特開 2024-162279 園芸ハウスにおける地中熱を利用した地温管理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024162279

(43)【公開日】2024-11-21

(54)【発明の名称】園芸ハウスにおける地中熱を利用した地温管理方法

(51)【国際特許分類】

   A01G 9/24 20060101AFI20241114BHJP

   A01G 7/00 20060101ALI20241114BHJP

   F24T 10/00 20180101ALI20241114BHJP

【ＦＩ】

A01G9/24 P

A01G7/00 601Z

F24T10/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023077631

(22)【出願日】2023-05-10

(71)【出願人】

【識別番号】505292111

【氏名又は名称】ジオシステム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083404

【弁理士】

【氏名又は名称】大原 拓也

(72)【発明者】

【氏名】高杉 真司

【テーマコード（参考）】

2B022

2B029

【Ｆターム（参考）】

2B022DA17

2B029SA04

2B029SA05

2B029SA06

(57)【要約】

【課題】施工が容易で、かつ、より安価なランニングコストにて地温管理が行えるようにする。
【解決手段】園芸ハウス内の圃場に熱源を地中熱とする熱交換器３１を埋設して、上記圃場の地温を所定温度に保つ。
【選択図】図２ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

園芸ハウス内の圃場に熱源を地中熱とする熱交換器を埋設して、上記圃場の地温を所定温度に保つことを特徴とする園芸ハウスにおける地中熱を利用した地温管理方法。

【請求項2】

栽培される植物が植えられている土塊の周りを囲むように、熱源を地中熱とする熱交換器を配置して上記土塊の地温を所定温度に保つことを特徴とする植物栽培における地中熱を利用した地温管理法。

【請求項3】

上記熱交換器には、熱媒体流入側の第１端管と熱媒体流出側の第２端管との間に可撓性を有する複数本の熱交換チューブを並列的に接続してなる面状熱交換器が用いられることを特徴とする請求項１または２に記載の園芸ハウスにおける地中熱を利用した地温管理方法。

【請求項4】

上記熱交換器の周りがさらに遮熱シートによって囲まれることを特徴とする請求項２に記載の植物栽培における地中熱を利用した地温管理法。

【請求項5】

上記土塊が搬送用のコンテナバッグ内に収納された状態で運搬用のパレット上に載置され、この状態のまま上記植物の栽培が行われることを特徴とする請求項２または４に記載の植物栽培における地中熱を利用した地温管理法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、園芸ハウスにおける地中熱を利用した地温管理方法に関し、さらに詳しく言えば、園芸ハウス内の圃場の地温を地中熱熱交換器による地中熱を利用して、栽培する植物にとって好ましい温度に管理する技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

園芸ハウス（ビニールハウス等とも呼ばれる栽培施設）での植物栽培（ハウス栽培）において、ハウス内の温度管理はもっぱら室内の温度を管理することで行われている。それには多くの場合、灯油燃料等による加温器が用いられているが、燃料コストが高くつくばかりでなく、加温器から排出されるＣＯ_２による地球温暖化等の問題がある。

【0003】

他方において、植物の成長には、根の生長が重要であることから、地温管理として、植物が植えられている地中内の温度を管理することも行われている。

【0004】

その方法の一つとして、特許文献１に記載された発明では、加熱した熱伝導率の小さい熱媒体液を熱伝導率の小さい黒色の樹脂製放熱パイプで循環させて地中に放熱させる間接式暖房システムが提案されている。

【0005】

しかしながら、この間接式暖房システムによると、黒色の樹脂製放熱パイプを植物が植えられる地中内に張り巡らす必要があるばかりでなく、熱媒体液を加熱する加熱手段を必要とすることから、イニシャルコストおよびランニングコストを含めてコスト的に好ましくない。また、栽培植物ごとに個別的に地温管理することらついては関心が持たれていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平７－１９５０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

したがって、本発明の第１の課題は、施工が容易で、かつ、より安価なランニングコストにて地温管理が行えるようにした園芸ハウスにおける地中熱を利用した地温管理方法を提供することにある。

【0008】

また、本発明の第２の課題は、栽培植物の種類等に応じて個別的にその地温を管理し得るようにした園芸ハウスにおける地中熱を利用した地温管理方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記第１の課題を解決するため、第１の発明は、園芸ハウス内の圃場に熱源を地中熱とする熱交換器を埋設して、上記圃場の地温を所定温度に保つことを特徴としている。

【0010】

また、上記第２の課題を解決するため、第２の発明は、栽培される植物が植えられている土塊の周りを囲むように、熱源を地中熱とする熱交換器を配置して上記土塊の地温を所定温度に保つことを特徴としている。

【0011】

いずれの発明においても、上記熱交換器には、熱媒体流入側の第１端管と熱媒体流出側の第２端管との間に可撓性を有する複数本の熱交換チューブを並列的に接続してなる面状熱交換器が用いられることが好ましい。

【0012】

また、上記熱交換器内を流れる熱媒体が、クローズドループ方式もしくはオープンループ方式の地中熱熱交換手段にて地中熱と熱交換が行われることが好ましい。

【0013】

上記第２の発明において、好ましくは上記熱交換器の周りがさらに遮熱シートによって囲まれる。

【0014】

また、上記第２の発明には、上記土塊が搬送用のコンテナバッグ内に収納された状態で運搬用のパレット上に載置され、この状態のまま上記植物の栽培が行われる態様が含まれる。

【発明の効果】

【0015】

第１の発明によれば、熱交換器（好ましくは面状熱交換器）を植物が植えられる圃場に埋設するだけでよいことから容易に施工することができる。また、熱源として地下水や井戸水、河川水、農協用水、それに工場排水等を利用することができるため、ランニングコストも安価に抑えることができる。また、化石燃料による加温器の使用頻度が低下する分、加温器から排出されるＣＯ_２量を削減することができる。

【0016】

また、第２の発明によれば、上記第１の発明による効果に加えて、栽培植物の種類等に応じて個別的にその地温を最適に管理することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明が適用される園芸ハウスの一例を示す（ａ）模式的な断面図、（ｂ）そのハウス内の圃場面を示す模式的な平面図。

【図2a】本発明の第１実施形態の基本的な態様を説明するための模式図。

【図2b】本発明の第２実施形態の基本的な態様を説明するための模式図。

【図3a】上記第１実施形態における面状熱交換器の配置例と熱源との接続例を示す模式図。

【図3b】上記第１実施形態における面状熱交換器の埋設例を示す断面図。

【図4】本発明の各実施形態で用いられる面状熱交換器の一例を示す斜視図。

【図5】本発明の各実施形態で用いられる熱源側の地中熱熱交換手段の第１例を示す模式的な断面図。

【図6】本発明の各実施形態で用いられる熱源側の地中熱熱交換手段の第２例を示す模式的な断面図。

【図7a】第２実施形態により地温管理されるフレコンバッグ型可搬植物を示す模式的な側面図。

【図7b】図７ａの平面図。

【図8】上記フレコンバッグ型可搬植物の配置例と熱源との接続例を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0018】

次に、図１ないし図８を参照して、本発明の第１および第２の実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

【0019】

図１（ａ）に、本発明の地温管理方法が適用される園芸ハウス１の一例を示す。園芸ハウス１は、栽培施設として日光を透過する樹脂シートやガラス板等で囲まれた室内空間１ａを有する。室内１ａには、灯油燃料等による加温器１ｂが設けられてもよい。図示しないが、換気扇や循環扇が併用されてもよい。なお、園芸ハウス１は、例えば蒲鉾型のビニールハウスであってもよい。

【0020】

図１（ｂ）の園芸ハウス１内の圃場１ｃを参照して、本実施形態の説明において便宜的に、圃場１ｃは、第１実施形態に係る地温管理方法が適用される第１栽培エリア１０と、第２実施形態に係る地温管理方法が適用される第２栽培エリア２０とに区画割りされている。第１栽培エリア１０と第２栽培エリア２０は、図示しない例えばカーテンにより仕切られてもよい。

【0021】

第１実施形態と第２実施形態には、ともに栽培土壌の地温を所定温度にするために熱源を地中熱とする図４に示す熱交換器３０が用いられる。熱交換器３０には、熱媒体流入側の第１端管３１１と熱媒体流出側の第２端管３１２との間に複数本の熱交換チューブ３１３を並列的に接続してなる面状熱交換器３１が好ましく採用される。

【0022】

各熱交換チューブ３１３は、第１端管３１１と第２端管３１２とに連通しており、熱媒体は、後述する熱源側から第１端管３１１に供給され、各熱交換チューブ３１３を通って第２端管３１２に向けて流れつつ栽培土壌との間で熱交換し、第２端管３１２から上記熱源側に戻される。

【0023】

熱交換チューブ３１３は、可撓性を有する合成樹脂チューブ、例えばポリエチレン製チューブであってよい。一例として、熱交換チューブ３１３は、φ６ｍｍ×長さ３．８ｍのチューブで、端管３１１，３１２の間に１１７本が梁部材３１４により間隔を揃えて平行に配置され、見かけ上１枚のシート状を呈していることから、面状熱交換器３１は熱交換シートもしくはシート状熱交換器と呼ばれることがある。面状熱交換器３１は丸めることもできる。

【0024】

第１実施形態では、図２ａに示すように、苗木等の栽培植物Ｐの根元付近に面状熱交換器３１が配置（埋設）される。一例として、図３ａに示すように、面状熱交換器３１は、園芸ハウス１の第１栽培エリア１０内に日の字状として２箇所に並置される。なお、面状熱交換器３１を地面を掘って埋設するのではなく、図３ｂに示すように、面状熱交換器３１を地面上に配置し、その上を覆土１ｄにて覆ってもよい。

【0025】

面状熱交換器３１の各々（この例では１０枚）が流入側（往路側）ヘッダユニット４１および流出側（戻り側）ヘッダユニット４２を介して熱源側と接続される。ヘッダユニット４１と４２は、図３ｂに示す保護用のヘッダボックス４０内に収納されている。

【0026】

流入側ヘッダユニット４１と流出側ヘッダユニット４２は、ともに１０個の接続ポートを有し、各面状熱交換器３１の第１端管３１１は流入側ヘッダユニット４１に対して並列に接続され、また、各面状熱交換器３１の第２端管３１２も流出側ヘッダユニット４２に対して並列に接続される。なお、各面状熱交換器３１の第１端管３１１側および／または第２端管３１２側に例えば流量調整弁を設けて、面状熱交換器３１を個別的、所定個数のグループ別に地温管理することもできる。

【0027】

第１および第２のいずれの実施形態においても、面状熱交換器３１内を流れる熱媒体は、オープンループ方式もしくはクローズドループ方式の地中熱熱交換手段にて地中熱と熱交換が行われる。

【0028】

まず、オープンループ方式の地中熱熱交換手段について説明する。その一例として、図５に特許第７１０７７６９号に開示されている地中熱の熱交換装置を示し、これについて説明する。

【0029】

この熱交換装置１００は、基本的な構成として、貯水槽１１０と、貯水槽１１０内に収納される熱交換器１２０と、貯水槽１１０内に熱源水を供給する熱源水供給手段１３０と、積極的に対流を起こす空気噴出手段１４０とを備えている。

【0030】

貯水槽１１０は、地面に掘削された貯水池であってもよいし、地表に設置された貯水タンクであってもよい。また、河川の一部が使用されてもよい。この例では、貯水槽１１０を貯水タンクとしている。

【0031】

熱交換器１２０には、先の図４で説明した面状熱交換器３１が用いられている。すなわち、本実施形態において、面状熱交換器３１は、利用側の地温管理用と熱源側の地中熱熱交換用の双方に用いられているが、それらを識別するため、以下の説明において熱源側の面状熱交換器の符号は１２０（３１）とする。

【0032】

好ましい態様として、熱源側の面状熱交換器１２０（３１）は、渦巻き状に丸められて貯水槽１１０内に収納される。その際、隣接する内層と外層との間に、複数本のスペーサパイプ１２３を適宜の間隔で介在させて、隣接する内層と外層との間に隙間が生ずるようにしている。

【0033】

熱源側の面状熱交換器１２０（３１）における熱媒体流入側の第１端管３１１と熱媒体流出側の第２端管３１２は、利用側が備える例えばヒートポンプ４５（図３ａ参照）の一次側に接続され、面状熱交換器３１内には、不凍液等の熱媒体が循環するように流される。

【0034】

利用側については、流入側ヘッダユニット４１の往路配管４１ａと流出側ヘッダユニット４２の復路配管４２ａがヒートポンプ４５の二次側に接続されるが、ヒートポンプ４５を介在させずに、流入側ヘッダユニット４１の往路配管４１ａと流出側ヘッダユニット４２の復路配管４２ａを熱源側の面状熱交換器１２０（３１）の第１端管３１１と第２端管３１２に接続するようにしてもよい。

【0035】

熱源水供給手段１３０として、熱源水供給ホース１３１が用いられる。熱源水供給ホース１３１は、熱源側の面状熱交換器１２０（３１）と同じく渦巻き状として、各スペーサパイプ１２３の脚部１２３ａを貫通し、貯水槽１１０の底部側において、脚部１２３ａにほぼ水平に支持されている。

【0036】

作図の都合上図示されていないが、熱源水供給ホース１３１の上面（面状熱交換器１２０（３１））の底部側と対向する面）には、所定の間隔をもって複数の水噴出孔が形成されている。

【0037】

熱源水供給ホース３１には、給水ポンプＰ１より接続配管１３２を介して熱源水が供給される。供給される熱源水は、地下水（井戸水）や河川水、工業排水、農業用水、湧水等を例示することができる。

【0038】

貯水槽１１０の上部から、排水ポンプＰ２を有する排水管１３３が引き出されている。排水ポンプＰ２は、図示しないフロートスイッチにて熱源水の上限レベルが検知されると、運転を開始し、余剰の熱源水を排水する。

【0039】

空気噴出手段１４０として、空気供給ホース１４１が用いられている。空気供給ホース１４１も、熱源側の面状熱交換器１２０（３１）と同じく渦巻き状として、各スペーサパイプ１２３の脚部１２３ａを貫通し、貯水槽１１０の底部側において、熱源水供給ホース１３１の下側で脚部１２３ａにほぼ水平に支持されている。

【0040】

作図の都合上図示されていないが、空気供給ホース１４１の上面（熱交換器１２０（面状熱交換器３１）の底部側と対向する面）には、所定の間隔をもって複数の空気噴出孔が形成されている。空気供給ホース１４１には、ブロワーＰ３より接続配管１４２を介して圧搾空気が供給される。

【0041】

この熱交換装置１００によれば、給水ポンプＰ１から供給される熱源水は、熱源水供給ホース１３１の各水噴出孔より、熱源側の面状熱交換器１２０（３１）のスペーサパイプ１２３にて間隔が保持されている内層と外層の間の隙間に向けて噴射される。

【0042】

また、ブロワーＰ３から供給される圧搾空気は、空気供給ホース１４１の各空気噴出孔より、同じく、熱源側の面状熱交換器１２０（３１）のスペーサパイプ２３にて間隔が保持されている内層と外層の間の隙間に向けて噴射される。これにより、貯水槽１１０内には、面状熱交換器１２０（３１）の隣接する内層と外層の間を通る大きな対流が生ずるため、熱源水と熱媒体との熱交換率が大幅に高められる。

【0043】

次に、クローズドループ方式の地中熱熱交換手段について説明する。その一例として、図６に特許第５７８６０１４号に開示されている地中熱熱交換装置を示し、これについて説明する。

【0044】

図６に示すクローズドループ型地中熱熱交換装置２００（以下、単に地中熱熱交換器２００とする）は、地表面Ｇからほぼ鉛直に掘削された筒状の熱交換井２１０と、熱交換井２１０の中に沿って配置される熱交換チューブ（熱交換器）２３０とを備えている。

【0045】

熱交換井２１０は、地表面Ｇからほぼ鉛直に掘削ボーリングされた円筒状を呈し、好ましくは地下水位線ＷＬを貫くように掘削される。熱交換井２１０は、通常、複数箇所に設けられる。

【0046】

熱交換井２１０には、その内周面に沿ってケーシング２１１が挿通されている。ケーシング２１１は、熱交換井２１０の内径とほぼ同径の鋼管からなり、内部は所定の仕切部材２１２を介して上下に区画されている。ケーシング２１１には、一部にスリット孔２１３が設けられたいわゆる孔明管が用いられている。

【0047】

仕切部材２１２の一部には、熱交換チューブ２３０を挿通する挿通孔２２４が設けられている。仕切部材２１２は、好ましくは熱交換井２１０が掘削された地層の地下水位線ＷＬに該当する位置とほぼ同じ位置に配置される。

【0048】

仕切部材２１２を挟んでケーシング２１１の下側には、例えばスリット状の孔２１３が設けられている。このスリット孔２１３を通して地下水がケーシング２１１の内部を流れる。

【0049】

仕切部材２１２を挟んでケーシング２１１の上側には、充填材層２２５が設けられている。充填材層２２５は、砂礫などの比較的荒い粒状物からなる充填材を仕切部材２１２からほぼ地表面に至るまで充填して適度な透水性を備えた透水層である。

【0050】

熱交換チューブ２３０は、直管チューブをＵ字状に折り曲げて、一方を往路側、他方と復路側としたＵ字管が用いられ、その折り曲げた先端が熱交換井２１０の底部に向けて挿入されている。

【0051】

熱交換チューブ２３０の入口側と出口側はともに、地中熱熱交換ユニットＨＰに接続されている。この地中熱熱交換ユニットＨＰを介して地温管理用の面状熱交換器３１の熱媒体と熱交換チューブ２３０内の熱媒体との熱交換が行われるが、地中熱熱交換ユニットＨＰを介在させることなく、地温管理用の面状熱交換器３１の熱媒体を熱交換チューブ２３０内に流してもよい。

【0052】

この例においては、熱交換井２１０には、充填材層２２５に水を注入して、熱交換チューブ２３０の熱交換効率を高める注水手段２４０が設けられている。注水手段２４０は、水を貯留するための貯水タンク２４１と、貯水タンク２４１から熱交換井２１０に水を送る送水管２４２と、充填材層２２５内に設置される注水パイプ２４３とを備えている。

【0053】

充填材層２２５内には温度センサ２４４が埋設されており、温度センサ２４４による温度情報を元に図示しない制御部が送水管２４２の開閉バルブ２４５を開閉し、充填材層２２５に対する注水が制御される。これにより、熱交換チューブ２３０のほぼ全長を熱交換のために有効に使用することができる。

【0054】

第１実施形態によれば、栽培植物Ｐの根元付近に配置（埋設）される面状熱交換器３１内にオープンループ方式もしくはクローズドループ方式の地中熱熱交換手段にて地中熱と熱交換された熱媒体が流されることにより、加温器等による室温管理に加えて地温管理が行われるため、植物栽培の育成管理費のエネルギーコストを節約することができるばかりでなく、加温器の使用負担が減らせるため、化石燃料に由来するＣＯ_２排出量をより低減することができる。

【0055】

また、地温管理の最適化により、果実や花などの育成管理方法の改善・検討が可能になる。さらには、地温管理により、土中に潜在するパナマ病などの病気の原因であるフザリウム菌などを不活性化させることが可能になる。また、地温管理により、散水方法、肥料散布方法の最適化も可能になる、等の効果が奏される。

【0056】

次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、図２ｂに示すように、栽培される植物（例えば苗木）Ｐが植えられている土塊Ｂを１基（１単位）として地温管理を行う。この地温管理には、土塊Ｂを包む袋部材として例えばフレキシブルコンテナバックが用いられる。フレキシブルコンテナバッグは、略して「フレコンバッグ（もしくはコンテナバッグ）」と呼ばれるが、俗称して「トンパック」）と呼ばれることもある。

【0057】

図７ａ，図７ｂを参照して、栽培される植物（例えば苗木）Ｐは、その土塊Ｂがフレコンバッグ５１に入れられ、可搬用のパレット（架台）５２上に載置されて栽培に供されることから、ここではフレコンバッグ型の可搬植物５０と言う。

【0058】

可搬植物５０の土塊Ｂの周り（フレコンバッグ５１の周り）に、図４で説明した面状熱交換器３１が巻き付けられる。この例では、面状熱交換器３１の周りに例えば羊毛を含む断熱材５３が配置され、さらに断熱材５３の周りに遮熱シート５４が巻き付けられる。

【0059】

図８には、可搬植物５０が例えば１０基として園芸ハウス１の第２栽培エリア２０内に配置された状態が示されている。この第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、１０基分の面状熱交換器３１が流入側（往路側）ヘッダユニット４１および流出側（戻り側）ヘッダユニット４２に接続される。

【0060】

流入側ヘッダユニット４１と流出側ヘッダユニット４２は、ともに１０個の接続ポートを有し、各面状熱交換器３１の第１端管３１１は流入側ヘッダユニット４１に対して並列に接続され、また、各面状熱交換器３１の第２端管３１２も流出側ヘッダユニット４２に対して並列に接続される。

【0061】

そして、各面状熱交換器３１は、流入側ヘッダユニット４１の往路配管４１ａと流出側ヘッダユニット４２の復路配管４２ａを介して熱源側の図５で説明したオープンループ方式の地中熱熱交換手段１００もしくは図６で説明したクローズドループ方式の地中熱熱交換手段２００と接続される。

【0062】

なお、各面状熱交換器３１の第１端管３１１側および／または第２端管３１２側に例えば流量調整弁を設けて、面状熱交換器３１を個別的、所定個数のグループ別に地温管理することもできる。

【0063】

この第２実施形態によれば、栽培する植物を可搬植物としてフレコンバッグでの栽培を行うことにより、フォークリフト等で移動することが可能となり、日射等の条件を適宜変えることなどで現状に即した栽培が可能となる。

【0064】

また、加温器等による室温管理に合わせてグループ毎の地温管理を導入することにより、育成管理費のエネルギーコストを節約することができる。また、地温管理の最適化により、果実／花等の育成管理方法の改善・検討が可能になる。

【0065】

さらには、立体的に地温を管理することにより、埋設法（敷設法）よりも効率的な栽培が行える。また、地温管理により、土中に潜在するパナマ病などの病気の原因であるフザリウム属菌などを不活性化することが可能になる。

【0066】

また、パナマ病などが発生した場合でも、フレコンバッグ毎の管理により、病気の原源と正常な植物が隔離されているため、病気が蔓延し難い。フレコンバッグ毎のグループによる地温管理が可能となり、育成条件の最適化、エネルギーコストの低減が可能となる。また、フレコンバッグ毎の散水方法、肥料散布方法などの最適化も可能となる、等々の効果が奏される。

【0067】

以上、本発明について実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載に限定されるものではない。当業者であるならば上記実施形態に加えられる変更もしくは改良も本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0068】

１ 園芸ハウス
１ｃ 圃場
１０ 第１栽培エリア
２０ 第２栽培エリア
３０ 熱交換器
３１ 面状熱交換器
３１１ 第１端管
３１２ 第２端管
３１３ 熱交換チューブ
４１ 流入側ヘッダユニット
４２ 流出側ヘッダユニット
４５ ヒートポンプ
５０ 可搬植物
５１ フレコンバッグ
５２ パレット
５３ 断熱材
５４ 遮熱シート
１００ オープンループ方式の地中熱熱交換手段
２００ クローズドループ方式の地中熱熱交換手段

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3a】

【図3b】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7a】

【図7b】

【図8】