WO2014077122A1

WO2014077122A1 - 植物栽培システム

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Publication number: WO2014077122A1
Application number: PCT/JP2013/079290
Authority: WO
Inventors: 崇治二枝
Original assignee: 二枝美枝
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2014-05-22
Also published as: TW201433261A; JP2014113139A

Abstract

　植物栽培領域およびその上面側に光を照射する照明ランプを備えてなる植物栽培室において、植物栽培室の内面の少なくとも一部が遠赤外線を放射・吸収し遠赤外線の放射率が０．６以上である遠赤外線放射物質を含む材料で構成された植物栽培室内面構成部材からなり、照明ランプの表面は、前記遠赤外線放射物質と同一の遠赤外線放射物質を含む被覆層を有してなり、植物栽培室内面構成部材の遠赤外線放射物質と同一の遠赤外線放射物質を含む材料で構成された冷却及び/又は加熱面を有する冷却及び/又は加熱源を設けてなる。冷却源の冷却面が冷却されると、その冷却面の遠赤外線放射物質が植物栽培室内面構成部材および照明ランプの遠赤外線放射物質が放射する遠赤外線を吸収し、又は、前記加熱源の加熱面が加熱されると、その加熱面の遠赤外線放射物質が放射する遠赤外線を植物栽培室内面構成部材および照明ランプの遠赤外線放射物質が吸収するように構成されてなる。本発明によれば、植物工場等の栽培室空間において、植物にも作業者にも快適性に優れ、かつきわめてエネルギー効率の高い温度調節システムを有する、植物栽培装置における植物栽培システムを提供し得る。

Description

植物栽培システム

　本発明は、植物工場、育苗装置等の植物栽培装置における植物栽培システムに関する。

　植物の生育環境を制御した建屋内で植物を栽培する植物工場が種々検討されている。この植物工場には、その生育環境を人工光で再現する人工光単独型と、人工光とともに太陽光も利用する太陽光併用型とがある。人工光単独型の植物工場では、特に暖房より冷房が問題となっている。すなわち、日照条件確保のための照明中は光源ランプからの発熱がある（光になるのは、３０％程度で、残りのエネルギーは熱になって放出される）ので、夏季はもちろん冬季でも冷房を行う必要がある場合が多い。また、植物工場内においては暗期（夜間）の室温は、植物の呼吸による消耗を抑制するために、照明を用いる明期よりも低く設定される。このため、特に夏季には、床面や構造材物からの放熱と外部からの熱の流入を考慮して、暗期にも冷房を行う必要がある。一方、冬季の夜間は、無暖房或いは床面や構造材からの放熱を考慮して、わずかな暖房熱量で足りる場合が多い。したがって、植物工場においては、ヒートポンプによる冷暖房設備を採用することが一般的であり、暖房用として、さらに重油を使用する温風暖房機が設けられることが多い。一方、太陽光併用型の植物工場の場合には、一般に施設の壁面にプラスチックフィルムが使われるので、壁面の断熱性が低く、冬季の夜間には暖房が欠かせないことになる。したがって、冬の暖房は温風暖房機、温水ボイラーが一般的である。このように、植物工場は最適な植物生育環境を確保するために、季節や時間を問わず、冷暖房システムを適宜稼動する必要がある。ところが、これらの装置から生み出された空調空気は、ダクトを介して各箇所に取付けられたノズルから栽培室へ吹き込まれ、空気の対流を生み出すことで空調が行われている。

　しかしながら、このような必然的に空気の対流を伴う空気調和方式により、栽培室空間の空気温度や湿度をコントロールする従来の空調システムは、植物にとって、場所毎に冷風又は温風の効果の違いや、直接気流が当たることにより、ストレスを受けることになり、必ずしも好適な生育環境とはいえず、さらには、植物工場内で作業を行う作業者にとっても、不快感を感じさせることになる。特に夏季には、冷房負荷が増大し、気流の増加をもたらし、冷風が直接吹きかかることにより、植物、作業者はともに大きなストレスを受けることとなる。そこで、従来、これらの課題を解決するために種々の提案がなされている（たとえば特許文献１）。

特開２０１１－２２３８９２号公報

　本発明は、植物工場等の栽培室空間において、植物にも作業者にも快適性に優れ、かつきわめてエネルギー効率の高い温度調節システムを備えた、植物栽培システムを提供することを目的とする。

　本発明は上記の問題を解決するために、以下の発明を提供するものである。
（１）植物栽培領域およびその上面側に光を照射する照明ランプを備えてなる植物栽培室において、前記植物栽培室の内面の少なくとも一部が遠赤外線を放射・吸収し遠赤外線の放射率が０．６以上である遠赤外線放射物質を含む材料で構成された植物栽培室内面構成部材からなり、前記照明ランプの表面は、前記遠赤外線放射物質と同一の遠赤外線放射物質を含む被覆層を有してなり、前記植物栽培室内面構成部材の前記遠赤外線放射物質と同一の遠赤外線放射物質を含む材料で構成された冷却及び/又は加熱面を有する冷却及び/又は加熱源を設けてなり、前記冷却源の前記冷却面が冷却されると、その冷却面の前記遠赤外線放射物質が前記植物栽培室内面構成部材および照明ランプ表面の前記遠赤外線放射物質が放射する遠赤外線を吸収し、又は、前記加熱源の前記加熱面が加熱されると、その加熱面の前記遠赤外線放射物質が放射する遠赤外線を前記植物栽培室内面構成部材および照明ランプの前記遠赤外線放射物質が吸収するように構成されてなる、植物栽培システム。
（２）植物栽培室の内面が側壁面および/または天井面である上記（１）に記載の植物栽培システム。
（３）植物栽培室内面構成部材が遠赤外線放射物質を１質量％以上含む上記（１）または（２）に記載の植物栽培システム。
（４）遠赤外線放射物質の遠赤外線の放射率が０．８以上である、上記（１）～（３）のいずれかに記載の植物栽培システム。
（５）遠赤外線放射物質の遠赤外線の放射率が０．９以上である、上記（１）～（４）のいずれかに記載の植物栽培システム。
（６）植物栽培が土壌方式または水耕方式である上記（１）～（５）のいずれかに記載の植物栽培システム。
（７）植物栽培が土壌方式である場合において、植物栽培室内面構成部材の前記遠赤外線放射物質と同一の遠赤外線放射物質を含む材料を土壌に配合してなる上記（６）に記載の植物栽培システム。
（８）土壌内および/または土壌表面もしくはその近傍に、加熱または冷却用管が設置されてなる上記（７）に記載の植物栽培システム。
（９）植物栽培が水耕方式である場合において、水耕水が遠赤外線放射物質の水溶液である上記（６）に記載の植物栽培システム。
（１０）溶解した遠赤外線放射物質の濃度が０．００１ｗｔ％～３ｗｔ％である上記（９）に記載の植物栽培システム。

　本発明によれば、植物工場等の栽培室空間において、植物にも作業者にも快適性に優れ、かつきわめてエネルギー効率の高い温度調節システムを備えた、植物栽培システムを提供し得る。

本発明の植物栽培システムの一態様を模式的に示す図。

　本発明において、植物栽培装置は、植物工場、育苗装置等、植物の生育環境を制御した建屋内で植物を栽培する装置をいい、植物栽培領域およびその上面側に光を照射する照明ランプを備えてなる。植物栽培領域は種々の植物を生育させるための領域であれば特に制限されず、単数または複数の棚段、栽培容器、栽培ボード、畑、等、如何なる方式も採用し得、後述するように土壌方式、水耕方式のいずれでもよい。

　本発明の植物栽培室の内面の少なくとも一部が遠赤外線を放射・吸収し遠赤外線の放射率（積分放射率）が０．６以上である遠赤外線放射物質を含む材料で構成された植物栽培室内面構成部材からなる。その内面は、植物栽培室空間内に露出した面を有し、側壁面および/または天井面であり、ドアや窓などのような開閉手段を備えることもできる。また、側壁面の内側にカーテンを設け、夜間に下降させて放射冷却を防止する場合等には、このカーテンも側壁面に含まれる。植物栽培室内面構成部材はそれらの面を構成している部材である。植物栽培室内面構成部材の少なくとも一部は、遠赤外線を放射・吸収する遠赤外線放射物質で構成されるか、遠赤外線放射物質を混入した材料で構成されるか、又は遠赤外線放射物質からなる皮膜を有する。遠赤外線の放射および吸収を効率よく行うため、植物栽培室内面構成部材に混入される遠赤外線放射物質は、植物栽培室内空間に露出していることが好ましい。植物栽培室内面構成部材中の遠赤外線放射物質は、植物栽培室内空間に直接露出されずに、遠赤外線放射物質の遠赤外線の放射・吸収を有意に妨げない程度の保護層（例えば、１ｍｍ程度以下の厚さの塗装膜）などで覆われていてもよい。

　遠赤外線放射物質は遠赤外線を放射・吸収する物質をいうが、本発明で用いる遠赤外線放射物質は、遠赤外線の放射率が０．６以上、好ましくは０．８以上の遠赤外線放射物質である。このような遠赤外線放射物質は、通常、いわゆる無機材料であり、天然及び人工の鉱物、金属及び半金属の酸化物、窒化物、炭化物、硫化物、水酸化物等、炭酸塩などの塩やそれらの複合物（複塩）、炭などのほか、貝殻などの天然素材なども含まれる。また、本発明の遠赤外線放射物質の殆どは広義のセラミックス材料（金属以外の無機材料をいう。）であるが、有機物や有機物由来の物質であっても上記放射率の条件を満たすならば用いることができる。

　本発明において、遠赤外線放射物質を含む部材中における遠赤外線放射物質の形態は、遠赤外線放射物質を含む部材が遠赤外線を放射・吸収できれば格別に制約はなく、代表的には、遠赤外線放射物質からなる、パネルまたはタイル状等の一体物、遠赤外線放射物質の粒子、粉末、骨材等（これらをもまとめて粒子ともいう。）を含む部材、遠赤外線放射物質の皮膜を有する部材などの形態であることができる。粒子の場合、その直径は通常２００μｍ以下程度から選ばれる。

　上記の遠赤外線放射物質を混入した材料とは、構成成分の一部として遠赤外線放射物質を含む材料をいう。この場合の遠赤外線放射物質は、典型的には天然又は人工の無機材料の粒子として、植物栽培室内面構成部材の製造材料中に混入される。植物栽培室内面構成部材は、遠赤外線放射物質を１質量％以上含むものが好適であり、さらに好適には３質量％以上である。

　遠赤外線放射物質からなる皮膜とは、植物栽培室内面構成部材の表面に形成した遠赤外線放射物質の皮膜をいう。この皮膜は、適当な皮膜形成技術、例えば熔射、蒸着などのＰＶＤ技術、あるいはＣＶＤ技術により、遠赤外線放射物質を対象表面に被覆して形成することができる。

　本発明で使用する遠赤外線放射物質の遠赤外線の放射率は、上記のように、０．６以上であり、好ましくは０．８以上、より好ましくは０．９以上である。遠赤外線は、波長が３μｍ～１０００μｍの電磁波のことをいう。材料の放射率は、同一条件における理想的な黒体の遠赤外線の放射エネルギーをＷ₀とし、当該材料の遠赤外線の放射エネルギーをＷとした場合に、Ｗ／Ｗ₀によって定義される。

　さらに、本発明において、照明ランプとしては、白色蛍光灯、発光ダイオード（ＬＥＤ）、高圧ナトリウムランプ、メタルハライドランプ、等の光源を使用し得る。そして、本発明においては、照明ランプの表面は、植物栽培室内面構成部材の遠赤外線放射物質と同一の遠赤外線放射物質を含む被覆層を有する。たとえば、遠赤外線の放射率が０．９を超える数値を示す花崗岩を粉砕した粉砕物を混ぜた白い塗料により構成された厚さ約２００μｍの被覆層が形成される。被覆層中の花崗岩の粒径は、たとえば１００μｍ以下である。この花崗岩の被覆層における含有率は、塗料の硬化状態（乾燥状態）で好ましくは０．１～５質量％である。その厚さは、通常０．１～１ｍｍ程度から選択される。

　さらに、本発明においては、植物栽培室内面構成部材の遠赤外線放射物質と同一の遠赤外線放射物質を含む材料で構成された冷却及び/又は加熱面を有する冷却及び/又は加熱源を設けてなる。冷却源の冷却面が冷却されると、その冷却面の遠赤外線放射物質が植物栽培室内面構成部材および照明ランプの遠赤外線放射物質が放射する遠赤外線を吸収し、又は、加熱源の前記加熱面が加熱されると、その加熱面の前記遠赤外線放射物質が放射する遠赤外線を植物栽培室内面構成部材および照明ランプの遠赤外線放射物質が吸収するように構成されてなる。

　本発明において、冷却及び／又は加熱面は、好適には遠赤外線放射物質を被覆されたフィンを有するラジエーターで構成されており、冷房運転時にラジエーター表面に空気中の水分が結露して生成した水滴を屋外に排出するために、ラジエーター下方の水滴受部の排水溝から屋外の排水出口に至る排水系を設けている。ラジエーターは、たとえば表面を被覆加工したアルミニウム製のフィンを複数備えている。このフィンは、薄手の板状であり、上下に延在している。フィンは、熱伝導の良好な他の金属または合金材料、例えば鉄や銅、それらの合金など、で製作することもできる。このフィンの表面は、遠赤外線放射物質の粉砕物とバインダーとを混合し、それを層状に塗り、乾燥させることで被覆されている。

　フィンは、通常、アルミニウム製の支持板と一体形成されている。支持板の裏面側は、冷媒通路に露出している。冷媒通路には、冷媒として冷水が循環する。この冷媒は、冷却源である冷媒冷却装置により冷却される。冷媒冷却装置の冷却機構は、一般的な空調装置や冷蔵庫に利用されているものと同じである。

　冷却面の下方には、排水溝が設けられている。冷媒通路内を冷却水が循環すると、フィンが冷却され、フィンの表面の遠赤外線物質層も冷却され、床面、壁面、天井面の室内面構成部材から放射された遠赤外線を吸収して、部屋内の環境の冷却が行われる。また、冷却面の表面に室内空間の空気中に含まれる水分が結露する。この結露した水滴は、排水溝に滴下し、排水溝から排水出口へ移動し、再利用されるか、または室外に排出される。

　冷却及び／又は加熱源のために、冷熱放射装置が好適に使用され、冷放射と熱放射を切り換えて行うことができる。冷放射は、冷却されることで、周囲からの熱放射を吸収する作用のことをいい、熱放射は、加熱されることで、周囲に向かって熱放射を行う作用のことをいう。

　このような冷熱放射装置は、室外機である冷温水発生装置に接続されている。冷温水発生装置は、ヒートポンプ機能を備え、冷水または温水を発生する。このヒートポンプ機能は、通常のエアコン等に用いられているものと同じ原理により動作する。なお、冷房効果だけを得るのであれば、冷水の発生機能だけでよい。また、暖房効果だけを得るのであれば、温水の発生機能だけでよい。

　冷熱放射装置に、冷温水発生装置から冷水が供給されると、フィンが冷やされ、結露による除湿が行われる。また冷却されることで、フィンの表面は、冷放射を行う冷却面として機能する。また、冷熱放射装置に、冷温水発生装置から温水が供給されると、上記フィンが温められ、このフィンの表面が加熱面（熱放射面）として機能する。なお、冷水というのは、冷温水発生装置の冷却機能によって冷却された水のことであり、温水というのは、冷温水発生装置の加熱機能によって加熱された水のことをいう。なお、上記のように、フィンに結露した水滴は、下方のトレイに滴下させて集められ、排水溝から屋外に排水される。

　本発明の一態様において、フィンの表面には、遠赤外線の放射率が０．９を超える数値を示す花崗岩を粉砕した粉砕物（以下、石粉という）を混ぜた白い塗料により構成された厚さ約２００μｍの被覆層が形成される。被覆層中の石粉の粒径は、５０μｍ以下である。この石粉の被覆層における含有率は、塗料の硬化状態（乾燥状態）で２０重量％とされている。この被覆層が冷却除湿面および加熱面として機能する。

　本発明における植物栽培は土壌方式または水耕方式のいずれでもよく、常法によることができる。植物栽培が畑による土壌方式である場合において、植物栽培室内面構成部材の遠赤外線放射物質と同一の遠赤外線放射物質を含む材料を土壌に配合することができる。さらに好適には、土壌内および/または土壌表面もしくはその近傍に、加熱または冷却用管が設置されてなる。それらの材料の粒径は、通常１μｍ～２ｍｍ程度から選ばれる。
　一方、植物栽培が水耕方式である場合においては、水耕水が遠赤外線放射物質の水溶液であるのが好適である。水耕水に溶解した遠赤外線放射物質の濃度は０．００１ｗｔ％～３ｗｔ％水溶液、好ましくは０．０１ｗｔ％～１ｗｔ％水溶液である。これにより、本発明による効果を一層向上し得る。すなわち、植物が水溶液中の遠赤外線放射物質を取り込むことにより、植物自体が遠赤外線の前記吸収機構に直接関与（いわゆる共鳴）し得ることになる。遠赤外線放射物質の水溶液の調製は常法によることができる。

　土壌は、栽培する植物の種類により、適した条件が調整される。この土壌内または土壌表面もしくはその近傍に、加熱または冷却用管が設置され、その内部に形成された流路に媒体を流すことにより、土壌に配合された遠赤外線放射物質を含む材料を加熱または冷却することができる。媒体としては、通常、２５～５５℃の温水もしくはその他の液体、または５～２０℃の冷水もしくは不凍液等の液体が用いられ、加熱または冷却用管は、土壌に畝部が形成される場合には、通常１畝部あたり１～４本程度埋め込まれ、好適には１畝部あたり２～３本埋め込まれる。埋設深さは、土壌の深さにもよるが、通常、土壌の深さの中心付近に置かれ、３～２０ｃｍ程度が好適である。埋設に代えて、あるいは付加的に土壌表面もしくはその近傍に加熱または冷却用管を設置することもできる。加熱または冷却用管の内径は、通常１０～３０ｍｍ程度であり、厚さは、たとえば２ｍｍ程度である。

　さらに本発明においては、加熱または冷却用管の外側表面が、植物栽培室内面構成部材の遠赤外線放射物質と同一の遠赤外線放射物質を１質量％以上含む材料で構成される被覆層を形成されていてもよい。さらに、本発明においては、加熱または冷却用管自体が、前記植物栽培室内面構成部材の前記遠赤外線放射物質と同一の遠赤外線放射物質を１質量％以上含む材料で構成されていてもよい。

　これらの構成の採用は、加熱または冷却用管の内部に形成された流路に媒体を流すことにより、土壌に配合された遠赤外線放射物質を含む材料を加熱または冷却するする効率をさらに高めることができる。

　土壌に遠赤外線放射物質を配合する場合、その表面から２０ｍｍまでの深さの表面層において遠赤外線放射物質を０．０１質量％以上含むようにするのが好適であり、さらに好適には０．１質量％以上、もっと好適には１質量％以上である。

　本発明の植物栽培システムにおいては、以上のように、加熱または冷却源として、フィンおよび/または加熱もしくは冷却用管を用いることができるが、暖房時には加熱用管を、そして冷房時にはフィンを用いるのが特に好適である。

　以下に、図１とともに本発明の植物栽培システムについてさらに具体的に説明する。図１は、本発明の植物栽培システムの一態様を模式的に示す図である。図１において、１は植物栽培室、２は植物栽培領域、３は植物、４は照明ランプ、５は植物栽培室の側壁面、６は天井面、７はフィンを有するラジエーター（冷熱放射装置）、８は冷温水発生装置である。照明ランプ４の表面、側壁面５、天井面６、およびフィン表面は、遠赤外線放射物質花崗岩を粉砕した粉砕物を混ぜた白い塗料により構成された、厚さ約１０～１０００μｍ程度の被覆層が形成されている。フィンが冷却されると、その冷却面の遠赤外線放射物質が側壁面５、天井面６および照明ランプの遠赤外線放射物質が放射する遠赤外線を吸収し、又は、フィンが加熱されると、その加熱面の遠赤外線放射物質が放射する遠赤外線を側壁面５、天井面６および照明ランプの遠赤外線放射物質が吸収することになる。

　このように、本発明の植物栽培システムにおいては、従来の空調方式に比べて、空気の流れが極めて少ないため、植物に快適な環境を与え、病原菌の伝播防止効果も大きい。

　本発明によれば、植物工場等の栽培室空間において、植物にも作業者にも快適性に優れ、かつきわめてエネルギー効率の高い温度調節システムを有する、植物栽培装置における植物栽培システムを提供し得る。

　１　　植物栽培室
　２　　植物栽培領域
　３　　植物
　４　　照明ランプ
　５　　側壁面
　６　　天井面
　７　　ラジエーター
　８　　冷温水発生装置

Claims

　植物栽培領域およびその上面側に光を照射する照明ランプを備えてなる植物栽培室において、
　前記植物栽培室の内面の少なくとも一部が遠赤外線を放射・吸収し遠赤外線の放射率が０．６以上である遠赤外線放射物質を含む材料で構成された植物栽培室内面構成部材からなり、
　前記照明ランプの表面は、前記遠赤外線放射物質と同一の遠赤外線放射物質を含む被覆層を有してなり、
　前記植物栽培室内面構成部材の前記遠赤外線放射物質と同一の遠赤外線放射物質を含む材料で構成された冷却及び/又は加熱面を有する冷却及び/又は加熱源を設けてなり、
　前記冷却源の前記冷却面が冷却されると、その冷却面の前記遠赤外線放射物質が前記植物栽培室内面構成部材および照明ランプの前記遠赤外線放射物質が放射する遠赤外線を吸収し、又は、
　前記加熱源の前記加熱面が加熱されると、その加熱面の前記遠赤外線放射物質が放射する遠赤外線を前記植物栽培室内面構成部材および照明ランプの前記遠赤外線放射物質が吸収するように構成されてなる、
植物栽培システム。
　植物栽培室の内面が側壁面および/または天井面である請求項１に記載の植物栽培システム。
　植物栽培室内面構成部材が遠赤外線放射物質を１質量％以上含む請求項１または２に記載の植物栽培システム。
　遠赤外線放射物質の遠赤外線の放射率が０．８以上である、請求項１～３のいずれか１項に記載の植物栽培システム。
　遠赤外線放射物質の遠赤外線の放射率が０．９以上である、請求項１～４のいずれか１項に記載の植物栽培システム。
　植物栽培が土壌方式または水耕方式である請求項１～５のいずれか１項に記載の植物栽培システム。
　植物栽培が土壌方式である場合において、植物栽培室内面構成部材の前記遠赤外線放射物質と同一の遠赤外線放射物質を含む材料を土壌に配合してなる請求項６に記載の植物栽培システム。
　土壌内および/または土壌表面もしくはその近傍に、加熱または冷却用管が設置されてなる請求項７に記載の植物栽培システム。
　植物栽培が水耕方式である場合において、水耕水が遠赤外線放射物質の水溶液である請求項６に記載の植物栽培システム。
　溶解した遠赤外線放射物質の濃度が０．００１ｗｔ％～３ｗｔ％である請求項９に記載の植物栽培システム。