平成２０年度

佐賀県工業技術センター

研究報告書

コンピュータ熱流体解析を応用したハウス内の効率的な加温設計技術の開発
生産技術部
田中 徹
近年，日本経済も景気の悪化が深刻になってきており，施設園芸栽培の経営にも影響を与えている．高品質な農作物を栽培する施設園芸ではハウス内を重油や灯油を用いて加温しており，栽培のために消費するエネルギーなどの生産コストの削減に取り組む必要がある．本研究では，従来からの施設園芸栽培の技術に加えて工業分野で注目されている熱流体解析技術を活用し，ハウス内の加温システムの体系的な構築を目的としている．本年度
は，先の研究 1),2)にて得られたハウスに使用されている被覆資材の伝熱特性や，ハウス内へ放出される温風の状態を近似化し解析条件に適用することにより，近年ハウスの被覆に採用されている二重被覆の構造がハウス内の温度分布に与える影響を検討した．

１．はじめに財団法人日本エネルギー経済研究所の調査によると，平成 21 年１月のＡ重油の価格は１リットルあたり，約 60 円と平成 19 年１月の価格を下回っている．
しかし，リーマンショックをきっかけとした世界的な経済危機の影響で，日本経済も景気の悪化が深刻になっており，施設園芸の分野でも経営面で作物単価の低迷など大きく影響を受けている．このような状況の中，生産コストを削減することが急務であり，なかでもハウス内の加温に使用されるエネルギーコストを削減するために，省エネルギーへの取組みが盛んに行われている．
本研究は，近年ハウス内の加温に活用されている技術に，熱流体解析技術（CFD：Computational FluidDynamics）を導入して，効率的なハウス内加温システムを構築することを目的とした．平成 18 年度は施

図１

外張り空気膜ハウスの構造

図２

内張り保温カーテンの構造

設園芸用資材に関する伝熱特性を検討し 1)，平成 19
年度は加温機から送風ダクトを通してハウス内へ放出される温風の状態を近似化し，解析条件に適用する方法を検討した 2)．
本報告では，これまでの研究で得られた結果を用いることにより，近年施設園芸で採用されているハウスの被覆構造に関して，ハウス内の温度分布に与える影響を検討した結果を報告する．
２．解析モデルの検討
2.1 保温性を高める被覆構造
近年，ハウス内を有効に加温するために，ハウスの被覆方法に関して保温効果が高い被覆技術の開発が行われ，様々な二重被覆構造が使用されている．
今回はその中でも，外張り空気膜ハウスの構造と内張り保温カーテンの構造について検討する．
図１および図２に，外張り空気膜ハウスの構造と‑４５‑平成２０年度

佐賀県工業技術センター

研究報告書

内張り保温カーテンの構造をそれぞれ示している．
外張り空気膜ハウスは，図１に示すように既存のハウスの外側にさらに被覆資材を張り，ハウスの外表面との間にブロアー（送風機）で 24 時間空気を送りこむことで断熱層を作る構造である．

ウス内の空間が変わらないことから，みかんや梨など，栽培する作物が比較的大きい果樹を栽培するハウスに設置されると考えて，果樹試験場に設置されているハウスを適用対象とした．
また，図４に示す内張り保温カーテン構造のモデ

内張り保温カーテンは，図２に示すように既存のハウスの内側にレールやパイプなどの部材を設置し，カーテン状の被覆資材を設けることで，ハウスの内部に断熱層を作るとともに，加温する空間の体積を小さくして省エネ効果を得る構造である．
2.2 解析モデル

ルはハウス内の空間が小さくなることから，きゅうりやトマトなど，栽培される作物が比較的小さい野菜を栽培するハウスに設置されると考えて，農業試
験研究センターに設置されているハウスを適用対象とした．
図５および表１に，果樹試験場および農業試験研

ハウス内の温度分布を解析するために作成した３次元解析モデルを図３および図４に示す．
ここで，図３は図１に示した外張り空気膜ハウスの構造をモデル化したものであり，一方図４は図２に示した内張り保温カーテンの構造をモデル化したものである．

究センターに設置されている栽培実験用のハウスの形状と寸法をそれぞれ示す．

図３に示す外張り空気膜ハウス構造のモデルはハ④⑤⑥

外張り空気膜ハウス③②温風器①温風吹出孔図５ハウスの寸法図

表１

解析モデルの寸法単位[m]図３外張り空気膜ハウス構造の解析モデル（果樹試験場のハウス）

内張り保温カーテン

温風器
温風吹出孔

図４

内張り保温カーテン構造の解析モデル（農業試験研究センターのハウス）①②③④⑤⑥

長さ

果試

5.60

2.80

1.30

2.98

3.55

3.82

25.0

農試

8.50

4.25

2.20

1.50

3.04

3.50

15.0

３．解析方法3.1 ハードウェア
ハードウェアとしては，HP 製 Work-Station xw8400（財団法人 JKA 平成 18 年度補助物件）を使用した．
3.2 ソフトウェア
解析を行うためのソフトウェアとしては，汎用熱流体解析システム FLUENT（財団法人 JKA 平成 18年度補助物件）を用いた．また，プリプロセッサとしては GAMBIT2.3.16，解析ソルバーとポストプロ
セッサとしては FLUENT6.2.16 を使用した．
3.3 解析条件
(1) 流入条件‑４６‑

平成２０年度

表２
果試
農試

佐賀県工業技術センター

研究報告書

モデルに設定した温風の流速・温度

吹出孔位置[m]

2.0

4.5

7.0

9.5

12.0

14.5

17.0

19.5

22.0

吹出流速[m/s]

33.7

33.3

33.1

33.0

33.0

32.9

32.9

32.9

32.8

吹出温度[K]

330.0

329.4

329.2

329.1

328.9

328.3

327.1

325.1

321.9

吹出孔位置[m]

2.0

3.5

5.0

6.5

8.0

9.5

11.0

12.5

14.0

吹出流速[m/s]

33.7

33.4

33.3

33.2

33.1

33.0

33.0

32.9

32.9

吹出温度[K]

330.0

329.6

329.4

329.3

329.2

329.1

329.0

328.8

328.5

ここで， hx  は局所熱伝達率の関数で L はその代

温風のハウス内への流入速度および流入温度は，
2)

平成 19 年度の研究 にて算出した近似式を用いて算出した値を各吹出孔部に設定した．
ここで，それぞれのハウスの解析モデルは，両側に温風流入のための吹出孔を９ヶ所とし，それぞれのモデルに設定する各吹出口での流速と温度を表２に示す．

表長さである．

(2) 流出条件
流出条件としては，温風器の下部からハウス内の空気が流出するものとし，大気開放条件のゲージ圧力０[Pa]を温風器下部に設定した．
(3) 材料物性値
解析モデルで用いる材料として，流体には空気，した．
一方，解析領域の下面（土壌）の平均熱伝達率 hg
は，長崎県の省エネルギー対策資料 4)にて報告されている値を参考に，hg=６[W/m2･K]（ハウス内外の温度差 20℃，保温被覆有，暖地）に設定し，地中温度は一様に 293[K]とした．

ハウスの被覆資材にはポリエチレン（厚さ 0.2mm）を設定した．表３に使用した材料物性値を示す．
表３
物性値名
密度比熱

空気
1.225

1.3[W/m･K]

0.02420.33

1006.432300

1.79E-5-[J/kg･K]

粘性係数

ポリエチレン3[kg/m ]

熱伝導率

材料物性値

[kg/m･s]式(1)から平成 19 年度に求めた hx  と Ｌ を 用 い て ，
平均熱伝達率 hm を算出すると hm=5.45[W/m2･K]が求まり，この値を解析領域の下面（土壌）以外の外表面に設定した．また，ハウスから放熱するときのハウス周辺の外気は無風状態とし温度を 273[K]と４．結果および考察
解析結果を考察するにあたって，平成 19 年度の研究 2)において，今回と同様な解析条件を適用して二重被覆構造でない解析モデルで解析した結果を図６および図７にそれぞれ示す．

[K](4) 熱伝達率
ハウス内の温度分布解析は，解析領域の外表面からの放熱条件である平均熱伝達率を設定して定常解析を行う．しかし，平均熱伝達率は材料固有の物性値ではなく，状態によって変化する物理量であるため，一般的にその値を特定することは困難である．
そこで，次の２つの領域に分けて平均熱伝達率を設定した．
ハウスの外表面に適用する熱伝達率は，次の式(1)から平均熱伝達率 hm を算出した 3)．
hm=1
LL hx dx
0… (1)

図６

二重被覆でないハウスの温度分布（果樹試験場のハウス）

図６は果樹試験場のハウスの解析結果であり，モデル下面（土壌）より 2.0[m]の高さの平面とハウス中心から 0.8[m]離れた断面での温度分布を示している．

‑４７‑

平成２０年度

佐賀県工業技術センター

研究報告書

また，図７は農業試験研究センターのハウスの解析結果であり，モデル下面（土壌）より 0.4[m]の高さの平面とハウス中心の断面での温度分布を示している．

[K]

[K]

図９内張り保温カーテン構造のハウスの温度分布（農業試験研究センターのハウス）

図８，図９の結果では，二重被覆構造でないハウスの温度よりも高い温度分布が表れており，このことは二重被覆で形成された断熱層によって，外部への熱伝達による熱移動が抑制されているためと考え
図７

二重被覆でないハウスの温度分布られる．

（農業試験研究センターのハウス）
310

図６および図７の結果から，それぞれのハウスにはその容積の違いによって温度分布の値に差が生じているが，いずれの結果においてもハウス内の温度306
304
温度 [K]

分布は，ハウスの奥（温風器から離れる方向）に向かうに従って温度が不均一になっている．
次に，果樹試験場のハウスに適用した外張り空気膜ハウスの構造の解析モデルと，農業試験研究セン
ターのハウスに適用した内張り保温カーテンの構造の解析モデルで解析した結果を図８および図９にそ

308

302
300298

空気膜ハウス構造296

通常の被覆構造2940

れぞれ示す．ここで，図８，図９の温度コンターのバンド幅は図６および図７のそれぞれに示したものと同じバンド幅としており，分布する断面も同じ位置としている．

5

図 101015
ハウス長さ [m]2025

ハウス長さ方向温度分布（果樹試験場のハウス）

324
322

[K]

温度 [K]

320318316
314

保温カーテン構造
通常の被覆構造

312
310
0

図８3

図 11

外張り空気膜ハウス構造のハウスの温度分布（果樹試験場のハウス）

69
ハウス長さ [m]12

ハウス長さ方向温度分布（農業試験研究センターのハウス）‑４８‑15平成２０年度

佐賀県工業技術センター

研究報告書

ここで，果樹試験場のハウスについて，図６および図８の結果での，２つの温度分布平面の交線上におけるハウス長さ方向の温度分布を図 10 に示す．また，農業試験研究センターのハウスについて，図７および図９の結果での，２つの温度分布平面の交線層が形成され，外部への熱移動が抑制されることによって，ハウス内の保温性に効果がある．
(2) 外張り空気膜ハウスの構造の方が内張り保温カーテンの構造に比べ，ハウス内の温度上昇が大きい
ことから，外張り空気膜ハウスの構造とすることで上におけるハウス長さ方向の温度分布を図 11 に示す．
これらの結果から，二重被覆構造とすることでいずれのハウス内でも分布する温度が上昇していることから，二重被覆構造とすることはハウス内の保温に効果的であることが確認できる．さらに，図 10

優れた保温効果が期待できる．
平成 19 年度に実施の研究により，ハウス内の温度分布は温風器からの送風ダクトに設ける温風吹出孔の位置がハウス内温度分布の均一性に影響を及ぼすことがわかった．加えて，本年度に実施した研究により，二重被覆構造とすることはハウス内の保温効と図 11 の結果を比較すると，外張り空気膜ハウスの構造の方が内張り保温カーテンの構造に比べハウス内の温度上昇が大きいことから，外張り空気膜ハウスの構造とすることにより優れた保温効果が期待できると考えられる．
しかし，外張り空気膜ハウスの構造は被覆資材の果の改善が可能であることが明らかになった．したがって，これらの研究成果を組合せることで総合的なハウス加温システムを構築することが可能と考えられる．
なお，本研究は佐賀県の戦略的試験研究推進制度により，佐賀県果樹試験場，佐賀県農業試験研究セ

汚れや細かい傷によって，採光性が悪くなることが指摘されており，栽培する作物の発育への影響が懸念される．一方，内張り保温カーテンの構造は，レールまたはパイプを使用したカーテン状であるため被覆資材の開閉が可能であり，ハウス内を加温する
夜間のみカーテンを閉めて保温効果を利用すること

ンター，佐賀県工業技術センターの３機関の共同研
究として実施した．

ができる 5)．
５．おわりにハウスに使用される２つの二重被覆構造の解析モ
デルについて，熱流体解析システムを用いてハウス内の温度分布の解析を行った結果，二重被覆構造が2) 田中徹，平成 19 年度佐賀県工業技術センター研
究報告書 No16，pp.55-60 (2007)3) 平田哲夫，田中誠，石川正昭，羽田喜昭，例題
で分かる伝熱工学，森北出版 (2005)
4) 長崎県農業経営課 施設園芸の省エネルギー対策Ⅲ施設園芸での暖房用燃料の節減対策

ハウス内の加温効果に与える影響について，以下に示すことが分かった．
(1) ハウスの被覆を二重被覆構造とすることで断熱

pp.18-37
5) 農林水産省生産局 施設園芸省エネルギー生産
管理マニュアル pp.13-20 (2008)参考文献
1) 田中徹，平成 18 年度佐賀県工業技術センター研究報告書 No15，pp.39-42 (2006)‑４９‑