JP2014150759A

JP2014150759A - 施設栽培の環境制御システム

Info

Publication number: JP2014150759A
Application number: JP2013022917A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kano; 敦狩野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2014-08-25

Abstract

【課題】従来の温室では、室内の気温を栽培作物の変動する生育適温に上手く合わせることができなかった。
【解決手段】気温を設定値として制御に用いる施設栽培の環境制御システムにおいて、気温を含む複数のパラメータから植物の純光合成速度を算出する光合成モデルを用い、設定値における純光合成速度と、その設定値より小さい数値と大きい数値におけるそれぞれの純光合成速度とを算出し、その設定値よりもその他の数値の純光合成速度の方が大きい場合には、その大きい数値を新たな設定値に更新する。環境パラメータでも重要な気温を室外環境の変化に対応して変動する生育適温に精度良く追従させることで、エネルギーを有効に利用しながら、栽培環境として最適なものを実現することに成功している。
【選択図】図４

Description

本発明は、施設栽培の環境制御システムに関し、特に室内の気温の制御に特徴を有する環境制御システムに関するものである。

温室、ビニールハウス、植物工場等の施設栽培では、露地栽培と異なり、種々の設備や機器により、室内の気温、湿度、ＣＯ_２濃度、土壌用水分等の環境パラメータがある程度までは制御可能となっており、これら環境パラメータは栽培作物の生長や品質を向上させることを目標として制御されている。

而して、気温を例に挙げると、栽培作物を含めて植物には総じて生育適温があり、日射等に影響されて、日中は高く夜間は低くなることが分かっていることから、従来は、一日を幾つかの時間帯に分け、一般に知られたまたは経験的に知り得た栽培作物の生育適温を参考にある程度の幅を持たせた温度範囲を時間帯毎に設定し、その温度範囲に収まるように、昼間の日射が強いときには換気窓を開けたり、換気扇を運転させたり、逆に夜間の日射が弱いときには換気窓を閉めたり、暖房機を運転したりしている。
しかしながら、この手法では、換気系の制御機器の設定気温（上限）と暖房系の制御機器の設定気温（下限）との間の幅を持った設定温度範囲で室内の気温が維持されることになり、当該設定温度範囲であれば変動が許容されるので、そのときの室内の気温がたまたま当該栽培作物のそのときの生育適温に当たる場合が出てくるだけで、確実に常時当たるわけではない。

また、以下の特許文献１に示すように、センサー類を使用し、センサーの検知に基づいて気温を制御すれば、室内の気温は一つの設定温度（及びその近傍）に維持されるが、生育適温はＣＯ_２濃度等他の環境パラメータにも影響されるので、そのときの設定温度（＝室内の気温）も必ずしも当該栽培作物のそのときの生育適温になっているとは限らない。

特開２０１０−２３３４７７号公報

気温が当該栽培作物の生育適温から外れた場合には、人工的に気温を制御しても、その栽培に有意義とはならず、機器の作動によりエネルギーを無駄に消費するだけとなる。

本発明は、上記課題を解決するものであり、室外環境が変化しても、室内の気温を常に栽培作物の生育適温に合わせて制御でき、植物の生育や品質を向上できる、新規且つ有用な施設栽培の環境制御システムを提供することを、その目的とする。

本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、請求項１の発明は、気温を設定値として制御に用いる施設栽培の環境制御システムにおいて、気温を含む複数のパラメータから植物の純光合成速度を算出する光合成モデルを用い、設定値における純光合成速度と、その設定値より小さい数値と大きい数値におけるそれぞれの純光合成速度とを算出し、その中で最も大きい純光合成速度を与える数値を新たな設定値として更新する設定値更新手段を備えることを特徴とする環境制御システムである。

請求項２の発明は、請求項１に記載した施設栽培の環境制御システムにおいて、環境パラメータは、気温、日射、ＣＯ_２濃度、及び風速とし、日射、ＣＯ_２濃度として測定値を、風速として推定値または測定値をそれぞれ利用して、純光合成速度を算出することを特徴とする環境制御システムである。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載した施設栽培の環境制御システムにおいて、気温を複数の制御機器を用いて制御することを特徴とする環境制御システムである。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載した施設栽培の環境制御システムにおいて、気温以外の環境パラメータの設定および気温を含む環境パラメータの監視を、ネットワークを介して行うと共に、前記環境パラメータの監視情報の報知メールを送出することを特徴とする環境制御システムである。

本発明の施設栽培の環境制御システムによれば、室外環境が変化しても、室内の気温を常に栽培作物の生育適温に合わせて制御できる。

本発明の実施の形態に係る施設栽培の環境制御システムを適用した温室の構成図である。気温の設定値の決定フローチャートである。図２のフローチャート用の説明図である。図１のシステムと従来のシステムとによる室内の気温制御に関する比較図である。図１の施設栽培の環境制御システムの設定・監視側の構成図である。

以下、本発明の実施の形態に係る施設栽培の環境制御システム１を図面にしたがって説明する。
図１は、施設栽培の環境制御システム１の構成図である。この環境制御システム１では、土壌上に立設されて内部空間を外気と遮蔽する温室３に、温室３内の気温を制御するための換気窓５、ヒートポンプ７、温風暖房機９が備えられている。また、日射を制御するための遮光カーテン１１、ＣＯ_２濃度を制御するためのＣＯ_２発生機１３が備えられている。また、湿度を制御するための除湿機１５、散水機１７が備えられ、さらに、上記した換気窓５、ヒートポンプ７、温風暖房機９が、湿度の制御用に併用されている。
また、日射センサー１９と、温度センサー２１と、湿度センサー２３と、ＣＯ_２濃度センサー２５が備えられている。
これらは、全て、室内環境コントローラ２７に接続されている。

室内環境コントローラ２７は、気温や湿度の設定値更新手段としての機能を担っており、植物モデルを利用して更新処理をしている。更新の指標として植物モデル、具体的には、光合成モデルと蒸散モデルを利用しており、これらモデルは室内環境コントローラ２７に内蔵されている。
以下、本発明の特徴をなす、気温の設定値について処理内容を説明する。
気温の設定値は光合成モデルを利用して決定している。
光合成モデル内部での計算方法は種々考えられるが、一例として、酵素反応式と拡散方程式の連立式の解を光合成速度とし、その算出した光合成速度から光呼吸速度と暗呼吸速度を差し引いたものを純光合成速度としている。

従って、以下のものが、算出式になっている。

純光合成速度の算出に必要な環境パラメータは、気温、日射、ＣＯ_２濃度、及び風速であり、日射とＣＯ_２濃度についてはセンサーによる測定値を利用し、風速については換気状態からの推測値を利用する。

上記した数式で算出される純光合成速度が最大となるように、気温の設定値を決定する。
具体的には、図２に示すように、コンピュータは、日射センサー１９とＣＯ_２濃度センサー２５から日射とＣＯ_２濃度の測定値をそれぞれ取得すると共に、風速を推定し、気温については［現在の設定値（℃）］と、［現在の設定値−α（℃）］と、［現在の設定値＋α（℃）］の３通りに分けて、それぞれの気温の場合の純光合成速度を算出する。
そして、この３通りの中から最大の純光合成速度を与える気温を、新たな設定値とする。従って、図２に示すように、［現在の設定値（℃）］での純光合成速度より、［現在の設定値−α（℃）］または［現在の設定値＋α（℃）］のいずれかまたは両方が純光合成速度が大きい場合には、最大の純光合成速度を与える［現在の設定値−α（℃）］または［現在の設定値＋α（℃）］を新たな設定値として更新することになり、設定値が変更される。
純光合成速度は、気温の変化によって変化し、しかも、日中が高くなり夜間から朝にかけて低い凸形になることから、上記した比較手法により効率良くしかも的確に設定値を決定できる。

なお、αは、現在実施しているシステムでは「１（℃）」に設定しているが、これは一例であり、あまり広げると無駄になるが、具体的な範囲は制御機器の性能や栽培作物の生育適温の曲線の温度依存性を考慮して、適宜設定することが推奨される。
また、この手法によれば、図３（１）〜（３）の場合には、新しい設定値は、そのときの生育適温に一致し、図３（４）の場合には若干ずれるが、計算の簡略化を優先している。

上記した環境制御システム１によれば、図４（１）に示すように、栽培作物の生育適温に室内の気温を合わせる最適制御を達成できる。なお、図４（２）は、従来の幅を持った温度範囲に室内の気温を収めるように制御した場合を示すものであり、比較のために示してある。

湿度の制御は、蒸散モデルを利用して気温の制御と同様なアイデアに基づいて決定している。その他の環境パラメータ、例えば、日射、土壌の水分含量、ＣＯ_２濃度の設定範囲については、植物パラメータに基づいて自動的に格別に設定され、遮光カーテン１１の開閉、散水機１７、ＣＯ_２発生機１３の運転などが行われるようになっている。

このように、この環境制御システム１では、気温と湿度と言った栽培作物生育に重要なものの制御については、栽培植物の特性に該当する植物パラメータを入力するだけで良く、従来のように制御機器毎に設定値を入力する必要はない。
そして、この環境制御システム１によれば、リアルタイムで室外環境の変化に対応させて、常に気温や湿度の設定値を自動的に更新しており、特に、環境パラメータでも重要な気温を室外環境の変化に変動する生育適温に精度良く追従させることで、エネルギーを有効に利用しながら、栽培環境として最適なものを実現することに成功している。

この環境制御システム１では、図５に示すように、室内環境コントローラ２７側に設けたＷｅｂサーバー機能を利用して環境パラメータの設定や監視用のホームページを構築しており、利用者は、インターネットやＬＡＮを通じて接続された端末（パソコン）２９側において、Ｗｅｂブラウザを立ち上げて任意に設定したり監視したりできるようになっている。
また、この環境制御システム１では、メールサーバー機能を利用して、利用者に毎日の報告メールを送ったり、異常報知メールを送るようになっている。

さらに、監視用のデータについてはインターネット上のＷｅｂサーバー３１上に逐次送信し、そのＷｅｂサーバー３１がデータを蓄積し、それらを閲覧するためのホームページを自動生成する。従って、利用者は、インターネットやＬＡＮを通じて接続された端末（パソコン）２９側において、Ｗｅｂブラウザを立ち上げて何時でも自由に蓄積した過去のデータを閲覧することができるようになっている

以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的構成は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても発明に含まれる。
例えば、上記実施の形態では、気温の設定値の更新では、計算の簡略化のために、［現在の設定値（℃）］、［現在の設定値−α（℃）］、［現在の設定値＋α（℃）］の３つを利用しているが、それ以上多くとも良い。また、［現在の設定値（℃）］、［現在の設定値−α（℃）］、［現在の設定値＋β（℃）］のように離間範囲を異ならせてもよい。

本発明の栽培作物の環境制御システムは、既存の温室等に代えて利用できる。

１‥‥施設栽培の環境制御システム
３‥‥温室５‥‥換気窓
７‥‥ヒートポンプ９‥‥温風暖房機
１１‥‥遮光カーテン１３‥‥ＣＯ_２発生機
１５‥‥除湿機１７‥‥散水機
１９‥‥日射センサー２１‥‥温度センサー
２３‥‥湿度センサー２５‥‥ＣＯ_２濃度センサー
２７‥‥室内環境コントローラ
２９‥‥端末（パソコン）３１‥‥Ｗｅｂサーバー

Claims

気温を設定値として制御に用いる施設栽培の環境制御システムにおいて、
気温を含む複数のパラメータから植物の純光合成速度を算出する光合成モデルを用い、設定値における純光合成速度と、その設定値より小さい数値と大きい数値におけるそれぞれの純光合成速度とを算出し、その中で最も大きい純光合成速度を与える数値を新たな設定値として更新する設定値更新手段を備えることを特徴とする環境制御システム。
請求項１に記載した施設栽培の環境制御システムにおいて、
環境パラメータは、気温、日射、ＣＯ_２濃度、及び風速とし、日射、ＣＯ_２濃度として測定値を、風速として推定値または測定値をそれぞれ利用して、純光合成速度を算出することを特徴とする環境制御システム。
請求項１または２に記載した施設栽培の環境制御システムにおいて、
気温を複数の制御機器を用いて制御することを特徴とする環境制御システム。
請求項１から３のいずれかに記載した施設栽培の環境制御システムにおいて、
気温以外の環境パラメータの設定および気温を含む環境パラメータの監視を、ネットワークを介して行うと共に、前記環境パラメータの監視情報の報知メールを送出することを特徴とする環境制御システム。