JP2013059285A - 植物生育システム - Google Patents

Abstract

【課題】同一空間内において、適正温度環境が異なっている複数種の植物を同時に生育する。
【解決手段】植物生育工場Ｆ内の空間Ｒには、上下多段に、植物生育棚１０、２０、３０が設置され、各植物生育棚１０、２０、３０には、栽培用のプランター１１ａ〜１１ｃ、２１ａ〜２１ｃ、３１ａ〜３１ｃが設けられている。空調機４２、５２からの空調空気は、吹出口４３、５３から空間Ｒの下方に吹き出され、空間内の雰囲気は、高さ方向に異なった位置にある吸込口４６、５６、又は吸込口４７、５７から吸い込まれる。空間Ｒは置換換気による空調が行なわれ、吸込口４６、５６、４７、５７の開閉操作により、空間Ｒ内の高さ方向の温度勾配を、各植物生育棚１０、２０、３０の植物の適正温度環境に応じて変化させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、植物生育空間の空調設備を備えた植物生育システムに関するものである。

完全制御型植物工場は、植物の生育にとって最適な環境を人工的に作り出すことで、外乱影響を受けずに作物の生産日数を大幅に削減でき、場所依存性が無く、無農薬で無洗浄・周年・計画生産が可能となるようにした施設である。これまで栽培棚の複数段配置や栽培室のユニット化、施設の自動化などにより、土地の有効利用や生産コストの低下が図られてきているが、工場の稼働には高額の初期投資が必要で、生産に要する光熱費なども高額であることから採算に乗せることは容易ではなく、さらなる生産コストの削減が喫緊の課題となっている。

完全制御型植物工場は、温湿度にも高い制御が必要である。季節を問わずに高品質の作物を生産できるようにするため、外乱を抑える高い断熱性の建物となっており、生産に不可欠な光環境構築に伴う熱放出により、多くの完全制御型植物工場では年間冷房となっている。また、単品種の生育好適温度となるように室内を均一な環境とする恒温室が一般的であり、たとえば天井や壁などに多数の吹出し器具を配置し、室内全域を攪拌して温湿度調整をしている。

従来この種の植物工場や植物生育空間の空調設備としては、エネルギー削減を目的とした温室内空調設備がある（特許文献１）。これは太陽光利用型を含めた植物工場において、日射などによる夏の暑熱対策を主な目的とし、置換換気により温室内下部だけを効率良く冷却して省エネ化を図るものである。その他、多段式植物栽培棚の周りをカーテンで包囲し、多数の小孔を有するダクトからカーテン内に給気する植物等の栽培室も提案されている（特許文献２）。

実開平５−６９５４９号公報 実公平４−７７２６号公報

しかしながら、前記した従来の技術は、いずれも空調対象となる植物生育空間に向けて多数の小孔から空調空気を吹き出すようにしており、それによって均一な温度制御を行なうものである。したがって、同一品種の植物の生育には適するものの、適正成育温度環境が異なっている複数品種の異なった植物を成育するには適さないものである。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、適正温度環境が異なっている複数種の植物を、同一空間内において同時に生育することを目的としている。

前記目的を達成するため、本発明の植物生育システムは、植物を生育するための空間に対して、空調機によって空調を行なう空調設備を備えた植物生育システムであって、前記空間内に上下複数段に設置され、植物栽培用プランターを載置する植物用ステージと、温度成層を保つ風速に調整された、空調機からの空調空気を前記空間の下方に吹き出す吹出口と、前記吹出口よりも高い位置にて、上下方向に高さを変えて前記空間内の雰囲気を吸い込んで、前記空調機に送る吸込口装置と、を有することを特徴としている。

本発明によれば、空調機からの空調空気を空間の下方に温度成層を保つ風速で吹き出し、吹出口よりも高い位置にて、空間内の雰囲気を吸い込んで空調機に戻すので、当該空間に対して置換換気を実施して、空間内を平面的には均一で高さ方向に温度勾配のある、いわゆる温度成層を構築することができる。そして上下方向に高さを変えて前記空間内の雰囲気を吸い込むことが可能であるから、吸い込み高さを変えることで、高さ方向の温度勾配を変化させることができる。したがって、適正成育温度環境が異なっている複数品種の異なった植物であっても、上下複数段に設置された植物用ステージの植物栽培用プランターに、当該成育温度環境の高低に対応して栽培し、それに応じて、前記温度勾配を変化させることで、適正温度環境が異なっている複数種の植物を、同一空間内において同時に生育することが可能である。

前記吸込口装置は、高さ方向の異なった位置に複数の吸込口を有し、各吸込口の開閉が独立して自在であってもよい。

前記吸込口装置は、高さ方向に移動可能な吸込口を有するものであってもよい。

さらにまた前記空調機の空調空気の吹き出し風量や温度は可変であるようにしてもよい。

本発明によれば、適正温度環境が異なっている複数種の植物を、同一空間内において同時に生育することが可能である。

実施の形態にかかる植物生育工場の構成の概略を模式的に示した説明図である。 高さ方向の異なった吸込口の開閉制御による高さ方向の温度勾配の変化を示すグラフである。 適正温度環境の異なった３種類の植物と高さ方向の温度勾配との関係を示すグラフである。 適正温度環境の異なった２種類の植物と高さ方向の温度勾配との関係を示すグラフである。 給気温度を変化させたとき、または給気風量を変化させたときの高さ方向の温度勾配の変化を示すグラフである。 １の吸込口によって吸い込み高さを変化させる空調設備を有する植物生育工場の構成の概略を模式的に示した説明図である。

図１は、実施の形態にかかる植物生育システムとしての植物生育工場Ｆの構成の概略を模式的に示しており、この植物生育工場Ｆ内の空間Ｒには、上下多段に（図の例では、３段）、植物用ステージとしての、植物生育棚１０、２０、３０が設けられている。なお最下段の植物生育棚１０については、床面１の上に直接設置してもよく、あるいは基台や支柱（いずれも図示せず）の上に、設置してもよい。

各植物生育棚１０、２０、３０には、各々複数の生育ユニット１１、２１、３１が設けられている。図の例では、各々４基の生育ユニットが設けられている。さらに各生育ユニット１１、２１、３１は、それぞれ多段のプランターを有している。例えば最上段の植物生育棚３０の生育ユニット３１について説明すると、この生育ユニット３１は、例えば上下３段にプランター３１ａ、３１ｂ、３１ｃを有している。

各プランター３１ａ、３１ｂ、３１ｃの天井部には、各々照明装置３２が設けられ、各プランター３１ａ、３１ｂ、３１ｃに栽培されている植物に対して、所定の照度の光を照射する。他の植物生育棚１０、２０の各生育ユニット１１、２１も同様に、上下３段のプランター１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃを有しており、各プランタープランター１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃの天井部には、各々照明装置１２、２２が設けられている。

植物生育工場Ｆ内の空間Ｒの、たとえば両側には、空調設備４１、５１が設置されている。空調設備４１、５１は同一構成であるから、一側（図中の左側）の空調設備４１について説明すると、この空調設備４１は、空調機４２と、この空調機４２からの空調空気（例えば冷気）を、空間Ｒの下方に向けて吹き出す吹出口４３と、植物生育工場Ｆの壁面に沿って上下方向に設けられている吸込口装置４４とを有している。空調機４２は、冷水コイル４２ａとファン４２ｂを有している。

吸込口装置４４は、たとえば植物生育工場Ｆの壁面に沿って上下方向に設けられたダクト４５における高さ位置が異なった２箇所に、吸込口４６、４７が形成されている。図の例では、下側の吸込口４６が、中段の植物生育棚２０に向けて、上段の吸込口４７が、上段の植物生育棚３０に向けて設定されている。吸込口４６、４７には、ダンパ、たとえばモーターダンパＭＤが設けられており、遠隔操作でダンパの開閉、並びに開度調整を行なうことが可能になっている。もちろんモーターダンパに代えて、手動ダンパを用いてもよい。

他側（図中の右側）の空調設備５１も、前記した空調設備４１と同様、空調機５２と、空調機５２からの空調空気を空間Ｒの下方に向けて吹き出す吹出口５３と、植物生育工場Ｆの壁面に沿って上下方向に設けられている吸込口装置５４、ダクト５５の上下方向の異なった高さ位置に設けられた、吸込口５６、５７を有している。

実施の形態にかかる空調設備を有する植物生育工場Ｆは、以上の構成を有しており、空調機４２、５２を作動させると、吹出口４３、５３から床面付近に対して、所定の温度、あるいは所定の温湿度に調整された空調空気が吹き出される。そして空調空気より高温の室内雰囲気は、上昇し、吸込口４６、４７、５６、５７から還気として吸い込まれ、再び空調機４２、５２へと戻される。吹出口からの吹出し風速は、空間Ｒの温度成層を乱さないように０．２ｍ／ｓ程度の風速以下とする。これによって、空間Ｒに対して、置換換気がおこなわれ、空間Ｒは、平面的には温度が均一で、かつ高さ方向には温度勾配を有する、いわゆる温度成層が構築される。また、吹出口として、特開２００７−３２２０４９号公報等に記載された旋回流誘引型の置換換気用給気ユニットを用いる場合は、吹出し開口面における風速が１．２ｍ／ｓ程度以下であれば温度成層が保たれる。また、吹出口は壁面から横方向に吹出す方式に限らず、床面から吹き出す方式であっても良く、この場合は吹出口の開口面における風速を０．２ｍ／ｓ程度以下とすれば良い。さらにまた、床吹出し方式として、特開平９−２５０８０３号公報等に記載された旋回流型の床吹出し方式を用いる場合は、吹出口の開口面における風速を０．５ｍ／ｓ程度以下とすれば良い。なお、床吹出し方式では、各吹出し口にダンパを設けて開度調整をしたり、フィルタを設けたりするなどして、各吹出口の風速が均一になるように調整すると良い。

ここで、各吸込口４６、４７、５６、５７に設けられたモーターダンパＭＤは、各々その開閉、開度調整を独立して行なうことが可能であるから、これらを操作することで、空間Ｒ内において、高さ方向で異なった温度勾配を形成することが可能である。

例えば図２に示したように、下側の吸込口４６、５６の開度を１００％とし、上側の吸込口４７、５７の開度を０％（閉鎖）とした場合、図２中のａで示したように、吸込口４６、５６の高さを境界として温度勾配が変化する、即ち吸込口４６、５６の高さまで所定の温度勾配を形成し、それ以上の高さでは高さの変化に対して温度の変化が小さくなる高さ方向の温度勾配を、空間Ｒ内において実現できる。そして下側の吸込口４６、５６の開度を０％（閉鎖）とし、上側の吸込口４７、５７の開度を１００％とした場合、図２中のｃで示したように、吸込口４７、５７の高さを境界として温度勾配が変化する、即ち吸込口４７、５７の高さまで所定の温度勾配を形成し、それ以上の高さでは高さの変化に対して温度の変化が小さくなる高さ方向の温度勾配を、空間Ｒ内において実現できる。
また下側の吸込口４６、５６の開度を５０％、上側の吸込口４７、５７の開度も５０％とした場合には、図２中のｂで示したように、吸込口４７、５７と吸込口４６、５６の中間程度の高さを境界として温度勾配が変化する、即ち吸込口４７、５７と吸込口４６、５６の中間程度の高さまで所定の温度勾配を形成し、それ以上の高さでは高さの変化に対して温度の変化が小さくなる高さ方向の温度勾配を、空間Ｒ内において実現できる。

したがって、かかる吸込口４６、４７、５６、５７の開閉、開度調整を行なうことで、空間Ｒ内において、同時に、適正生育温度が異なった多品種の植物を同時に生育することが可能である。

たとえば、冷涼性野菜（Ａ種）、冷涼性野菜よりも高温の環境が生育に適した中温性野菜（Ｂ種）、中温性野菜よりもさらに高温の環境が生育に適した高温性野菜（Ｃ種）を同時に生育する場合には、下側の吸込口４６、４６の開度を０％（閉鎖）とし、上側の吸込口４７、５７の開度を１００％とすれば、図３に示したような高さ方向の温度勾配を形成して、各品種Ａ種、Ｂ種、Ｃ種に適した温度環境を形成することができ、空間Ｒにおいて、これらＡ種、Ｂ種、Ｃ種を同時に生育することができる。したがって、かかる場合、下段の植物生育棚１０の各生育ユニット１１の各プランター１１ａ、１１ｂ、１１ｃには、冷涼性野菜（Ａ種）を栽培し、中段の植物生育棚２０の各生育ユニット２１の各プランター２１ａ、２１ｂ、２１ｃには、冷涼性野菜よりも高温の環境が生育に適した中温性野菜（Ｂ種）を栽培し、上段の植物生育棚３０の各生育ユニット３１の各プランター３１ａ、３１ｂ、３１ｃには、中温性野菜よりもさらに高温の環境が生育に適した高温性野菜（Ｃ種）を栽培するようにすればよい。

また冷涼性野菜（Ａ種）と高温性野菜（Ｃ種）の２種類の野菜を同時に生育する場合には、下側の吸込口４６、４６の開度を１００％とし、上側の吸込口４７、５７の開度を０％（閉鎖）とすれば、図４に示したような高さ方向の温度勾配を形成することができ、Ａ種、Ｃ種に適した温度環境を形成することができ、空間Ｒにおいて、これらＡ種、Ｃ種を同時に生育することができる。この場合、下段の植物生育棚１０の各生育ユニット１１の各プランター１１ａ、１１ｂ、１１ｃには、冷涼性野菜（Ａ種）を栽培し、中段の植物生育棚２０の各生育ユニット２１の各プランター２１ａ、２１ｂ、２１ｃと、上段の植物生育棚３０の各生育ユニット３１の各プランター３１ａ、３１ｂ、３１ｃには、各々高温性野菜（Ｃ種）を栽培するようにすればよい。

なお上記した例では、吸込口４６、４７、５６、５７は、いずれも空間Ｒの各植物生育棚１０、２０、３０に向けて設置していたが、これら吸込口４６、４７、５６、５７の方向は、どの位置に向いていてもよい。また上記した例では、空調空気の吹出口４３、５３は、壁面下方に設置されていたが、床面１上に設けてもよい。ここでは、各プランターに設けられた照明装置の発熱により空間Ｒ内の空気が加温されるので、ヒータなどの設備は用いていない。

さらにまた上記した例では、空調空気の温度を一定にしていたが、冷水コイル４２ａを制御して空調空気の給気温度を調整するようにしてもよい。さらにまた、ファン４２ｂやモーターダンパＭＤを調整して、給気風量自体を制御してもよい。これによって、たとえば図５に示したように、温度勾配の傾き自体を変えずに、温度自体を高温側や低温側にシフトすることができる。給気温度を低くするかあるいは給気風量を大きくすると低温側にシフトし、給気温度を高くするかあるいは給気風量を小さくすると高温側にシフトする。したがって、これを利用して、吸込口４６、４７、５６、５７の開閉との組み合わせにより、さらに様々な品種の植物に対して、より適切な温度環境を提供することができる。

またたとえ同一品種の植物を各植物生育棚１０、２０、３０に栽培した場合であっても、前記した温度勾配による温度環境の調整、さらにはこれに加えて給気温度、給気風量の１つまたは双方を組み合わせて調整することで、収穫時期を植物生育棚１０、２０、３０ごとにずらすことも可能である。このような栽培方法は、生育に必要な要因に積算温度量が寄与する品種にとって有効である。

また対象となる植物の品種に応じて、ダクト４５、５５や、空調機４２、５２の下流側、たとえば吹出口４３、５３に、炭酸ガス供給部や水分供給部を設け、空間Ｒ内に供給するようにしてもよい。炭酸ガス供給部や水分供給部を設ける場合、空間Ｒ内に、適宜二酸化炭素濃度センサや湿度センサを設置し、その計測値に基づいて、供給する二酸化炭素ガスや水分の量を制御するようにしてもよい。

前記した例では、吸込口の高さ方向の位置を変えるために、高さ方向に異なった位置にそれぞれ吸込口４６、４７、５６、５７を設置するようにしたが、もちろん設置する吸込口の数は任意である。また複数の吸込口を高さ方向の異なった位置に設置することに代えて、１つの吸込口自体を上下動させるようにしてもよい。

図６に示した例は、空調設備４１、５１で使用されるダクト４８、５８を伸縮自在としたものであり、このダクト４８、５８の上端部近傍に吸込口４９、５９を設けてある。伸縮自在な構成としては、たとえばダクト自体をベローズ構成としたり、あるいは多重ダクト構造として、たとえば内側のダクトを上下方向にスライド自在とすることで実現できる。

かかる構成によれば、モーターダンパＭＤは、吸込口４９、５９に設ける必要はなく、ダクト４８、５８における基部（空調機４２、５２の近傍）に設置すればよい。

このように吸込口４９、５９自体を上下動させることで、図１に示した例と同様、吸込口の高さを変えることで、空間Ｒ内の高さ方向の温度勾配を変化させることができ、それによって適正温度環境が異なった複数種の植物を、空間Ｒ内において同時に生育することが可能である。

なお図６に示した例では、ダクト４８、５８における空調機４２、５３入口側に、導入ダクト６１、６２を設け、さらに各導入ダクト６１、６２に専用のダンパ、例えばモーターダンパＭＤを設けているので、必要に応じて、外気を取り入れることも可能になっている。これによって、中間期や冬期のように外気をそのまま利用できる場合には、外気を還気と混合して吹出口４２、４３から空間Ｒ内下方に吹き出させ、外気導入分を空間Ｒの天井付近に設けた排気口（図示せず）から排気するようにすれば、空調機４２、５２が要するエネルギーを低減させつつ、上記した例と同様、温度成層を空間Ｒに対して構築することが可能である。

本発明は、生育適正温度環境が異なった複数の品種の植物を、同一空間内で同時に生育する場合に有用である。

１ 床面
１０、２０、３０ 植物生育棚
１１、２１、３１ 生育ユニット
１２、２２、３２ 照明装置
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ プランター
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ プランター
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ プランター
４１、５１ 空調設備
４２、５２ 空調機
４２ａ 冷水コイル
４２ｂ ファン
４３、５３ 吹出口
４４、５４ 吸込口装置
４５、５５ ダクト
４６、４７、５６、５７ 吸込口
４８、５８ ダクト
４９、５９ 吸込口
６１、６１ 導入ダクト
Ｆ 植物生育工場
Ｒ 空間

Claims (5)

1. 植物を生育するための空間に対して、空調機によって空調を行なう空調設備を備えた植物生育システムであって、
   前記空間内に上下複数段に設置され、植物栽培用プランターを載置する植物用ステージと、
   温度成層を保つ風速に調整された、空調機からの空調空気を前記空間の下方に吹き出す吹出口と、
   前記吹出口よりも高い位置にて、上下方向に高さを変えて前記空間内の雰囲気を吸い込んで、前記空調機に送る吸込口装置と、
   を有することを特徴とする、植物生育システム。
2. 前記吸込口装置は、高さ方向の異なった位置に複数の吸込口を有し、
   各吸込口の開閉が独立して自在であることを特徴とする、請求項１に記載の植物生育システム。
3. 前記吸込口装置は、高さ方向に移動可能な吸込口を有することを特徴とする、請求項１に記載の植物生育システム。
4. 前記空調機の空調空気の吹き出し風量は可変であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の植物生育システム。
5. 前記空調機の空調空気の温度は可変であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の植物生育システム。

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