JP2018198537A - 植物栽培システム及び空調管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーの利用効率に優れるとともに、大掛かりな設備投資を不要として低コスト化を図ることができる植物栽培システム及び空調管理システムを提供する。【解決手段】植物栽培システム１は、植物栽培施設１０と、データセンター２０と、雪氷施設３０とを有している。雪氷施設３０は、熱媒体を冷却する雪氷３１を貯留する雪氷貯留部３２と、雪氷３１が融解した融解水３１Ｗを排出する融解水排出部３３と、を有している。データセンター２０は、雪氷３１が冷却した熱媒体を利用して空調管理される。植物栽培施設１０は、雪氷３１が融解した融解水３１Ｗを利用して空調管理される。【選択図】図１

Description

本発明は、植物栽培システム及び空調管理システムに関する。

近年、気温、湿度、天候などの外部環境の影響を受けない次世代農業として、自然光又は人工光を光源として植物を栽培する植物工場（植物栽培施設）が注目されている。このような植物工場では、栽培空間内の環境を制御するべく、外部からの熱流入（夏季）や外部への熱流出（冬季）に対応するための冷却施設や加熱施設を導入することが必須となっている。

例えば、特許文献１には、太陽熱集熱装置と吸着式冷凍機を備えた温室用空気調和装置が開示されている。また、特許文献２には、地中に埋設したメタン発酵槽から放出された発酵エネルギー（熱、電力）を植物栽培施設に供給するエネルギー供給システムが開示されている。さらに、特許文献３には、間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機を備えた雪氷利用空調システムが開示されている。

特開２０１１−９２１６３号公報 特開２０１４−７９８０号公報 特開２０１６−１０９３４０号公報

しかしながら、特許文献１の太陽熱集熱装置と吸着式冷凍機、及び、特許文献２のメタン発酵槽は、植物工場に特化した専用の設備であり、初期コストとランニングコストが膨大になってしまう。この技術課題は、特許文献１、２に限られず、植物工場全般に当てはまり、植物工場が利益を生み出し難いビジネスと言われる理由の１つとなっている。特許文献３の雪氷利用空調システムは、間接外気冷房機と雪氷冷水冷房機を併用運転するモードと何れか一方を単独運転するモードを状況に応じて使い分けているが、エネルギーの利用効率の点で改良の余地がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、エネルギーの利用効率に優れるとともに、大掛かりな設備投資を不要として低コスト化を図ることができる植物栽培システム及び空調管理システムを提供することを目的の１つとする。

本実施形態の植物栽培システムは、その一態様では、植物栽培施設と、データセンターと、雪氷施設とを有し、前記雪氷施設は、熱媒体を冷却する雪氷を貯留する雪氷貯留部と、前記雪氷が融解した融解水を排出する融解水排出部と、を有し、前記データセンターは、前記雪氷が冷却した前記熱媒体を利用して空調管理され、前記植物栽培施設は、前記雪氷が融解した前記融解水を利用して空調管理される、ことを特徴としている。

本実施形態の空調管理システムは、その一態様では、第１、第２の空調管理施設と、雪氷施設とを有し、前記雪氷施設は、熱媒体を冷却する雪氷を貯留する雪氷貯留部と、前記雪氷が融解した融解水を排出する融解水排出部と、を有し、前記第１の空調管理施設は、前記雪氷が冷却した前記熱媒体を利用して空調管理され、前記第２の空調管理施設は、前記雪氷が融解した前記融解水を利用して空調管理される、ことを特徴としている。

本発明によれば、エネルギーの利用効率に優れるとともに、大掛かりな設備投資を不要として低コスト化を図ることができる植物栽培システム及び空調管理システムを提供することができる。

本実施形態による植物栽培システムの構成を示す図である。 植物工場の内部構成を示すブロック図である。 間接気化空調装置の内部構成を示す概念図である。 ドライ流路が生成した乾燥冷気とウェット流路が生成した高温多湿空気をともに植物工場の内部に供給している状態を示す図である。 ドライ流路が生成した乾燥冷気とウェット流路が生成した高温多湿空気をともに植物工場の外部に排出している状態を示す図である。 ドライ流路が生成した乾燥冷気を植物工場の内部に供給し、ウェット流路が生成した高温多湿空気を植物工場の外部に排出している状態を示す図である。 ドライ流路が生成した乾燥冷気を植物工場の外部に排出し、ウェット流路が生成した高温多湿空気を植物工場の内部に供給している状態を示す図である。

図１に示すように、本実施形態による植物栽培システム１は、植物工場（植物栽培施設）１０と、データセンター２０と、雪山施設３０とを有している。

植物工場１０は、例えば、野菜や果物などの植物を栽培（生育）するための施設である。植物工場１０は、気温、湿度、天候などの外部環境の影響を受けることなく植物を栽培することができるという利点があり、その内部環境（栽培環境）を制御するための空調管理装置として、間接気化空調装置１１と暖房装置１２を有している。

図２に示すように、植物工場１０は、間接気化空調装置１１と暖房装置１２に加えて、植物工場１０の内部の温度を検出する温度センサ１３と、植物工場１０の内部の湿度を検出する湿度センサ１４と、温度センサ１３と湿度センサ１４の検出結果に基づいて間接気化空調装置１１と暖房装置１２を制御可能な制御装置１５とを有している。制御装置１５は、温度センサ１３の検出温度が所定の温度閾値を超えている場合（例えば夏季）に暖房装置１２を駆動せず、温度センサ１３の検出温度が所定の温度閾値を超えていない場合（例えば冬季）に暖房装置１２を駆動することができる。制御装置１５による間接気化空調装置１１の駆動態様（植物工場１０の空調管理態様）については、後に詳細に説明する。

図２に示すように、植物工場１０は、植物に人工光を照射する人工光照射ユニット１６を有している。植物への照射光は自然光と人工光のいずれも可能であるが、人工光を使用する場合には、人工光照射ユニット１６が、制御装置１５による制御の下で、人工光を照射する。

データセンター２０は、例えば、コンピュータやサーバなどの使用時に発熱する機器類を収納するための施設である。データセンター２０は、当該データセンター２０の内部の温度が所定の管理温度の範囲内となるように冷却するための空調管理装置として、間接外気冷却装置２１を有している。間接外気冷却装置２１の駆動態様（データセンター２０の空調管理態様）については、後に詳細に説明する。

雪山施設３０は、自然物又は人工物である雪山３１と、雪山３１を貯留する雪山貯留容器（雪山貯留部）３２と、雪山貯留容器３２から延びる融解水排出配管（融解水排出部）３３とを有している。融解水排出配管３３は、植物工場１０の間接気化空調装置１１に接続されている。雪山貯留容器３２において雪山３１が融解して融解水３１Ｗになると、当該融解水３１Ｗが融解水排出配管３３から排出されて植物工場１０の間接気化空調装置１１に供給される。融解水排出配管３３には、当該融解水排出配管３３における融解水３１Ｗの流れを促進するポンプ３３Ｐが設けられている。

植物工場１０の暖房装置１２とデータセンター２０の間接外気冷却装置２１は、熱媒体（例えば水）を循環させる熱媒体循環配管４０によって接続されている。以下、熱媒体循環配管４０のうち、暖房装置１２から間接外気冷却装置２１に熱媒体を供給する部分のことを下り配管４０Ａと呼び、間接外気冷却装置２１から暖房装置１２に熱媒体を供給する部分のことを上り配管４０Ｂと呼ぶ。

下り配管４０Ａの中間部分は雪山施設３０の直下に位置（埋設）しており、雪山施設３０の雪山３１によって下り配管４０Ａを流れる熱媒体が冷却される（例えば７℃〜１２℃）。つまり、下り配管４０Ａを流れる熱媒体から熱を奪われることで、雪山施設３０の雪山３１が融解して融解水３１Ｗになる。下り配管４０Ａのうち雪山施設３０とデータセンター２０の間に位置する部分には、下り配管４０Ａにおける熱媒体の流れを促進するポンプ４０ＡＰが設けられている。

なお、データセンター２０の間接外気冷却装置２１から出る上り配管４０Ｂを途中で二股に分岐させて、一方を植物工場１０の暖房装置１２に接続し、他方を下り配管４０Ａの雪山施設３０よりも上流部分に接続（合流）することができる。この場合、上り配管４０Ｂは、暖房装置１２の駆動状態では暖房装置１２に熱媒体を供給し、暖房装置１２の非駆動状態では下り配管４０Ａの雪山施設３０よりも上流部分に熱媒体を供給（還流）することができる（上り配管４０Ｂにそのような開閉弁を設けてこれを開閉制御することができる）。

データセンター２０の間接外気冷却装置２１には、下り配管４０Ａを介して、雪山施設３０の雪山３１が冷却した熱媒体が供給される。間接外気冷却装置２１は、雪山施設３０の雪山３１が冷却した熱媒体を利用して、データセンター２０の内部の循環空気を冷却する（内気を循環させながら冷気を作り出す）。間接外気冷却装置２１は、外気を室内に導入しないため湿度変動がなく、除湿器や加湿器、加湿のための給水が不要であり、ランニングコストを削減できるという利点を有する。間接外気冷却装置２１から出る上り配管４０Ｂを流れる熱媒体は、間接外気冷却装置２１における熱交換によって加熱されている（例えば４５℃〜５０℃）。

植物工場１０の暖房装置１２には、上り配管４０Ｂを介して、間接外気冷却装置２１における熱交換によって加熱された熱媒体が供給される。暖房装置１２は、間接外気冷却装置２１における熱交換によって加熱された熱媒体を利用して、植物工場１０の内部を暖める。

植物工場１０は、暖房装置１２に加えて／代えて、間接気化空調装置１１によっても空調管理される。間接気化空調装置１１は、融解水排出配管３３が排出した融解水３１Ｗを利用して植物工場１０の空調管理を行う。間接気化空調装置１１は、融解水排出配管３３が排出した融解水３１Ｗと植物工場１０の外部からの外気の供給を受けて、乾燥冷気と高温多湿空気を生成する。

図３に示すように、間接気化空調装置１１は、複数（図３では３つ）のウェット流路１１Ｗと、複数（図３では４つ）のドライ流路１１Ｄとを積層した積層流路を有している。ウェット流路１１Ｗとドライ流路１１Ｄの入口部と出口部の少なくとも一方の方向は、紙面上下方向と紙面直交方向で異なっている。隣接するウェット流路１１Ｗとドライ流路１１Ｄは、隔壁１１Ｂによって区画されている。隔壁１１Ｂは、ウェット流路１１Ｗの側に保水面（例えば不織布）を有しており、ドライ流路１１Ｄの側に防水面を有している。ウェット流路１１Ｗには、例えば、入口部と出口部の少なくとも一方において、紙面上下方向の上側から下側に向かって、融解水排出配管３３が排出した融解水３１Ｗが供給される。ドライ流路１１Ｄには、例えば、入口部と出口部の少なくとも一方において、紙面直交方向の表側から裏側に向かって、植物工場１０の外部からの外気が供給される。ウェット流路１１Ｗは、融解水３１Ｗを気化させることで、高温多湿空気を生成する。ドライ流路１１Ｄは、ウェット流路１１Ｗでの融解水３１Ｗの気化熱により外気の熱を奪うことで、乾燥冷気を生成する。なお、ドライ流路１１Ｄが生成した乾燥冷気の一部をウェット流路１１Ｗに供給することで、ウェット流路１１Ｗにおける融解水３１Ｗの気化現象を促進してもよい。

ウェット流路１１Ｗとドライ流路１１Ｄの入口部と出口部の少なくとも一方の方向が紙面上下方向と紙面直交方向で異なっている理由は、ウェット流路１１Ｗに供給される融解水３１Ｗとドライ流路１１Ｄに供給される外気の干渉を防ぎ、且つ、ウェット流路１１Ｗが生成する高温多湿空気とドライ流路１１Ｄが生成する乾燥冷気の干渉を防ぐためである。

ここで、間接気化空調装置１１の構成には自由度があり、例えば、ウェット流路１１Ｗとドライ流路１１Ｄが入口部から出口部に至るまで一貫して交差（直交）しているクロスフロータイプ、ウェット流路１１Ｗとドライ流路１１Ｄが入口部と出口部では交差（直交）しているが中間部では平行となるカウンターフロータイプ、又は、ウェット流路１１Ｗとドライ流路１１Ｄが入口部から中間部に至るまでは平行であるが出口部では交差（直交）しているパラレルフロータイプなどを採用することができる。

間接気化空調装置１１は、ドライ流路１１Ｄが生成した乾燥冷気とウェット流路１１Ｗが生成した高温多湿空気を植物工場１０の内部に供給するか植物工場１０の外部に排出するかを切り替えるための切り替えダクト機構（図示略）を有している。

制御装置１５は、上記切り替えダクト機構を制御して、温度センサ１３の検出温度が所定の温度閾値を超えている場合（例えば夏季）にドライ流路１１Ｄが生成した乾燥冷気を植物工場１０の内部に供給し、温度センサ１３の検出温度が所定の温度閾値を超えていない場合（例えば冬季）にドライ流路１１Ｄが生成した乾燥冷気を植物工場１０の外部に排出することができる。

制御装置１５は、上記切り替えダクト機構を制御して、湿度センサ１４の検出湿度が所定の湿度閾値を超えている場合（例えば夏季）にウェット流路１１Ｗが生成した高温多湿空気を植物工場１０の外部に排出し、湿度センサ１４の検出湿度が所定の湿度閾値を超えていない場合（例えば冬季）にウェット流路１１Ｗが生成した高温多湿空気を植物工場１０の内部に供給することができる。

制御装置１５は、上記切り替えダクト機構を制御して、温度センサ１３の検出温度と湿度センサ１４の検出湿度の双方に基づいて、ドライ流路１１Ｄが生成した乾燥冷気とウェット流路１１Ｗが生成した高温多湿空気を植物工場１０の内部に供給するか植物工場１０の外部に排出するかを切り替えることができる。例えば、季節に関係なくその時の気候により、また日中か夜間かにより、温度センサ１３の検出温度と湿度センサ１４の検出湿度がリアルタイムに変動し得るので、これに適切に対応するべく、ドライ流路１１Ｄが生成した乾燥冷気とウェット流路１１Ｗが生成した高温多湿空気を植物工場１０の内部に供給するか植物工場１０の外部に排出するかを切り替えることができる。

図４Ａは、ドライ流路１１Ｄが生成した乾燥冷気とウェット流路１１Ｗが生成した高温多湿空気をともに植物工場１０の内部に供給している状態を示している。図４Ｂは、ドライ流路１１Ｄが生成した乾燥冷気とウェット流路１１Ｗが生成した高温多湿空気をともに植物工場１０の外部に排出している状態を示している。図４Ｃは、ドライ流路１１Ｄが生成した乾燥冷気を植物工場１０の内部に供給し、ウェット流路１１Ｗが生成した高温多湿空気を植物工場１０の外部に排出している状態を示している。図４Ｄは、ドライ流路１１Ｄが生成した乾燥冷気を植物工場１０の外部に排出し、ウェット流路１１Ｗが生成した高温多湿空気を植物工場１０の内部に供給している状態を示している。

図４Ｂにおいて、ドライ流路１１Ｄが生成する乾燥冷気とウェット流路１１Ｗが生成する高温多湿空気が無い又は少ない場合は、更なる省エネルギーのため、ファンを駆動停止して乾燥冷気と高温多湿空気の外部排出を停止してもよい。勿論、図４Ｂのように、ファン駆動を継続して乾燥冷気と高温多湿空気の外部排出を継続することで、植物工場１０における乾燥空気及び／又は高温多湿空気の需要が復活した時に早急な対応（制御）が可能となる。

このように、本実施形態による植物栽培システム１では、初期コストとランニングコストが膨大になる傾向がある植物工場１０において、周辺のインフラであるデータセンター２０を利用することで、省エネルギー運用を可能にしている。すなわち、植物工場１０に必要な冷熱源と加熱源を賄うために、植物工場１０に併設したデータセンター２０とのエネルギー利用の合理化を実現している。植物工場１０とデータセンター２０は、温熱と冷熱を同時に利用する施設であり、これらを併設して、従来捨てていた熱や水といったインフラを再利用することで、総合的な省エネルギー化（植物工場１０にとっては低エネルギーコスト化）を図ることができる。

より具体的に、本実施形態による植物栽培システム１では、雪山施設３０と植物工場１０が融解水排出配管３３で接続され、この融解水排出配管３３を介して、雪山貯留容器３２において雪山３１が融解した融解水３１Ｗが植物工場１０の間接気化空調装置１１に供給される。そして、間接気化空調装置１１が、融解水３１Ｗを利用して、植物工場１０の内部の空調管理を実行する。これにより、エネルギーの利用効率に優れるとともに、大掛かりな設備投資を不要として低コスト化を図ることができる植物栽培システム１が実現可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

上記実施の形態では、植物工場１０の併設施設をデータセンター２０とした場合を例示して説明したが、冷熱と温熱を使用又は生成する施設であれば、応用して適用することが可能である。例えば、蒸気工程を備えた工場において１００℃以下の温水を暖房に利用する構成が考えられる。また、図示は省略するが、ボイラー等で発生する二酸化炭素を浄化して利用することで、さらなるランニングコストの低減を図ることが考えられる。

上記実施の形態では、雪山３１が冷却した熱媒体を利用して空調管理される「第１の空調管理施設」としてデータセンター２０を例示し、雪山３１が融解した融解水３１Ｗを利用して空調管理される「第２の空調管理施設」として植物工場１０を例示して説明した。しかし、本発明の適用対象は、植物工場１０とデータセンター２０の組み合わせに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能である。例えば、第１、第２の空調管理施設として、病院や介護施設、食品保管施設、飲料品保管施設などを設定することができる。

上記実施の形態では、雪山３１が冷却した熱媒体と雪山３１が融解した融解水３１Ｗを利用して空調管理する場合を例示して説明したが、雪山３１の保持が難しい場合には、河川や海洋を利用した空調管理も可能である。すなわち、河川や海洋の異なる箇所（例えば上流と下流、浅瀬と深瀬）から抽出した水を利用して、植物工場１０とデータセンター２０（第１、第２の空調管理施設）の空調管理を実行することができる。

上記実施の形態では、熱媒体を冷却するとともに融解水を排出する施設として、雪山施設を用いる場合を例示して説明したが、雪山施設に代えて雪氷施設を用いる態様も可能である。「雪氷」は、単純な雪山だけでなく当該雪山からできた氷を含む点で、「雪山」よりも広い概念の文言である。

本発明は、野菜や果物などの植物を栽培（生育）するための植物栽培システム及びその他空調管理システムに適用して好適である。

１０ 植物工場（植物栽培施設、第２の空調管理施設）
１１ 間接気化空調装置
１１Ｗ ウェット流路
１１Ｄ ドライ流路
１１Ｂ 隔壁
１２ 暖房装置
１３ 温度センサ
１４ 湿度センサ
１５ 制御装置
１６ 人工光照射ユニット
２０ データセンター（第１の空調管理施設）
２１ 間接外気冷却装置
３０ 雪山施設（雪氷施設）
３１ 雪山（雪氷）
３２ 雪山貯留容器（雪山貯留部、雪氷貯留部）
３３ 融解水排出配管（融解水排出部）
３３Ｐ ポンプ
４０ 熱媒体循環配管
４０Ａ 下り配管
４０ＡＰ ポンプ
４０Ｂ 上り配管

Claims (6)

1. 植物栽培施設と、データセンターと、雪氷施設とを有し、
   前記雪氷施設は、熱媒体を冷却する雪氷を貯留する雪氷貯留部と、前記雪氷が融解した融解水を排出する融解水排出部と、を有し、
   前記データセンターは、前記雪氷が冷却した前記熱媒体を利用して空調管理され、
   前記植物栽培施設は、前記雪氷が融解した前記融解水を利用して空調管理される、
   ことを特徴とする植物栽培システム。
2. 前記植物栽培施設は、前記雪氷が融解した前記融解水と前記植物栽培施設の外部からの外気の供給を受けて乾燥冷気と高温多湿空気を生成する間接気化空調装置を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の植物栽培システム。
3. 前記間接気化空調装置は、前記融解水が供給されるウェット流路と前記外気が供給されるドライ流路を積層した積層流路を有し、前記ウェット流路は、前記融解水を気化させて前記高温多湿空気を生成し、前記ドライ流路は、前記ウェット流路での前記融解水の気化により前記外気の熱を奪うことで前記乾燥冷気を生成する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の植物栽培システム。
4. 前記間接気化空調装置は、前記乾燥冷気と前記高温多湿空気を前記植物栽培施設の内部に供給するか前記植物栽培施設の外部に排出するかを切り替えることができる、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の植物栽培システム。
5. 前記データセンターは、前記雪氷が冷却した前記熱媒体を利用して前記データセンターの内部の循環空気を冷却する間接外気冷却装置を有する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の植物栽培システム。
6. 第１、第２の空調管理施設と、雪氷施設とを有し、
   前記雪氷施設は、熱媒体を冷却する雪氷を貯留する雪氷貯留部と、前記雪氷が融解した融解水を排出する融解水排出部と、を有し、
   前記第１の空調管理施設は、前記雪氷が冷却した前記熱媒体を利用して空調管理され、
   前記第２の空調管理施設は、前記雪氷が融解した前記融解水を利用して空調管理される、
   ことを特徴とする空調管理システム。