JP6718634B1 - 地温制御システムおよびこれを用いた栽培方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、栽培環境に適した地温制御を行うことができる地温制御システムを提供することを目的とする。【解決手段】 本発明に係る地温制御システム１００は、太陽エネルギーを利用して貯蔵する水を昇温可能な蓄熱プール１１０と、地下水を貯蔵する地下水プール１２０と、ハウス内の地中に埋設された循環型の埋設パイプ１３０と、埋設パイプ１３０と蓄熱プール１１０または地下水プール１２０との接続の切替えを行う接続切替ポンプ１４０と、蓄熱プール１１０の水温を検出する水温検出部１５０と、水温検出部１５０の検出結果に基づき接続切替ポンプ１４０を制御する制御部１７０とを有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、地温制御システムに関し、特に太陽光からの熱エネルギーと地中熱とを利用した地温制御に関する。

ビニールハウス等の施設内の温度を管理する方法の１つに地中熱を利用するものがある。例えば、特許文献１の地中熱交換システムは、熱媒体となる空気を外部から取り込む給気用パイプと、空気を外部へ排出する排気用パイプと、給気用パイプおよび排気用パイプに接続され、全体が地中に埋設された熱交換パイプとを用いて地中熱を制御するものである。また、特許文献２の植物栽培用ハウスの冷暖房装置は、床面に地下水循環パネルを、天井部に透明地下水循環パネルを備え、地下水循環パネルの地下水を循環させることで冬季に水温を効率良く昇温させ、夏季に地下水により効果的に冷房することを可能にしている。

特許第５９５５８２３号公報 特開２０１６−８６８０６号公報

植物栽培用ハウス内の地温には、栽培する植物の特性に応じた制御が求められる。例えば、植物によっては、収穫前に地温を下げることで植物の甘味や旨みが増すものがある。あるいは、植物によっては、成長期間に温度を一定以上にすることで植物の甘味や旨みが増すものがある。このため、植物栽培用ハウス内の地温制御は、単に昼夜の温度や季節の温度を考慮するだけでは不十分であり、より栽培環境に適した地温制御が求められる。さらに、太陽光エネルギーや地下水を利用することでランニングコストを抑え、同時に高精度で地温を制御することができる地温制御システムが求められている。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、栽培環境に適した地温制御を行うことができる地温制御システムおよびこれを用いた栽培方法を提供することを目的とする。
さらに本発明は、低コストでありかつ高精度な地温制御システムおよびこれを用いた栽培方法を提供することを目的とする。

本発明に係る地温制御システムは、太陽エネルギーを利用して貯蔵する水を昇温可能な蓄熱プールと、地下水を貯蔵する地下水プールと、ハウス内の地中に埋設された循環型の埋設パイプと、前記埋設パイプと蓄熱プールまたは地下水プールとの接続の切替えを行う切替え手段と、前記蓄熱プールの水温を検出する第１の検出手段と、前記制御手段は、前記検出手段の検出結果に基づき前記切替え手段を制御する制御手段とを有する。

ある実施態様では、前記制御手段は、前記第１の検出手段により前記蓄熱プールの水温が一定以下になったことが検出されたとき、地下水プールを前記埋設パイプに接続する。ある実施態様では、前記制御手段は、前記第１の検出手段の検出結果に基づき前記埋設パイプの温度変化が一定範囲内になるように前記切替え手段を制御する。ある実施態様では、地温制御システムはさらに、地下水プールの水温を検出する第２の検出手段と埋設パイプの水温を検出する第３の検出手段とを含み、前記制御手段は、第１の検出手段、第２の検出手段および第３の検出手段の検出結果に基づき前記切替え手段を制御する。ある実施態様では、前記制御手段は、予め決められたスケジュールに従い、野菜の収穫前一定期間、前記蓄熱プールの水温に無関係に、前記蓄熱プールを前記埋設パイプに連続的に接続する。ある実施態様では、前記制御手段は、夜間の間、前記蓄熱プールの水温により地熱の温度を低下させる。ある実施態様では、前記蓄熱プールにより蓄積される水量をＷ１、前記地下水プールにより蓄積される水量をＷ２、前記埋設パイプに蓄積される水量をＷ３としたとき、Ｗ１≒Ｗ２≒Ｗ３である。ある実施態様では、地温制御システムはさらに、蓄熱プールまたは地下水プールの水を埋設プールにポンプするポンプ手段を含み、前記制御手段はさらに、蓄熱プールまたは地下水プールと前記埋設パイプとの間で水を循環させる。ある実施態様では、前記蓄熱プール、前記地下水プールおよび前記埋設プールは、植物栽培用ハウス内に設けられる。

本発明の栽培方法は、上記記載の地温制御システムを用いて、葉物野菜を栽培する。ある実施態様では、葉物野菜の寒締めを行う。

本発明によれば、蓄熱プールの水温の検出結果に基づき蓄熱プール／地下水プールと埋設パイプとの間の接続切替えを制御するようにしたので、栽培する植物の植物環境に応じた地温の制御を行うことが可能になる。例えば、栽培する植物に応じて接続切替えをするためのトリガーとなる蓄熱プールの水温の検出値が可変される。また、本発明よれば、蓄熱プールの水量Ｗ１、地下水プールの水量Ｗ２、埋設パイプの水量Ｗ３を概ね等しくことで、接続切替えを行ったときに蓄熱プール／地下水プールと埋設パイプとの間の水を完全に交換することができる。それ故、水量の熱交換時の無駄を省くことができ、さらには熱交換したときの地温を高精度に予想することが可能になる。

本発明の実施例に係る地温制御システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る埋設パイプの一例を示す図である。 本発明の実施例に係る地温制御システムを植物栽培用ハウスに適用したときの模式図である。 本発明の実施例に係る地温制御システムの第１の動作フローである。 本発明の実施例に係る地温制御システムにおける蓄熱プールの水温と接続切替えとの関係を示すグラフである。 本発明の実施例に係る地温制御システムの第２の動作フローである。 本発明の実施例に係る地温制御システムの第３の動作フローの一例である。 本発明の実施例に係る野菜の栽培情報の一例を示すテーブルである。 本発明の実施例に係る野菜の栽培情報に基づく地温制御の第４の動作フローである。 本発明の実施例に係る地温制御システムを利用したハウスの栽培例である。

次に、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図面に示すスケールは、本発明の内容を分かり易くするために強調または簡略化されており、実際の装置のスケールとは異なることに留意すべきである。

図１は、本発明の実施例に係る地温制御システムの構成を示すブロック図である。本実施例の地温制御システム１００は、植物栽培用ハウス内の地温を太陽エネルギーおよび地下水を利用して制御するものであり、蓄熱プール１１０、地下水プール１２０、埋設パイプ１３０、接続切替ポンプ１４０、水温検出部１５０、１６０および制御部１７０を含んで構成される。

蓄熱プール１１０は、太陽エネルギーを利用して貯蔵する水を昇温可能な容器または媒体である。蓄熱プール１１０は、任意の形状であることができ、また、太陽エネルギーを吸収することが可能であれば、どのような材料から構成されてもよい。蓄熱プール１１０は、例えば、熱導電性の高い金属製のパイプまたは容器から構成され、太陽光の熱エネルギーを利用して内部に貯蔵する水を昇温する。あるいは、蓄熱プール１１０は、太陽光が透過可能な透明は部材、または太陽エネルギーを吸収しやすい部材から構成され、太陽光の光エネルギーを利用して内部に貯蔵する水を昇温する。あるいは、太陽光の熱エネルギーと光エネルギーの双方を利用して内部に貯蔵する水を昇温する。好ましい例では、蓄熱プール１１０は、水量Ｗ１を貯蔵する。

地下水プール１２０は、地表から一定の深さ（例えば、２メートル）で地下水を貯蔵する。地下水プール１２０は、任意の形状であることができ、例えば、熱伝導性の高い金属性のパイプまたは容器から構成される。地下は、地上と異なり温度変化が少なく、冬季や夏季でも温度差が小さい。それ故、地下水プール１２０は、一年中を通して比較的安定した温度の水を貯蔵する。好ましい例では、地下水プール１２０は、水量Ｗ２を貯蔵し、水量Ｗ２は、蓄熱プール１１０の水量Ｗ１とほぼ等しい（Ｗ１≒Ｗ２）。

埋設パイプ１３０は、ハウス内の植物を栽培する地表から比較的浅い深さ（例えば、２０ｃｍ）に埋設され、蓄熱プール１１０または地下水プール１２０から提供された水を貯蔵する。図２は、埋設パイプ１３０を栽培エリアＲに埋設した状態を示す模式的な平面図である。破線で示す矩形Ｒは、ハウス内の植物を栽培する領域を示している。埋設パイプ１３０は、例えば、熱導電性の高い金属製のパイプまたは塩化ビニール製のパイプ等から構成され、このパイプは、栽培領域Ｒ内でクランク状に折り曲げられる。埋設パイプ１３０の入口１３２から供給された流体は、栽培領域Ｒ内を巡回し、出口１３４から排出される。入口１３２および出口１３４は、接続切替ポンプ１４０に接続される。好ましい例では、埋設パイプ１３０は、水量Ｗ３を貯蔵し、水量Ｗ３は、Ｗ２またはＷ１にほぼ等しい。

接続切替ポンプ１４０は、制御部１７０からの切替制御信号Ｓに基づき蓄熱プール１１０または地下水プール１２０と埋設パイプ１３０との間の接続を切替え、かつ双方向のポンプの駆動を可能にすることで、蓄熱プール１１０に貯蔵された水または地下水プール１２０に貯蔵された水と、埋設パイプ１３０に貯蔵された水とを入れ替える。接続切替ポンプ１４０は、埋設パイプ１３０の入口１３２と蓄熱プール１１０の出口または地下水プール１２０の出口との間の接続の切替えを行う切替え部と、埋設ポンプ１３０の出口１３４と蓄熱プール１１０の入口または地下水プール１２０の入口との間の接続の切替えを行う切替え部とを備えている。これにより、接続切替ポンプ１４０は、蓄熱プール１１０に貯蔵された水と埋設パイプ１３０に貯蔵された水との入れ替えや、地下水プール１２０に貯蔵された水と埋設パイプ１３０に貯蔵された水との入れ替えを可能にする。上記したように、Ｗ１≒Ｗ２≒Ｗ３であれば、ほぼ完全な水の入れ替えを行うことができる。また、ポンプを駆動することで、蓄熱プール１１０とこれに接続された埋設パイプ１３０との間で水を循環させ、あるいは地下水プール１２０とこれに接続された埋設パイプ１３０との間で水を循環させることが可能である。

水温検出部１５０は、蓄熱プール１１０に貯蔵された水の温度および地下水プール１２０に貯蔵された水の温度をそれぞれ検出し、これらの検出結果を制御部１７０へ提供する。また、水温検出部１６０は、埋設パイプ１３０に貯蔵された水の温度を検出し、この検出結果を制御部１７０へ提供する。

制御部１７０は、水温検出部１５０、１６０の検出結果に基づき切替制御信号Ｓを接続切替ポンプ１４０に出力し、蓄熱プール１１０、地下水プール１２０および埋設パイプ１３０間で循環する水を制御する。制御部１７０は、例えば、ＲＯＭ／ＲＡＭを備えたマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサを含み、ＲＯＭ／ＲＡＭに格納されたプログラムを実行することで地温制御を行う。

図３は、本実施例に地温制御システム１００をハウスに適用したときの模式図である。図示するように、地表には、例えばドーム状の植物栽培用のハウス２００が設置される。ハウス２００は、必ずしも完全に密閉型である必要はなく、一部が外部に通じるように開口が形成されていてもよいし、あるいは開閉式の屋根を備えるものであってもよい。また、ハウス２００は、太陽光Ｌを透過可能な材料、例えば透明なビニールを含んで構成される。

ハウス２００内には、蓄熱プール１１０、接続切替ポンプ１４０（図面では、地中に記載しているが、地表でもよい）、地下水プール１２０、埋設パイプ１３０が配置され、かつ栽培エリアＲに葉物野菜Ｖが栽培される。ハウス２００の内部空間は、太陽光が照射されているとき、太陽光Ｌまたは太陽熱のエネルギーによって昇温される。また、蓄熱プール１１０に貯蔵された水もまたは太陽エネルギーによって昇温される。

次に、本実施例の地温制御の第１の動作例について図４のフローを参照して説明する。同図に示すフローは、水温検出部１５０で検出された蓄熱プール１１０の水温に基づく地温制御である。先ず、水温検出部１５０により蓄熱プール１１０の水温が検出され、これが制御部１７０へ提供される（Ｓ１００）。制御部１７０は、検出された水温が第１の温度Ｔｂ以下であるか否かを判定し（Ｓ１１０）、水温がＴｂ以下である場合には、制御部１７０は、切替制御信号Ｓを接続切替ポンプ１４０に出力し、地下水プール１２０を埋設パイプ１３０に接続し（Ｓ１２０）、埋設パイプ１３０に貯蔵された水を地下水１２０に貯蔵された水に入れ替える。

その後、蓄熱プール１１０の水温が第２の温度Ｔａ以上になったことが検出されると（Ｓ１３０）、制御部１７０は、切替制御信号Ｓを接続切替ポンプ１４０に出力し、蓄熱プール１１０を埋設パイプ１３０に接続し（Ｓ１４０）、埋設パイプに貯蔵された水を蓄熱プール１１０に貯蔵された水に入れ替える。

図５は、第１の動作例が実行されるときの第１の温度Ｔｂ、第２の温度Ｔａと、接続切替えとの関係を示したグラフである。第１の動作例は、昼夜において地温を一定温度以上に保つ場合に適している。

次に、本実施例の地温制御の第２の動作例について図６のフローを参照して説明する。先ず、水温検出部１５０によって蓄熱プール１１０に貯蔵された水の温度ｔ１が検出され（Ｓ２００）、かつ水温検出部１６０によって埋設パイプ１３０に貯蔵された水の温度ｔ３が検出される（Ｓ２１０）。制御部１７０は、２つの水温ｔ１、ｔ３を比較し、蓄熱プール１１０の水温ｔ１が埋設パイプ１３０の水温ｔ３よりも大きくなったとき、切替制御信号Ｓを接続切替ポンプ１４０に出力し、蓄熱プール１１０を埋設パイプ１３０に接続し（Ｓ２３０）、埋設パイプに貯蔵された水を蓄熱プール１１０に貯蔵された水に入れ替える。第２の動作例は、太陽光によって昇温された蓄熱プール１１０の水を利用し、地表または地中を温めるのに適している。

次に、本実施例の地温制御の第３の動作例について図７のフローを参照して説明する。先ず、水温検出部１５０によって地下水プール１２０に貯蔵された水の温度ｔ２が検出され（Ｓ３００）、かつ水温検出部１６０によって埋設パイプ１３０に貯蔵された水の温度ｔ３が検出される（Ｓ３１０）。制御部１７０は、２つの水温ｔ２、ｔ３を比較し、地下水プール１２０の水温ｔ２が埋設パイプ１３０の水温ｔ３よりも小さくなったとき、切替制御信号Ｓを接続切替ポンプ１４０に出力し、地下水プール１２０を埋設パイプ１３０に接続し（Ｓ３３０）、埋設パイプに貯蔵された水を地下水プール１１０に貯蔵された水に入れ替える。第２の動作例は、地下水１２０の水を利用し、地表または地中が冷却するのに適している。

また、ここには第２の動作例と第３の動作例とを個別に示したが、第２の動作例と第３の動作例とを組み合わせを第４の動作例としてもよい。例えば、制御部１７０は、水温ｔ１＞ｔ２の場合に、水温ｔ３＜水温ｔ１であり、かつｔ３＞ｔ２のとき、埋設パイプ１３０を蓄熱プール１１０または地下水プール１２０のいずれかに接続するようにしてもよい。つまり、地表あるいは地中の温度を上げたい場合には、蓄熱プール１１０を接続し、下げたい場合には、地下水プール１２０を接続する。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。第１の実施例は、蓄熱プール１１０、地下水プール１２０、埋設パイプ１３０のいずれかの水温に基づき接続切替ポンプ１４０を制御したが、第２の実施例は、このような水温とは無関係に、栽培する植物に応じて接続切替ポンプ１４０を制御する。

第２の実施例では、図８に示すように、栽培する植物の品種毎に栽培情報が予め定義される。栽培情報は、例えば、栽培を開始してから収穫するまでの時期、栽培温度情報、寒締めの有無などを含む。これらの栽培情報は、制御部１７０の記憶部に格納され、制御部１７０は、記憶部から読み出した栽培情報に基づき接続切替ポンプ１４０を制御する。

図９に第２の実施例の動作フローを示す。先ず、制御部１７０に栽培する植物の栽培情報が設定される（Ｓ４００）。制御部１７０は、寒締めありの設定である場合、栽培時間を監視し、始期に到達したか否かを判定する（Ｓ４１０）。始期は、例えば、日没後の時間であり、蓄熱プール１１０の水温が地下水プールの水温よりも低くなる時間である。制御部１７０は、時刻が始期に到達すると、制御部１７０は、埋設パイプ１３０に地下水プール１２０が接続されているか否かを判定し（Ｓ４２０）、地下水プール１２０が接続されている場合には、蓄熱プール１１０に接続を切替える（Ｓ４３０）。こうして、埋設パイプ１３０には、蓄熱プール１１０の冷たい水が供給され、ハウス内の地表または地中が冷やされ、栽培する植物の寒締めが行われる。その後、制御部１７０は、時刻が周期に到達したか否かを判定する（Ｓ４４０）。終期は、例えば、寒締めの終了時刻に応じて設定される。終期に到達すると、制御部１７０は、地下水プール１２０を埋設パイプ１３０に接続する（Ｓ４５０）。

このように本実施例では、栽培する植物の栽培情報（特に、栽培時期、収穫時期、寒締め等の予め決められた時間情報）に基づき接続切替ポンプ１４０を制御することで、栽培する植物に適した地表または地中の温度制御を行うことができる。特に、葉物野菜の寒締めを容易に行うことができる。なお、第２の実施例を第１の実施例と組み合わせることも可能であり、つまり、蓄熱プール１１０、地下水プール１２０および埋設パイプ１３０の水温と、栽培する植物の栽培情報との組合せに基づき接続切替パイプ１４０を制御することも可能である。

図１０は、本実施例の地温制御システム１００の適用例である。図中、左側は、冬モードを示し、右側は、夏モードを示している。冬モードでは、日中、太陽光Ｌ１はハウス２００を照射し、これによりハウス２００内の空気が温められ、かつ蓄熱プール１１０の水温も上昇される。この場合、埋設パイプ１３０には蓄熱プール１１０が接続され、蓄熱プール１１０と埋設パイプ１３０との間で水が循環され、熱が土層に放熱され、土壌が温められる。他方、夏モードでは、ハウス２００内の暖気が換気され、かつ地下水プール１２０が埋設パイプ１３０に接続され、地下水プール１２０と埋設パイプ１３０との間で水が循環され、地中熱が水に蓄熱され、土壌が冷やされる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１００：地温制御システム １１０：蓄熱プール
１２０：地下水プール １３０：埋設パイプ
１４０：接続切替ポンプ １５０、１６０：水温検出部
１７０：制御部

Claims (9)

1. 太陽エネルギーを利用して貯蔵する水を昇温可能な蓄熱プールと、
   地下水を貯蔵する地下水プールと、
   ハウス内の地中に埋設された循環型の埋設パイプと、
   前記埋設パイプと蓄熱プールまたは地下水プールとの接続の切替えを行う切替え手段と、
   前記蓄熱プールの水温を検出する第１の検出手段と、
   前記検出手段の検出結果に基づき前記切替え手段を制御する制御手段と、
   を有する地温制御システム。
2. 前記制御手段は、前記第１の検出手段により前記蓄熱プールの水温が一定以下になったことが検出されたとき、地下水プールを前記埋設パイプに接続する、請求項１に記載の地温制御システム。
3. 前記制御手段は、前記第１の検出手段の検出結果に基づき前記埋設パイプの温度が一定範囲内になるように前記切替え手段を制御する、請求項１または２に記載の地温制御システム。
4. 地温制御システムはさらに、地下水プールの水温を検出する第２の検出手段と、埋設パイプの水温を検出する第３の検出手段とを含み、
   前記制御手段は、第１の検出手段、第２の検出手段および第３の検出手段の検出結果に基づき前記切替え手段を制御する、請求項１に記載の地温制御システム。
5. 前記蓄熱プールにより蓄積される水量をＷ１、前記地下水プールにより蓄積される水量をＷ２、前記埋設パイプに蓄積される水量をＷ３としたとき、Ｗ１≒Ｗ２≒Ｗ３である、請求項１ないし４いずれか１つに記載の地温制御システム。
6. 地温制御システムはさらに、前記蓄熱プールまたは前記地下水プールの水を埋設パイプにポンプするポンプ手段を含み、
   前記制御手段はさらに、蓄熱プールまたは地下水プールと前記埋設パイプとの間で水を循環させる、請求項５に記載の地温制御システム。
7. 前記蓄熱プール、前記地下水プールおよび前記埋設パイプは、植物栽培用ハウス内に設けられる、請求項１ないし６いずれか１つに記載の地温制御システム。
8. 請求項１ないし７に記載の地温制御システムを用いて、葉物野菜を栽培する栽培方法。
9. 葉物野菜の寒締めを行う、請求項８に記載の栽培方法。

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