水はすべての生き物にとってなくてはな� ��ないものである。水の供給は生活、農業、� ��業の発展の要ともいえる。しかし、水は優� ��た溶媒であるため好ましくない汚染物の受� ��皿ともなる。農業用に地下水をくみ上げる� ��とは土壌の劣化や沈泥による肥料分の減少� ��枯渇、それに塩害を引き起こす。

 土地の灌漑、特に砂漠の灌漑は砂漠の緑� ��をもたらしその土地の農業生産性を著しく� ��善することになる。しかし、砂漠地域での� ��漑技術はごく限られたものである。そもそ� ��、水は少ないのだから。遠く離れたところ� ��ら真水を配水することは資材やシステムの� ��スト面から制約で通常は有効でなく、移送� ��の蒸発によるロスもある。また灌漑により� ��旦地中に浸透した水は地表からの盛んな蒸� ��により毛管現象で下から上に引き上げられ� ��発する。このとき地中で水に溶解した塩類� ��地表での蒸発に伴い析出し、塩類が地表に� ��積する現象を招き、植生に適さない土壌へ� ��変質させ所謂塩害を引き起こす。さらに乾� ��地域の地下水には通常微量の塩分が含まれ� ��いるため、灌漑に使用するといずれ土地は� ��害をこうむることになる。そうして、灌漑� ��た土壌から洗い流すのに十分な量の豊富な� ��質の水がない限り、灌漑地は結局植生に適� ��た土壌環境としては使えなくなる。

 閉空間を包み込み内部の気候を穏やかにす� ��構造体(Large Climate Moderating Envelope、 LCME)� �アイデアは古く1960年代に発表されている(非 特許文献1)。直径2kmに及ぶ布製エアドーム(197 1年)やジェッダ空港ターミナル(425、000m ² )といった大規模なLCMEの建設、あるいはアリ� ��ナの砂漠にLCMEを作って農耕地化したケース の経済評価(1983年)が発表されている。これら はいずれも空間内部の気候を穏やかにするこ とで植生や省エネルギーを提案するにとどま るもので、水の供給までを提案するものでは なかった。

 空気を媒体とした蒸留方法であって、水蒸� ��器と水凝縮器を組み合わせて造水とともに� ��気を生成して、水と冷気を温室に供給する� ��物育成装置が特許に開示されている(特許文 献1)。
Proceedings of ISES 1983 Solar World Congress,  (1983) vol.1 1217-1221

特開平4-156990号公報

 本発明は、大規模な空間を有する空気膜� ��造体において、灌漑に不適な水資源から湿� ��な空気を供給するとともに、植生に必要な� ��水を供給する手段を提供することを課題と� ��る。

[1]本発明は、膜を有するドームと、ドーム内 に膜支持用の空気を送入する送風機と、送風 機により送入される膜支持用の空気を通じて 水分含有量を増大させた湿り空気とし、膜支 持用の空気の水分含有量を外気よりも高める 水蒸発器と、空気の流れを通じ、その空気か ら水分を真水として回収する水凝縮器とを有 する空気構造体である。
[2]あるいは、本発明は、膜を有するドームと 、ドーム内に膜支持用の空気を送入する送風 機と、送風機により送入される膜支持用の空 気を通じて水分含有量を増大させた湿り空気 とする水蒸発器と、水蒸発器からの湿り空気 の流れを通じ、その湿り空気から水分を真水 として回収し、残余の水分を含む空気をドー ム内部空間へ送入する水凝縮器とを有する空 気膜構造体である。
[3]あるいはまた、本発明は、水蒸発器におい て、送風機により送入される膜支持用の空気 を原水と直接接触させて水分含有量を増大さ せるとともに使用後の原水を系外に排出する ようにした空気膜構造体である。
[4]あるいはまた、本発明は、水蒸発器は、高 温循環液通路と熱交換可能に結合された熱交 換プレートと、隣接する熱交換プレート間に 形成された外気通路とを有し、水蒸発器が高 温循環液を熱媒体としてヒートポンプの冷媒 凝縮器と熱的に接続され、水蒸発器の外気通 路内の熱交換プレートの表面を濡らすように 原水を流下させて外気を湿り空気に変換し、 水凝縮器は、低温循環液通路と熱交換可能に 接続された熱交換プレートと、隣接する熱交 換プレート間に形成された湿り空気通路とを 有し、水凝縮器が低温循環液を熱媒体として ヒートポンプの冷媒蒸発器と熱的に接続され 、湿り空気から水を凝縮させ真水として回収 するようにされている空気膜構造体である。
[5]あるいはまた、本発明は、冷媒吐出管に接 続されたヒートポンプの冷媒凝縮器として外 気通路が形成された水蒸発器の表面を濡らす ように原水を流下させて接触させることで外 気を湿り空気に変換し、冷媒吸入管に接続さ れたヒートポンプの冷媒蒸発器として湿り空 気通路が形成された水凝縮器の表面において 湿り空気から水を凝縮させて真水として回収 するようにされている空気膜構造体である。
[6]あるいはまた、本発明は、原水循環路の中 間部に設けた加熱器により水蒸発器へ供給す る原水又は循環原水を加熱するに際し、加熱 器がヒートポンプの冷媒凝縮器である空気膜 構造体である。
[7]あるいはまた、本発明は、原水循環路の中 間部に設けた加熱器により水蒸発器へ供給す る原水又は循環原水を加熱するに際し、加熱 器がヒートポンプの冷媒凝縮器と高温循環液 を介して熱的に接続している空気膜構造体で ある。
[8]あるいはまた、本発明は、少なくとも水蒸 発器の熱交換プレートの外気通路側表面が親 水性を有する空気膜構造体。
[9]空気膜構造体のドームの側壁がドームを構 成する膜材により形成されている空気膜構造 体である。
[10]あるいはまた、本発明は、空気膜構造体� �膜がポリエチレン、ポリプロピレン、塩化� �ニル樹脂、ポリエステル又はフッ素樹脂か� �なる空気膜構造体である。
[11]あるいはまた、本発明は、上記の空気膜� �造体を用いた灌漑方法であって、回収した� �水を空気膜構造体内部の土壌の灌漑に利用� �る灌漑方法である。
[12]あるいはまた、本発明は、上記の空気膜� �造体を用いた灌漑方法であって、空気膜構� �体内部空間を植物育成に利用する灌漑方法� �ある。
[13]あるいはまた、本発明は、植物を育成す� �ことのできる内部空間を有するドームと、
太陽光または風力発電により発電する発電設 備と、
発電設備により発電された電気エネルギーを 動力源とするヒートポンプと、
塩分を含む水源から原水を採取する水源設備 と、
ヒートポンプにより水を蒸発、凝縮させて水 分を含んだ空気と真水を製造する送風・造水 装置とからなる、
送風・造水装置で発生した水分を含んだ空気 を空気膜構造体のドームの支持用空気とし、 併せて、送風・造水装置で製造された真水を 空気膜構造体の内部空間の灌漑に用いる灌漑 システム。
[14]
あるいはまた、本発明は、上記空気膜構造体 の内部空間の温度調節方法であって、送風・ 造水装置の排気を用いる温度調節方法。

 本発明は、空気膜構造体に必須の加圧空� ��を発生させる送風を水の蒸留に用いること� ��、真水を調製するために全く独立に必要な� ��塩設備や蒸留設備を必要とせず、さらに、� ��の沸点において操業する通常の蒸留のよう� ��高温を使わないのでエネルギー消費が少な� ��、安全性が高い上に、一旦蒸発させた水は� ��水または空気中の水分として余すところな� ��利用できるという効果がある。

 この空気中の水分と真水を利用して、植� ��の育成を自然水に乏しい砂漠地帯などにお� ��て促進でき、その緑化に貢献できる。

 本発明においては、圧縮機で発生する熱� ��水蒸発器で外気又は水を含んだ空気の温度� ��高めるために利用するためエネルギーの消� ��を減らすことができる。

 本発明においては、水蒸発器と水凝縮器� ��それぞれヒートポンプの冷媒凝縮器と冷媒� ��発器として機能させるため、エネルギー効� ��を高めることができる。

 本発明においては、ヒートポンプの圧縮� ��程で発生する熱を原水の加熱に利用できる� ��め、蒸発効率を容易に高めることができ、� ��た、水蒸発器の水蒸発媒体として織物、不� ��布などを用いる簡単な構造をとることがで� ��る。

 本発明においては、水蒸発媒体表面に薄� ��水の膜を形成できるので原水・外気の接触� ��積を実質的に拡大できるため蒸発効率を高� ��ることができる。

 本発明においては、高ライズ型空気膜構� ��体は、建設が容易で低ライズ型の側壁のよ� ��な構造物を要しないので、砂漠などのイン� ��ラストラクチャーに乏しい地域では特に有� ��である。

 本発明においては、高耐候性のフッ素樹� ��、低コストのポリオレフィン(ポリエチレン 、ポリプロピレンなど)、塩化ビニル樹脂又� �ポリエステル樹脂を使用することでそれぞ� �の特徴を生かすことができる。

 本発明においては、上記の空気膜構造体� ��用いることで内部空間に耕作可能な空間を� ��供できるという効果を奏する。

 本発明においては、砂漠などのインフラの� ��備されていない地域においても、空気膜構� ��体を用いてドーム部分、発電設備、ヒート� ��ンプ、水源設備、送風・造水装置をシステ� ��化することで内部に植物育成可能な空間を� ��供できるという効果を奏する。
 本発明においては、送風・造水装置から排� ��される排気を用いることで空気膜構造体の� ��部空間を冷却できるという効果を奏する。

 [空気膜構造体]
 本発明の空気膜構造体1を説明する。空気膜 構造体1は、ドーム2とドーム形状を維持する� ��めの加圧空気を送入する送風機7を備える。 図1に示す空気膜構造体1は、送風機7は水蒸発 器4と水凝縮器5をダクト6により結合された送 風・造水装置3に組み込まれている。また、� �2に示す空気膜構造体1では、送風機7は水蒸� �器4のドーム側(内部側)に設けられているが� �外部側であってもよく、一方、水凝縮器5は� ��ーム2からの排気が流通するように設けられ ているが、ドーム2への送気が流通するよう� �設けられていてもよい。

 空気膜構造体1は、耐候性を有し可撓性ま たは柔軟性のある膜材によって室内の気密性 を高めることができるように形成したもので あって、室内を送風機7によって常時送風し� �排気用ダンパ(図示せず)を経て適宜排気(換� �)させながら室内空気圧を外気圧よりやや高� ��維持するようにされている。

 空気膜構造体1のドーム2には、側壁を有� �それに固定される形式の低ライズ型と、側� �を有さず膜材が地面に実質的に直接接する� �式の高ライズ型があるが、本発明の空気膜� �造体としては、高ライズ型が経済性から好� �しく用いられる。

 空気膜構造体1のドーム2の構造は、膜構� �として単膜構造、二重膜構造などの公知の� �造のものが使用できる。膜材は、通常、合� �樹脂シートを使用し、積層構造をとること� �でき、合成樹脂膜とガラス繊維、合成樹脂� �維を積層して強度を高めた積層シートを使� �できる。膜材の材質は過酷な気象条件、た� �えば、砂漠の気候、日射への耐候性、飛砂� �暴風に対する機械的強度を有することが求� �られる。また、膜材自体は透明または不透� �なものが使用されるが、その外面側に遮光� �などの遮光部材を設けることができる。膜� �に用いる樹脂としては、ポリフッ化ビニル� �脂、ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリテト� �フルオロエチレン樹脂、エチレン-テトラフ� ��オロエチレン共重合樹脂、ポリヘキサフル� ��ロプロピレン樹脂、フッ化ビニリデン(VDF)� �ヘキサフルオロプロピレン(HFP)の二元共重合 体、VDFとHFPとテトラフルオロエチレン(TFE)の� ��元共重合体、およびVDFとクロロトリフルオ� ��エチレン(CTFE)の二元共重合体などのフッ素� ��脂、塩化ビニル樹脂、ポリエチレン樹脂、� ��リプロピレン樹脂、ポリエステル樹脂など� ��使用できるが、前記フッ素樹脂が耐候性の� ��で好ましいものとして挙げられるが、比較� ��短期間の使用を目的とする場合にはポリオ� ��フィン(ポリエチレン、ポリプロピレンなど )、塩化ビニル樹脂やポリエステル樹脂が経� �性から選択される。

 上記膜材によって形成された屋根部の重量� ��、膜材、膜固定金物、ケーブル等の部材の� ��類により異なるが、通常2~30kg/m ² 、一般的には5~10kg/m ² である。この屋根を支持するためには、構造 体の内外圧差(内圧)を大気圧より高く保てば� ��い。しかし、突風によって膜がバタつく(フ ラックリング)のを防ぐため、また、積雪に� �る負荷で変形または破損することのないだ� �の余裕を持たせることが必要である。

 空気膜構造体1内部の空気は、200mm水柱以� ��の圧力を保持する。使用する環境に応じて� ��例えば、5~10mm水柱だけ大気圧よりも高く保� ��ばよいことになるが、通常、内圧は10~80mm水 柱程度とし、また、沙漠、海岸などでは数十 ないし百数十mm水柱とするのが好ましい。

 また、この種の空気膜構造体1は、ドアの 開閉や換気等のため、常時、漏気されており 、これらの漏気量は、気候、天候、昼夜など の使用状況によって変化する。従って、これ らの漏気量の変化に備えて前記内圧を維持す るために、補助用又は予備用の送風機を備え ることができる。

 空気膜構造体1を支持する空気を送入する送 風機7は、次に述べる送風・造水装置3の水蒸� ��器4と水凝縮器5との位置関係は任意であり� �送風・造水装置3に外気の気流を導入するこ� ��ができればよい。例えば、外気取入口8、空 気吐出口9、水蒸発器4と水凝縮器5の中間に設 置することができる。また、送風機7は、送� �・造水装置3とは別に付加的に設置すること� ��できる。さらに、送風・造水装置3に使用す る送風機の気流の一部をバイパスさせて直接 空気膜構造体内部に送入することもできる。
[送風・造水装置]
 図1に示す送風・造水装置3について図3を用� ��て説明する。水蒸発器4と水凝縮器5が分離� �た図2の場合も蒸留の作用は同様である。送� ��・造水装置3は送風機7と水蒸発器4と水凝縮� ��5並びに水蒸発器4と水凝縮器5との間で熱交� ��するための熱交換サイクルからなる。水蒸� ��器4は上部より原水として海水や汽水、鹹水 などの灌漑用に適さない水を供給し、水蒸発 器4を流下する間に空気の流れと接触させ、� �を蒸発させて空気中の相対湿度を上昇させ� �装置である。原水として真水を用いること� �できる。

 水蒸発器4ではドーム2に送風する空気の� �対湿度を上昇させる。水蒸発器4を上から下� ��流下する水とそれを横切って送風される空� ��とが接触する時間は極短いため、空気への� ��分の単位時間当たりの移動速度を大きくす� ��ことが装置の形状から重要である。水蒸発� ��4の効率を良くするためには、形状的に水と 空気の接触面積を大きくすることで相対的な 接触時間の増大を図ることができる。また、 流下させる水の膜を薄くすることで流下する 海水や汽水、鹹水等の原水のうち単位水量あ たりの蒸発水量を大きくすることができ、循 環原水量を減らせるので効率的であり好まし い。

 即ち貴重な水資源を水蒸発器で蒸発させ� ��に際して水蒸発器を流下する水膜を可能な� ��り薄くすることにより、(1)熱交換を効率的� ��行う、(2)水資源の供給に用いるエネルギー� ��最小にする、(3)濃縮を高度に行うことによ� ��供給水中に溶存した塩類を有利に回収する� ��とができる。

 水蒸発器の原水との接触面は、親水性表� ��である。特に水の接触角がほとんど0°であ� ��超親水性表面とすることがより好ましい。� ��体の固体上への広がりは、一般に固体の表� ��エネルギーと液体の表面エネルギーおよび� ��体表面の微細形状により決まる。したがっ� ��、親水性表面は大きな表面エネルギーをも� ��た物質を微少な凹凸を持った形状に平面上� ��形成させて得られる。

 親水表面を有する水蒸発器4では、上部か ら供給された水は速やかに水蒸発器4の表面� �広がり、薄膜を形成して流下するため、気� �の接触効率および熱交換効率は飛躍的に向� �しドームに送風する空気中の相対湿度の上� �を飛躍的に大きくすることができる。

 水の蒸発量は温度に大きく依存すること� ��知られている。即ち、空気中の飽和水蒸気� ��は1立米当たり20℃では約17g、40℃では約51g� �60℃では約130gである。水蒸発器4で流下する� ��から水分が蒸発する際、気化熱が奪われ、� ��蒸発器4の温度は低下する。水蒸発器4の温� �が低下すると水の蒸発が抑制され好ましく� �い。そのため、水蒸発器4は温度を上昇させ� ��仕組みをもたせることができる。例えば、� ��凝縮器4との熱交換によるヒートポンプの利 用が好適である。また、流下させる水をあら かじめ加熱しておくこともでき、熱源として は太陽光も利用できる。

 加熱は下記の実施例1のように水蒸発器4� �行うこともできるが、原水循環路15の中間部 とすることもできる。例えば、原水槽12、上� ��水槽11、又は原水循環路15の任意の位置であ ってもよく、形状も限られない。熱交換を水 蒸発器4で行う必要がない場合、水蒸発器4の� ��水・外気接触媒体として織物、不織布、フ� ��ルターなどの表面に微細構造を有する材料� ��使用することができる。

 水分を蒸発し濃縮された海水や汽水、鹹� ��は水蒸発器4の下部より排出され、原水槽12� ��回収される。濃縮された海水や汽水、鹹水� ��さらなる濃縮工程を経て塩類を回収するこ� ��で資源として利用することができる。また� ��濃縮された海水や汽水、鹹水をドーム内の� ��放水路に導き、自然蒸発によりドームに内� ��水分を供給するとともに海水や汽水、鹹水� ��さらに濃縮し、以後の塩類の回収を容易に� ��ることもできる。

 水蒸発器4の形状は流下する原水とそれを 通過する空気が効率よく接触することと、流 下する水の気化熱による温度低下を補償する 熱交換を効率よく行うことに留意され決定さ れる。具体的には多数の薄板(フィン)と熱媒� ��通路から構成される広く熱交換器に採用さ� ��ているラヂエータ形や熱媒体通路が熱交換� ��レートに密接して設置された形などが推奨� ��れる。

 水蒸発器4では、水凝縮器5の間にフィル� �ーなどを配置することで飛沫同伴による塩� �の同伴を防ぐことが好ましい。その場合、� �気中に水蒸気として同伴される水や回収さ� �た水を真水として植生に利用し易くなる。

 水蒸発器4を通過した空気は、そのまま空 気膜構造体1のドーム2に導入してもよく、次� ��述べる水凝縮器5に通じて、含有する水の一 部を液体の真水として回収し、凝縮しなかっ た水を含有する空気として空気膜構造体1に� �入することもできる。導入される空気は、� �気が含有するよりも多くの水を含むように� �凝縮器5の操業条件を決めることが好ましい� ��

 水蒸発器4で加湿された空気を水凝縮器5� �通過させて冷却することで空気中の相対湿� �を上昇させて飽和させ水を凝縮させる。短� �接触時間で効率的に湿り空気を冷却するた� �に、水凝縮器5の表面と通過する湿り空気と� ��温度差をできるだけ大きくして熱の移動効� ��を大きくする。また、このように形状的に� ��気と凝縮器の接触する面積を大きくするこ� ��で接触時間の増大を図る一方、凝縮した水� ��液滴とし水凝縮器から速やかに排出するこ� ��ができる。

 水凝縮器5は、水蒸発器4との熱交換によ� �ヒートポンプの利用により冷却する。また� �独立の冷凍機により調製した冷媒により冷� �することもできる。水凝縮器5を通過した空� ��は通常外気よりも低温であるので、これを� ��気膜構造体内部空間に通じることで内部空� ��の温度を調節することができる。

 水凝縮器5は、空気圧を一定に保つために 空気膜構造体1から外部へ排気される気流を� �いて行うこともできる。この場合、冷却さ� �た空気が排気されるので、適度の湿度を伴� �たエアコンディショニングに利用すること� �できる。

 本発明の空気膜構造体を用いて灌漑シス� ��ムを構成することができる。すなわち、空� ��膜構造体のドーム部分、発電設備、ヒート� ��ンプ、水源設備、送風・造水装置からなり� ��これらの要素設備を機能させることで内部� ��植物育成可能な空間を有する空気膜構造体� ��中心とする灌漑システムを構成できる。

 ここで、発電設備としては、太陽光発電� ��、風力発電に依存できない夜間や荒天時に� ��え、または安定した電源を確保するために� ��電設備を設けることもできる。蓄電設備と� ��ては、従来から使用されている鉛蓄電池な� ��のほか、大型リチウムイオン二次電池や超� ��導蓄電システム等を使用するができる。