JP6221334B2 - 植物栽培システム - Google Patents

Description

この発明は、室内において培養液を用いて植物を栽培するようにした植物栽培システムに関するものである。

従来、この種の植物栽培システムとしては、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されるような構成が提案されている。
特許文献１記載の従来構成においては、温室の構造体の内側及び培地の土壌中にヒートパイプが配置され、そのヒートパイプにボイラや給湯器等の温水給送装置で加温された温水が循環されて、温室内部及び土壌中の加温が行われる。

また、特許文献２記載の従来構成においては、温室内に暖房用パイプが配置され、その暖房用パイプに太陽熱温水器で加温された温水が供給されて、温室内の暖房が行われる。

特開平９−２６６７３０号公報 特開平１１−２３５１３０号公報

ところが、これらの従来構成においては、次のような問題があった。
特許文献１に記載の従来構成では、温水給送装置の稼働において重油や灯油等の化石燃料が必要であるため、ランニングコストが高くなるとともに、温水給送装置の運転に伴って二酸化炭素が発生するため、環境面においても好ましくなかった。また、周囲温度が季節や日時，あるいは天候によって大きく変動されるため、適切な温度調節が困難であった。しかも、この特許文献１のシステムは、夏季等の高気温時における温室内の冷房には適用できないため、冷房装置を別に装備する必要があった。

一方、特許文献２に記載の従来構成では、温水の昇温源として太陽熱温水器を用いているため、雨天，曇天等の日照不足のときや、晴天であっても低気温時には暖房機能をほとんど利用できなかった。また、晴天の高気温時には、温水の温度が上がりすぎて、植物栽培に悪影響を与えるおそれがあった。さらに、この特許文献２に記載従来の構成は、特許文献１に記載の従来構成と同様に、夏季における温室内の冷房には適用できないため、冷房装置を別に装備する必要があった。

この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的は、重油や灯油等の化石燃料を必要とせず、ランニングコストを低減することができるとともに、四季を通して室内における植物の栽培環境の適切な温度管理を行うことができる植物栽培システムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、この植物栽培システムは、室内において培養液を用いて植物を栽培する植物栽培システムであって、地中に埋設した前記培養液のタンクを備え、前記培養液を地中温度により温度調節するようにした温度調節装置と、前記タンク内の熱交換部において、前記培養液との間で熱交換されて温度調整された空気を前記室内に供給する空気供給パイプを設けた空気供給装置と、前記空気供給パイプにおいて、前記熱交換部よりも下流側に接続され、必要に応じて二酸化炭素を前記空気に混入するための開閉バルブを介して接続される二酸化炭素タンクとを設けたことを特徴としている。

従って、この植物栽培システムにおいては、温度調節装置により地中温度を利用して培養液の温度が調節され、その培養液の温度によって室内における植物の栽培環境の温度管理が行われる。この場合、地中温度は四季を通してほぼ一定であるため、冬季においては加温作用を得ることができるとともに、夏期においては冷却作用を得ることができて、その作用を利用することにより、植物の栽培環境をほぼ一定温度に保つことができる。また、温水給送装置からの温水を熱源としている従来構成とは異なり、重油や灯油等の化石燃料を必要としないため、ランニングコストを低減することができる。さらに、太陽熱温水器からの温水を熱源としている従来構成とは異なり、雨天や曇天等の日照不足のときや、低気温時に機能しなくなることもない。よって、四季を通して天候や外気温にほとんど影響されることなく、室内における植物の栽培環境の温度管理を適切に、かつ低コストで行うことができる。

前記の植物栽培システムによれば、重油や灯油等の化石燃料を必要とせず、ランニングコストを低減することができるとともに、四季を通して室内における植物の栽培環境の適切な温度管理を行うことができるという効果を発揮する。

第１実施形態の植物栽培システムを示す構成図。 第２実施形態の植物栽培システムを示す構成図。 第３実施形態の植物栽培システムを示す構成図。 第４実施形態の植物栽培システムの一部を示す断面図。

（第１実施形態）
以下、植物栽培システムの第１実施形態を図１に従って説明する。
図１に示すように、この実施形態の植物栽培システムにおいては、農地等の地表面１１上に温室構造の栽培棟１２が建てられている。栽培棟１２の天井部には、開閉可能な天窓１２１が設けられている。栽培棟１２の内部において地表面１１には、培地１３が地表面１１から所定深さ（例えば１ｍ程度）掘り下げた状態で形成されている。培地１３上には、複数の畝１３１が形成されている。そして、この培地１３の各畝１３１に、野菜や花等の植物１４を植え込んで栽培するようになっている。

前記栽培棟１２の近傍において地中の所定深さ位置（例えば３ｍの深さの位置）には、温度調節装置１５を構成する培養液タンク１６が埋設されている。この培養液タンク１６内には、植物１４を栽培するための肥料成分等を調合した培養液１７が収容されている。そして、この培養液１７が地中温度により、所定温度に温度調節される。つまり、地中温度は四季を通してほぼ一定（例えば、関東地方の平野部では、地中３ｍ程度でほぼ１８．５℃）に維持されるため、培養液１７はその地中温度とほぼ同一の温度に調節される。

前記培養液タンク１６には、温度調節された培養液１７を培地１３上の植物１４に供給するための培養液供給装置１８が接続されている。この培養液供給装置１８には、培養液タンク１６から培地１３の各畝１３１の内部または表面に配管された液供給パイプ１９と、その液供給パイプ１９の終端部に接続されるとともに、培養液タンク１６に接続された液戻しパイプ２０が設けられている。液供給パイプ１９の途中には、培養液１７の供給の有無や供給の量を制御するポンプ２１及び流量調節バルブ２２が接続されている。液戻しパイプ２０の途中には、戻りの培養液１７を受けるように地中に埋設された受け槽２３、培養液１７の成分を調整する成分調整器２４、培養液１７を濾過するフィルタ２５及びポンプ２６が接続されている。成分調整器２４には、地下水等の水供給源２７からポンプ２８を介して水が供給されるとともに、図示しない成分供給装置から肥料成分が供給される。

前記栽培棟１２には、空気供給装置２９が設けられている。この空気供給装置２９は、培養液タンク１６の内部の培養液１７との間で熱交換された空気を栽培棟１２内に供給する。この空気供給装置２９には、栽培棟１２外の空気取入れ口３０から培養液タンク１６内の熱交換部３１を介して、栽培棟１２内の培地１３の上方位置に延びる空気供給パイプ３２が設けられている。空気供給パイプ３２の途中には、送気用のポンプ３３が接続されている。

空気供給パイプ３２のポンプ３３より下流側の位置には二酸化炭素タンク３４が開閉バルブ３５を介して接続されている。そして、植物１４の光合成が行われる昼間において、必要に応じて空気供給パイプ３２内に対して二酸化炭素タンク３４から開閉バルブ３５を介して二酸化炭素が放出される。栽培棟１２内における空気供給パイプ３２の延長部分には、熱交換部３１において培養液１７で温度調節された空気を吹き出すための複数の空気吹き出しノズル３６が間隔をおいて設けられている。これらの空気吹き出しノズル３６は、空気の吹き出し高さ位置、吹き出し方向、吹き出し角度、吹き出し速度及び吹き出し量を調節できるように構成されている。

栽培棟１２には、培養液１７との間で熱交換された水を栽培棟１２内に供給する水供給装置３７が設けられている。この水供給装置３７には、水道等の水供給源３８から培養液タンク１６内の熱交換部３９を介して、栽培棟１２内における空気供給パイプ３２の下方位置に延びる水供給パイプ４０が設けられている。水供給パイプ４０の途中には、送水用のポンプ４１が接続されている。栽培棟１２内における水供給パイプ４０の延長部分には、複数の水放出ノズル４２が間隔をおいて設けられている。そして、夏季の昼間等には、熱交換部３９において培養液１７で温度調節された水がこれらの水放出ノズル４２からミスト状になって、植物１４に向けて栽培棟１２の内部空間に放出される。なお、放出されるミストは、その粒径が小さい（通常５０μｍ以下）ほうが好ましい。このため、水放出ノズル４２に、圧縮空気を供給する装置を接続して、放出される水を圧縮空気流に乗せるようにしてもよい。

次に、前記のように構成された植物栽培システムの作用を説明する。
この植物栽培システムの運転時には、温度調節装置１５の培養液タンク１６に貯留された培養液１７が、地中温度によってほぼ一定の温度に調節されて、その温度に維持される。そして、この温度調節された培養液１７が培養液供給装置１８により、栽培棟１２内における培地１３上の植物１４に供給される。従って、培地１３の温度がほぼ一定に保持されて、植物１４の育成が促進される。この場合、植物１４に対する培養液１７の供給量は、季節や植物の生育状況等に応じて、液供給パイプ１９の途中に設けられた流量調節バルブ２２により調整される。また、液戻しパイプ２０中に設けられた成分調整器２４には必要に応じて地下水が供給されるとともに、図示しない供給装置から肥料成分が供給されて、培養液タンク１６内の培養液１７の液量が一定に保たれるとともに、その培養液１７の肥料成分等が調整される。

さらに、冬季等の外気温度の低い時期または夏季等の外気温度の高い時期には、空気供給装置２９により空気供給パイプ３２内の空気が熱交換部３１において培養液タンク１６内の培養液１７との間で熱交換されて温度調節される。そして、この温度調節された空気が複数の空気吹き出しノズル３６から栽培棟１２内に吹き出されて、栽培棟１２内が暖房または冷房される。この場合、植物１４の光合成が行われる昼間においては、必要に応じて二酸化炭素タンク３４内の二酸化炭素が、開閉バルブ３５を介して空気供給パイプ３２内の空気に混入されて、植物１４の生育が促進される。

しかも、夏季の昼間等の外気温度の極めて高い時期には、水供給装置３７により水供給パイプ４０内の水が熱交換部３９において培養液タンク１６内の培養液１７との間で熱交換されて温度調節される。そして、この温度調節された水が複数の水放出ノズル４２からミスト状になって、栽培棟１２の内部空間または植物１４に向けて放出される。これにより、栽培棟１２内における植物１４の周辺の湿度が保たれるとともに、このミスト状の水が気化する際に気化熱が奪われることにより、植物１４の周辺の温度が低下される。

従って、この実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１） この実施形態においては、栽培棟１２内で培養液１７を用いて植物１４を栽培する植物栽培システムであって、前記培養液１７を地中温度により温度調節して、その培養液１７の温度を栽培に利用するようにした温度調節装置１５が設けられている。

このため、この植物栽培システムにおいては、培養液１７の温度によって栽培棟１２内における植物１４の栽培環境の温度管理が行われる。この場合、地中温度は四季を通してほぼ一定であるため、冬季においては加温作用があるとともに、夏期においては冷却作用があって、植物１４の栽培環境をほぼ一定温度に保つことができる。また、温水給送装置からの温水を熱源としている従来構成とは異なり、重油や灯油等の化石燃料を必要としないため、ランニングコストを低減することができるとともに、大量の炭酸ガスが大気中に放出されることもない。さらに、太陽熱温水器からの温水を熱源としている従来構成とは異なり、雨天や曇天等のときに調温作用が機能しなくなるおそれもない。よって、四季を通して天候に影響されることなく、栽培棟１２内における植物１４の栽培環境の適切な温度管理を低コストで行うことができる。

（２） この実施形態においては、温度調節された培養液１７を植物１４に供給するための培養液供給装置１８が設けられている。このため、四季を通して植物１４に対し地中で温度調節されたほぼ一定温度の培養液１７を供給することができて、植物１４の育成を促進させることができる。

（３） この実施形態においては、培養液１７を貯留する培養液タンク１６が地中に埋設されている。このため、特別な調温装置を設けることなく、培養液タンク１６内の培養液１７を地中温度によって常時温度調節することができる。

（４） この実施形態においては、培養液１７との間で熱交換された空気を栽培棟１２内に供給する空気供給装置２９が設けられている。このため、地中で温度調節された培養液１７の温度を利用して、植物１４を栽培する栽培棟１２内の温度を加温または冷却して、適温に温度調整することができる。従って、ヒートポンプ等の空調装置を設けることなく、栽培棟１２内を低コストで冷暖房できる。

（５） この実施形態においては、培養液１７との間で熱交換された水を栽培棟１２内に供給する水供給装置３７が設けられている。このため、夏季の昼間等において、必要に応じて水供給装置３７から供給される所定温度の水を植物１４に散布して、乾燥を防ぐことができる。

（６） この実施形態においては、前記水供給装置３７が水をミスト状に放出するようになっている。このため、夏季の昼間等において、水供給装置３７から水をミスト状に放出させることにより、そのミスト状の水が気化して、栽培棟１２内の温度を有効に低下させることができる。

（７） この実施形態においては、地表面１１から掘り下げた位置に培地１３が設けられている。このため、植物１４を栽培する培地１３の温度が、栽培棟１２外の温度に影響されて大きく変動するおそれを抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、植物栽培システムの第２実施形態を図２に基づいて前記第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図２に示すように、この第２実施形態においては、培地１３が地表面１１を掘り下げることなく地表面１１上に位置するように設けられ、その培地１３上に植物１４を栽培するための複数の畝１３１が形成されている。また、温度調節装置１５の培養液タンク１６及び受け槽２３が、地中に埋設されることなく地表面１１上に設置されている。培養液タンク１６には熱交換部４５がポンプ４６を介して接続され、この熱交換部４５が地中に埋設されている。そして、培養液タンク１６内の培養液１７が、熱交換部４５において地中温度により熱交換されて温度調節されるようになっている。

従って、この第２実施形態によれば、前記第１実施形態における（１）、（２）および（４）〜（６）に記載の効果に加えて、以下のような効果を得ることができる。
（８） この実施形態においては、培養液１７の熱交換部４５が地中に埋設されている。このため、培養液タンク１６を地上に設置しても、地中の熱交換部４５により地中温度を利用して培養液１７の温度調節を行うことができる。従って、培養液タンク１６を地中に埋設する必要がなく、施工が簡単である。

（第３実施形態）
次に、植物栽培システムの第３実施形態を図３に基づいて前記第１実施形態及び第２実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図３に示すように、この第３実施形態においては、栽培棟１２が温室構造でなく工場形式をなすように構成されている。栽培棟１２内には、複数の水耕栽培容器４７が支持台４８または図示しない支持棚を介して、平面的または立体的に並べられている。各水耕栽培容器４７は、培養液１７を収容する容器本体４７１と、その容器本体４７１上に開閉可能に被覆装着された蓋板４７２とを備えている。そして、蓋板４７２に設けられた透孔に対して、植物１４が根を容器本体４７１内の培養液１７に浸した状態で植栽されている。各水耕栽培容器４７には、地表面１１上に設けられた温度調節装置１５の培養液タンク１６から、温度調節された培養液１７が培養液供給装置１８を介して供給される。

前記栽培棟１２の外面には、空気供給装置２９を構成するヒートポンプ４９が設けられている。このヒートポンプ４９には、ポンプ５０を介して培養液タンク１６に接続された熱交換部５１と、空気供給パイプ３２中に設けられた熱交換部３１とが組み込まれている。そして、培養液タンク１６内の培養液１７の温度を利用して、ヒートポンプ４９の両熱交換部５１，３１間において冷媒の循環により熱交換が行われ、空気吹き出しノズル３６から栽培棟１２内に吹き出される空気の温度が調節されるようになっている。

従って、この第３実施形態によれば、前記各実施形態における（１）、（２）、（４）及び（８）に記載の効果に加えて、以下のような効果を得ることができる。
（９） この実施形態においては、植物１４の培地として水耕栽培容器４７が用いられ、その水耕栽培容器４７内に温度調節された培養液１７が供給されるようになっている。このため、培養液１７の温度管理にコストが嵩む従来の水耕栽培とは異なり、水耕栽培を低コストで行なうことができる。

（第４実施形態）
次に、植物栽培システムの第４実施形態を図４に基づいて前記第１〜第３実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図４に示すように、この第４実施形態においては、前記第３実施形態の水耕栽培容器４７に代えて、培養材を備えた栽培容器５２が用いられている。栽培容器５２の容器本体５２１内の底部には砂礫５３が収容されるとともに、容器本体５２１内の上部にはバームキュライトやロックウールよりなる培養材５４が収容されている。容器本体５２１内の砂礫５３と培養材５４との境界部付近には、培養液供給装置１８の液供給パイプ１９が配置されている。そして、培養材５４に植え込まれた植物１４に対して、この液供給パイプ１９から培養液１７が供給されるようになっている。容器本体５２１の内底部には液戻しパイプ２０が配置され、培養材５４から落下する培養液１７が液戻しパイプ２０を介して培養液タンク１６に戻されるようになっている。

従って、この第４実施形態によれば、前記各実施形態における（１）、（２）、（４）及び（８）に記載の効果に加えて、以下のような効果を得ることができる。
（１０） この実施形態においては、植物１４の培地として培養材５４を収容した栽培容器５２が用いられ、その栽培容器５２内に温度調節された培養液１７が供給されるようになっている。このため、植物１４の栽培を栽培容器５２の培養材５４上において適切に行うことができる。

（変更例）
なお、この実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 培養液供給装置１８中で水供給源２７から成分調整器２４を介して培養液１７中に補充される水として、地下水のほかに雨水や水道水を用いること。

・ 水供給装置３７中で水供給源３８から水供給パイプ４０内に供給される水として、水道水のほかに雨水や地下水を用いること。
・ 栽培棟１２内にミスト状の水を供給するための水供給装置３７を省略すること。

・ 栽培棟１２内にミスト状の水を供給するための水供給装置３７において、熱交換部３９を省略して、水道水等の原水を栽培棟１２内に温度調節することなく供給すること。

１１…地表面、１２…栽培棟、１３…培地、１４…植物、１５…温度調節装置、１６…培養液タンク、１７…培養液、１８…培養液供給装置、１９…液供給パイプ、２９…空気供給装置、３１…熱交換部、３２…空気供給パイプ、３６…空気吹き出しノズル、３７…水供給装置、３９…熱交換部、４０…水供給パイプ、４２…水放出ノズル、４５…温度調節装置の熱交換部、４７…水耕栽培容器、４９…ヒートポンプ、５２…栽培容器、５４…培養材。

Claims (5)

1. 室内において培養液を用いて植物を栽培する植物栽培システムであって、
   地中に埋設した前記培養液のタンクを備え、前記培養液を地中温度により温度調節するようにした温度調節装置と、
   前記タンク内の熱交換部において、前記培養液との間で熱交換されて温度調整された空気を前記室内に供給する空気供給パイプを設けた空気供給装置と、
   前記空気供給パイプにおいて、前記熱交換部よりも下流側に接続され、必要に応じて二酸化炭素を前記空気に混入するための開閉バルブを介して接続される二酸化炭素タンクとを設けた植物栽培システム。
2. 温度調節された培養液を植物に供給するための培養液供給装置を設けた請求項１に記載の植物栽培システム。
3. 培養液との間で熱交換された水を室内に供給する水供給装置を設けた請求項１または２に記載の植物栽培システム。
4. 前記水供給装置は水をミスト状に放出する請求項３に記載の植物栽培システム。
5. 地表面から掘り下げた位置に培地を設けた請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載の植物栽培システム。