新領域創成型研究・若手研究詳細 2007年度

地中熱利用型ヒートポンプを利用した温室内の温湿度および水温制御

研究課題名 地中熱利用型ヒートポンプを利用した温室内の温湿度および水温制御
研究種目等 新領域創成型研究
研究概要 (研究目的)
 施設栽培は,栽培管理の自動化・省力化による生産効率の向上が可能な栽培システムであり,国際競争力が弱い農業分野での競争力アップの為の有望な手段として,企業等の農業生産法人経営への進出が盛んである(農業経営基盤強化促進法)。施設栽培における温室内暖房は最も基本的かつ普及した環境制御技術であるが,暖房設備の約96%が石油をエネルギー源としている。最近,温度環境の変化が緩慢等の理由で,軒高が4~5mと温室が大型化の傾向がある。しかし,温室の大型化に伴い暖房空間が広くなり,暖房に伴うCO2排出量が多くなっている。一方,夏期には温室内は40℃を超えることが珍しくない。温室内冷房は冷房必要期間が短期間であり,冷房装置の導入が経営上必ずしも有利にならないので導入は極めて稀である。しかし,栽培環境や作業環境の改善の為に,効率的な冷房法があれば使用したいという生産者の要望は強い。また,養液栽培での培養液の水温制御は,培養液タンク内に熱交換用の加温・冷却コイルを設置し,石油や電気で作動させ培養液温度を制御する生産者が多い。このように,施設栽培における温度および水温制御は,化石燃料をエネルギー源としている。地球温暖化防止への国際的対応として,京都議定書において温室効果ガスの排出削減が義務付けられ省エネルギーの積極的な推進が必要である状況下で,農業分野においてもCO2排出量の削減は極めて重要課題となった。
 地下100m前後の地中は常に15~16℃の温度が保たれていることから,地中熱エネルギーは季節や環境に左右されない利用範囲の広いエネルギーとして注目されている。この地中熱エネルギーを利用した地中熱利用型ヒートポンプは,外気温度の低下が著しい冬季の霜取運転が不要で,夏季における外気温度上昇の影響も受けにくく,安定した高効率な冷暖房運転が可能という利点がある。また,地中の僅かな温度差を利用して空冷式ヒートポンプ(エアコン)の消費電力の3~4倍の熱エネルギーが得られるので,ランニングコストもかなり少ない。化石燃料を使用しないので地球に優しく,自然エネルギーの利用効率が高い,省エネルギーでCO2排出量が少ないクリーンエネルギーシステムである。
 本システムは,広い大地に恵まれている欧米を中心として住宅等に利用されている。日本での自然エネルギーの利用は,太陽熱,風力等を中心に導入されてきたが,地中熱の導入はほとんど進んでいない。日本でも農村のように比較的広い土地に恵まれている地域では,地中熱が容易に利用できる環境にあり有望なロ-カルエネルギーと考えられる。今後,このようなロ-カルな熱エネルギーを有効かつ多目的に活用していくことは,農村地域の活性化と施設の環境整備を図る観点からも意義深い。
 研究代表者は,現在まで主として,環境に優しい農業生産システムの構築を目指した研究に取り組んでいる。京都議定書において温室効果ガスの排出削減が義務付けられたことから,農業分野においてもCO2排出量の削減が重要であると考え,CO2排出量が最も多い温室で地中熱利用型ヒートポンプを活用し,エネルギーシステムの面からも環境に優しい農業を目指したいという着想に至った。地中熱利用型ヒートポンプの利用は,効率的な施設内の温度および水温制御が可能であること以外にも,湿度制御も同時に可能である。したがって,植物の生育にとって最適な栽培環境条件の設定を可能とするだけではなく,病虫害防止等も期待できる。さらには,加湿のみならずミスト噴霧による冷却・農薬散布・肥料の葉面散布などの複数目的にも利用可能である。
 地中熱利用型ヒートポンプは,既に国内でも構造物の冷暖房や給湯等に一部利用されるようになってきたが普及率はまだ極めて低く,農業生産現場での利用は世界的にも例が無い。地中熱利用型ヒートポンプを有効活用した効率的な作物生産システムを確立し,2012年4月開設予定の本学農学部黒川新農場の温室(構造物の冷暖房や給湯にも同時使用を計画)に設置し機能させることで,明治大学が中心となり広く農業現場に普及させたい。そこで,地中熱利用型ヒートポンプを設置した温室と従来型の温室で,温室内の温湿度および水温制御効果,植物の生育・品質に及ぼす影響,年間維持費,等について比較検討すると共に,作物栽培管理における本システムの効率的かつ省力的利用法についても検討を加え,黒川新農場に設置した際に効率的な作物生産が行なえるように基礎的デ-タを収集することを研究目的とする。研究代表者は黒川新農場の専任教員として,農業生産システムのみならずエネルギーシステムの面からも地球環境に優しい新農場建設を目指しており,本研究課題の目的が達成されれば,新農場は名実共にアグリ・エコファ-ムとして明治大学の象徴的存在と成り得る,他に例をみない,話題性の有る世界で最先端を行く特色ある農場になると強く確信する。

(研究実施報告)
 京都議定書において温室効果ガスの排出削減が義務付けられ省エネルギーの積極的な推進が必要である状況下で,農業分野においてもCO2排出量の削減は極めて重要課題となった。15~16℃の温度が保たれている地下100m前後の自然エネルギーである地中熱エネルギーを利用したヒートポンプは,安定した高効率な冷暖房運転が可能であり,空冷式ヒートポンプの消費電力の3~4倍の熱エネルギーが得られるのでランニングコストも少ない。
 そこで,地中熱利用型ヒートポンプを農業分野に導入する目的で,生田キャンパスの温室内の水耕装置4台を用いて水温制御に関する実験を行なった。2台は地中熱利用型ヒートポンプを利用し,他の2台は従来の石油ボイラーを利用して養液を加温した。水温を20℃に設定して実験を行なった結果,ヒートポンプ利用では温室内の気温にやや遅れて水温は上下したが,ほぼ20℃以上に水温は保たれた為,ボイラー利用と大差ない良好な動作環境が確認され実用化の可能性の目処をつけた。しかし,設置工事が遅れた為に実験開始が3月となり,1ヶ月間のみのデータではヒートポンプの稼働時間が短いため,ボイラー利用に比べた省エネ効果等の評価は十分にできなかった。したがって,引き続きデータ集積の必要はあるが,計測機器の動作確認は正常であることから,本温室の規模の水耕装置2台分程度の水温を維持するためには,家庭用ヒートポンプで使用する10KW程度の小型装置を1台設置するだけで十分であるという貴重な基礎的知見を得た。
 今後も継続して,夏期および冬期間の水温制御および温湿度制御における省エネ効果等の評価を行ない,農業生産現場での利用例が無い地中熱利用型ヒートポンプを有効活用した効率的な作物生産システムを確立し,2012年開設予定の黒川新農場の温室に設置し機能させ農業現場に広く普及させたい。
研究者 所属 氏名
  農学部 教授 玉置雅彦
研究期間 2007.6~2008.3
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