JP2004344154A - 施設園芸用温室における排熱回収兼用炭酸ガス供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】温室の暖房機を利用して炭酸ガス供給を行うにあたり、高温・高湿の排ガスを低温・除湿の炭酸ガスに変えて供給し、熱回収も実現する。
【解決手段】ボイラ等の排ガス出口に高温側熱交換器１１を取付け、該熱交換器１１は熱媒流路切替用自動弁セット１５ａにより熱媒流体の流路１９を、高温側熱交換器１１、熱媒流路切替用自動弁セット１５ａ、熱媒流体用循環ポンプ１４ａ、低温側熱交換器１２、高温側熱交換器１１の循環流路と、暖房用温湯回路還湯管２０、熱媒流体用循環ポンプ１４ａ、低温側熱交換器１２、高温側熱交換器１１、熱媒流路切替用自動弁セット１５ａ、暖房用温湯回路還湯管２０の循環流路に切り替えられ、低温側熱交換器１２は、冷水用冷却塔１３、冷水用循環ポンプ１４ｂ、低温側熱交換器１２へと連結される冷水の流路２１を構成する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、施設園芸用温室（以下、温室という）、特に面積が広い大型温室において、植物の生育を促進するための炭酸ガスの供給と排ガスの排熱回収をおこなうシステムとその運転方法とに関する。
また、本発明は、炭化水素系燃料を燃焼する温湯加温（暖房）用熱源の排ガスを炭酸ガス源として利用し、炭酸ガスを供給しない暖房単独時には排熱回収をおこなうシステムとその運転方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
排熱回収兼用炭酸ガス供給システムに関する先願技術として特開平１０−２２９７６３号に開示の発明が存在する。炭酸ガス源となる燃焼熱源にボイラとエンジンの違いがあるが、特開平１０−２２９７６３号も施設園芸用温室における排熱回収兼用炭酸ガス供給システムの実施と考えることができる。
しかし、特開平１０−２２９７６３号は原理的にシステム循環熱媒流体の温度領域を自由勝手に変更することができず、排ガス熱交換器入口では常時高温のままである。炭酸ガス供給時は、低温の熱媒流体で熱交換する必要があるが、特開平１０−２２９７６３号は排ガスを充分に冷却・凝縮することができない。冷却が不充分な排ガスは高温すぎるため、植物や配風管の高温障害が起こる。このため、熱交換後の排ガスを必ず外気で希釈する必要が生じるが、排ガスが高温であるために容積が大きく、希釈後の温度を下げるためにはかなり多くの外気を導入する必要があり、炭酸ガス供給用送風機容量やその運転費（電気代）が大きい。また、凝縮が充分でないため、ポリエチレンフィルム製配風管（ポリダクト）の結露閉塞が心配される。この結果、温室への炭酸ガス供給ムラによる成長バラツキや、結露水の滴下による農作物商品価値の喪失などがある。これは特開平１０−２２９７６３号が、単一の熱交換器と常時高温の熱媒流体を使用するためであり、本出願とは実際上の効果が大きく異なる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
炭酸ガス供給のためには排ガス温度をその凝縮点（温度）以下にすることが求められるため、炭酸ガス供給時には排ガス冷却・凝縮装置に必ず冷水を流す必要がある。一方、炭酸ガス供給をしない暖房だけの場合は、排ガスを冷却・凝縮させる必要はない。そこで、炭酸ガス供給に応じて排ガスの流路を切り替えることが考えられるが、排ガスは高温であるため、技術的に困難であるばかりでなく、設備費用面やスペース面から非現実的である。その結果、炭酸ガス供給をしない場合でも排ガス冷却・凝縮装置に排ガスを通すことになるが、排ガス冷却・凝縮装置の空焚きを避けるために何らかの熱媒流体を通す必要がある。その場合、炭酸ガス供給時同様の冷水を熱媒流体として用いることは、無駄に熱を捨てることになってしまう。その行為自体が経済的損失であるばかりでなく、冷水を製造している場合は、それに費やしたエネルギーまで無駄に捨てることになってしまう。
また、炭酸ガス供給時の排ガス冷却・凝縮装置から出る熱媒流体の温度は低すぎるため、これを通常暖房用に供することはできない。
本発明は、炭酸ガス供給時にはボイラ等が排出する排ガスを熱交換器（排ガス冷却・凝縮装置）により冷却・減湿して温室に供給し、炭酸ガスを供給しないときは、同一装置を用いて温室の暖房に寄与させるように排ガスの熱を回収するシステムの提供を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、ボイラ等の排ガス出口に高温側熱交換器を取付け、該交換器は熱媒流体の流路により熱媒流路切替用自動弁セットおよび熱媒流体用循環ポンプを介して低温側熱交換器へ連結され、該低温側熱交換器は熱媒流体の流路により高温側熱交換器へ連結され、また高温側熱交換器は熱媒流体の流路により熱媒流路切替用自動弁セットを介して暖房用温湯回路還湯管へ連結され、該還湯管は熱媒流路切替用自動弁セットと熱媒流体用循環ポンプの間で熱媒流体の流路に連結され、また低温側熱交換器は冷水の流路により冷水用冷却塔へ連結され、該冷却塔は冷水の流路により冷却用循環ポンプを介して低温側熱交換器へ連結される構成の施設園芸用温室における排熱回収兼用炭酸ガス供給システムを提供することにより解決される。
【０００５】
上記課題はまた、ボイラ等の排ガス出口に高温側熱交換器を取付け、該熱交換器は熱媒流体の流路により三方自動弁および熱媒流体用循環ポンプを介して低温側熱交換器へ連結され、該低温側熱交換器は熱媒流体の流路により高温側熱交換器へ連結され、また高温側熱交換器は熱媒流体の流路により三方自動弁を介して暖房用温湯回路還湯管へ連結され、該還湯管は三方自動弁と熱媒流体用循環ポンプの間で熱媒流体の流路に連結され、また低温側熱交換器は冷水の流路により冷水用冷却塔へ連結され、該冷却塔は冷水の流路により冷却用循環ポンプを介して低温側熱交換器へ連結される構成の施設園芸用温室における排熱回収兼用炭酸ガス供給システムを提供することにより解決される。
【０００６】
上記課題はまた、前記それぞれのシステムに加えて、冷水注入口から冷水注入用自動弁を経る流路は低温側熱交換器に連結され、さらに該低温側熱交換器から排水溝に至る流路へと連結される構成の施設園芸用温室における排熱回収兼用炭酸ガス供給システムを提供することにより解決される。
【０００７】
上記課題はさらに、炭酸ガス供給時の運転において、高温側熱交換器と低温側熱交換器との間を熱媒流体の流路と熱媒流体用循環ポンプを介して連結される循環流路を形成すると共に、低温側熱交換器と冷水用冷却塔との間を冷水の流路と冷却用循環ポンプを介して連結される循環流路を形成し、ボイラ等から排出される高温・高湿の排ガスから高温側熱交換器により熱を奪った熱媒流体を低温側熱交換器に導き、冷水に熱を与えて高温側熱交換器に戻すことを特徴とする施設園芸用温室における排熱回収兼用炭酸ガス供給システムの運転方法を提供することにより解決される。
【０００８】
上記課題はさらに、排熱回収時の運転において、暖房用温湯回路還湯管の途中に熱媒流体の流路を連結し、暖房用温湯回路還湯管から熱媒流体の流路によって熱媒流体用循環ポンプ、低温側熱交換器、高温側熱交換器の循環流路を通り暖房用温湯回路還湯管へと戻るバイパス流路を形成し、暖房用温湯回路還湯管内を流れる暖房用温湯の一部を前記バイパス流路に導き、ボイラ等から排出される高温・高湿の排ガスから高温側熱交換器により熱を奪った熱媒流体を暖房用温湯回路還湯管に戻すことを特徴とする施設園芸用温室における排熱回収兼用炭酸ガス供給システムの運転方法を提供することにより解決される。
【０００９】
【作用】
熱媒流体が排ガスから熱を奪う高温側熱交換器１１と、その熱媒流体を冷水で冷やす低温側熱交換器１２を図１に示すようにカスケード接続して二元配置する。冷水は冷却源から供給する。
炭酸ガス供給時、２つの熱交換器１１と１２とを結ぶ閉じた流路に熱媒流体を循環させ、高温側熱交換器１１は排ガス冷却・凝縮装置として作動させる。
暖房だけの場合、２つの熱交換器１１と１２とを結ぶ流路を、ボイラ等の温湯暖房用熱源で温められる暖房用温湯回路に組み込む。暖房用温湯を熱媒流体とし、低温側熱交換器１２は熱の授受をさせない（冷水を流さない）。温室に熱を与えて温度の下がった還湯を、ボイラ等の温湯暖房用熱源に戻る前に高温側熱交換器１１を通すことで排ガスの排熱回収が可能になり、高温側熱交換器１１は排熱回収装置として作動させて省エネルギー化を図れる。
すなわち、熱媒流体は暖房用温湯そのものである。炭酸ガス供給の要否に応じて自動弁による熱媒流体の流路切替と冷却源の作動を連動させる。
【００１０】
【実施例】
図１は、本発明にかかる排熱回収兼用炭酸ガス供給システムの全容を表すものである。図中、白抜きの矢印１０は排ガスの流れ方向、１１は高温側熱交換器、１２は低温側熱交換器、１３は冷水用冷却塔、１４ａは熱媒流体用循環ポンプ、１４ｂは冷水用循環ポンプ、１５１，１５２，１５３，１５４は手動弁、１５ａは熱媒流路切替用自動弁セット、１５ｂは冷水注入用自動弁、１６は逆止弁、１７は排水溝、１８は冷水注入口、１９は熱媒流体の流路、２０は暖房用温湯回路還湯管、２１は冷水の流路、黒塗りの矢印は暖房用温湯・熱媒流体・冷水の流れ方向を示す。
【００１１】
本発明にかかる排熱回収兼用炭酸ガス供給システムの構成は、ボイラ等の排ガス出口に高温側熱交換１１を取付け、該熱交換器１１は熱媒流体の流路１９により熱媒流路切替用自動弁セット１５ａおよび熱媒流体用循環ポンプ１４ａを介して低温側熱交換器１２へ連結され、該低温側熱交換器１２は熱媒流体の流路１９により高温側熱交換器１１へ連結され、また高温側熱交換器１１は熱媒流体の流路１９により熱媒流路切替用自動弁セット１５ａを介して暖房用温湯回路還湯管２０へ連結され、該還湯管２０は逆止弁１６を介して熱媒流路切替用自動弁セット１５ａと熱媒流体用循環ポンプ１４ａの間で熱媒流体の流路１９に連結され、また低温側熱交換器１２は冷水の流路２１により手動弁１５１を介して冷水用冷却等１３へ連結され、該冷却等１３は冷水の流路２１により冷水用循環ポンプ１４ｂ、手動弁１５２を介して低温側熱交換器１２へ連結される。
【００１２】
さらに別系統の冷却源として、冷水注入口１８から手動弁１５３と冷水注入用自動弁１５ｂを経る経路は、手動弁１５２と低温側熱交換器１２との間の冷水の流路２１に連結され、また手動弁１５４を経て排水溝１７に至る流路は、低温側熱交換器１２と手動弁１５１との間に連結される。
冷水注入口１８へは地下水または農業用水を冷却用冷水として用いる。
【００１３】
炭酸ガス供給時の図２をみると、熱媒流路切替用自動弁セット１５ａにより、暖房用温湯回路還湯管２０への接続が閉じられ、同時に高温側熱交換器１１と低温側熱交換器１２の間で循環流路が形成される。熱媒体の流路１９内に満たされた熱媒流体は熱媒流体用循環ポンプ１４ａによって、高温側熱交換器１１、熱媒流路切替用自動弁セット１５ａ、熱媒流体用循環ポンプ１４ａ、低温側熱交換器１２、高温側熱交換器１１へと循環する。ボイラ等から排出される高温・高湿の排ガスは、高温側熱交換器１１で熱媒流体に熱を奪われて一部が凝縮し、炭酸ガス供給に供される。高温側熱交換器１１で排ガスから熱を奪った熱媒流体は、熱媒流体用循環ポンプ１４ａによって低温側熱交換器１２に導かれ、冷水に熱を与えて高温側熱交換器１１に戻る。熱媒流体は、高温側熱交換器１１で排ガスを十分に冷却・凝縮させられるように、低温側熱交換器１２で温度が下げられる。低温側熱交換器１２で熱媒流体から熱を得た冷水は、冷水用冷却塔１３で元の温度まで冷やされて、冷水用循環ポンプ１４ｂによって低温側熱交換器１２に戻る。このようにして、高温・高湿の排ガスを炭酸ガス供給に適した状態に変えることができる。
【００１４】
暖房だけの場合（図３）、熱媒流路切替用自動弁セット１５ａにより、高温側熱交換器１１から熱媒流体用循環ポンプ１４ａへの循環流路が閉じられると同時に暖房用温湯回路還湯管２０への流路が開く。これによって、暖房用温湯回路還湯管２０から逆止弁１６、熱媒流体用循環ポンプ１４ａ、低温側熱交換器１２、高温側熱交換器１１そして暖房用温湯回路還湯管２０へのバイパス流路が形成され、両熱交換器１１、１２間に封じ込められていた熱媒流体が、再び暖房用温湯として暖房用温湯回路を巡る。熱媒流体用循環ポンプ１４ａによって暖房用温湯回路還湯管２０内を流れてくる暖房用温湯の一部が流路内に導かれ、逆止弁１６、熱媒流体用循環ポンプ１４ａ、低温側熱交換器１２を通って高温側熱交換器１１に入り、ボイラ等から排出される高温・高湿の排ガスから熱を奪って暖房用温湯回路還湯管２０に戻る。暖房用温湯は、その後、ボイラ等の暖房用熱源で昇温され、温室で熱を消費されて再び暖房用温湯回路還湯管２０の上流に戻る回路を循環する。このようにして、本格的な炭酸ガス供給システムでありながら、同一設備で排熱回収も可能な省エネルギー効果を実現することができる。一方、通常暖房用の温湯は６０〜８０℃で運転されるが、排ガスを冷却・凝縮させるには温度が高すぎるため、この場合に高温側熱交換器１１から出る排ガスは炭酸ガス供給に適さない。
【００１５】
炭酸ガス供給と暖房だけの運転は、本システムの上位システムからの指示によって切り替わるが、熱媒流路切替用自動弁セット１５ａの流路切替が、熱媒流体用循環ポンプ１４ａの運転を停止せずにおこなうことができるため、運転切替がスムーズである。熱媒流体が常に流れているため、運転切替時に高温側熱交換器１１の過熱を危惧して、ボイラ等の熱源の運転を一旦停止させる必要がない。したがって、制御性が良い。また、運転切替時に、暖房用温湯の温湯回路外への排出や、冷却源冷水の温湯回聞内への混入が発生しないため、暖房用温湯の水質管理を阻害しない。適正な水質管理が保たれない場合、ボイラ等の温湯加温（暖房）用熱源や暖房用温湯回路が腐食・損傷の危険にさらされる。
【００１６】
冷却源として、冷却塔の他、地下水または農業用水（別系統の冷却源）が使用可能である。地下水や農業用水の場合、冷水注入自動弁１５ｂを作動させて低温側熱交換器１２の冷水側を機能させるが、冷水注入口１８の手動弁１５３を開け、冷水の流路２１の２つの手動弁１５１、１５２を閉めて、冷水注入口１８から低温側熱交換器１２、排水溝１７へ至る流路を形成することによって、冷水用冷却塔１３を利用しない冷却源を確保することができる。したがって図のように２系統の冷却源を備えることによって、冷却塔と併設して、他方をバックアップとして位置づけることができる。
また、熱媒流路切替用自動弁セット１５ａは、図４のような三方自動弁２２とすることもある。逆止弁１６は、省略する場合もある。
【００１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によると、１基の排熱回収兼用炭酸ガス供給システムを設置し、炭酸ガス供給時には、２台の熱交換器１１、１２を結ぶ閉じた流路に熱媒流体を循環させ、高温側熱交換器１１は、排ガス冷却・凝縮装置として作動させるので、低温で除湿された炭酸ガスが得られ、ポリダクト等によって温室内の離れた適所に炭酸ガスを供給することができる。暖房だけの場合は、２つの熱交換器１１、１２を結ぶ流路を暖房用温湯回路に組み込み、温室に熱を与えて温度の下がった還湯を、ボイラ等の熱源に戻る前に高温側熱交換器１１を通すことで排ガスの排熱回収が可能になり省エネルギー化が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す概要構成図である。
【図２】本発明の炭酸ガス供給時の運転状態を示すシステム説明図である。
【図３】本発明の排熱回収時の運転状態を示すシステム説明図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す概要構成図である。
【符号の説明】
１０ 排ガスの流れ方向を示す矢印
１１ 高温側熱交換器
１２ 低温側熱交換器
１３ 冷水用冷却塔
１４ａ 熱媒流体用循環ポンプ
１４ｂ 冷水用循環ポンプ
１５１，１５２，１５３，１５４ 手動弁
１５ａ 熱媒流路切替用自動弁セット
１５ｂ 冷水注入用自動弁
１６ 逆止弁
１７ 排水溝
１８ 冷水注入口
１９ 熱媒流体の流路
２０ 暖房用温湯回路還湯管
２１ 冷水の流路
２２ 三方自動弁

Claims (5)

1. ボイラ等の排ガス出口に高温側熱交換器（１１）を取付け、該熱交換器（１１）は熱媒流体の流路（１９）により熱媒流路切替用自動弁セット（１５ａ）および熱媒流体用循環ポンプ（１４ａ）を介して低温側熱交換器（１２）へ連結され、該低温側熱交換器（１２）は熱媒流体の流路（１９）により高温側熱交換器（１１）へ連結され、また高温側熱交換器（１１）は熱媒流体の流路（１９）により熱媒流路切替用自動弁セット（１５ａ）を介して暖房用温湯回路還湯管（２０）へ連結され、該還湯管（２０）は熱媒流路切替用自動弁セット（１５ａ）と熱媒流体用循環ポンプ（１４ａ）の間で熱媒流体の流路（１９）に連結され、また低温側熱交換器（１２）は冷水の流路（２１）により冷水用冷却塔（１３）へ連結され、該冷却塔（１３）は冷水の流路（２１）により冷却用循環ポンプ（１４ｂ）を介して低温側熱交換器（１２）へ連結される構成の施設園芸用温室における排熱回収兼用炭酸ガス供給システム。
2. ボイラ等の排ガス出口に高温側熱交換器（１１）を取付け、該熱交換器（１１）は熱媒流体の流路（１９）により三方自動弁（２２）および熱媒流体用循環ポンプ（１４ａ）を介して低温側熱交換器（１２）へ連結され、該低温側熱交換器（１２）は熱媒流体の流路（１９）により高温側熱交換器（１１）へ連結され、また高温側熱交換器（１１）は熱媒流体の流路（１９）により三方自動弁（２２）を介して暖房用温湯回路還湯管（２０）へ連結され、該還湯管（２０）は三方自動弁（２２）と熱媒流体用循環ポンプ（１４ａ）の間で熱媒流体の流路（１９）に連結され、また低温側熱交換器（１２）は冷水の流路（２１）により冷水用冷却塔（１３）へ連結され、該冷却塔（１３）は冷水の流路（２１）により冷却用循環ポンプ（１４ｂ）を介して低温側熱交換器（１２）へ連結される構成の施設園芸用温室における排熱回収兼用炭酸ガス供給システム。
3. 冷水注入口（１８）から冷水注入用自動弁（１５ｂ）を経る流路は低温側熱交換器（１２）に連結され、さらに該低温側熱交換器（１２）から排水溝（１７）に至る流路へと連結される構成の請求項１または２記載の施設園芸用温室における排熱回収兼用炭酸ガス供給システム。
4. 炭酸ガス供給時の運転において、高温側熱交換器（１１）と低温側熱交換器（１２）との間を熱媒流体の流路（１９）と熱媒流体用循環ポンプ（１４ａ）を介して連結される循環流路を形成すると共に、低温側熱交換器（１２）と冷水用冷却塔（１３）との間を冷水の流路（２１）と冷却用循環ポンプ（１４ｂ）を介して連結される循環流路を形成し、ボイラ等から排出される高温・高湿の排ガスから高温側熱交換器（１１）により熱を奪った熱媒流体を低温側熱交換器（１２）に導き、冷水に熱を与えて高温側熱交換器（１１）に戻すことを特徴とする施設園芸用温室における排熱回収兼用炭酸ガス供給システムの運転方法。
5. 排熱回収時の運転において、暖房用温湯回路還湯管（２０）の途中に熱媒流体の流路（１９）を連結し、暖房用温湯回路還湯管（２０）から熱媒流体の流路（１９）によって熱媒流体用循環ポンプ（１４ａ）、低温側熱交換器（１２）、高温側熱交換器（１１）の循環流路を通り暖房用温湯回路還湯管（２０）へと戻るバイパス流路を形成し、暖房用温湯回路還湯管（２０）内を流れる暖房用温湯の一部を前記バイパス流路に導き、ボイラ等から排出される高温・高湿の排ガスから高温側熱交換器（１１）により熱を奪った熱媒流体を暖房用温湯回路還湯管（２０）に戻すことを特徴とする施設園芸用温室における排熱回収兼用炭酸ガス供給システムの運転方法。

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