(57)【要約】【課題】  植物工場の空気調和設備は年間を通じて照明負荷が大きいため、年間変わらない冷却、除湿が必要で、日本国内の冬季の外気温度の程度に低温での在来の空冷式、または冷却塔による水冷式の空気調和設備では温度差が逆転するため、不具合が生じ易く、さらに外気の目まぐるしい温度変化によって冷却能力も除湿能力も変化するため、植物工場で必要とされる変動の少ない顕熱冷却負荷に対する空気調和設備としては極めて不適切であり、省エネルギー性能についても特別の工夫が難しい。【解決手段】  年間を通じて温度変化の小さい、深さ５０ｍ〜１００ｍ程度の地殻に冷却除湿によって発生する熱を捨て、極めて安定性の高い良質な温度・湿度の制御をを可能とし、さらに冷却用の冷媒圧縮機を２台として２段冷却を行い、省エネルギー性能も大幅に向上できる。さらに、植物工場の室内の温度、湿度の設定をやや高めに設定する事によって冷凍機なしの循環型地中放熱管のみの空気調和設備を提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地面に略垂直に掘削した縦穴に循環型地中放熱管を複数本収納して埋め戻して植物工場の各階に、面照明化したＬＥＤ、有機ＥＬ、無機ＥＬなどで構成される照明・空調一体型の天井ユニットで、面照明を最下面に配置し、その上に空気吸い込みのための空間を置き、更に上部に空気濾過器、略正方形のフィンチューブ熱交換器を順に設置し、その上に数ミリの間隔を保って前記略正方形の一辺と略同一の直径の円盤に１０数枚〜数１０枚の多数の羽根を、中央部の電動機スペースを除く部分に放射状に取り付けた下部開放型で、電動機直結型とした羽根車として設置した形状とし、チラーユニットと前記の照明・空調一体型天井ユニット多数との間に冷水循環管路を形成して、前記チラーユニットには３〜４台の冷媒圧縮機を置き、内２台を、直列に配管接続された２台の蒸発器を備えて循環冷水を２台の蒸発器に順次、直列に通過させて２段冷却とし、２台の凝縮器から出る冷却サイクルによる排熱を冷却水循環管路を経て冷却水を循環させて、前記、循環型地中放熱管から地中に放熱するものとし、さらに他の冷媒圧縮機によって、室内空気露点温度以下の冷水を循環させて、湿度調整用の空気調和機によって除湿を行い、植物工場内の温度と湿度を所定の値に制御する事を特徴とする植物工場用の空気調和設備。
【請求項２】
地面に略垂直に掘削した縦穴に循環型地中放熱管を複数本収納して埋め戻して植物工場の各階に、面照明化したＬＥＤ、有機ＥＬ、無機ＥＬなどで構成される照明・空調一体型の天井ユニットで、面照明を最下面に配置し、その上に空気吸い込みのための空間を置き、更に上部に空気濾過器、略正方形のフィンチューブ熱交換器を順に設置し、その上に数ミリの間隔を保って前記略正方形の一辺と略同一の直径の円盤に１０数枚〜数１０枚の多数の羽根を、中央部の電動機スペースを除く部分に放射状に取り付けた下部開放型で、電動機直結型とした羽根車として設置した形状とし、植物工場の室内空気の温・湿度条件を２０℃；７０％または温度・湿度ともにこの値より高く設定し、冷凍機を使用せずに前記循環型地中放熱管による冷却水のみで空気調和を行う事を特徴とする請求項１記載の植物工場用の空気調和設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は近年必要性が高まっている植物工場の空気調和設備の省エネルギー性の向上と建設費の節減に関する。
【背景技術】
【０００２】  完全無農薬、食物の安全性確保のため国内生産に対する要望が近年高まって、これに応じて植物工場が普及してきたのは極く近年で、植物育成に最適な照明についても蛍光灯、ＬＥＤ、ＬＤなど種々のものが存在し空調設備についても未だに定形が定まっておらず、在来の空調方式が使用されているのが現状である。【０００３】  然し乍ら、近年発明された冷却と除湿とを別々に扱う新しい空気調和設備では冷却には常温に近いぬるい冷水を使用し、除湿にのみ室内空気の露点温度より低い温度レベルの冷水を使って省エネルギー性能を高めた空気調和技術が既に公知となっている。（例えば特許文献１、２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０２２８４２号公報
【特許文献２】特開２００５−２１４６０８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  在来の空調ユニットは価格も安く、施工も簡単なため、空冷式が広く使用されているが、空冷式は外気の温度変化によって冷却性能に大きな影響を受け易く、冬季に外気温度が低い時季には冷房の使用に供すると逆温度差となるため不具合が発生し易く、安定性の面で極めて問題が大きい。また冷却塔を使用した水冷式の空調ユニットは空冷式ほどではないにせよ、冬季には同様の傾向が見られる他、冷却水の凍結などが大きな問題となる。地下水を使用した水冷式では、温度変化の問題はないが、放熱に使用した大量の地下水の排水処理の問題が生じやすい。【０００６】  人工照明による植物工場の場合は太陽輻射の影響や外気温度の変動に殆ど影響を受けないため、照明の点灯、消灯による以外には目立った変動がない負荷特性から考えて、空冷式または水冷式の空調設備自体が外気温度の変動の影響で室温変動の原因となったり不具合を生じたり、排水処理の問題があるなどを考えると冷房ユニットとしてこれらの既製品のチラーを使用する事は極めて不適切である。【０００７】それと比較すると最近、脚光を浴びている地中熱は５０ｍ〜１００ｍ程度の地殻の温度は、地域によって数度の差はあるが、年間を通じて１６℃〜１８℃と一定温度で、井戸水などでも同様に一定の温度が期待でき、安定性の点では極めて変動が小さく、大層に有利と考えられる。【０００８】  そこで、本発明は地中放熱管に多少の余分な費用は懸かっても、安定性が高く室温の制御性が極めて容易となる事から考えて、大幅に有利と考えられるので、循環型地中放熱管を使用して植物工場の空調設備の排熱を行い、室内温度の安定を図る事によって無駄を省くことができる。【０００９】  さらに冷水を冷却循環するに当たって冷媒圧縮機を２台使用して２段冷却を行って、冷媒サイクルの圧縮比を小さくして冷媒サイクルの熱効率を上げること、さらに多くの動力を必要とする空気による熱搬送の距離を、圃場面と天井面との極めて近い１．５ｍ程度の空間の自然対流を主体とする上下方向の往復に限って熱搬送距離を小さくし、熱搬送電力を最小に留める様にした。【００１０】  当該特許第４０２２８４２号の空気調和設備に準じて本植物工場用の空気調和設備を構築すると、植物の育成に必要な充分且つ最小限度の炭酸ガス供給を行うために外気を導入するか、又は炭酸ガスは炭酸ガスボンベから供給して再循環に切り替え、植物の育成に適した湿度になるような露点温度に調整した後、且つ植物の育成に適した温度またはそれ以下に保つ様に調整して室内に送風するための除湿用空気調和機により調整し、室内空気の相対湿度を一定の値に保ち、照明などによる冷却負荷に対しては室内空気の露点温度以上のぬるい温度レベルの冷水を使用して、前記、照明・空調一体型天井ユニットに送水して冷却を行い、必要に応じて送風機速度の調整をして室温を所定の値に保つ。【００１１】  照明による発熱が空気調和負荷の大部分を占める植物工場の空気調和設備としては、前記の照明・空調一体化の天井ユニットはその吸込口に照明器具が位置し、室温で吸い込んだ還気が天井ユニットの内部で温度が室温より２℃〜３℃程度上がってフィンチューブ熱交換器に入るため、照明器具が吸込口に緊密に連携していない在来の空気調和設備の熱交換器に吸い込まれる空気の温度が室温そのままで入って来るものと比較すると、冷却水の温度レベルが２℃〜３℃高くても、同様の冷却効果が得られる事になり、循環型地中放熱管で得られる１８℃〜１９℃冷却水の温度との微妙な関係で、冷媒圧縮機の運転なしに、直接、室内の顕熱の冷却に使用出来ることが充分に考えられる。【００１２】  炭酸ガスは人工的な炭酸ガスを使用し、外気を特に必要としない場合は炭酸ガスボンベから減圧弁によって炭酸ガスを供給し、湿度制御についてのみ、温度制御とは別に冷媒圧縮機を運転して室内空気の露点温度以下の冷たい冷水を使用して、室内空気を除湿循環させる空気調和系統を準備し、これによって室内空気の相対湿度を所定の値に保つ。【００１３】  この様にして本発明は地殻の安定度の高い温度を利用して循環型地中放熱管に拠って排熱を処理し、冷媒圧縮機の能力を安定させて、常温に近いぬるい冷水で、冷却負荷の殆どを占める照明による顕熱負荷を安定的に且つ省エネルギー的に冷却除去して室温を所定の温度に保ち、湿度についは室内空気の露点温度以下のやや冷たい冷水で別の外気系統または再循環系統に切り替えて、除湿用空気調和機で所定の値に保ち、外気導入を行わない場合は炭酸ガスボンベより炭酸ガスを供給する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】  上記の目的を達成するため本発明の植物工場用空気調和設備は３〜４の冷媒圧縮機を使用してその内、２台の冷媒圧縮機サイクルの蒸発器を冷却水配管で直列に接続した冷却設備を使用して２段冷却とし、冷媒圧縮機サイクルの圧縮比を小さく採って熱効率を高く保つと同時に、凝縮器には比較的浅い深度１００ｍ程度の縦穴に、循環型地中放熱管を設置して、温度変動の極めて小さい地殼の１７℃〜１８℃の安定性の高い温度を利用して得られる２０℃前後の安定した温度レベルの冷却水を循環供給して、植物工場の冷却除湿装置からの排熱を安定的に地殻に放熱することによって、室内空気の温度を一定に保つ。【００１５】  前記［００１１］に述べた理由によって、循環型地中放熱管の循環冷却水の温度レベルで室内冷却が充分に行うことが出来る場合は、前項の２台の冷媒圧縮機を運転しないで、３方電動切替弁を操作して、直接循環型地中放熱管からの冷却水を照明・空調一体型の天井ユニットに循環送水して、植物工場の排熱を安定した温度レベルの冷却水によって地殻に放熱して、室内空気の温度を一定に保つ。【００１６】  その他の冷媒圧縮機は前記、外気系統または再循環系統の除湿用空気調和機で除湿を行う場合に、室内空気の露点温度より低い温度レベルの冷水の循環供給が必要とされる場合にのみ運転する。【００１７】  植物の育成に必要な炭酸ガスは外気取り入れによって供給するかまたは外気を取り入れない場合は炭酸ガスボンベによって供給する。
【発明の効果】
【００１８】  本発明は冷却と除湿を分離して、常温の２０℃前後のぬるい冷水でその大部分が照明の発熱に起因する冷却負荷を全て冷却し、年間を通じて１７℃〜１８℃の５０ｍ〜１００ｍ以内の深さの地殻の安定した温度を利用して放熱する事によって得られる冷却水を使用して、室内温度の高い安定性を保持する事ができ、在来の空気調和設備に見られる、氷点下から４０℃程度にも達する大幅な温度変化のある外気に放熱する空冷式と比較すると、格段に上質の温度制御が可能であり、放熱の対象温度が夏季でも１７℃〜１８℃の低い地殻の温度なので、冷媒圧縮機サイクルの熱効率も大幅に高くなる。【００１９】  更に、除湿についても、植物工場の理想的な室内空気条件は２０℃；７０％前後程度と考えられるので、ビル空調の快感空気調和と大きく異なる点は、除湿のために必要とされる空気の露点温度が１７℃〜１８℃と可成り高くて済む点であり、除湿用空気調和機に使用する冷水の温度が１２℃〜１７℃程度で、冷媒圧縮機サイクルの凝縮器における冷却水との温度差が小さく、従って冷媒圧縮機の圧縮比が小さくなって、省エネルギー性能の面で除湿についても極めて有利である。【００２０】  前項［００１１］で述べた理由によって、植物工場内の室内空気の温度と湿度の目標値を高めに設定して、年間を通じて２台の冷媒圧縮機を運転しないで済む場合も充分に考えられ、設定値の決め方と、実際の循環型地中放熱管から得られる冷却水温度との関連から、前記２台の顕熱冷却用の冷媒圧縮機の設備そのものを省略できる可能性も充分に考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】は本発明による温度の安定性が極めて高く、省エネルギー性も高い新しい植物工場用空気調和設備の説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】  本発明による植物工場用の空気調和設備は５０ｍ〜１００ｍ程度の深度の縦穴に通して周囲を埋め戻した循環型地中放熱管１と３台の冷媒圧縮機２、３、４を持つチラー５で、内２台の冷媒圧縮機２、３に対応する蒸発器６、７は冷水配管８によって直列に配管接続されていて２段式の冷却が行われ、冷水は常温に近い安定度の高い温度レベルで蒸発器７から出て冷水循環ポンプ９で加圧されており、照明・空調一体型の天井ユニット１０とチラー５の間を循環する。【００２３】  冷却水は放熱循環ポンプ１１によって凝縮器１２、１３と循環型地中放熱管１の間を循環して年間を通じて極めて温度の安定した深度５０ｍ〜１００ｍ程度の比較的に浅く、温度レベルとしては、地方によって多少の差異はあるが、概ね１７℃〜１８℃程度と予測される地殻に放熱することによって、低い凝縮温度が確保できることになり、２組の冷媒圧縮機サイクルの圧縮比が極めて低いために、在来の、通常の１段圧縮式冷媒圧縮機サイクルに比較すると熱効率は極めて高いものとなる。【００２４】  チラー５から循環冷水ポンプ９によって循環供給される温度の安定した常温の冷水は照明・空調一体型の天井ユニット１０に至り、ユニット内のフィンチューブ熱交換器１４のチューブ１５を通過する際に，フィン１６を介して上部にて回転し羽根車１７内部の空気の受ける遠心力によって室内１８から吸い込まれてくる室内空気を冷却し羽根車１７の周囲から天井下１９に冷却空気を吐出する。【００２５】  室内最上部に相当する天井下１９に吐出された冷却空気は室内で最も低い温度なので、当然自然対流で室内下方２０の方向へ降下し、室内を冷却し照明の熱を吸収して室内温度を所定の値に保持する。【００２６】  チラー５内の冷媒圧縮機４は室内空気の露点温度より低い温度の冷水を、除湿用空気調和機２１の主冷却コイル２２と、チラー５内の蒸発器２３との間を、低温冷水配管２４を通して低温冷水循環ポンプ２５によって冷却循環させ、主冷却コイル２２を通過する室内からの還気を露点温度以下に冷却し、除湿用空気調和機２１の給気ファン２６によって加圧されて、出口２７からダクト２８を通して室内へ給気する。【００２７】  冷媒圧縮機４の運転によって露点温度より低い空気を供給するために出る排熱は凝縮器２９でここを通過する循環型地中放熱管１への循環冷却水によって冷却除去される。【００２８】  植物工場室内で外気の必要性がある場合には除湿用空気調和機２１の吸込口はダンパー３０を切り替えて室内に開放せずに、ダクト３１を経て外気ガラリー３２から外気を吸い込む。【００２９】  除湿負荷が大きい場合は無論のこと、除湿用の冷媒圧縮機サイクルも２組を用意して、冷却用の冷媒圧縮機サイクルと同様の２段式冷却除湿を採用すれば良い。【００３０】  なお、照明・空調一体型の天井ユニット１０の最下面にはＬＥＤ、有機ＥＬ、無機ＥＬなどによる面照明器具３３が圃場面３４と最短距離に設置されている。【００３１】  盛夏を除く時季の夜間で照明を消灯した時間帯には、冷却負荷が可成り減るので、冷媒圧縮機２、３を運転せずに、３方電動切り替え弁３５を作動させて、照明・空調一体型天井ユニット１０のフィンチューブ熱交換器１４に放熱循環ポンプ１１���よって直接に循環型地中放熱管１との間で冷水を循環するように管路を切り替えて運転できるようにしたため、年間を通しての熱効率は更に向上する。【００３２】  植物工場の室内空気の温度、湿度の条件を１℃〜２℃、５％〜１０％高く設定することによって［００１１］で述べた理由で、故意に［００３１］に述べた状況を作り出すことが可能で、冷媒圧縮機２、３を省略した設備とすることも可能であり、潜熱処理についても同様の考え方で、湿度の設定値をさらに高くすることで、チラーそのものを省略出来ることも考えられる。【００３３】  植物の育成に必要な炭酸ガスは、前記、外気によって供給するか、外気を採らない場合には炭酸ガスボンベからの減圧弁を介しての供給により、炭酸ガスの必要濃度を満足するべく調整する。【００３４】  本発明は上記の通りの構成としたので、極めて温度の安定した冷水によって、室内温度を安定的に冷却し、除湿は除湿専用の除湿用空気調和機からの必要に応じた除湿空気によって除湿が行われ、極めて高い省エネルギー性を以って運用することが出来、在来の空冷式、水冷式空気調和設備を利用した空調設備より、遥かに信頼性が高く、温度、湿度の安定した調整機能を有する空気調和設備を提供できるものであり、室内空気の温度、湿度の設定によってはチラーを全く必要としないで、循環型地中放熱管のみで植物工場の空気調和設備を構築できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】  本発明は発明を実施するための最良の形態の項で述べた通りの構成としたので、在来の空気調和設備を導入した植物工場の空気調和設備と比較すると極めて高い室内温度の安定度が得られると伴に、省エネルギー性能も大幅に改善されるので、産業上の利用の可能性は極めて高い。
【符号の説明】
【００３６】  １．循環型地中放熱管
２．冷媒圧縮機
３．冷媒圧縮機
４．冷媒圧縮機
５．チラー
６．蒸発器
７．蒸発器
８．冷水配管
９．冷水循環ポンプ
１０．照明・空調一体型の天井ユニット
１１．放熱循環ポンプ
１２．凝縮器
１３．凝縮器
１４．フィンチューブ熱交換器
１５．チューブ
１６．フィン
１７．羽根車
１８．室内
１９．天井下
２０．室内下方
２１．除湿用空気調和機
２２．主冷却コイル
２３．蒸発器
２４．低温冷水配管
２５．低温冷水循環ポンプ
２６．給気ファン
２７．出口
２８．ダクト
２９．凝縮器
３０．ダンパー
３１．ダクト
３２．外気ガラリー
３３．面照明器具
３４．圃場面
３５．３方電動切り替え弁
【図１】
2011117707.tif 000003