JPWO2007058062A1

JPWO2007058062A1 - 植物生産システム

Info

Publication number: JPWO2007058062A1
Application number: JP2007545188A
Authority: JP
Inventors: 茂治嶋村; 丸尾　達; 達丸尾; 佐藤　卓; 卓佐藤
Original assignee: MIRAI CO., LTD.; Chiba University NUC
Current assignee: MIRAI CO., LTD.; Chiba University NUC
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2026-10-27
Also published as: JP5109024B2; WO2007058062A1

Abstract

本発明により、植物工場および保温庫の温度を適温に調温するだけでなく、温度むらを無くして温度分布をより均一にすることができる。また、自家発電装置を稼働し続けることで施設内を適温に保ち続け、断熱材を使用することなく外気温の輻射熱による植物育成への影響を軽減させことができる。この結果、より均一な大きさの植物体を栽培することができ、かつ、空調動力の消費電力量を軽減することができる。

Description

本発明は、施設内の温度分布の均一化、最適温度の維持を図るための管理を行う温度管理システムに関し、特に、水耕栽培技術を用いた植物生産システムに好適に用いられるものである。

水耕栽培のひとつに、閉鎖された屋内で植物を生産するシステムがある。水耕栽培は主にビニルハウスやグラスハウスなどの施設において普及してきたが、このような植物生産システムでは、日光等天候の影響を回避することが難しく、この影響の回避が課題とされてきた。そこで、日光を遮り外界から隔離された閉鎖型の施設とし、その施設に人工照明と空調システムを設置し、天候に左右されることなく植物を生産するシステムが研究開発されてきている（例えば下記特許文献１参照）。

しかし、こうした植物生産システムでは、人工照明や空調等を使用するため、通常の栽培よりもエネルギー消費量が大きいことが課題となっている。特に、このような閉鎖型の植物生産システムの場合には、電気エネルギーの供給が途絶えた段階で、内部環境を保つことができない。このため、植物生産システムへの恒常的な電力供給が不可欠であり、この普及においては、配電可能な地域に限定されている。

また、植物は、環境の変化がそのまま植物体の成長や形状等に影響を与えるため、栽培環境の維持を電気エネルギーに依存する上記の植物生産システムでは、長期停電があった場合、植物栽培に甚大な影響が起こることが指摘されている。

また、このような植物生産システムでは、外界からの熱貫流による床や壁面の輻射熱を完全に取り除くことは困難であり、この輻射熱によって施設内部での温度格差が生じやすく、この影響から均一な大きさの植物体を栽培することが困難であると考えられている。

更に、本植物生産システムでは、植物栽培における病気と害虫の被害が課題とされており、これを回避するために化学薬品を使った菌類、昆虫類、ダニ類等の殺菌、殺虫を行うことが多い。しかしこれらの処方は環境負荷が大きくなり好ましくない。

なお、上記の電力的な事情を解決すべく、コジェネレーションを併設する農業施設が提案されている（例えば下記特許文献２参照）。しかし、このような施設におけるコジェネレーションの排熱の利用は、施設内の温度分布を均一にする目的には利用されていない。

一方、こうした施設内の温度を均一にさせるために、施設内部に空気を撹拌する撹拌装置を取り付けた農業施設が提案されている（例えば下記特許文献３参照）。

また、植物栽培において、培養液を殺菌するために、ヒートポンプによる殺菌方法や（例えば下記特許文献４参照）、電気で培養液を加熱する殺菌方法（例えば下記特許文献５参照）が提案されている。

また、他の技術として、自家発電装置から発生する排気ガスから二酸化炭素を取り出して植物育成に用いる施設栽培が提案されている。（例えば下記特許文献６参照）。

一方、環境負荷を軽減するために、化学薬品ではなく二酸化炭素を使用して昆虫類を殺虫させる方法が提案されている（例えば下記特許文献７参照）。

特許公開平１０−４７８８特許公開２００２−２９５３０７特許公開２０００−２１７４４５特許公開２００４−２１６１０４特許公開２００２−２８２８２８特許公開２００３−２３８８７特許公開平９−１６３９２７

しかしながら、上記特許文献３に記載されるような施設では、温度格差を小さくするためにやはり動力を用いざるを得ず、温度を均一にしようとするほど消費電力量を増大させる結果となる。また、温度を均一にするために空気の流量を大きくすると、その空気の流れによって植物体の成長速度に変化を及ぼしてしまうため、温度差が大きくなるほど収穫物の品質に違いが生じてしまうといった課題も生じる。特に、植物体の種類によっては、風の流れが強くなることでストレスとなり、成長を阻害し品質の劣化を引き起こし易いものもある。

また、上記特許文献４及び５に記載の技術は、自家発電装置から発生する熱を用いるものではなく、また、殺菌装置を稼働させるため、新たな電気エネルギーを消費するため省エネルギー的とはいえないといった課題がある。

また、上記特許文献６に記載の施設栽培においては、昆虫類の殺虫用途としての使用は考慮されておらず、この点においても改善の余地がある。なお、特許文献６は、二酸化炭素を使用して昆虫類を殺虫する方法が提案されているが、自家発電装置から必然的に発生する二次生産物を利用する方法ではなく、二酸化炭素の輸送コストと輸送エネルギー（ガソリン等）をより消費する必要があるため、省エネルギー的ではない。

そこで、本発明は、上記の問題点を解決し、より消費電力を少なくし、効率のよい省エネルギー的な植物生産システムを提供することを目的とする。

本発明者らは、消費電力の大きな植物工場を省エネルギーで稼動させるために、例えば都市ガス、重油、ＬＮＧを燃料とするガスタービンやガスエンジン、あるいはディーゼルエンジン、天然ガスやメタノール等由来の水素を利用する燃料電池、植物由来の廃棄物等を燃料とするバイオマス発電などの自家発電装置のうち、一つまたは複数を植物工場に併設し、その発電の過程で排出される熱エネルギーを利用することに着目し、本発明を完成させるに至った。

即ち、本発明に係る植物生産システムは、自家発電装置と、自家発電装置が発生する熱を吸収する吸収式冷凍機と、照明器具、空調装置及び二酸化炭素施用装置を備え、天井、床、壁面に熱交換用パイプが設置された植物工場と、を有することを特徴とする。自家発電装置及び吸収式冷凍機を併設することにより、火力発電や水力発電、原子力発電などの大型発電からの電力供給が困難な地域（例えば荒地、離島等）に植物工場を立地させることを可能としたほか、自家発電装置から発生する熱エネルギーを植物工場内の温度を均一にするために効率よく利用することが可能となる。特に、天井、床、壁面に熱交換用パイプを配置することで、断熱材を設置せずに外気温の影響を抑制し、かつ、空調装置の消費電力を抑えることも可能となる。また、天井、床、壁面に熱交換用パイプが設置され、収穫物を保管する保温庫と、を有することも望ましい。植物工場内の温度分布を均一にすることで、栽培する植物体の生育速度に差を生じさせず、保温庫においては温度むらによる植物の品質劣化を防ぎ、天井や壁に断熱材を設置せずに外気の熱貫流による輻射熱を抑制するなど施設外からの温度影響を抑えることができ、エネルギーを無駄なく利用することができる。

また、本発明に係る植物生産システムは、熱交換用パイプには液体が充填され、液体を熱交換用パイプ内で循環させるとともに、自家発電装置から発生する熱を、直接温熱として、又は、吸収式冷凍機で変換された冷熱として用い、液体を調節することも望ましい。なおこの場合において、液体は、温度調整ができる限りにおいて特段に制限されるものではないが、例えば水があげられる。自家発電装置からの排熱を、直接温熱として、又は、吸収式冷凍機によって冷熱変換させ、この温熱と冷熱とで液体を温度調節し、これを植物工場の天井、床、壁面内に設置させた熱交換用パイプに通すことで植物工場施設内の温度を植物に最適な温度でしかもより均一な状態にし、温度差による植物の生育速度差を小さくさせることが可能となる。この仕組みにより、天井や壁に断熱材を装備することなく、外気の熱貫流による輻射熱を抑制することが可能となる。さらに、このような排熱利用により、植物工場施設温度制御用の空調動力に使用される電気エネルギー使用量を削減させることが可能となる。

また、本発明に係る植物生産システムの植物工場は、前記熱交換用パイプの一部を覆うチャンバーボックスを有することも望ましい。より望ましくは、更に通風口及びファンを設けることで、チャンバー内に施設内の空気を通すことが可能となり、迅速に植物工場内、保管庫内を適温にすることが可能な空調装置とすることができ、空調動力にかかる消費電力を低く抑えることができるようになる。

また、本発明に係る植物生産システムは、自家発電装置から発生する熱を用いて温水を貯蔵する給湯用貯湯槽を有することも望ましい。これにより、作業者の使用するシャワーや器具洗浄用温水、植物栽培器具の熱殺菌用途に利用することができる。特に、自家発電装置から発生する熱のうち、植物工場等の温度調節等に利用されなかった余分な熱エネルギーを給湯用貯湯槽にまわすことで、従来の加温ボイラーや電気温水器を用いる温水供給よりも無駄なくより効率的なエネルギーを利用できる。もちろん、環境負荷も小さい。

また、本発明に係る植物生産システムは、自家発電装置から発生する熱を用いて加熱殺菌を行う培養液タンクを有することも望ましい。このようにすることで、より効率がよくなる。特に、上記植物工場等の温度調整に用いられなかった熱を利用することで更にエネルギーの利用効率が高まる。また更に、この場合において、加熱殺菌後の培養液を再冷却し、栽培に適した温度に調整することで、生育に適切な温度とでき、培養液の熱変動による植物品種への影響を回避することができ、より無駄なく質の高い植物育成を行うことができるようになる。また、排熱を植物栽培に用いる器具類の加熱殺菌に使用することで、薬剤を使用した殺菌方法と比較して環境負荷が小さく、ボイラーによる蒸気消毒よりも省エネルギーな殺菌方法となる。

また、本発明に係る植物生産システムの植物工場は、自家発電装置が発生する電気を用いて動作する照明装置、電気機器、及び空調装置、を有することも望ましい。

また、本発明に係る植物生産システムは、自家発電装置から発生する排ガスから窒素酸化物・硫黄酸化物を除去する窒素酸化物・硫黄酸化物除去装置を有することも望ましい。またこの場合においては、窒素酸化物・硫黄酸化物が除去された排ガスを一旦貯留する排気ガス貯留タンクを有することが望ましく、更にこの排気ガスを植物工場内に供給する手段を設けることで、植物育成のために施用し、かつ、植物工場および保温倉庫に進入した昆虫類を殺虫するためにも使用することができるようになる。この結果、植物成長を促進させることができる。なお、この窒素酸化物・硫黄酸化物を除去した結果のガスは二酸化炭素を多く含むガスであるため、二酸化炭素を含むガスを貯留しておき、植物工場や保温庫に昆虫類が侵入した際にこれらの施設に投入することで、環境負荷が小さく、エネルギー効率良くこれらの昆虫類を殺虫することができるようになる。

また、本発明に係る植物生産システムの植物工場における記照明装置、前記電気機器、及び前記空調装置は、自家発電装置が発生する電気を用いて動作することが望ましい。このようにすることで、配電の制約がなく常時稼動することが可能となり、停電のリスクを回避することができ、停電がもたらす植物工場内環境の変動による植物生育の悪化、ならびに植物保温温度変化による品質劣化を防止することができるようになる。

以上のように本発明は、より消費電力を少なくし、効率のよい省エネルギー的な植物生産システムを提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、以下に示す図面に基づき説明する。なお、本発明は異なる多くの態様での実施が可能であり、以下に示す実施の形態に狭く解釈されるものではない。

（１）全体構造
図１は、本実施形態に係る植物生産システム（以下「本システム」という。）のフローを示す図である。本システムでは、図１に示すとおり、主に植物工場１、保温庫２、自家発電装置３、吸収式冷凍機４を有して構成される。

植物工場１は、栽培ベッド２２、培養液タンク１１が設置され、栽培ベッド２２に培養液を供給することにより栽培ベッド２２上において植物を栽培することができる。植物は培養液を根から吸収し、植物育成用照明１７にて光合成を行う。

保温庫２は、植物工場１に近接又は密着する形で設置され、主に収穫された植物の保存に利用される。また、自家発電装置３も植物工場１及び保温庫２に近接又は密接するよう併設される。なお、自家発電装置３としては、特に限定されるわけではないが、ガスタービン、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、燃料電池及びバイオマス発電等のうちのいずれか一つ又は複数を好適に用いることができる。

（２）熱エネルギーのフロー
図１に示すとおり、自家発電装置３から発生する熱エネルギーは、まず水／水熱交換器５を介して熱交換される。吸収式冷凍機４及び暖房用水／水熱交換器７は、熱交換によって得られる温熱を用いて冷熱、温熱をそれぞれ生成する。

そして植物工場用冷温水ヘッダ８、保温庫用冷温水ヘッダ９は、上記生成された冷熱、温熱を用いて、植物工場１の天井、床、壁面に設置された植物工場恒温用熱交換パイプ２３内部、又は、保温庫２の天井、床、壁面に設置された保温庫用熱交換パイプ２４内部の水の温度を調節し、これら温度が調節された水をパイプ内において循環させ、植物工場１の内部、保温庫２の内部を一定の温度に保つ。なお植物工場恒温用熱交換パイプ２３、保温庫恒温用熱交換パイプ２４は、外気温による輻射熱の影響を抑制する効果も有する。

なお、吸収式冷凍機４で得られた冷熱の一部は、植物工場１における培養液タンク１１でも熱交換され、熱殺菌された培養液を栽培に適した温度に再冷却する用途に利用される。

また、水／水熱交換器５で得られた温熱のうち、植物工場恒温用熱交換パイプ２３及び保温庫恒温用熱交換パイプ２４のいずれにも投入されなかった温熱は、給湯用貯湯槽１０にて熱交換することで温水を作る用途に用いられる。ここで得られた温水は、例えばシャワーや栽培器具類の熱殺菌用途として利用可能である。

（３）排気ガスのフロー
図１に示すとおり、窒素酸化物・硫黄酸化物除去装置１３は、自家発電装置３より発生した排気ガスｄから窒素酸化物・硫黄酸化物を除去した排気ガスｅを生成する。生成された窒素酸化物・硫黄酸化物が除去された排気ガスｅは、一旦排気ガス貯留タンク１４に貯留され、適宜植物工場１に投入される。このガスは二酸化炭素を含んでいるため、この二酸化炭素は植物育成用途に利用することができる。また、この二酸化炭素は保温庫２内に昆虫類が進入した際に殺虫用途として利用することもできる。なお、排気ガスをこれら用途として利用する場合、市販の液化炭酸ガス等との併用も可能である。

（４）電気エネルギーのフロー
図１に示すとおり、自家発電装置３で生成された電気ｆは、植物工場配電盤１５および保温庫配電盤１６に送電され、それぞれ植物工場１の植物育成用照明１７や植物工場空調装置１８、植物工場一般照明１９、培養液循環ポンプ（図省略）、保温庫２の保温庫空調装置２０、保温庫一般照明２１、それぞれの施設コンセント（図省略）の電源として利用することができる。

（５）天井
図２は、植物工場における植物工場恒温用熱交換パイプ２３の設置方法を示したものである。植物工場恒温用熱交換パイプ２３は、天井スラブに天井固定用ステイを介して固定される。天井板２５は木質系、樹脂系、石質系、又は金属のものを用い、天井スラブと天井板２５とに挟まれた空間に植物工場恒温用熱交換パイプ２３を位置させる。天井板２５は、設けておくことが望ましいが、なくてもよい。なお、保温庫２も同様の構造を有する（図省略）。

（６）床
図２で示すとおり、床固定アンカー２８にて、植物工場恒温用熱交換パイプ２３が床に固定されている。床板２７は木質系、樹脂系、石質系、又は金属のものを用い、天井スラブと床板２７とに挟まれた空間に植物工場恒温用熱交換パイプ２３を位置させる。床板２７は、設けておくことが望ましいが、なくても良い。その場合、栽培ベッド２２は植物工場恒温用熱交換パイプ２３を避けるように設置させる。なお、保温庫２も同様の構造を有する（図省略）。

（７）壁面
図３に、植物工場１の鳥瞰図を示す。植物工場１の外壁２９および内壁３０は、木質系、樹脂系、石質系、金属の中で、太陽光線を遮光できる素材を用いる。植物工場恒温用熱交換パイプ２３の一部を壁で囲み、チャンバーボックス３１とする。図３では、内壁３０の一部をチャンバーボックス３１にした図を示しているが、天井、床にチャンバーボックス３１を設置する態様でも良い。

（８）恒温用熱交換パイプ
図４は、植物工場恒温用熱交換パイプ２３および保温庫恒温用熱交換パイプ２４の模式図を示している。植物工場恒温用熱交換パイプ２３および保温庫恒温用熱交換パイプ２４の素材は、ステンレスに代表される錆びない金属を使用することが望ましいが、耐熱樹脂等の素材を使用してもよい。植物工場恒温用熱交換パイプ２３および保温庫恒温用熱交換パイプ２４は、図４で示すとおり、山と谷を組み合わせた形状が望ましいが、直線、円形、螺旋状等でもよい。温冷水ｇは一方方向に流れる。

（９）チャンバーボックス
図５は、チャンバーボックス３１の斜視図を示している。植物工場恒温用熱交換パイプ２３もしくは保温庫恒温用熱交換パイプ２４の一部を箱状の壁で囲み、チャンバーボックス３１とする。チャンバーボックス３１にはファン３２が設置されるが、設置箇所はチャンバーボックス３１の上面もしくは正面、もしくは側面の任意の場所とし、チャンバーボックス３１内の空気を排出する機能を有する。ファン３２によってチャンバーボック３１内の空気が排出されることで、チャンバーボックス３１内部が陰圧となり、自動的に通風口３３から施設内の空気が流れ込む仕組みとなる。この結果、チャンバーボックス３１は空調装置と同様の機能を持つことになる。通風口の穴径はファン３２の送風能力に見合ったサイズとする。形状は強度の面から円形が望ましいが、四角形、三角形、多角形等、いずれの形状でもよい。

以上、本発明により、より消費電力を少なくし、効率のよい省エネルギー的な植物生産システムを提供することができる。

なお、本植物生産システムは、外気温の影響を小さくし、室内の温度を一定に保つことが可能であるため、他の食品、たとえば卵の保温庫や食肉の保管庫にも実施することができる。また同様に、事務所や居室などにも実施することができる。また、ここでは自家発電装置を有することから、電力供給を不可欠とする植物工場の配電を困難とする地域への導入が容易である。自家発電装置から発生した電力と熱エネルギーを効率よく利用するため省エネルギーであり、温調システムとしても極めて有用である。

本発明は、上記のように植物生産システムにおいて利用可能であり、産業上の利用可能性がある。

実施形態に係る省エネルギー型植物工場のシステムフロー図。実施形態に係る植物工場断面図。実施形態に係る植物工場配置図。実施形態に係る恒温用熱交換パイプの模式図。実施形態に係るチャンバーボックス斜視図。

符号の説明

１…植物工場
２…保温庫
３…自家発電装置
４…吸収式冷凍機
５…水／水熱交換器
６…冷却塔
７…暖房用水／水熱交換器
８…植物工場用冷温水ヘッダ
９…保温庫用冷温水ヘッダ
１０…給湯用貯湯槽
１１…培養液タンク
１２…培養液熱殺菌槽
１３…窒素酸化物・硫黄酸化物除去装置
１４…排気ガス貯留タンク
１５…植物工場配電盤
１６…保温庫配電盤
１７…植物育成用照明
１８…植物工場空調装置
１９…植物工場一般照明
２０…保温庫空調装置
２１…保温庫一般照明
２２…栽培ベッド
２３…植物工場恒温用熱交換パイプ
２４…保温庫恒温用熱交換パイプ
２５…天井板
２６…天井固定用ステイ
２７…床板
２８…床固定アンカー
２９…外壁
３０…内壁
３１…チャンバーボックス
３２…ファン
３３…通風口
ａ…燃料
ｂ…給水
ｃ…培養液
ｄ…排気ガス
ｅ…窒素酸化物・硫黄酸化物除去排気ガス
ｆ…電気
ｇ…温冷水

Claims

自家発電装置と、
該自家発電装置が発生する熱を吸収する吸収式冷凍機と、
照明装置、電気機器、空調装置及び二酸化炭素施用装置を備え、天井、床、壁面に熱交換用パイプが設置された植物工場と、を有する植物生産システム。
天井、床、壁面に熱交換用パイプが設置され、収穫物を保管する保温庫と、を有することを特徴とする請求項１記載の植物生産システム。
前記熱交換用パイプには液体が充填され、該液体を熱交換用パイプ内で循環させるとともに、
前記自家発電装置から発生する熱を、直接温熱として、又は、前記吸収式冷凍機で変換して冷熱として用い、前記熱交換用パイプの前記液体を調節することを特徴とする請求項１又は２に記載の植物生産システム。
前記植物工場は、前記熱交換用パイプの一部を覆うチャンバーボックスを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の植物生産システム。
前記自家発電装置から発生する熱を用いて温水を生成し、貯蔵する給湯用貯湯槽を有することを特徴とする請求項１に記載の植物生産システム。
前記自家発電装置から発生する熱を用いて加熱殺菌を行う培養液タンクを有することを特徴とする請求項１記載の植物生産システム。
前記植物工場における前記照明装置、前記電気機器、及び前記空調装置は、前記自家発電装置が発生する電気を用いて動作することを特徴とする請求項１記載の植物生産システム。