下水由来の冷熱資源を活用した植物栽培技術の構築
資源エネルギー循環研究室

16334086 樋口志那

指導教員 姫野修司 小松俊哉
1． 研究背景
下水道からは様々な未利用資源が回収可能であり、下水は外気温に比べ温度変化が少なく、豊富かつ安定した熱源として冷熱、温熱の回収が可能であり、都市部の給湯や融雪利用に活用されている。中でも下水処理場では毎日大量の下水が流入するため、下水を熱源とした熱エネルギーポテンシャルを秘めている。一方で地方の下水処理場での資源がほぼ未利用である現状や、下水温熱に比べ冷熱利

図1

実験設備 概要

用か捗々しくないことが課題とされている。

を原水として、供給後に再度冷却して利用す

2． 目的

る循環利用を行った。循環利用により時間経本研究では、地方の一次産業である農業の過とともに水質の変化が予想されるため、2 週熱需要に注目し、通年での熱回収の実施、冷間に一度程度の施肥と 1 週間に一度 1000[L]の熱利用としてワサビ栽培への下水冷熱の活用

換水を実施した。

を目指した。ワサビ栽培は、水温、水質の制

4． 実験結果御を行い、より実施形態に近い栽培環境の構4.1．下水放流水からの熱回収

築を行うと同時に必要なエネルギーを明らか下水放流水からの熱エネルギー回収設備のにすることを目的とした。

運転条件を表 1 に示す。2018 年度は 1 年を夏

3． 実験方法期と冬期に大別し、夏期は冷熱、冬期は温熱研究を行うにあたり、新潟県西川流域下水を終日回収した。しかし、春期及び秋期は、

道西川浄化センター内に実験設備を設置し実日中冷熱、夜間は温熱の需要が発生する。

験を行った(図 1)。夏期に熱源である下水放流2019 年度は 5 月、10 月は日中は冷熱、夜間は水からの採熱を行い、回収した下水冷熱を用温熱の回収・利用を行った。

いてヒートポンプ(以下、HP)により、冷水を2019 年度の下水熱回収結果を図 2 に示す。

製造する。その後、ワサビに供給する栽培水との熱交換を行うことで栽培水を冷却し年間

表1を通してワサビの生育に必要な 20℃以下に温期間60[m2]の栽培プラントを設け、2019 年 3 月よ3000[L]とし、1 株あたり 0.3[L/min]の流量で供給した。
使用する栽培水は塩素除去を行った水道水

条件

熱利用先

2018年度度を制御した。ワサビ栽培は、栽培面積り 600 株の栽培を開始した。栽培総水量は

実験設備運転条件

4月1日ー4月22日

温熱利用

バジル

4月21日ー10月23日

冷熱利用

ワサビ

10月24日ー3月31日

温熱利用

バジル

2019年度①

4月1日ー4月31日②

5月1日ー5月20日③

5月21日ー10月10日④

10月11日ー10月31日⑤

11月1日ー12月31日

温熱利用
日中：冷熱利用
夜間：温熱利用
冷熱利用
日中：冷熱利用
夜間：温熱利用
温熱利用

バジル
ワサビ＋バジル
ワサビ
ワサビ＋バジル
バジル

下水放流水から夏期に冷熱を平均 3675[MJ/日]、冬期に温熱を 3178[MJ/日]回収した。回収した熱エネルギーを HP で冷水、温水製造した割合は冷熱が約 74[％]、温熱は 139[％]の冷温水を製造した。冬期の利用率が 100[％]を上回るのは HP の稼働に必要な外部からの電力エネルギーも熱エネルギーとして利用可能であるためである。

図2

下水からの熱回収(2019 年度)

図3

通年の電力量の推移(2019 年度)

図4

COP 及び SCOP の推移(2019 年度)

4.3．年間を通した消費電力
2019 年度の設備稼働にかかった電力を示す(図 3)。また,に同期間の年間消費電力量を示す。夏期のワサビ栽培利用だけでなく、バジルのための加温に利用することで、通年で概ね一定の電力量を推移していることが確認できた。また、電力量の内訳のうち HP の稼働にかかる電力が全体の 60[%]程度を占めていた。
4.4．ヒートポンプの熱生産効率
次に、HP の熱生産効率を図るため成績係数(以下、COP)の算出を行った。COP は外部からの電力によって HP がどれだけ熱量を生産するかで決定した。
q [kW]

COP = W2 [kW]式31

(q1 : 生産熱量[W], 𝑊1 : HP 消費電力[kW])また同時に COP と同時に下水熱回収設備全体での成績効率(以下、SCOP)を算出した。このとき、設備全体の消費電力は、HP の消費電力に加え、熱源である塩素混和池からワサビ栽培プラントまでを範囲とし、経路内にある送水ポンプの動力を加えたものとする(図 1)。
図 4 に COP 及び SCOP を示す。 今年度の夏期冷熱回収時の平均 COP は 2.9(低出力運転時は考慮しない)であり、期間中概ね横ばいに推移しており、安定して熱生産が可能であったといえる。冬期についても COP が 4.6 であり、2018 年度と同等の結果が得られた。

次に SCOP では、今年度夏期の平均 SCOPが 1.7、冬期の平均が 2.6 であった。冬期において COP が春期と概ね一定であるのに対し、SCOP は冬期の結果が春期の 3.0 に比べ低い値を推移していたのは COP の値は春期と冬期で同程度であったため、ヒートポンプ以外の消費電力が影響していると考えられる。
2019 年度は一部ワサビへの利用も行ったため、設備全体の消費電力として、ビニールハウスへ冷温水を送る循環ポンプ及び栽培水ポンプの動力分が加味されたと考えられる。
4.3．冷熱を活用したワサビ栽培の環境構築冷却させた栽培水循環させ、24 時間ワサビへ供給した。図 5 に 2019 年度の栽培水温度の推移を示す。栽培水温度はワサビの生育に適している 12～13[℃]を維持した。ワサビは水温が 20[℃]以下であると生育可能であることを踏まえると、12～13[℃]の栽培水冷却は過度

図5とも考えられ、電力削減が見込める。

ワサビ栽培水の温度推移(2019 年)

栽培水質は、多地点のワサビ栽培と水質を比較し、不足分であるカルシウム、マグネシウム、カリウムを施肥の対象成分としてCa(NO3)2、Mg(NO3)2、K2CO3 の施肥を行った。施肥量及びその時点で求められたワサビの各成分の吸収速度から決定した。
(a).窒素12 月から 1 週間に一度の水質分析により吸収速度を試算した。施肥成分のうち、窒素以外の成分は成分濃度が高いほど、吸収速度が速くなる傾向があった(図 6)。今後、吸収速度と水温や成分濃度の関係性を明らかにし、吸収速度が速い条件で栽培することで、ワサビの成長促進が示唆された。
4.3．ワサビの生育状況(b).カルシウム

ワサビの生育の状態を図るため、糸魚川でのワサビ農園との定期比較を行った。比較に用いた糸魚川のワサビは 2019 年 4 月に定植されたものであり、本設備のワサビと同時期に定植されたものとする。
2020 年 2 月末時点で、本設備のワサビが 35[cm]程度、糸魚川のワサビが 60 [cm]程度とな(c).マグネシウムり生育の差に違いが生じた(図 7)。この要因として、栽培手法による栽培水質の違いがあげられる。糸魚川での栽培は地下水のかけ流しであり常一定の水質の栽培水を供給することができる。一方で、本設備の栽培手法は、前述した様に栽培水を循環利用しているため、(d).カリウム

ワサビの成分吸収によって常に水質が一致していない点などが考えられる。また,２地点の

図6

成分濃度との吸収速度の推移(2019 年度)

水質を比較すると本研究の栽培水はミネラルの施肥により肥料に含まれる窒素分が過剰に添加され、地下水に比べ高い濃度の栽培水となったことも要因の 1 つとして考えられる。
今後は、硝酸態窒素の過剰施肥を防ぐとともに、ワサビと丈に差がみられたことを考え、これまで添加を行ってこなかったリンの図7施肥を行うことで生育の促進を図る。

ワサビの生育比較(右:本設備,左:糸魚川)

4.4．ワサビ栽培に必要なエネルギー
本年度の電気量から、ワサビ栽培に必要な

表2ワサビ一株当たりに必要な電力量電気量を示す(表 2)。このとき、5 月から 10 月
は冷熱利用期間のため全体の電力量を用いて算出し,残りは温熱利用期間として栽培水ポンプの電力量のみを用いて算出した。この結果
から、本設備においてワサビ 1 株を栽培する
表3

ためには 1 年で 71[kWh/株・年]であった。現温度域を変更した条件での HP 消費電力量

在栽培しているワサビの生育期間は 1 年半及び 2 年であり、生育期間 2 年のワサビを定植から収穫まで栽培する場合、必要な電力量は142[kWh]必要である結果となった。となった。この結果を用いてひと月にかかる4.5．条件温度域の変更による省エネルギー化

HP の消費電力を算出する。このとき、HP のHP の温度条件を変更することでの電力の削

瞬間電力値は夏期の実測値の 7[kW]として 1減を検討した。条件の変更として、条件温度日にちの HP 積算電力量を示す(式 4)。

差を 7～9[℃]に広げた場合にどこまで消費電力を抑えられるか推定した。まず、HP の冷却算出式 (条件温度域 9℃の場合)

期間を 7 月、8 月のみとし残りの 1 月～6 月、7[kW]×12.9[h]×31[日]÷600[株]9 月～12 月は栽培水ポンプの動力のみとし=90.3[kWh/日]

式4た。また、冷却を行っていない期間は、0.9[kWh/株・月]とする。
推察にあたり、本条件での HP が生産する

表 3 に各条件から推定される HP 消費電力量を示す。この条件でワサビ 600 株を栽培し熱量と栽培プラントでの消費熱量から、1 日のた時、case3 において年間の積算電力をHP の稼働時間を推定した。このとき、条件温34.2[%]まで抑えることが出来ると示唆され

度差 9[℃]の場合、冷温水タンク内の水を 9た。

[℃]低下させるために必要な熱量は 52668[kJ]4.6．冷却温度を抑えることでの省エネルギーとなる。

化

栽培プラントから発生する消費熱量を考慮

前節では、HP の条件の上限温度を変更し、し、実測値を用いて前述した条件での HP 稼

冷却温度域を広げることで電力の削減を行っ働を想定した結果、1 日の稼働時間は 12.9[h]た。一方で、ワサビ栽培に使用する栽培水温

を考えると、現在の 7[℃]までの冷却は過剰で表4あり、条件の下限温度を上げることで熱源温

熱源温度 下限温度 熱源との度との温度差が小さくした時の電力削減を推冷却を抑えた条件での HP 消費電力

[℃]

[℃]

温度差[℃]

COP

HP消費電力[kWh/株・月]

case47193.36.42

察した。HP により製造する冷水の温度は現在

case58183.56.05の 7[℃]から熱源温度に近づけた 10[℃]までとcase69173.75.7210164.05.29して試算を行った。このとき条件温度差はcase811154.25.04

case912144.64.604[℃]と固定した。
生産熱量は 2019 年度の実測値を使用し、電表5力量を試算する際の COP は、式 5 を用いて実測の各温度から算出した理論 COP の 22.4[%]

qTh

冷却を抑えた条件での HP 消費電力

熱源温度 上限温度 下限温度
[℃]

[℃]

2616

case10case11の値を使用し、瞬間電力量を試算する。

cc
COP = |W|
= T −T26

case7

case12[℃]

温度差[℃]

1日の稼働

HP消費電力時間[h][kWh/株・月]12414.25.1411513.95.0310613.74.95

式5c(qc :低温源から取り出した熱,Th :高温源の温度,Tc :低温源の温度)
条件温度を 14[℃]で冷却、10[℃]で停止した
場合では,36.3[%]まで抑えることが出来ると示唆された。
ここで、前節の HP の条件温度を広げた条

図8
表6

各条件で想定される HP 消費電力想定されるワサビ栽培に必要な年間電力量件で推定した結果と比較すると、製造する冷水の温度を熱源に近づけ、冷却温度を抑えた温度にするよりも、HP の条件温度の範囲を広げる方がより電力削減の見込みがあると考えられる。HP の条件温度域を 4[℃]に固定したの温度域を広げた際の電力量を推算した。こまま、下限温度をどこまで熱源に近づけるこのときの HP の稼働時間を推察し、消費電力とで case3 の条件以上の電力削減が見込めるの算出に用いる COP は冷却温度を抑えた際にか試算すると、下限温度を 12[℃]まで上昇し推定されるものを使用した。消費電力 7[kW]た場合において、電力の削減率が上回る試算の時に想定される生産熱量から、ヒートポン結果となった(表 4)。

プの稼働時間を決定し 1 日の積算電力量を示4.7．条件を併用することでの省エネルギー化す (式 6)。

ここまで電力削減の方法として HP の温度条件を変更した場合と、冷却温度を抑えて熱算出式 (16℃で冷却,10℃で停止の場合)源との温度差を狭めた場合の推算を行った。

7[kW]×13.7[h]×31[日]÷600[株]本節では 2 つの条件を組み合わせることでど=4.95[kWh/月]

式6

れだけ電力を削減可能か推察した。
下限温度を熱源温度に近づけたうえで、HP試算によりヒートポンプ条件を 16[℃]で冷却、10[℃]で停止した場合では、2 つの条件と表6

ワサビに必要なコストもに最も削減が想定される case3、case9 の方が電力削減される結果となった。図 8 に、ここまでで示した case1 から case12 までの条件を想定したヒートポンプの消費電力を示す。
ヒートポンプの条件が 16[℃]で冷却、12[℃]で停止する条件が最も電力を抑えた条件である結果となった。表 6 にこの条件で想定される年間のワサビに必要な電気量を推察する。こ
れにより、消費電力は 23.6[kWh/株・年]となり削減前に比べると 33.2[%]まで削減可能な試算結果となった。
以上のことから、熱源の温度に近い温度に

図 10想定されるワサビのコスト収支設定することで、より電力の削減効果が得ら上高はワサビ農家からのヒアリングを参考れると示唆された。に、ワサビ 1[kg]あたり 1 万円で取引とし、今4.8．下水熱を用いたワサビ栽培におけるコス回想定する 3 万株では 2700[万円/年]となる。

ト収支
本設備を用いてワサビ栽培を行った際に必試算結果から、土地代を含めない場合においてもランニングコストが売上高を上回っ要なコストの推移を試算する。コスト試算にた。このことから,現時点での想定では,投資回あたり、ワサビ栽培に必要なコストとして表 6収は困難であり、コスト削減の必要がある。に示す。コスト収支として、イニシャルコス

5． 結論

トをヒートポンプの耐用年数である 20 年で回下水熱から冷熱を製造しワサビ栽培に利用収すると仮定した場合、投資回収が可能であすることで、これまで栽培地域が限られているか検証した。このとき想定するワサビ栽培たワサビの栽培を再生可能エネルギーのみでの規模は別地点で栽培を行っている 9×30m の栽培可能であることを示した。一方、栽培水

ビニールハウス 12 棟で合計 3 万株のワサビ栽温の条件を見直し、HP の冷却を抑えることで培を推定した。このとき,HP,熱交換器の出力電力を 32.4[％]の削減が可能となった。しかしは、今年度の実測値である夏期の最大消費熱ながら、ワサビの売上高を考慮した場合、ラ量の 28[kW]を用い、ワサビ 1 株当たりに必要ンニングコストが過剰となり、設備の投資回な熱量を算出することで、ワサビ 3 万株に必収は困難である結果となり、コスト削減が課要な熱量を試算し、この熱量を賄えるよう選題として挙げられた。今後はワサビ田を断熱定した。

するなどの改造を考案し、消費熱量を抑える

図 10 に想定した規模でのワサビ栽培のコスト収支を示す。このとき、条件として①ランニングコストに土地代が含まれる場合、②土地代が含まれない場合、③土地代が含まれずイニシャルコストの機械設備費に補助金が適用される場合の 3 条件を示した。ワサビの売ことでさらなる電力削減を図る。