特開 2024-21170 園芸施設における太陽熱利用方法および太陽熱利用システム

(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】P2024021170

(43)【公開日】2024-02-16

(54)【発明の名称】園芸施設における太陽熱利用方法および太陽熱利用システム

(51)【国際特許分類】

   F24S 90/00 20180101AFI20240208BHJP

   F24F 11/65 20180101ALI20240208BHJP

   F24F 11/875 20180101ALI20240208BHJP

   F24F 5/00 20060101ALI20240208BHJP

   F24S 10/30 20180101ALI20240208BHJP

   F24S 10/75 20180101ALI20240208BHJP

   A01G 7/00 20060101ALI20240208BHJP

   F24F 130/20 20180101ALN20240208BHJP

   F24F 110/10 20180101ALN20240208BHJP

【ＦＩ】

F24S90/00 100

F24F11/65

F24F11/875

F24F5/00 102C

F24F5/00 K

F24S10/30

F24S10/75

A01G7/00 601Z

F24F130:20

F24F110:10

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022123822

(22)【出願日】2022-08-03

(71)【出願人】

【識別番号】501203344

【氏名又は名称】国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100154852

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 太一

(72)【発明者】

【氏名】土屋 遼太

(72)【発明者】

【氏名】大橋 雄太

(72)【発明者】

【氏名】石井 雅久

【テーマコード（参考）】

2B022

3L260

【Ｆターム（参考）】

2B022DA01

3L260AA15

3L260AB01

3L260AB09

3L260BA41

3L260BA45

3L260BA46

3L260CA12

3L260CB13

3L260CB81

3L260EA07

3L260EA12

3L260FA02

3L260FA10

3L260FB01

(57)【要約】

【課題】園芸施設において、太陽熱をより効率的に利用すること。
【解決手段】実施形態の園芸施設における太陽熱利用方法は、外部からの太陽光を透過する素材を含む園芸施設における太陽熱利用方法であって、蓄熱時には、前記園芸施設の床面に照射された太陽光によって前記園芸施設の床下に設置された配管内を移動する冷媒の温度を上昇させ、前記冷媒の熱を、ヒートポンプを介して熱交換器に伝達し、前記熱交換器からの熱を蓄熱体に蓄え、放熱時には、前記ヒートポンプを介して、前記蓄熱体に蓄えられた熱によって前記配管内の冷媒の温度を上昇させて前記園芸施設の床下に設置した配管内を移動させて前記園芸施設の施設内温度を上昇させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部からの太陽光を透過する素材を含む園芸施設における太陽熱利用方法であって、
蓄熱時には、前記園芸施設の床面に照射された太陽光によって前記園芸施設の床下に設置された配管内を移動する冷媒の温度を上昇させ、前記冷媒の熱を、ヒートポンプを介して熱交換器に伝達し、前記熱交換器からの熱を蓄熱体に蓄え、
放熱時には、前記ヒートポンプを介して、前記蓄熱体に蓄えられた熱によって前記配管内の冷媒の温度を上昇させて前記園芸施設の床下に設置した配管内を移動させて前記園芸施設の施設内温度を上昇させる、
太陽熱利用方法。

【請求項2】

前記蓄熱体は、土壌または水であり、
前記熱交換器は、前記蓄熱体内に設置される、
請求項１に記載の太陽熱利用方法。

【請求項3】

前記床面は、熱伝導性が閾値より高く液相を含まない材料によって形成され、
前記配管は、前記材料内または前記材料の下部に敷設される、
請求項１に記載の太陽熱利用方法。

【請求項4】

前記園芸施設の施設内温度が第１温度以上である場合に、前記蓄熱時における前記蓄熱体への熱の蓄熱を行い、
前記園芸施設の施設内温度が第２温度未満である場合に、前記放熱時における前記園芸施設内への放熱を行う、
請求項１に記載の太陽熱利用方法。

【請求項5】

前記放熱時において、前記蓄熱体の温度が所定温度未満である場合に、前記ヒートポンプの稼働を停止させる、
請求項１に記載の太陽熱利用方法。

【請求項6】

前記蓄熱時において、前記蓄熱体の温度が所定温度以上である場合に、前記ヒートポンプの稼働を停止させる、
請求項１に記載の太陽熱利用方法。

【請求項7】

外部からの太陽光を透過する素材を含む園芸施設の床下に設置された配管と、
前記配管内を移動する冷媒の温度と、熱交換器内を移動する冷媒の温度を制御するヒートポンプと、
前記熱交換器からの熱を蓄熱する蓄熱体と、
前記ヒートポンプの稼働を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
蓄熱時には、前記園芸施設の床面に照射された太陽光によって前記床下に設置された配管内を移動する冷媒の温度を上昇させ、前記冷媒の熱を、前記ヒートポンプを介して熱交換器に伝達させて前記熱交換器からの熱を蓄熱体に蓄え、
放熱時には、前記ヒートポンプを介して、前記蓄熱体に蓄えられた熱によって前記配管内の冷媒の温度を上昇させて前記園芸施設の床下に設置した配管内を移動させて前記園芸施設の施設内温度を上昇させる、
太陽熱利用システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、園芸施設における太陽熱利用方法および太陽熱利用システムに関する。

【背景技術】

【0002】

園芸用ハウス等の園芸施設では、日射で暖められた床面から施設内空気への伝熱が生じ、施設外より高い気温が形成される。したがって、園芸用ハウスを用いた施設園芸は、寒冷期においても栽培環境の制御により野菜や花き類を生産できることから周年供給を可能にし、消費者の需要に柔軟に対応する農業生産形態であり、植物の生育に最適な環境の形成により、高品質・高負荷価値な生産物を得ることが可能である。しかしながら、施設園芸は、農業生産の中でも特に化石資源に依存した栽培形態であることから、国際的な化石資源価格の変動の影響を受けるリスクが大きいことや農業の中でも特に大きな温暖化ガスの排出源となってしまうといった問題がある。そのため、従来では、園芸施設における蓄熱技術として、施設外に設置した太陽熱集熱器で地中に蓄積した熱を用いたり、北側壁面を蓄熱体として吸収した太陽熱を夜間に自然対流により放熱したり、屋外の集熱器と施設内部とを空気熱交換形式（温冷風吹出し）で構成した地中蓄熱温室等の技術が存在する（例えば、特許文献１～６参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２－２０５５１０号公報

【特許文献2】特開平４－１０８３２１号公報

【特許文献3】特許第５５６０４５４号公報

【特許文献4】特開２０１１－４７３９号公報

【特許文献5】特開２００６－８４０９３号公報

【特許文献6】特開２００６－１２５７６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来技術における園芸施設の蓄熱技術において、特にヒートポンプを用いる技術では、施設内空気の顕熱を回収するものが多い。しかしながら、空気中の顕熱は、園芸施設に入射し床面で吸収された太陽熱の一部が分配されたものであるため、蓄熱という面では低効率であり、効率的な熱利用ができない場合があった。

【0005】

本発明の態様は、このような事情を考慮してなされたものであり、園芸施設において、太陽熱をより効率的に利用することができる園芸施設における太陽熱利用方法および太陽熱利用システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この発明に係る園芸施設における太陽熱利用方法および太陽熱利用システムは、以下の構成を採用した。
本発明の第１の態様である太陽熱利用方法は、外部からの太陽光を透過する素材を含む園芸施設における太陽熱利用方法であって、蓄熱時には、前記園芸施設の床面に照射された太陽光によって前記園芸施設の床下に設置された配管内を移動する冷媒の温度を上昇させ、前記冷媒の熱を、ヒートポンプを介して熱交換器に伝達し、前記熱交換器からの熱を蓄熱体に蓄え、放熱時には、前記ヒートポンプを介して、前記蓄熱体に蓄えられた熱によって前記配管内の冷媒の温度を上昇させて前記園芸施設の床下に設置した配管内を移動させて前記園芸施設の施設内温度を上昇させる、太陽熱利用方法である。

【0007】

本発明の第２の態様である太陽熱利用方法は、更に、前記蓄熱体は、土壌または水であり、前記熱交換器は、前記蓄熱体内に設置されるものである。

【0008】

本発明の第３の態様である太陽熱利用方法は、更に、前記床面は、熱伝導性が閾値より高く液相を含まない材料によって形成され、前記配管は、前記材料内または前記材料の下部に敷設されるものである。

【0009】

本発明の第４の態様である太陽熱利用方法は、更に、前記園芸施設の施設内温度が第１温度以上である場合に、前記蓄熱時における前記蓄熱体への熱の蓄熱を行い、前記園芸施設の施設内温度が第２温度未満である場合に、前記放熱時における前記園芸施設内への放熱を行うものである。

【0010】

本発明の第５の態様である太陽熱利用方法は、更に、前記放熱時において、前記蓄熱体の温度が所定温度未満である場合に、前記ヒートポンプの稼働を停止させるものである。

【0011】

本発明の第６の態様である太陽熱利用方法は、更に、前記放熱時において、前記蓄熱体の温度が所定温度以上である場合に、前記ヒートポンプの稼働を停止させるものである。

【0012】

本発明の第７の態様である太陽熱利用システムは、外部からの太陽光を透過する素材を含む園芸施設の床下に設置された配管と、前記配管内を移動する冷媒の温度と、熱交換器内を移動する冷媒の温度を制御するヒートポンプと、前記熱交換器からの熱を蓄熱する蓄熱体と、前記ヒートポンプの稼働を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、蓄熱時には、前記園芸施設の床面に照射された太陽光によって前記床下に設置された配管内を移動する冷媒の温度を上昇させ、前記冷媒の熱を、前記ヒートポンプを介して熱交換器に伝達させて前記熱交換器からの熱を蓄熱体に蓄え、放熱時には、前記ヒートポンプを介して、前記蓄熱体に蓄えられた熱によって前記配管内の冷媒の温度を上昇させて前記園芸施設の床下に設置した配管内を移動させて前記園芸施設の施設内温度を上昇させる、太陽熱利用システムである。

【発明の効果】

【0013】

本発明の態様によれば、園芸施設において、太陽熱をより効率的に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態に係る太陽熱利用システム１の構成図である。

【図2】制御装置２４０の構成図の一例を示す図である。

【図3】ヒートポンプ２１０について説明するための図である。

【図4】園芸用ハウス１１０の暖房時におけるヒートポンプ２１０の処理について説明するための図である。

【図5】太陽熱利用システム１により実行される蓄熱処理の一例を示すフローチャートである。

【図6】太陽熱利用システム１により実行される放熱処理の一例を示すフローチャートである。

【図7】試験１と試験２における計測結果を示す図である。

【図8】試験１および試験２における暖房負荷、冷房負荷、および吸収日射量と、単位床面積あたりの熱量との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照し、本発明の園芸施設における太陽熱利用方法および太陽熱利用システムの実施形態について説明する。

【0016】

［全体構成］
図１は、実施形態に係る太陽熱利用システム１の構成図である。図１に示す太陽熱利用システム１は、例えば、床面吸放熱システム１００と、蓄採熱システム２００とを備える。図１の例において、床面吸放熱システム１００と蓄採熱システム２００とは所定距離だけ離れた位置に設けられているが、一方のシステム内の構成の少なくとも一部が他方のシステム内に設けられていてもよい。

【0017】

床面吸放熱システム１００は、例えば、園芸用ハウス（園芸施設の一例）１１０と、配管（施設側熱交換器の一例）１２０とを備える。園芸用ハウス１１０は、例えば、鋼材または木材を躯体とし、外部からの太陽光を透過させる素材（例えば、合成樹脂フィルム）で外壁の少なくとも一部を被覆した農業施設である。園芸用ハウス１１０は、例えば、ビニールハウスやプラスチックハウス等とも呼ばれる。配管１２０は、例えば、園芸用ハウス１１０内の床下に設置（例えば、埋設）される。配管１２０は、床面ＦＬに照射される太陽光の熱を吸収し易いように、例えば、床面に沿って平行に敷設される。配管１２０内には、例えば、冷媒等の媒体（熱媒体）が移動する。冷媒とは、熱を温度の低い所から高い所へ移動させるために使用される流体である。冷媒は、例えば、水または水以外の不凍液であってもよく、空気や他の化合物であってもよい。

【0018】

床面吸放熱システム１００では、図１に示すように、床下に配管１２０を埋設し、例えば、管内を冷水もしくは温水を循環させることにより床面ＦＬの温度を調整する。例えば、床面吸放熱システム１００は、例えば、日中は太陽熱の輸送を促進し、夜間は床暖房として園芸施設１１０内の空気に熱供給を行う。

【0019】

なお、配管１２０は、例えば、食物等を生育する土壌１３０内に埋設されてもよく、土壌１３０よりも熱伝導性の高い原料や素材、材料、部材等によって形成された物質１４０内に埋設されてもよい。物質１４０とは、例えば、コンクリートなどの熱伝導性が高く（閾値より高く）液相を含まない材料（物質）である。なお、床面吸放熱システム１００は、配管１２０を砂等で形成された基礎部分に埋設し、その上部（床面ＦＬ付近）にコンクリート等の物質１４０を配置してもよい。また、物質１４０には、コンクリートに代えて（または加えて）、モルタルやタイル、金属（鉄、ステンレス等）が含まれてもよい。

【0020】

一般に、土壌１３０は、気相の割合が大きく熱伝導率が小さいことや液相を有することから、供給された熱の一部が土壌水分の蒸発潜熱に変換される。そのため、床面を土壌１３０のまま使うと、コンクリート等のように熱伝導率が高く液相を含まない物質よりも熱輸送効率は低くなる。したがって、実施形態では、園芸用ハウス１１０内の床面ＦＬを熱伝導性の高い物質（例えばコンクリート）とすることで熱輸送の効率を高めることができる。

【0021】

なお、床面吸放熱システム１００には、園芸用ハウス１１０内の空気を循環（換気）する換気システム（不図示）や、園芸用ハウス１１０内を保温するための保温カーテン（不図示）等の環境制御装置が設けられてもよい。また、床面吸放熱システム１００には、園芸用ハウス１１０内の温度（施設内温度）または園芸用ハウス１１０の外気温度（施設外温度）を計測する温度センサ（不図示）が設けられてもよい。施設内温度とは、例えば、園芸用ハウス１１０内の気温（施設内気温）であるが、床面ＦＬの温度や壁の温度、その他の園芸用ハウス１１０内の物体の温度でもよい。

【0022】

蓄採熱システム２００は、例えば、ヒートポンプ２１０と、熱交換器（蓄採熱側熱交換器の一例）２２０と、蓄熱体２３０と、制御装置２４０とを備える。なお、ヒートポンプ２１０および制御装置２４０の少なくとも一方は、床面吸放熱システム１００側に設けられていてもよい。また、蓄採熱システム２００は、例えば、温度センサ２５０－１～２５０－４と、流量センサ２５２－１～２５２－２と、循環ポンプ２５４－１～２５４－２とを備える。なお、温度センサ２５０－１～２５０－４、流量センサ２５２－１～２５２－２、および循環ポンプ２５４－１～２５４－２の少なくとも一部は、ヒートポンプ２１０内に設けられてもよい。また、温度センサ２５０－１～２５０－２、流量センサ２５２－１、および循環ポンプ２５４－１の少なくとも一部は、床面吸放熱システム１００に設けられてもよい。なお、太陽熱利用システム１は、温度センサ２５０－１～２５０－４、流量センサ２５２－１～２５２－２、および、循環ポンプ２５４－１～２５４－２の少なくとも一部が設けられていない構成であってもよい。また、熱交換器２２０や蓄熱体２３０の温度を計測する温度センサが設けられていてもよい。

【0023】

ヒートポンプ２１０は、例えば、ヒートポンプ２１０内に冷媒等の媒体を循環させて低い温度の物体（空気、水、地中等）から熱を奪い（採熱）、高い温度の物体（空気、水、地中等）に伝える（放熱）装置である。例えば、ヒートポンプ２１０は、床面吸放熱システム１００が太陽光から得た熱を吸収して蓄熱体２３０に蓄積させたり、熱交換器２２０が蓄熱体２３０から採熱した熱によって、配管１２０内を移動する冷媒の温度を上昇させて、床面吸放熱システム１００に熱を供給したりする。ヒートポンプ２１０の詳細については、後述する。

【0024】

熱交換器２２０は、例えば、熱伝導率の高い材料等で形成された配管等である。熱交換器２２０は、例えば、土壌等からなる蓄熱体２３０に埋設される。蓄熱体２３０は、土壌に代えて水等の液体であってもよく、その場合、熱交換器２２０は、水槽内に設置される。つまり、熱交換器２２０は、土壌等の地中または水等の液中などの蓄熱体２３０内部に設置される。なお、熱交換器２２０は、蓄熱体２３０との熱交換が効率的に行われるように、表面積が大きくなる形状（例えば、分岐配管や板状形状）で形成されてもよく、熱伝導率の高い材質（例えば金属等）で形成されてもよい。

【0025】

制御装置２４０は、太陽熱利用システム１の稼働や停止等の制御を行う。図２は、制御装置２４０の構成図の一例を示す図である。制御装置２４０は、例えば、取得部２４２と、温度制御部２４４と、記憶部２４６とを備える。取得部２４２と、温度制御部２４４とは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。また、これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予めＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリ等の記憶装置（非一過性の記憶媒体を備える記憶装置）に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭ等の着脱可能な記憶媒体（非一過性の記憶媒体）に格納されており、記憶媒体がドライブ装置等に装着されることで制御装置２４０の記憶装置にインストールされてもよい。

【0026】

記憶部２４６は、上記の各種記憶装置、或いはＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等により実現されてよい。また、記憶部２４６は、例えば、ＳＤカードやＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ等の可搬型記憶媒体であってもよい。記憶部２４６には、例えば、取得部２４２により取得されたセンサデータ２４６Ａ、プログラム、その他各種情報等が格納される。

【0027】

取得部２４２は、上述した温度センサ２５０－１～２５０－４や流量センサ２５２－１～２５２－２の計測結果等を取得する。温度センサ２５０－１は、冷媒が移動する配管１２０を含む床面吸放熱システム１００側の第１流路Ｃ１において、ヒートポンプ２１０から床面吸放熱システム１００に供給される冷媒の温度を計測する。温度センサ２５０－２は、第１流路Ｃ１において、配管１２０を通って床面吸放熱システム１００からヒートポンプ２１０に入力される冷媒の温度を計測する。温度センサ２５０－３は、冷媒が移動する蓄採熱システム２００側の第２流路Ｃ２において、ヒートポンプ２１０から熱交換器２２０に供給される冷媒の温度を計測する。温度センサ２５０－４は、第２流路Ｃ２において、熱交換器２２０を通ってヒートポンプ２１０に入力される冷媒の温度を計測する。第１流路Ｃ１および第２流路Ｃ２は、例えば配管である。流量センサ２５２－１は、第１流路Ｃ１を移動する冷媒の流量を計測する。流量センサ２５２－２は、第２流路Ｃ２を移動する冷媒の流量を計測する。第１流路Ｃ１を移動する冷媒の流量は、循環ポンプ２５４－１によって調整され、第２流路Ｃ２を移動する冷媒の流量は、循環ポンプ２５４－２によって調整される。循環ポンプ２５４－１、２５４－２の稼働制御（すなわち、第１流路Ｃ１、第２流路Ｃ２の流量制御）は、温度制御部２４４により制御される。

【0028】

また、取得部２４２は、園芸用ハウス１１０の施設内温度または外気温度を計測する温度センサから温度を取得してもよい。また、取得部２４２は、熱交換器２２０や蓄熱体２３０の温度を計測する温度センサにより計測された温度を取得してもよい。取得部２４２によって取得された情報は、センサデータ２４６Ａとして、記憶部２４６に格納される。

【0029】

温度制御部２４４は、取得部２４２により入力された流路内の冷媒の温度に基づいて、園芸用ハウス１１０の施設内温度（例えば、施設内気温）が所定の温度範囲（例えば、約２０～３０度程度）になるように、ヒートポンプ２１０の稼働や停止等を制御する。例えば、温度制御部２４４は、ヒートポンプ２１０内を循環する冷媒の流れを停止したり、流量を調整したり、後述するヒートポンプ内の熱交換器による蒸発器や凝縮器としての動作を停止させることで、熱交換処理を停止または調整したりする。

【0030】

また、温度制御部２４４は、例えば、ヒートポンプ２１０の稼働中において所定条件を満たす場合に、稼働を強制停止するよう制御してもよい。所定条件とは、例えば、園芸用ハウス１１０の施設内温度を上昇させる場合（放熱による暖房時）に蓄熱体２３０の温度（例えば、温度センサ２５０－４で計測される冷媒の温度）が所定温度未満である場合や、蓄熱時に、蓄熱体２３０の温度が所定温度（例えば、熱交換器２２０の温度）以上の場合である。放熱時に蓄熱体２３０から得られる熱の温度が低すぎると、第１流路Ｃ１を循環する冷媒の温度を充分に上げることができず園芸用ハウス１１０内を暖めることができないため、温度制御部２４４は、ヒートポンプ２１０を強制停止する。また、蓄熱時に蓄熱体２３０の温度が熱交換器２２０の温度より高い場合には、熱交換器２２０が放熱できない（逆に採熱してしまう）ため、温度制御部２４４は、ヒートポンプ２１０を強制停止する。これにより、ヒートポンプ２１０の不要な稼働を抑制することができる。なお、強制停止させた場合、温度制御部２４４は、停止理由と共にエラー情報を記憶部２４６に記憶させてもよく、通信装置（不図示）を介して利用者の端末装置等に通知してもよく、制御装置２４０に設けられるディスプレイ（不図示）に停止理由を表示させてもよい。

【0031】

［ヒートポンプを用いた太陽熱利用］
次に、ヒートポンプ２１０の詳細と、ヒートポンプ２１０を用いた太陽熱利用について図を用いて説明する。なお、ヒートポンプ２１０の稼働や停止は制御装置２４０によって制御されているものとする。図３は、ヒートポンプ２１０について説明するための図である。図３の例では、ヒートポンプ２１０以外の太陽熱利用システム１の構成を簡略化して示している。また、図３の例では、蓄熱時（園芸用ハウス内冷房）におけるヒートポンプ２１０の処理内容を示すものである。

【0032】

ヒートポンプ２１０は、例えば、第１熱交換器２１１と、圧縮機２１２と、第２熱交換器２１３と、膨張弁２１４とを備える。また、ヒートポンプ２１０は、例えば、水等の冷媒が第１熱交換器２１１と、圧縮機２１２と、第２熱交換器２１３と、膨張弁２１４とを循環する第３流路（例えば、配管）Ｃ３を備える。第１熱交換器２１１および第２熱交換器２１３は、第３流路Ｃ３を移動する冷媒を蒸発させたり凝縮させたりする。圧縮機２１２は、第３流路Ｃ３を移動する冷媒ガスを圧縮し、圧力を高めることで冷媒の温度を上昇させる。膨張弁２１４は、第３流路Ｃ３を移動する冷媒を膨張させることで減圧し、冷媒の温度を低下させる。

【0033】

図３の例において、太陽光の照射によって園芸用ハウス１１０内の床面ＦＬが温められ、その熱（太陽熱）がコンクリート等の物質１４０内を通って配管１２０内の冷媒に吸収される。太陽熱によって加熱された冷媒は、配管１２０と連結された第１流路Ｃ１を通ってヒートポンプ２１０に入力される。

【0034】

第１熱交換器２１１は、第１流路Ｃ１を移動する冷媒の熱を吸収し、吸収した熱を、第３流路Ｃ３を移動する冷媒に伝達させる。具体的には、第１熱交換器２１１は、蒸発器として、第１流路Ｃ１を移動する冷媒からの熱を吸収し、その熱を利用して第３流路Ｃ３内の冷媒を蒸発させる。第３流路Ｃ３内で蒸発した冷媒ガスは、圧縮機２１２に送られる。圧縮機２１２は、低圧の冷媒ガスを圧縮し、圧力を高めて高温化する。高温化された冷媒は、第３流路Ｃ３によって第２熱交換器２１３に入力される。第２熱交換器２１３は、第３流路Ｃ３を移動する冷媒ガスの熱を、第２流路Ｃ２を移動する冷媒に伝達させる。具体的には、第２熱交換器２１３は、凝縮器として、高温・高圧となった冷媒ガスの熱を第２流路Ｃ２内の冷媒に放出する。これにより、第３流路Ｃ３を流れる冷媒ガスは、熱を失い、高圧下で凝縮されて液化する。

【0035】

冷媒ガスによって、加熱された第２流路Ｃ２を移動する冷媒は、熱交換器２２０内を移動することで、熱交換器２２０から蓄熱体２３０に放熱する。これにより、蓄熱体２３０が加熱されることで、蓄熱される。熱交換器２２０を通過した冷媒は、放熱によって低温化され、再び第２熱交換器２１３に入力される。

【0036】

また、第３流路Ｃ３内の冷媒は、第２熱交換器２１３から膨張弁２１４に入力される。膨張弁２１４は、高圧の冷媒を減圧して元の低温・低圧の液体に戻して、再び第１熱交換器２１１に入力される。これにより、園芸用ハウス１１０内の熱を蓄熱体２３０に蓄えることができる。

【0037】

また、第１流路Ｃ１を移動する冷媒は、第１熱交換器２１１で熱を放出した後、再び配管１２０内を移動する。これにより、太陽熱を継続して吸収することができるため、床面ＦＬの温度を低下させ、園芸用ハウス１１０内の温度の上昇を抑制することができるため、園芸用ハウス１１０内を冷房することができる。

【0038】

次に、蓄熱体２３０によって蓄熱された熱を園芸用ハウス１１０内に放熱してハウス内を暖房する場合について説明する。図４は、園芸用ハウス１１０の暖房時におけるヒートポンプ２１０の処理について説明するための図である。図４の例において、熱交換器２２０は、制御装置２４０の制御により、蓄熱体２３０の熱を吸収（採熱）して第２流路Ｃ２を移動する冷媒の温度を上昇させる。第２流路Ｃ２内の冷媒は、第２熱交換器２１３に入力される。第２熱交換器２１３は、蒸発器として、第２流路Ｃ２内の冷媒からの熱を吸収し、その熱を利用して第３流路Ｃ３内の冷媒を蒸発させる。第３流路Ｃ３内で蒸発した冷媒ガスは、圧縮機２１２に送られる。圧縮機２１２は、低圧の冷媒ガスを圧縮し、圧力を高めて高温化する。高温化された冷媒ガスは、第３流路Ｃ３を移動して第１熱交換器２１１に入力される。第１熱交換器２１１は、凝縮器として、高温・高圧となった冷媒ガスの熱を放出することで、第１流路Ｃ１の冷媒を加熱する。このとき、第２流路Ｃ２を流れる冷媒ガスは、高圧下で凝縮されて液化する。第３流路Ｃ３内の冷媒は、第１熱交換器２１１から膨張弁２１４に入力され、高圧の冷媒を減圧して元の低温・低圧の液体に戻して、再び第２熱交換器２１３に入力される。

【0039】

また、第１流路Ｃ１を流れる冷媒は、第１熱交換器２１１によって、第２流路Ｃ２を流れる冷媒の熱を受け取り、配管１２０内を移動することで、配管１２０からの熱が物質１４０を通って床面ＦＬから園芸用ハウス１１０内に放熱され、園芸用ハウス１１０内の空気を上昇させる。これにより、太陽光によって蓄熱体２３０に蓄えられた熱を有効に利用して園芸用ハウス１１０内の温度を適切に上昇させることができる。このように、実施形態では、ヒートポンプ２１０を用いて温度制御（暖房）を行っているため、ガスや石油による燃焼方式によって暖房することに比べて、二酸化炭素の排出量を大幅に削減することができる。

【0040】

蓄採熱システム２００の制御装置２４０は、例えば、ヒートポンプ２１０（園芸用ハウス１１０側および蓄熱体２３０側の両方で、冷媒による熱交換を行うヒートポンプ）を利用して、気温が上がる日中には、図３に示すように床面吸放熱システム１００で吸収した太陽熱を蓄熱体（地中や水槽等）２３０に蓄熱する蓄熱処理を行う。また、制御装置２４０は、気温が下がる夜間には、ヒートポンプ２１０を利用して、図４に示すように、蓄熱体２３０から採熱して床面吸放熱システム１００に輸送し暖房熱として利用する放熱処理を行う。なお、制御装置２４０は、例えば、園芸用ハウス１１０の施設内温度が、第１温度以上の場合には蓄熱処理を行い、第２温度未満の場合には放熱処理を行うように制御してもよい。実施形態では、上述した施設内温度に代えて、外気温度を用いてもよい。第１温度は、第２温度と同温度でもよく、第２温度よりも高い温度であってもよい。以下、太陽熱利用システム１により実行される処理の一例についてフローチャートを用いて説明する。

【0041】

図５は、太陽熱利用システム１により実行される蓄熱処理の一例を示すフローチャートである。図５の例では、園芸用ハウス１１０内の照射された太陽光による熱を、蓄熱体２３０に蓄熱する蓄熱処理を示すものである。図５の例において、制御装置２４０は、例えば、園芸用ハウス１１０の施設内温度が第１温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。施設内温度が第１温度以上であると判定した場合、制御装置２４０は、ヒートポンプ２１０を稼働させる（ステップＳ１１０）。次に、ヒートポンプ２１０は、園芸用ハウス１１０の床下に埋設した配管１２０内を移動した冷媒の熱を熱交換器２２０に伝達する（ステップＳ１２０）。次に、熱交換器２２０は、熱交換器２２０の熱を蓄熱体２３０に放熱する（ステップＳ１３０）。これにより、本フローチャートの処理は終了する。

【0042】

また、ステップＳ１００の処理において、施設内温度が第１温度以下でない（第１温度未満である）と判定した場合、本フローチャートの処理は、終了する。なお、図５の処理は、所定周期で繰り返し実行されてよい。また、図５の処理において、ヒートポンプ２１０の稼働中に、日照強度の低下等により園芸用ハウスの施設内温度が第１温度未満になった場合、制御装置２４０は、ヒートポンプ２１０を停止させる処理を行ってもよい。図５に示す蓄熱処理により、太陽熱を用いてより効率的な蓄熱を行うことができると共に、園芸用ハウス１１０内の不要な温度上昇を抑制し、園芸用ハウス１１０内温度を安定化させることができる。

【0043】

図６は、太陽熱利用システム１により実行される放熱処理の一例を示すフローチャートである。図６の例では、蓄熱体に蓄熱された熱を、園芸用ハウス１１０内に放出（供給）する放熱処理を示すものである。図６の例において、制御装置２４０は、園芸用ハウス１１０の施設内温度が第２温度未満であるか否かを判定する（ステップＳ２００）。施設内温度が第２温度未満であると判定した場合、制御装置２４０は、ヒートポンプ２１０を稼働させる（ステップＳ２１０）。次に、熱交換器２２０は、蓄熱体２３０から採熱する（ステップＳ２２０）。次に、ヒートポンプ２１０は、熱交換器２２０の熱を、配管１２０内を移動する冷媒に伝達し（ステップＳ２３０）、冷媒を園芸用ハウス１１０の床下に埋設された配管１２０内を循環（移動）させることで、園芸用ハウス１１０内の温度を上昇させる（ステップＳ２４０）。これにより、本フローチャートの処理は終了する。

【0044】

また、ステップＳ２００の処理において、施設内温度が第２温度未満ではない（第２温度以上である）と判定した場合、本フローチャートの処理は、終了する。なお、図６の処理は、所定周期で繰り返し実行されてよい。また、図６の処理において、ヒートポンプ２１０の稼働中に、施設内温度が第２温度以上になった場合、制御装置２４０は、ヒートポンプを停止させる処理を行ってもよい。

【0045】

図６に示す放熱処理により、例えば日中に蓄えた熱を有効活用することができる。また、図５および図６に示す処理を行うことで、園芸用ハウス１１０内の温度をより安定化させることができる。なお、太陽熱利用システム１は、図５および図６に示す処理のうち、一方のみを行ってもよい。

【0046】

なお、制御装置２４０は、管理者等の利用者により指示された日時または時間帯に蓄熱処理および放熱処理を行ってもよく、利用者の指示により循環ポンプ２５４－１～２５４－２を制御して第１流路Ｃ１や第２流路Ｃ２の冷媒の流量を調整してもよい。冷媒の流量が多いほど、蓄熱および放熱を早く行うことができる。

【0047】

また、制御装置２４０は、例えば、外部装置から所定日数分（例えば、１週間分）の気温の変動予測情報を取得し、取得した変動予測情報に基づいて、１日の平均気温を比較し、気温が高くなる日に蓄熱処理を行い、気温が低くなる日に放熱処理を行うよう制御してもよい。例えば、制御装置２４０は、１年のうち、気温が高い夏場に蓄熱処理を行い、気温が低い冬場に放熱処理を行うように制御してもよい。これにより、時間帯ごと、日ごと、所定期間ごとの温度の変動に基づいて、より効率的な熱利用を実現することができる。

【0048】

また、制御装置２４０は、外部の天候に基づいて、晴れている場合に蓄熱処理を優先的に行い、雨や雪の場合に放熱処理を優先的に行うよう制御してもよい。また、制御装置２４０は、蓄熱体２３０に蓄熱した時間が所定時間未満の場合や、温度センサ２５０－４によって計測された熱交換器２２０を通過した冷媒の温度が所定温度以下である場合に、蓄熱処理を優先的に行うように制御してもよい。これにより、熱量不足で放熱処理ができなくなることを抑制することができる。また、制御装置２４０は、天気予報情報等に含まれる園芸用ハウス１１０付近の予想最高気温や予想最低気温に基づいて、冷媒の流量を調整してもよい。例えば、予想最高気温が閾値より高い場合には、循環ポンプ２５４－１～２５４－２を制御して第１流路Ｃ１や第２流路Ｃ２の冷媒の流量を増加して、通常よりも早く蓄熱処理（ハウス内冷房）が行われるようにしてもよい。また、予想最低気温が閾値より低い場合には、循環ポンプ２５４－１～２５４－２を制御して第１流路Ｃ１や第２流路Ｃ２の冷媒の流量を増加して、通常よりも早く放熱処理（ハウス内暖房）が行われるようにしてもよい。

【0049】

［太陽熱利用システム１の実施結果と評価］
ここで、実施形態の太陽熱利用システム１を用いて、吸収日射を地中蓄熱することによる地中暖房を実施した結果の一例について説明する。なお、以下では、太陽熱利用システム１を用いて園芸用ハウス１１０での太陽熱の蓄熱と、夜間暖房の結果を所定の指標値で定量化すると共に、床冷暖房が園芸施設環境に与える効果を２つの試験（試験１、試験２）によって評価する。

【0050】

試験１では、２０２２年１月３１日～２月１日の期間で暖房を１７時から運転し、日中の冷房稼働はなく、ハウス内の自然換気あり、太陽熱の蓄熱処理なしの状態での暖房効果試験を行った。試験２では、２０２２年２月２日～２月３日の期間で冷房を８時３０分～１５時００分の間で行い、暖房は１７時から運転し、日中の冷房稼働あり、ハウス内の自然換気なし、保温カーテンでハウス内を密閉し、太陽熱の蓄熱処理ありの状態での暖房効果試験を行った。つまり、試験１では、ヒートポンプ２１０による暖房運転（放熱処理）のみを行い、試験２では、ヒートポンプによる冷房運転（蓄熱処理）と暖房運転（放熱処理）の両方を行った。

【0051】

ここで、評価するための指標値の一例であるヒートポンプの稼働中の熱輸送（冷房負荷（＝地中蓄熱量）、暖房負荷）は、以下に示す（１）式で算出した。

【数1】

なお、（１）式において、Ｈ_ｌｏａｄは、試験期間内の単位床面積あたりの熱輸送量［Ｊｍ^－２］、ρｗは、第１流路Ｃ１を移動する水（冷媒）の密度［ｋｇｍ^－３］、ｃ_ｐ，ｗは、水の定圧比熱［Ｊｋｇ^－１Ｋ^－１］、Ｑｗは、流量センサ２５２－１により計測される床冷暖房の配管１２０の循環流量［ｍ^３ｓ^－１］、Ｔ_{ｗ，ｌｅａｖｅ}は、温度センサ２５０－１により計測されるヒートポンプ２１０から出ていく水の温度［℃］、Ｔ_{ｗ，ｒｅｔｕｒｎ}は、流量センサ２５２－２により計測されるヒートポンプ２１０に戻る水の温度［℃］、ｔは時間［ｓ］、Ａｒｅａ_{ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ}は施設の床面積[ｍ^２]]を示す。また、Ｑｗは、愛知時計静電容量式電磁流量モニター（ＣＸ２０Ａ－ＮＡ－３）を用いた。流量は安定していたため、目視から１５．５[Ｌ／ｍｉｎ]の流量を定数として用いた。Ｔ_{ｗ，ｌｅａｖｅ}、Ｔ_{ｗ，ｒｅｔｕｒｎ}は、チノー測温抵抗体（Ｒ０５０－３）を管路内に設置して計測した。

【0052】

また、吸収日射量は、全天日射強度計測装置（英弘正規株式会社製ＭＳ－６０Ａ）を用いて施設中央で計測し、既往研究で明らかにしたアルベド（０．３２）を用いて以下に示す（２）式から算出した。

【数2】

なお、（２）式において、Ｓｏｌ_ａｂｓは、吸収日射量［Ｊｍ^－２］、ｓｏｌ_ｇは、全天日射強度［Ｗｍ^－２］を示す。また、園芸施設環境（気温）については、施設中央に設置された温度センサのデータを利用した。

【0053】

図７は、試験１と試験２における計測結果を示す図である。図７の例において、横軸は時刻を示し、縦軸は、日射強度［Ｗｍ^－２］と、水温［℃］を示している。また、図７において、実線は、温度センサ２５０－１により計測されたヒートポンプ（ＨＰ）２１０から園芸用ハウス１１０内に出力される水（冷媒）の温度を示し、点線は、温度センサ２５０－２により計測された園芸用ハウス１１０からヒートポンプ２１０に入力される水（冷媒）の温度を示している。図５に示すように、試験１では、日照強度が少なくなると施設内温度が低下するため、ヒートポンプ２１０により暖房運転が実施され、ヒートポンプ２１０から出力された温水が配管１２０を移動することによって床面ＦＬが暖められてハウス内温度が上昇（昇温）する。配管１２０から放熱することによって温度が下がった水は、再びヒートポンプ２１０に入力される。

【0054】

また、試験２では、日照強度が多くなることで施設内温度が所定温度以上となり、ヒートポンプ２１０による冷房運転が実施され、ヒートポンプ２１０から出力された水が配管１２０を移動することによって床面ＦＬに照射された太陽光の熱を吸収することで、ハウス内温度が下げる（または上昇が抑制される）。太陽熱を吸収した配管１２０の水は、再びヒートポンプ２１０に入力される。また、試験２では、日照強度が少なくなると施設内温度が低下するため、試験１と同様にヒートポンプ２１０により暖房運転が実施される。なお、試験２では、冷房運転によって、蓄熱体２３０に蓄熱されている分だけ暖房運転時間は、試験１よりも長くなっている。つまり、試験１および試験２により、実際に構築した床材をコンクリートとし、蓄熱体２３０を地中としたシステム構成において、日中に冷房運転を行う場合（＝太陽熱の蓄熱）と行わない試験１と比較して、太陽熱を蓄熱した試験２の方が、夜間暖房時の熱枯れが生じず安定した熱供給が行われることが確認された。

【0055】

また、試験１および試験２により、温度差をキープして熱を取り続けることが分かった。なお、試験２の冷房運転では、換気用の側窓と保温カーテンを全閉したがハウスと比較して過度な昇温は抑制された。また、試験２により、実施形態の太陽熱利用システム１によりハウス内において一定の温度の安定化が実現できた。

【0056】

図８は、試験１および試験２における暖房負荷、冷房負荷、および吸収日射量と、単位床面積あたりの熱量（上述したＨ_ｌｏａｄの算出値）との関係を示す図である。図８に示すように、日中冷房運転の有無が夜間暖房に与える影響を定量化した。図８に示すように、日中冷房運転を行った場合、日中に冷房を運転しなかった場合よりも多くの熱を暖房として供給することができた。

【0057】

上述した実施形態によれば、外部からの太陽光を透過する素材を含む園芸施設（例えば、園芸用ハウス１１０）における太陽熱利用方法であって、蓄熱時には、園芸施設の床面に照射された太陽光によって園芸施設の床下に設置された配管１２０内を移動する冷媒の温度を上昇させ、冷媒の熱を、ヒートポンプ２１０を介して熱交換器２２０に伝達し、熱交換器２２０からの熱を蓄熱体２３０に蓄え、放熱時には、ヒートポンプ２１０を介して、蓄熱体２３０に蓄えられた熱によって配管１２０内の冷媒の温度を上昇させて園芸施設の床下に設置した配管１２０内を移動させて園芸施設の施設内温度を上昇させることにより、園芸施設において、太陽熱をより効率的に利用することができる。

【0058】

具体的には、実施形態によれば、園芸施設の暑熱の要因となる「無駄な」熱を効率的に蓄熱体に輸送し、熱が必要となるタイミングで蓄熱体から引き出すことにより、自然に得られる熱の利用を最大化し、園芸施設での安定した熱利用を実現できる。また、実施形態では、床冷暖房や地中熱源・水熱源ヒートポンプといった構成を適切に組み合わせることで太陽熱の最大限の活用という新たな利点を生み出すことができる。

【0059】

例えば、実施形態によれば、ヒートポンプを用いた床冷暖房を用いることで、園芸施設の床表面で吸収される日射による熱（太陽熱）が施設内の空気に分配される前に、速やかに施設外へ輸送し、一度蓄熱体（地中・水槽等）に溜め込んだ上で、暖房が必要となるタイミングで再度ヒートポンプを用いて熱を取り出し、暖房に利用することができる。例えば、従来の化石燃料を用いた暖房では、消費エネルギーの約０．９倍程度が熱として供給されるが、ヒートポンプでは、消費エネルギーの約３～５倍程度の熱を供給することが可能となる。

【0060】

また、実施形態によれば、園芸施設等の日射透過性の高い壁体を有する建築物内の温熱環境を、太陽熱を最大限に利用して制御することができる。また、実施形態によれば、園芸用ハウス内の床面にコンクリートを敷設することで、土壌よりも熱伝導性が高くなるため、コンクリートが空気を温めるよりも早く、コンクリート内またはコンクリート下部の配管の水（熱媒体）を温めることができる。したがって、より効率的に蓄熱等を行うことができる。また、実施形態によれば、例えば、冬期において、日中の床冷房と夜間の床暖房に利用することができ、換気窓（換気システム）の閉鎖が可能になるため、効果的なＣＯ_２の利用（光合成促進）と夜間暖房時の熱源不足を防止することができる。また、実施形態によれば、例えば、夏期において、日中の床冷房に用いることができ、床面で採熱したエネルギーを蓄え、暖房期の熱源として利用することができる。したがって、本実施形態によれば、地産地消型エネルギーシステムによる地域経済社会の強靭化を図ることができる。実施形態によれば、日中の太陽熱を夜間に利用するだけでなく、例えば、夏場の暑熱を冬季の暖房に利用することも可能であるため、園芸施設での自然熱エネルギー利用の革新に繋げることができる。

【0061】

現在では施設園芸分野での熱利用の大半は、化石資源に依存しているため、世界的な脱炭素の流れから日本でも全産業において温暖化ガス排出量の削減が求められている。本実施形態は、自然エネルギーである太陽熱を電力により最大限に活用するシステムであるため、施設園芸の脱炭素化に貢献することができ、ネット・ゼロ・エネルギー・グリーンハウス（ＺＥＧ）の要素技術となりうるものである。

【0062】

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

【符号の説明】

【0063】

１…太陽熱利用システム、１００…床面吸放熱システム、１１０…園芸用ハウス、１２０…配管、１３０…土壌、１４０…物質、２００…蓄採熱システム、２１０…ヒートポンプ、２２０…熱交換器、２３０…蓄熱体、２４０…制御装置、２４２…取得部、２４４…温度制御部、２４６…記憶部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】