ヒートポンプシステムによる農業用水路の流水中の熱利用技術

要約

農業用水路の壁面に設置した熱交換器とヒートポンプを介して、流水中の熱を利用した冷暖房が可能である。熱交換器が水中に水没し、流速が0.01m/s以上であれば、厳冬期の低水温条件下でもヒートポンプは安定かつ効率的に暖房を行える。また、夏季の冷房では、高い効率を示す。

• キーワード : 流水熱、水熱源ヒートポンプシステム、農業用水路、小流量、省エネルギー
• 担当 : 農村工学研究部門・資源利用研究領域・地域資源利用・管理グループ
• 代表連絡先 :
• 分類 : 普及成果情報

背景・ねらい

寒冷地において空気を熱源とするヒートポンプシステムを導入する場合、一定の温度以下の環境で除霜運転が行われ暖房が停止してしまう等、気温の影響を受けートポンプシステムの効率が大きく変化することが問題となっている。農研機構では、室内試験の結果から、気温に比べて温度変化が小さい農業用水をヒートポンプシステムの熱源に利用することで、高い熱通過率(熱の取り出しやすさ)および成績係数(以下、COP)が得られることを明らかにしている。しかしながら、実際の農業用水路は、年間を通し、流量、水温、流速、および水深が変化することから、流水中の熱の利用において、熱源の熱容量が低下したり熱交換器の水没深の不足が生じたりする等、ヒートポンプシステムの性能を充分に維持できない可能性があることが懸念される。そのため、流水中の熱利用技術を確立するには、時期により水理条件が異なる実際の農業用水路を対象に、年間を通しヒートポンプシステムによる熱供給試験を実施し、様々な条件下における性能を把握する必要がある。
そこで、本研究では、栃木県那須塩原市内の用水路の中にシート状熱交換器を設置し、日本で初めて、水路に隣接するイチゴを栽培する温室への熱供給試験を、年間を通し実施する(図1)。農業用水路の水理条件の変化に応じた熱交換特性を、熱通過率、採熱量およびCOPの面から評価、整理することにより、実際の農業用水路における流水を熱源とするヒートポンプシステムの運用技術の確立を目指す。

成果の内容・特徴

• 本試験に用いた流水を熱源とするヒートポンプシステムは、5kW出力のヒートポンプでシート状熱交換器2枚、室内機、ヒートポンプ、塩ビ管によって構成される(図1)。エアコンの室外機に相当するシート状熱交換器は、水路の側壁に沿わせて設置し、熱交換器表面はエキスパンドメタルで保護する。室内機およびヒートポンプは施設内に設置し、塩ビ管で熱交換器と接続する。施設内のヒートポンプと水路側壁に設置した熱交換器の距離は10～20mである。ヒートポンプシステム内は、不凍液(または、水)を循環させることで水路の流水中から採熱/排熱し、暖房/冷房で熱を供給する。
• 年間を通じたヒートポンプシステムの熱交換特性を、流速、水深、水温の違いに注目し、熱通過率、熱交換量(採熱/排熱量)、平均COPの面から整理すると、a)流速が速いほど高い熱通過率が得られる、b)熱交換器が水没する水深が確保されていれば、他の条件が低下した場合でも熱通過率、熱交換量、COPはそれほど低下しない、c)暖房時は水温が高いほど高いCOPを得られるが、冷房時はCOPへの水温の影響は小さい等の傾向がみられる(表1)。
• より具体的には、暖房時においては、農業用水路に流水(流速0.01m/s以上)が生じていれば、厳寒期の水温(約2.8～4.3°C)であっても、COP2.6～2.9の効率で暖房することができる(表1)。一方、静水(流速0.00m/s)の条件下においては、COPが一定時間で大きく変化し、60～70分に1回、暖房が停止しデフロスト運転(霜とり運転)に切り替わる。(図2)。
• 冷房時のCOPの平均値は5.4～6.0である。冷房を利用する時期は5～9月になると想定すると、農業用水路のかんがい期に対応する地域が多いため、流速、水深および流量を確保しやすく、外気温よりも低い流水温から効率的に冷房利用できる(表1と図3)。

普及のための参考情報

• 普及対象 : 施設園芸農家、農業用水の受益者、土地改良区、普及指導機関。
• 普及予定地域・普及予定面積・普及台数等 : 全国の農業用水路(幹線水路5万km、支線水路20万km)。
• その他 :
  • 流水を熱源としたヒートポンプシステムにおける設計上の指標として、熱通過率、熱交換量およびCOPが挙げられる。熱通過率はヒートポンプシステムの熱交換器での採熱に必要な面積を決定するパラメータ、熱交換量は流水中からの熱交換器での採熱量、COPは消費電力量1kWhあたりの利用する熱量(kWh)の比率を示す。熱通過率が高ければ、熱交換器の面積(設置枚数)を減らすことができる。
  • 水路と施設の距離が20m以上になる場合、循環ポンプの揚程を大きくする必要がある。
  • 実際の運用に際しては、水路の流量や水温などの水理条件以外に、水利権についても関係省庁への確認が必要である。
  • 実証試験機(5kW相当のヒートポンプシステム)の構成に関する資材コストは、ヒートポンプおよび室内機で約70万円、熱交換器2枚で約40万円、配管等その他資材で約15万円である。その他の導入コストとして電気工事費や設置にかかる施工費などが挙げられる。
  • 水深の確保について、土嚢や角落しによる簡易の堰の利用、水路床への熱交換器の水平設置などで対策可能である。

具体的データ

その他

• 予算区分 : 農林水産省(農林水産研究推進事業 : 脱炭素型農業実現のためのパイロット研究プロジェクト)
• 研究期間 : 2022～2025年度
• 研究担当者 : 三木昂史、後藤眞宏、福田浩二、石井雅久、土屋遼太、大橋雄太、高杉真司(ジオシステム株式会社)、舘野正之(ジオシステム株式会社)
• 発表論文等 :
  • 三木ら(2025)農業農村工学会論文集、320:I_1-I_12
  • 三木ら(2026)農業農村工学会論文集、322:I_87-I_100