JP5967556B2 - 植物栽培における空調装置 - Google Patents

Description

本発明は、植物工場において、植物の近傍のみの空調制御と植物の成長促進とを同時に実現する、植物栽培における空調装置に関するものである。

従来の植物工場における空調方法は、壁面に設けた空調機で栽培室全体を空調制御する方法、若しくは、多段式栽培棚に循環ファンを設置し、各段を一定方向の流れで空調制御する方法として、例えば特許文献１の空調方法がある。

図６は、特許文献１の空調方法を示す図である。矢印は空気の流れる方向を示す。植物は、箱型育苗装置２２に設置されたセルトレイ２７に定植され栽培される。閉鎖型構造物２０の壁面に設けた空調装置室内機２１によって冷却及び調湿された空気は、育苗棚２６の背面に装備した空気ファン２５を稼働させて、箱型育苗装置２２の前面側より吸引し空気室２４を経由して閉鎖型構造物２０の壁面と箱型育苗装置２２の背面との間の空間へ排出する。この空間に排出された空気は、人工照明装置２８が発する熱により加熱されており、空調装置室内機２１によって温度及び湿度を再調節され、箱型育苗装置２２の育苗空間２３の開放された前面側に再供給を繰り返す空調方法である。

また、一般的に植物の育成時に葉又は幹部に温度、湿度、及び、炭酸ガス濃度が調節された空気を適切な風速で供給することにより植物における葉の蒸散が促進され光合成も促進される。

図７は、非特許文献１に記載の風速と蒸散量との相関関係を示した図である。雰囲気温度２５度の環境において、相対湿度が５０％と、６５％と、８０％との３条件で植物の葉の近傍において風速を変化させたときの、植物の葉の中央部１０ｃｍ×１０ｃｍの面積における１時間後の蒸散量を示している。

図７より、植物の葉の蒸散に効果のある最低風速は、０．０５ｍ／ｓｅｃである。また湿度条件によって最適な風速は異なるが、植物の近傍の風速を上げることによって蒸散量が増加する。

特開２００３−５２２５３号公報

矢吹万寿・宮川秀夫、風速と光合成に関する研究（第２報） 風速と光合成との関係、農業気象第２６巻第３号、１９７０年１２月、１３９ページ

従来の空調方法の場合、図６に示すように、箱型育苗装置２２の育苗空間２３の開放された前面側から吸気され、育苗棚２６の背面に装備した空気ファン２５によって排気される構造のため、気流は常に一方向となる。また、セルトレイ２７に定植される植物が成長するに従い、気流の障害物となるため、植物の各個体に関しても、あるいは、育苗空間２３全体から見ても、風上と風下とにおいて風速差が生じ、蒸散に効果のある風が十分に当たる面と当たらない面とが発生し、蒸散量にばらつきが発生するなどの弊害が生じるという課題がある。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、植物栽培において必要な空間のみを空調制御及び炭酸ガス濃度管理をすることにより、空調負荷を低減しさらに植物に対して植物全体にかつ均一に風及び炭酸ガスを供給することより蒸散のばらつきを抑制する、植物栽培における空調装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の１つの態様によれば、温度と湿度と炭酸ガス濃度とが調節された空気を植物の近傍にのみ供給する植物栽培における空調装置であって
濃度調節された炭酸ガスを発生させる炭酸ガス発生部と、
温度と湿度とが調節された雰囲気ガス又は外気を供給する空気供給部と、
前記炭酸ガス発生部と第１ダクトを介して連結されるとともに前記空気供給部と第２ダクトを介して連結されて、前記炭酸ガス発生部から発生した前記炭酸ガスと、前記空気供給部から供給された前記雰囲気ガス又は前記外気とを混合して、混合雰囲気ガスを形成する混合部と、
前記混合部に連結されて前記混合雰囲気ガスを前記植物の近傍に向けて供給する複数の吹出し口を有する接続配管とを備え、
前記複数の吹出し口は、植物栽培装置の栽培パネルの植物植込用孔にて栽培されかつ直径Ｄ_１が１００ｍｍの外形を有する植物の前記外形の中心と同心の同心円上に配置され、前記同心円の直径Ｄ_２が１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下であり、吹出し口直後の風速が０．５ｍ／ｓｅｃであって、
前記植物栽培装置の前記栽培パネルの１箇所の植物植込用孔に対して、少なくとも３個以上の前記吹出し口を備え、かつ隣り合う前記吹出し口の中心と前記植物植込用孔の中心とがなす角度が、等角度又は略１８０度未満で設置されており、
前記植物植込用孔の中心と前記吹出し口の中心とを結んだ線を基準に、前記植物植込用孔の中心に向く角度を０度とし、前記栽培パネルと平行な面内で前記吹出し口を中心に回転する時計周りの方向を正とした角度を水平方向角度θ_１とし、前記吹出し口の最上面を基準に、前記栽培パネルと平行に前記植物植込用孔を向く角度を０度とし、鉛直上向きに向かう角度を正とした角度を垂直方向角度θ_２とするとき、
前記水平方向角度θ_１が０度以上２５度以下の場合、前記垂直方向角度θ_２は３０度以上７５度以下となり、前記水平方向角度θ_１が２５度を超えて３５度以下の場合、前記垂直方向角度θ_２は４５度以上７５度以下となり、前記水平方向角度θ_１が３５度を超えて４５度以下の場合、前記垂直方向角度θ_２は４５度以上６０度以下となるように設置されている、
空調装置を提供する。

本発明の前記態様にかかる、植物の近傍のみを空調制御しかつ炭酸ガスを供給する空調装置によれば、空調負荷及び炭酸ガスの投入量を大幅に低減することができ、かつ蒸散量の均一化により成長のばらつきを抑制することができる。

本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１は、本発明の第１実施形態の空調方法を実施する空調装置の説明図であり、 図２は、本発明の第１実施形態の空調方法における基本解析モデルの上面図であり、 図３は、本発明の第１実施形態の空調方法における基本解析モデルの図２のＡ−Ａの一部断面図であり、 図４は、本発明の第１実施形態の第１変形例において、植物の上部に排気部を追加設置した場合の構成図であり、 図５は、本発明の第１実施形態の第１変形例において、補助吹出し口を設置した場合の構成図であり、 図６は、特許文献１に記載された従来の空調方法を示す図であり、 図７は、非特許文献１に記載された風速と蒸散量の関係を示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態にかかる植物栽培における空調装置について図表を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１実施形態における植物栽培における空調方法を実施する、植物栽培における空調装置を水耕栽培装置に適応する場合の空調装置の説明図である。図１において、栽培ベッド又は育苗棚など、本発明の第１実施形態の空調方法を実施する空調装置に関する構成以外は省略されている。栽培ベッド又は育苗棚などの植物栽培装置の一部を構成する栽培パネル７は、その中央に円形の植物植込用孔８が設けられて、円形の植物植込用孔８に植物が配置されている。

本発明の前記態様における空調方法を実施する空調装置は、送風装置３０と、接続配管５と、吹出し口６とで構成されている。送風装置３０は、空気供給部１と、炭酸ガス発生部２と、混合部３とを備え、空気供給部１及び炭酸ガス発生部２は、それぞれ、混合部３と、第１及び第２ダクト４ａ，４ｂを介して連結されている。

空気供給部１は、温度及び湿度を調節する機能を有し、温度及び湿度が調節された空気（雰囲気ガス又は外気）を第１ダクト４ａを介して混合部３に供給する。

炭酸ガス発生部２は、炭酸ガスを発生するとともにその濃度を調節して、発生しかつ濃度が調節された炭酸ガスを第２ダクト４ｂを介して混合部３に供給する。

混合部３においては、炭酸ガス発生部２から発生した炭酸ガスと、空気供給部１によって温度及び湿度が調節された空気とを混合する。

空気の吹出し口６は、栽培パネル７の植物の近傍に設置されている。

接続配管５は、一端が複数個の吹出し口６と連通しかつ他端が送風装置３０の混合部３に連結している。よって、混合部３で混合された混合雰囲気ガス、言い換えれば、空気は、接続配管５を介して、栽培パネル７に設置された吹出し口６に導かれ、吹出し口６より植物に対して下方から上方に向けて、空気を供給する。例えば、図１では、栽培パネル７に設置された円形の配管部５ａにおいて、栽培パネル７の植物の周囲に、３個の吹出し口６が等間隔に配置されている。吹出し口６の開口高さは、例えば、後述する植物モデル９の第１分割部ＤＶ_１までの高さとすればよい。

また、接続配管５は、各吹出し口６と送風装置３０の混合部３とが１個ずつ連結してもよい。

なお、本発明の第１実施形態の空調方法を土耕栽培又はその他栽培方式に適応するに場合、栽培パネル７又は栽培パネル７の中央に貫通して設けられた円形の植物植込用孔８は、適応する栽培方式に応じて、適宜、置き換えればよい。例えば、土耕栽培においては、栽培パネル７は必要なく、植物植込用孔８は、植物を定植する位置に、置き換えればよい。

図２及び図３は、本発明の第１実施形態における空調方法を実施する空調装置の最適設置条件を求めるための基本解析モデルを示す図である。図２は前記基本解析モデルの上面図である。図３は前記基本解析モデルの図２のＡ−Ａの一部断面図を示す。なお、前記基本解析モデルにおいて、送風装置３０及び接続配管５は省略されている。

図２より、植物を、直径Ｄ_１＝１００ｍｍの球形と想定してモデル化している。この植物モデル９は、栽培パネル７の中央に設けられた円形の植物植込用孔８に定植され、植物モデル９の球の中心と円形の植物植込用孔８の中心とが同心となるように配置した。

吹出し口６は、栽培パネル７に加工された円形の植物植込用孔８と同心円の配管部５ａの配管中心円の直径Ｄ_２＝１５０ｍｍの円周上に略等角度に４個設置し、吹出し口６から供給される空気の風速は、吹出し口６の直後で０．５ｍ／ｓｅｃとした。

吹出し口６から植物モデル９に供給される空気の方向は、水平方向角度θ_１と、垂直方向角度θ_２との組み合わせによって決定される。

ここで、水平方向角度θ_１は、植物植込用孔８の中心と吹出し口６の中心とを結んだ線を基準に、植物植込用孔８の中心に向く角度を０度とし、吹出し口６を中心に回転する時計周りの方向を正とした角度である。また、垂直方向角度θ_２は、吹出し口６の最上面を基準に、水平方向に植物植込用孔８を向く角度を０度とし、鉛直上向きに向かう角度を正とした角度と定義した。

また、本発明の第１実施形態の空調方法を実施する空調装置に必要な最適設置条件を求めるために、前記基本解析モデルを基準に、水平方向角度θ_１と、垂直方向角度θ_２と、吹出し口６の配置と、吹出し口６の個数とについて、それぞれ、以下の条件に変更して、ＣＲＡＤＬＥ社製汎用熱流体解析ソフト「ＳＴＲＥＡＭ」（製品名）を利用して、解析を実施した。

（１）水平方向角度θ_１は０度、１５度、２５度、３５度、４５度とする５条件と、垂直方向角度θ_２は１５度、３０度、４５度、６０度、７５度、８０度とする６条件とを組み合わせた条件。

（２）吹出し口６を、円形の植物植込用孔８の中心と同心円上に３個、４個、６個、８個、１２個、１６個を等角度に設置する６条件。

（３）吹出し口６を配置する配管部５ａの配管中心円の直径Ｄ_２を植物植込用孔８と同心円とし、かつ、直径Ｄ_２を５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、２５０ｍｍとする５条件。

なお、本発明の第１実施形態における効果の有無の判断基準として、図３に示すとおり球形の植物モデル９を仮想的に水平方向に略均等に６分割して、それぞれ、下方から第１分割部ＤＶ_１〜第６分割部ＤＶ_６とする。そして、前記分割した植物モデル９の各分割部ＤＶ_１〜ＤＶ_６における表面の平均風速を評価する。ここで、特に下方から３段目の分割部ＤＶ_３と、下方から４段目の第４分割部ＤＶ_４とに着目する。第３分割部ＤＶ_３と第４分割部ＤＶ_４とのそれぞれの表面の平均風速が、図７の非特許文献１に記載の風速と蒸散量との相関関係の図より、植物の蒸散に最低限の効果がある風速０．０５ｍ／ｓｅｃ以上となるための条件を求める。そして、第３分割部ＤＶ_３と第４分割部ＤＶ_４との表面の平均風速がいずれも０．０５ｍ／ｓｅｃを超えた場合を「○」とし、第３分割部ＤＶ_３又は第４分割部ＤＶ_４の表面の平均風速がいずれか一方が０．０５ｍ／ｓｅｃを超えた場合を「△」とし、第３分割部ＤＶ_３と第４分割部ＤＶ_４との表面の平均風速がいずれも０．０５ｍ／ｓｅｃ未満の場合を「×」とした結果について説明する。

表１は、水平方向角度θ_１と垂直方向角度θ_２との組み合わせにおいて、解析結果を前記判断基準に基づいてまとめた表である。

表１より、水平方向角度θ_１と垂直方向角度θ_２との角度の範囲は、水平方向角度θ_１が０度以上２５度以下の場合、垂直方向角度θ_２は３０度以上７５度以下となる。また、水平方向角度θ_１が２５度を超えて３５度以下の場合、垂直方向角度θ_２は４５度以上７５度以下となる。また、水平方向角度θ_１が３５度を超えて４５度以下の場合、垂直方向角度θ_２は４５度以上６０度以下となる。水平方向角度θ_１と垂直方向角度θ_２との角度の範囲をこのように設置すると、植物の蒸散に最低限の効果がある風速０．０５ｍ／ｓｅｃ以上を確保することができる。

さらに、後述する所望の効果を達成する観点から、すべての吹出し口６から供給される空気の吹出し方向を一方向にする必要があるため、吹出し口６それぞれにおいて、水平方向角度θ_１の符号は同一で、かつ、水平方向角度θ_１と垂直方向角度θ_２とは、設置された吹出し口６それぞれにおいて、前記望ましい角度の範囲内において同じ角度であることが望ましい。その理由は、隣り合う吹出し口６の水平方向角度の符号が異なる場合、隣り合う吹出し口６から供給された空気がぶつかり合い、植物に対して空気が均一に供給できなくなるためである。

なお、水平方向角度θ_１と垂直方向角度θ_２とは、吹出し口６それぞれにおいて前記角度の範囲内であれば任意の角度であってもよく、水平方向角度θ_１の角度は負の方向であってもよい。

表２は、同心円の直径Ｄ_２に関して、解析結果を前記判断基準に基づいてまとめた表である。

表２より、吹出し口６は、同心円の直径Ｄ_２は１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下の範囲で設置されることが望ましく、同心円の直径Ｄ_２の範囲を植物の直径Ｄ_１との比率をＤ_２／Ｄ_１として表すと、Ｄ_２／Ｄ_１の範囲は１．０以上２．５以下となる。

また、表３は、吹出し口６の個数に関して、前記判断基準に基づいてまとめた表である。

表３より、吹出し口６の個数に関しては、いずれの場合であっても、結果は、前記蒸散に最低限の効果がある風速０．０５ｍ／ｓｅｃ以上となり、吹出し口６の個数を増やすことによる影響は少ない。

しかし、吹出し口６の個数が２個以下の場合、空気が均一に供給できない。

以上のことから、すべての吹出し口６は、円形の植物植込用孔８を中心とした１つの同心円上に設置され、同心円の直径Ｄ_２と植物の直径Ｄ_１との比率Ｄ_２／Ｄ_１は、１．０以上２．５以下の範囲で、かつ、隣り合う２つの吹出し口６の中心と植物植込用孔８の中心とがなす角度は略１８０度未満が望ましく、等角度がより望ましい。

また、設置される吹出し口６の直径Ｄ_２は、それぞれの吹出し口６において上記Ｄ_２／Ｄ_１範囲内であれば、複数の同心円上に配置でしてもよい。

本発明の第１実施形態にかかる、植物の近傍のみを空調制御しかつ炭酸ガスを供給する空調装置によれば、植物栽培装置７において１箇所の植物植込用孔８に対して、少なくとも３個以上の吹出し口６を備え、かつ隣り合う吹出し口６の中心と植物植込用孔８の中心とがなす角度が、等角度又は略１８０度未満で設置されている。このように構成すれば、空調負荷及び炭酸ガスの投入量を大幅に低減することができ、かつ蒸散量の均一化により成長のばらつきを抑制することができる。

また、第１実施形態においては、さらに、吹出し口６から供給する混合雰囲気ガスの吹出し方向の角度において、水平方向角度をθ_１とし、垂直方向角度をθ_２とするとき、水平方向角度θ_１が０度以上２５度以下の場合、垂直方向角度θ_２は３０度以上７５度以下となり、水平方向角度θ_１が２５度を超えて３５度以下の場合、垂直方向角度θ_２は４５度以上７５度以下となり、水平方向角度θ_１が３５度を超えて４５度以下の場合、垂直方向角度θ_２は４５度以上６０度以下となるように設置するとともに、植物植込用孔８の円形形状と同心円上に複数個の吹出し口６が配置され、同心円の直径Ｄ_２が植物の直径Ｄ_１に対して１．０倍以上２．５倍以下となるように設置している。このように構成すれば、蒸散量を増加させ、植物の成長を促進させる効果を生むことができる。

次に、図４は、本発明の第１実施形態の第１変形例において、植物モデル９における前記分割部の下方から４段目〜６段目の第４〜６分割部ＤＶ_４〜ＤＶ_６に対して、空気を、より均一に供給する方法を示す図である。

図４より、植物モデル９の上方に、排気部３１が、植物モデル９の内側に対応する位置に追加設置されていることを特徴とする空調方法を実施する空調装置である。

排気部３１は、円形の植物植込用孔８の中心と略同心に配置された円形の排気口１０と、排気口１０に連通する排気ファン１１とを備えて構成されている。

各吹出し口６によって植物の下方から上方へ供給される空気は、排気口１０を介して排気ファン１１によって吸気される。このため、各吹出し口６からの気流は排気口１０へ収束するため、植物モデル９の下方から５段目の第５分割部ＤＶ_５及び６段目の第６分割部ＤＶ_６へより空気が供給することが可能となり、植物全体により均一に空気を供給できる。

次に、図５は、本発明の第１実施形態の第２変形例において、植物モデル９の分割部の下方から１段目の第１分割部ＤＶ_１から３段目の第２分割部ＤＶ_３に対して、空気をより供給する方法を示す図である。

図５より、植物モデル９の直径Ｄ_１と吹出し口６の配置の直径Ｄ_２との比率Ｄ_２／Ｄ_１が１．０未満でかつ、円形の植物植込用孔８の円周よりも大きい円形の範囲内に、複数個の補助吹出し口１２を追加設置したことを特徴とする空調方法を実施する空調装置である。

補助吹出し口１２は、吹出し口６と同様、接続配管５を介して送風装置３０と連結されている。

表４は、前記解析結果において、直径Ｄ_１が５０ｍｍの場合の各分割部ＤＶ_１〜ＤＶ_６の平均風速について、０．１ｍ／ｓｅｃ以上を「◎」とし、０．０５ｍ／ｓｅｃ以上０．１ｍ／ｓｅｃ未満を「○」とし、０．０５ｍ／ｓｅｃ未満を「×」とした表である。

表４より、Ｄ_２／Ｄ_１が１．０未満の場合は、植物モデル９に分割部において下方から１段目の第１分割部ＤＶ_１〜３段目の第３分割部ＤＶ_３についてはより多くの空気が供給できることがわかる、そのため、補助吹出し口１２と吹出し口６とを組合せることにより、植物モデル９に対して、下方から１段目の第１分割部ＤＶ_１〜３段目の第１分割部ＤＶ_３に空気をより供給することが可能となり、植物全体により均一に空気を供給できる。

補助吹出し口１２は、同心円の直径Ｄ_２が植物植込用孔８よりも大きく、かつ植物の直径Ｄ_１に対して１．０倍未満範囲内に配置され、かつ混合部３と接続配管５を介して連結されて、混合雰囲気ガスを植物に補助的に供給するものである。補助吹出し口１２の配置位置は、前記範囲内において、少なくとも３個以上配置すればよい。補助吹出し口１２と吹出し口６とは、同心円において、同じ位相に配置しなくてもよい。補助吹出し口１２の開口高さは、例えば、植物の第１分割部ＤＶ_１までの高さとすればよい。

なお、前記排気部３１と補助吹出し口１２とを同時に追加設置してもよい。

なお、上記様々な実施形態又は変型例のうちの任意の実施形態又は変型例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明の前記態様にかかる植物栽培における空調装置によれば、空調負荷及び炭酸ガスの投入量を大幅に低減することができ、かつ蒸散量の均一化により成長のばらつきを抑制することができる。このため、本発明の前記態様にかかる植物栽培における空調装置は、例えば水耕栽培方式あるいは土耕栽培方式あるいはその他栽培方式にも適応でき、同様の効果が得られる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

Claims (3)

1. 温度と湿度と炭酸ガス濃度とが調節された空気を植物の近傍にのみ供給する植物栽培における空調装置であって
   濃度調節された炭酸ガスを発生させる炭酸ガス発生部と、
   温度と湿度とが調節された雰囲気ガス又は外気を供給する空気供給部と、
   前記炭酸ガス発生部と第１ダクトを介して連結されるとともに前記空気供給部と第２ダクトを介して連結されて、前記炭酸ガス発生部から発生した前記炭酸ガスと、前記空気供給部から供給された前記雰囲気ガス又は前記外気とを混合して、混合雰囲気ガスを形成する混合部と、
   前記混合部に連結されて前記混合雰囲気ガスを前記植物の近傍に向けて供給する複数の吹出し口を有する接続配管とを備え、
   前記複数の吹出し口は、植物栽培装置の栽培パネルの植物植込用孔にて栽培されかつ直径Ｄ_１が１００ｍｍの外形を有する植物の前記外形の中心と同心の同心円上に配置され、前記同心円の直径Ｄ_２が１００ｍｍ以上２５０ｍｍ以下であり、吹出し口直後の風速は０．５ｍ／ｓｅｃであって、
   前記植物栽培装置の前記栽培パネルの１箇所の植物植込用孔に対して、少なくとも３個以上の前記吹出し口を備え、かつ隣り合う前記吹出し口の中心と前記植物植込用孔の中心とがなす角度が、等角度又は略１８０度未満で設置されており、
   前記植物植込用孔の中心と前記吹出し口の中心とを結んだ線を基準に、前記植物植込用孔の中心に向く角度を０度とし、前記栽培パネルと平行な面内で前記吹出し口を中心に回転する時計周りの方向を正とした角度を水平方向角度θ_１とし、前記吹出し口の最上面を基準に、前記栽培パネルと平行に前記植物植込用孔を向く角度を０度とし、鉛直上向きに向かう角度を正とした角度を垂直方向角度θ_２とするとき、
   前記水平方向角度θ_１が０度以上２５度以下の場合、前記垂直方向角度θ_２は３０度以上７５度以下となり、前記水平方向角度θ_１が２５度を超えて３５度以下の場合、前記垂直方向角度θ_２は４５度以上７５度以下となり、前記水平方向角度θ_１が３５度を超えて４５度以下の場合、前記垂直方向角度θ_２は４５度以上６０度以下となるように設置されている、
   空調装置。
2. 前記植物栽培装置の上方に配置されて排気を行う排気部を備える、請求項１に記載の空調装置。
3. 前記同心円の直径Ｄ２が前記植物植込用孔よりも大きく、かつ１００ｍｍ未満の範囲内に配置されかつ前記混合部と前記接続配管を介して連結されて、前記混合雰囲気ガスを前記植物に供給する複数個の補助吹き出し口をさらに備える、請求項１又は２に記載の空調装置。

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