、有効なエネルギーリサイクルプロセスは確立していない。つまり、年間をとおして発電機を安定的に稼動しながら、余剰排熱も年間をとおして有効活用できる、そんな木質バイオマス発電所はできていないのが実情である。

上述した林野庁ホームページでも紹介されたように、発電で発生する余剰排熱は農業等に利用することが考えられる。そのとき、生じた排熱をそのまま利用するだけでなく、余剰排熱を一旦蓄熱槽に蓄熱しておき、それを取り出して利用することが考えられる。
このような余剰排熱の農業利用や蓄熱に関する先行技術文献として、出願人は下にあげる特許文献１〜３を把握している。

特許文献１には、つぎの記載がある。
［要約］
［課題］貯留された水の断熱効果を高めて、熱損失を抑制することができる蓄熱タンクを提供する。
［解決手段］ベースコンクリート１２の上面にタンク本体１３を装設し、このタンク本体１３を構築する側壁１４と底壁１５の構造を、断熱構造とする。側壁１４を構成する内側及び外側型枠パネル２４，２５内に断熱材としてのポーラスコンクリート２７を充填する。ベースコンクリート１２の上面に断熱材としてのポーラスコンクリート３０を打設して、この上面に底板３１を支持する。又、屋根１６を内側パネル３４、断熱材層３５及び外側パネル３６により構成する。
［００２４］
前記蓄熱タンク１１の内部には図示しない給水配管から貯留流体としての水が供給されて貯留される。この水は前記ポーラスコンクリート２７，３０及び断熱材層３５によって断熱され、外部への熱の伝達あるいは外部からタンク内に貯留した貯水への熱の伝達が抑制され、保温効果が高められる。

特許文献２には、つぎの記載がある。
［請求項１］基板、該基板の下面に配設されたパイプ、及び前記基板上に設置された温室を備え、前記パイプの中に温室内の空気を循環させて温室内の空調を行うように構成したことを特徴とする水上温室。
［公報第２頁右欄第１２〜１８行目］
上記の如き構成の水上植物工場を、例えば海や川、湖等の水面上に浮かべることによつて、気温と水温との温度差を利用してパイプによる熱交換器で植物工場１内の空気を温め、夜間暖房を行うことができる。また、例えば原子力発電所等から出る温排水の放出口付近の水面上に本発明の水上植物工場を浮かべることによって、原子力発電所等の排熱エネルギーを有効に利用できる。

特許文献３には、つぎの記載がある。
［請求項１］
内側に空間を形成する外殻体を備え、前記外殻体の少なくとも一部が光透過性の外周材からなる温室構造体であって、
前記空間に温度調整部材が配置されており、前記温度調整部材が、蓄熱材層と、前記蓄熱材層と当接するように積層されてなる保水性材層とを備えていることを特徴とする温室構造体。
［請求項４］
前記蓄熱材層が、モルタル、コンクリート、アスファルト、大理石、レンガ、滑石、蝋石、蛇紋岩、角閃岩からなる群より選択される少なくとも１以上からなる請求項１乃至３のいずれか一に記載の温室構造体。

特開２００４−６０９９５号公報特公平７−１１０１８６号公報特開２０１３−３９１２３号公報

上記特許文献１には、蓄熱タンクが開示されている。この蓄熱タンクは、温水や冷水を貯留蓄熱材として用いる。この温水や冷水を蓄えるためにベースコンクリートに加え、多くの部分がコンクリートで形成されている。タンク本体を構成する側壁と底壁の内部に断熱材を充填し、貯留された温水または冷水の断熱効果を高めて、熱損失を抑制する。これは、水を蓄熱材として用いた例である。
しかしながら、特許文献１には、蓄えた熱に関する利用プロセスについて、言及されていない。

上記特許文献２には、水上温室が開示されている。この水上温室は、水の潜熱を利用して温室を加温するものである。植物工場を水面上に浮かべ、水温と気温の温度差を利用して植物工場内の空調を行う。すなわち、基板とその基板の下面に配設されたパイプからなるバージ（浮体）上に温室を設置し、パイプを熱交換器として空調に利用する。例えば海や川、湖等の水面上に浮かべることにより、パイプによる熱交換器で植物工場内の空気を温め、夜間暖房を行う。また、例えば原子力発電所等から出る温排水の放出口付近の水面上に水上植物工場を浮かべ、排熱エネルギーが有効活用できることを開示する。
しかしながら、特許文献２の技術は、海や川、湖等といった自然現象に依存し、地域や季節に左右される。すなわち、年間をとおしてエネルギーをバランスさせることを示唆しない。また、発電排熱の利用の一例として、原子力発電所の温排水を示すに過ぎず、エネルギーバランスについて一切の言及がない。

上記特許文献３は、温室構造体を開示する。この温室構造体は、野菜、果物、園芸植物などの施設栽培に用いられる光透過性の外周材を備えたいわゆるビニールハウスに蓄熱材層を用いる。この蓄熱材層に、モルタル、大理石、レンガなどを用いることが開示されている。
しかしながら、特許文献３は、あくまで、温室構造体に用いる蓄熱材層にモルタルやレンガなどを用いることを開示するに過ぎない。

このように、特許文献１〜３は、水やレンガなどを蓄熱材として挙げるに過ぎない。季節をまたいだ年間をとおした規模で発電排熱を有効利用する手段を開示するものではない。

〔目的〕
本発明は上記課題を解決するものであり、つぎの目的でなされたものである。
年間をとおしてエネルギー収支を均一化できる蓄熱利用構造を提供する。

請求項１の蓄熱利用構造は、上記目的を達成するため、つぎの構成を採用した。
発電機と、
蓄熱槽と、
熱利用施設と、
主として夏期のあいだ、上記発電機で発生した排熱を上記蓄熱槽に蓄える蓄熱ユニットと、
主として秋期から冬期をはさんで春期までのあいだ、上記熱利用施設において、上記発電機で発生した排熱を利用する排熱利用ユニットと、
主として冬期のあいだ、上記熱利用施設において、上記排熱利用ユニットによる排熱の利用に加え、上記蓄熱槽に蓄えられた蓄熱を取り出して利用する蓄熱利用ユニットとを備え、
上記蓄熱槽は、地下に設けられて、蓄熱材として固体蓄熱材を使用したものであり、
上記蓄熱利用ユニットは、上記蓄熱槽に蓄えられた蓄熱を取り出すためのヒートポンプを含んで構成され、
上記ヒートポンプが、上記地下に設けられた蓄熱槽内に収容されている。

請求項２の蓄熱利用構造は、請求項１記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記熱利用施設は地上に設けられている。

請求項３の蓄熱利用構造は、請求項１または２記載の構成に加え、つぎの構成を採用した。
上記熱利用施設は、農業施設である。

請求項１の蓄熱利用構造は、主として夏期のあいだ、蓄熱ユニットにより上記発電機で発生した排熱を上記蓄熱槽に蓄える。環境温度が高い夏期のあいだは、発電機の排熱があまるので、それを蓄熱槽に蓄える。
主として秋期と春期は、上記熱利用施設では、排熱利用ユニットにより、上記発電機で発生した排熱を利用する。秋期と春期は、発電機の排熱を熱利用施設で利用する。
主として冬期のあいだ、上記熱利用施設では、上記排熱利用ユニットによる排熱の利用に加え、蓄熱利用ユニットにより、上記蓄熱槽に蓄えられた蓄熱を取り出して利用する。環境温度が低い冬期のあいだは、発電機の排熱だけでは熱利用施設で利用する熱をまかないきれないため、足りない分を夏期のあいだ蓄熱槽に蓄えてあった蓄熱を取り出して利用する。
このように、発電機の排熱があまる夏期のあいだは、そのあまった排熱を蓄熱槽に蓄え、その蓄えた蓄熱を熱が足りなくなる冬期に取り出して利用する。これにより、冬期と夏期のエネルギー収支を均一化できる。

請求項１の蓄熱利用構造は、上記蓄熱槽は、地下に設けられて、蓄熱材として固体蓄熱材を使用したものであり、
上記蓄熱利用ユニットは、上記蓄熱槽に蓄えられた蓄熱を取り出すためのヒートポンプを含んで構成され、
上記ヒートポンプが、上記地下に設けられた蓄熱槽内に収容されている。
このため、上記蓄熱槽を設ける地下は、年間の温度変化が地上に比べて少ないため、蓄熱量の設計がしやすい。また、地下は、放熱による蓄熱のロスも地上に比べて少ない。
上記蓄熱利用ユニットが蓄熱槽に蓄えられた蓄熱を取り出すためのヒートポンプで、効率的に蓄熱を取り出して利用できる。
上記蓄熱材として固体蓄熱材を使用する。このため、上記固体蓄熱材が一定の形状を保ち、熱交換の設計が行いやすい。さらに、上記ヒートポンプを、上記地下に設けられた蓄熱槽内に収容する。

請求項２の蓄熱利用構造は、上記熱利用施設は地上に設けられている。上記熱利用施設を設ける地上は、設備をさまざまな形態で利用しやすい。

請求項３の蓄熱利用構造は、上記熱利用施設が農業施設である。このため、発電の排熱を農業利用でき、年間をとおして発電機を安定的に稼動しながら、余剰排熱も年間をとおして有効活用できる。

本発明の前提となる形態の蓄熱利用構造の構成を説明する図である。上記形態の運用状態を説明する図である。本発明の実施形態の蓄熱利用構造の構成を説明する図である。上記実施形態の運用状態を説明する図である。具体例で用いたシミュレーションを説明する図である。

つぎに、本発明を実施するための形態を説明する。

〔前提となる形態〕
図１は、本発明の前提となる形態の蓄熱利用構造の構成を説明する図である。

〔基本構造〕
上記形態の蓄熱利用構造は、発電機１と、蓄熱槽２と、熱利用施設３とを備えている。

〔発電機〕
上記発電機１は、たとえば木質バイオマス発電機を適用することができる。上記発電機１の発電方式としては、蒸気タービン方式，ガス化−エンジン方式，オーガニックランキンサイクル方式等を採用することができる。発電方式としては、特に排熱として排出される温水が７０〜８０℃程度以上となる方式が好ましい。具体的には、ガス化−エンジン方式，オーガニックランキンサイクル方式が好ましい。蓄熱槽２の容量を小さくし、工事費などを節約できるからである。
熱利用施設３の温度を室温とすると、蓄熱槽２において夏期に蓄熱すべき熱量は、（蓄熱槽２の容量）と（蓄熱温度−室温）の積である。たとえば蒸気タービン方式のように、排熱として排出される温水が３５℃程度であれば、上述したガス化−エンジン方式やオーガニックランキンサイクル方式よりも、５．５倍以上の蓄熱槽２の容量が必要になる。仮に、ガス化−エンジン方式やオーガニックランキンサイクル方式用に設計された容量の小さな蓄熱槽２を蒸気タービン方式に適用すると、夏期に発電機１の冷却ができなくなって発電機１を停止せざるをえなくなるのである。

〔蓄熱槽〕
上記蓄熱槽２は、地下に設けられている。上記蓄熱槽２は、内部空間に蓄熱材１４が収容されている。蓄熱槽２の周囲には断熱層１３が設けられ、蓄熱材１４に蓄えられた熱が周辺の地中に放熱されるロスをできるだけ少なくするようにしている。

この例では、上記蓄熱材１４として液体蓄熱材を使用している。液体蓄熱材としては、たとえば水，不凍液などを使用することができる。

〔熱利用施設〕
上記熱利用施設３は、地上に設けられている。この例では、上記熱利用施設３は、農業施設である。上記農業施設としては、作物栽培施設，動物飼育施設，加工・調製施設および貯蔵施設などがあげられる。これらのなかでも特に、作物栽培施設を好適に適用することができる。具体的には、農作物を栽培するためのガラス室，ビニルハウス，各種作物の育苗施設などがあり、それに付随した灌水装置や運搬用モノレール等を含めることができる。

〔熱利用ユニット〕
上記形態の蓄熱利用構造は、熱利用ユニットとして、蓄熱ユニット５と、排熱利用ユニット６と、蓄熱利用ユニット１０とを備えている。

上記排熱利用ユニット６は、主として秋期から冬期をはさんで春期までのあいだ、上記熱利用施設３において、上記発電機１で発生した排熱を利用する。
図では上記排熱利用ユニット６を、熱利用施設３内の空気と熱的に接触する通水管として示している。上記排熱利用ユニット６（通水管）は、発電機１から排出される排温水を流通させる。上記排温水の熱は発電機１が排出する排熱である。発電機から排温水として排出された排熱は、排熱利用ユニット６（通水管）を流通するときの熱交換により、熱利用施設３内の空気を加温する。

上記蓄熱ユニット５は、主として夏期のあいだ、上記発電機１で発生した排熱を上記蓄熱槽２に蓄える。
図では上記蓄熱ユニット５を、蓄熱槽２の蓄熱材１４と熱的に接触する通水管として示している。上記蓄熱ユニット５（通水管）は、発電機１から排出される排温水を流通させる。上記排温水の熱は発電機１が排出する排熱である。発電機から排温水として排出された排熱は、蓄熱ユニット５（通水管）を流通するときの熱交換により蓄熱材１４に蓄えられる。

上記蓄熱利用ユニット１０は、主として冬期のあいだ、上記熱利用施設３において、上記排熱利用ユニット６による排熱の利用に加え、上記蓄熱槽２に蓄えられた蓄熱を取り出して利用する。
上記蓄熱利用ユニット５は、蓄熱槽２に蓄えられた蓄熱を取り出すためのヒートポンプ１１と、吸熱管１７および放熱管１８を含んで構成される。

上記ヒートポンプ１１は、熱媒体の気化熱と凝縮熱を利用するものを適用することができる。図では上記吸熱管１７を、蓄熱槽２の蓄熱材１４と熱的に接触する流通管として示している。同じく図では上記放熱管１８を、熱利用施設３内の空気と熱的に接触する流通管として示している。

減圧して周囲より温度を下げた熱媒体を吸熱管１７に流通させ、蓄熱槽２の蓄熱材１４との熱交換させ、蓄熱材１４に蓄えられた熱を熱媒体に吸熱する。吸熱管１７で吸熱した熱媒体を加圧して温度を上げて放熱管１８に流通させる。加圧により加熱された熱媒体が放熱管１８を流通するときの熱交換により、熱利用施設３内の空気を加温する。

図示した例では、発電機１およびヒートポンプ１１は、地上に建設された設備室８に収容されている。

〔運用〕
図２は、上記形態の蓄熱利用構造の運用状態を説明する図である。（Ａ）は夏期、（Ｂ）は春期および秋期、（Ｃ）は冬期の運用状態を示す。

図２（Ａ）に示すように、夏期のあいだ、上記発電機１で発生した排熱を蓄熱ユニット５によって蓄熱槽２に蓄える。発電機１から排出される排温水を蓄熱ユニット５（通水管）に流通させ、発電機１が排出する排熱（排温水の熱）を熱交換で蓄熱材１４に蓄える。

図２（Ｂ）に示すように、春期と秋期は、上記発電機１で発生した排熱を排熱利用ユニット６によって熱利用施設３で利用する。発電機１から排出される排温水を排熱利用ユニット６（通水管）に流通させ、発電機１が排出する排熱（排温水の熱）によって熱利用施設３内の空気を加温する。

図２（Ｃ）に示すように冬期は、上述した春期・秋期と同様に、上記発電機１で発生した排熱を排熱利用ユニット６によって熱利用施設３で利用する。これと併せて、蓄熱利用ユニット１０により、上記蓄熱槽２に蓄えられた蓄熱を取り出して利用する。

排熱利用ユニット６では、上述した春期・秋期と同様に、発電機１が排出する排熱（排温水の熱）によって熱利用施設３内の空気を加温する。
蓄熱利用ユニット１０では、ヒートポンプ１１の動作により、減圧して周囲より温度を下げた熱媒体を吸熱管１７に流通させ、蓄熱材１４に蓄えられた熱を熱媒体に吸熱する。吸熱管１７で吸熱した熱媒体を加圧して温度を上げて放熱管１８（温水）に流通させ、熱利用施設３内の空気を加温する。放熱管１８（温水）に換えてヒートポンプ１１から温風を流通させて熱利用施設３内の空気を加温することもできる。

〔上記形態の効果〕
上記形態の蓄熱利用構造は、つぎの作用効果を奏する。

上記形態の蓄熱利用構造は、主として夏期のあいだ、蓄熱ユニットにより上記発電機で発生した排熱を上記蓄熱槽に蓄える。環境温度が高い夏期のあいだは、発電機の排熱があまるので、それを蓄熱槽に蓄える。
主として秋期と春期は、上記熱利用施設では、排熱利用ユニットにより、上記発電機で発生した排熱を利用する。秋期と春期は、発電機の排熱を熱利用施設で利用する。
主として冬期のあいだ、上記熱利用施設では、上記排熱利用ユニットによる排熱の利用に加え、蓄熱利用ユニットにより、上記蓄熱槽に蓄えられた蓄熱を取り出して利用する。環境温度が低い冬期のあいだは、発電機の排熱だけでは熱利用施設で利用する熱をまかないきれないため、足りない分を夏期のあいだ蓄熱槽に蓄えてあった蓄熱を取り出して利用する。
このように、発電機の排熱があまる夏期のあいだは、そのあまった排熱を蓄熱槽に蓄え、その蓄えた蓄熱を熱が足りなくなる冬期に取り出して利用する。これにより、冬期と夏期のエネルギー収支を均一化できる。

上記形態の蓄熱利用構造は、上記蓄熱利用ユニットが蓄熱槽に蓄えられた蓄熱を取り出すためのヒートポンプを含み、効率的に蓄熱を取り出して利用できる。

上記形態の蓄熱利用構造は、上記蓄熱槽が蓄熱材として液体蓄熱材を使用するため、蓄熱材の設置が容易である。

上記形態の蓄熱利用構造は、上記蓄熱槽は地下に設けられ、上記熱利用施設は地上に設けられている。蓄熱槽を設ける地下は、年間の温度変化が地上に比べて少ないため、蓄熱量の設計がしやすい。また、地下は、放熱による蓄熱のロスも地上に比べて少ない。上記熱利用施設を設ける地上は、設備をさまざまな形態で利用しやすい。

上記形態の蓄熱利用構造は、上記熱利用施設が農業施設である。このため、発電の排熱を農業利用でき、年間をとおして発電機を安定的に稼動しながら、余剰排熱も年間をとおして有効活用できる。

〔実施形態〕
図３は、本発明が適用される実施形態の蓄熱利用構造を説明する図である。
本実施形態では、上記蓄熱槽２が蓄熱材１４として固体蓄熱材を使用したものである。

この例の蓄熱槽２は、内部空間に固体蓄熱材が収容されている。
この例では、蓄熱ユニット５（通水管）は、上記固体蓄熱材と熱的に接触するよう、固体蓄熱材の表面近傍に配置されている。
また、蓄熱利用ユニット１０を構成するヒートポンプ１１が、地下の蓄熱槽２内に収容されている。蓄熱利用ユニット１０を構成する吸熱管１７は、上記固体蓄熱材と熱的に接触するよう、固体蓄熱材の表面近傍に配置されている。

上記固体蓄熱材としては、各種の材質のものを用いることができる。たとえば、レンガ、コンクリート、モルタル、石等を使用することができる。

それ以外は、上記第１実施形態と同様であり、同様の部分には同じ符号を付している。

〔運用〕
図４は、本実施形態の蓄熱利用構造の運用状態を説明する図である。（Ａ）は夏期、（Ｂ）は春期および秋期、（Ｃ）は冬期の運用状態を示す。

図４（Ａ）に示すように、夏期のあいだ、上記発電機１で発生した排熱を蓄熱ユニット５によって蓄熱槽２に蓄える。発電機１から排出される排温水を蓄熱ユニット５（通水管）に流通させ、発電機１が排出する排熱（排温水の熱）を熱交換で蓄熱材１４に蓄える。

図４（Ｂ）に示すように、春期と秋期は、上記発電機１で発生した排熱を排熱利用ユニット６によって熱利用施設３で利用する。発電機１から排出される排温水を排熱利用ユニット６（通水管）に流通させ、発電機１が排出する排熱（排温水の熱）によって熱利用施設３内の空気を加温する。

図４（Ｃ）に示すように冬期は、上述した春期・秋期と同様に、上記発電機１で発生した排熱を排熱利用ユニット６によって熱利用施設３で利用する。これと併せて、蓄熱利用ユニット１０により、上記蓄熱槽２に蓄えられた蓄熱を取り出して利用する。

〔実施形態の効果〕
本実施形態の蓄熱利用構造は、上記蓄熱槽が蓄熱材として固体蓄熱材を使用するため、上記固体蓄熱材は一定の形状を保つため熱交換の設計が行いやすい。
それ以外は上記形態と同様の作用効果を奏する。

〔具体例〕
上述した蓄熱利用構造の一具体例を説明する。

本具体例は、上述した各形態における熱利用施設３が農業用ハウスであり、木質バイオマス発電から発生する余剰排熱を農業用ハウスに用いるモデルである。木質バイオマス発電に用いる発電機１は、排熱を出す温排水の温度が８０℃となるガス化−エンジン方式を採用した。

本具体例は、主として夏期に、農業用ハウスに利用してもさらにあまる余剰排熱を蓄熱する。この蓄熱を、主として冬期に、農業用ハウスの加温に利用する。
つまり、木質バイオマス発電から発生する余剰排熱を、農業用ハウスの加温に有効利用するにあたって、季節変化にともなう環境温度の変化に柔軟に対応させ、年間をとおして利用できる蓄熱プロセスである。

春期および秋期は、発電排熱をそのまま農業用ハウスの加温に利用すればエネルギー収支が合う。
外気温が高い夏期は、農業用ハウスの加温が必要なくなる。発電排熱がそのまま余剰排熱となるため、蓄熱槽２に蓄える。
外気温が低い冬期は、発電排熱だけでは農業用ハウスの加温が足りないため、蓄熱槽２の蓄熱を取り出して補う。

図５は、本具体例で用いた熱計算の基本概念の図とその計算方法を示す。以下のシミュレーションは、この基本概念と計算方法に基づいて行う。

〔シュミレーション１：前提の形態〕
まず、蓄熱槽２は地下に設け、蓄熱材として水を使用したプール形式とした。ヒートポンプ１１は冬季のみ使用する。
日本国内の代表的な寒冷地の一つである札幌市に設置することを想定した。

上記の方法でシュミレーションした結果を表１に示す。

１月から１２月までの札幌市の月別の平均気温をもとに、本システムでの熱の出入りを検討した。農業用ハウス内の温度は通年２５℃とし、面積は４６２２５ｍ^２、発電能力は６８９ｋＷ、地下プール深さは２．５ｍ、地下プールの断熱材は０．３６Ｗ／ｍ^２・℃の１０ｃｍスタイロフォーム、ヒートポンプのＣＯＰは３．０とした。ここで用いた札幌市の月別の平均気温は、気象庁のホームページの「各種データ・資料」（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｍａ．ｇｏ．ｊｐ／ｊｍａ／ｍｅｎｕ／ｍｅｎｕｒｅｐｏｒｔ．ｈｔｍｌ）の項目から、札幌市の各月ごとの平年値（統計期間：１９８１〜２０１０年）で示されている値を用いた。なお、８月は発電の定期メンテナンスのために、発電は停止させている。

表１の結果からわかるように、日本国内の代表的な寒冷地の一つである札幌市でもこの具体例で運転することが可能である。また例えば、今回のケースより地下プールの水温が変動するような地域では、地下プールの水面の高さを調整することで、対応が可能となる。

〔シュミレーション２：実施形態〕
次に、地下プロセスに蓄熱材として、レンガを用いることを検討した。
このケースでは、ヒートポンプ１１は地下に設置し、レンガ部分とヒートポンプ１１を空気で熱交換することを想定した。ここで用いたレンガは、例えば日本工業規格（ＪＩＳ）のＪＩＳＲ１２５０普通レンガ、ＪＩＳＡ５２１３建築用レンガ、ＪＩＳＲ２２０４耐火レンガなど、粘土や頁岩、泥を型に入れ、窯で焼き固めて、あるいは圧縮して作られるものである。ヒートポンプ１１を駆動させるのは冬季のみである。

先の例と同様に札幌市でこの具体例を行うことを想定し、シミュレーションした結果を表２に示す。

１月から１２月までの札幌市の月別の平均気温をもとに、本システムでの熱の出入りを検討した。農業用ハウス内の温度は通年２５℃とし、面積は４４１００ｍ^２、発電能力は６８９ｋＷ、レンガ合計厚さは２．５ｍ、レンガの比熱は１．０ｋＪ／ｋｇ・℃、地下室の断熱材は０．３６Ｗ／ｍ^２・℃の１０ｃｍスタイロフォーム、ヒートポンプのＣＯＰは３．０として求めている。なお、８月は発電の定期メンテナンスのために発電は停止させている。

表１の結果からわかるように、日本国内の代表的な寒冷地の一つである札幌市でもこの具体例で運転することが可能である。

〔具体例の効果〕
本具体例では、余計な化石燃料由来のエネルギーを外部から投入することなく、木質バイオマス発電から発生する余剰排熱を有効利用できる。余剰排熱を利用して農業用ハウスを加温し、季節の変化による外気温の変化に柔軟に対応し、年間をとおして利用できる蓄熱プロセスである。通年でのエネルギー収支を均一化した栽培システムに適用できる。

〔変形例〕
以上は本発明の特に好ましい実施形態について説明したが、本発明は図示した実施形態に限定する趣旨ではなく、各種の態様に変形して実施することができ、本発明は各種の変形例を包含する趣旨である。

たとえば、蓄熱材としては、一般に水、コンクリートなどの汎用素材を用いることができる。他には、水酸化マグネシウムＭｇ（ＯＨ）_２や水酸化カルシウムＣａ（ＯＨ）_２、エリスリトールＣ_４Ｈ_１０Ｏ_４、酢酸ナトリウム３水塩ＣＨ_３ＣＯＯ_４Ｎａ・３Ｈ_２Ｏ、硫酸ナトリウム１０水塩Ｎａ_２ＳＯ_４・１０Ｈ_２Ｏなどの化学物質を用いることができる。

上述した各実施形態では、木質バイオマス発電の余剰排熱を蓄熱するという観点から、ある程度の大容量化が可能であって、かつコスト面を満足できるものから選定した。

１：発電機
２：蓄熱槽
３：熱利用施設
５：蓄熱ユニット
６：排熱利用ユニット
８：設備室
１０：蓄熱利用ユニット
１１：ヒートポンプ
１３：断熱層
１４：蓄熱材
１７：吸熱管
１８：放熱管

Claims

発電機と、
蓄熱槽と、
熱利用施設と、
主として夏期のあいだ、上記発電機で発生した排熱を上記蓄熱槽に蓄える蓄熱ユニットと、
主として秋期から冬期をはさんで春期までのあいだ、上記熱利用施設において、上記発電機で発生した排熱を利用する排熱利用ユニットと、
主として冬期のあいだ、上記熱利用施設において、上記排熱利用ユニットによる排熱の利用に加え、上記蓄熱槽に蓄えられた蓄熱を取り出して利用する蓄熱利用ユニットとを備え、
上記蓄熱槽は、地下に設けられて、蓄熱材として固体蓄熱材を使用したものであり、
上記蓄熱利用ユニットは、上記蓄熱槽に蓄えられた蓄熱を取り出すためのヒートポンプを含んで構成され、
上記ヒートポンプが、上記地下に設けられた蓄熱槽内に収容されている
ことを特徴とする蓄熱利用構造。
上記熱利用施設は地上に設けられている
請求項１記載の蓄熱利用構造。
上記熱利用施設は、農業施設である
請求項１または２記載の蓄熱利用構造。