JP6429024B2

JP6429024B2 - 植物栽培用温室

Info

Publication number: JP6429024B2
Application number: JP2015124311A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　正幸; 正幸佐藤
Original assignee: 株式会社光植栽研究所
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2018-11-28
Anticipated expiration: 2035-06-22
Also published as: JP2017006040A

Description

本発明は太陽光を利用した植物栽培用の温室に関し、特に冬季等の日照の不足の際に補光が可能であるとともに、植栽区域の温度制御が容易な温室に係る。

例えば特許文献１に示すように日照不足の場合にメタルハライドランプ，高圧ナトリウムランプ、超高圧ナトリウムランプ等の光源を用いた補光が提案されている。
しかし、補光光源の点灯制御に光子量計等の計測手段を用いることは、システムが複雑で高価なものになり実用的ではない。
また、例えば北陸地方等の冬季においては雨天等による日照不足の場合がある一方で、晴天時等には温室内が異常に高温になるのを防ぐ必要がある。
このような温度管理において、複雑なシステムは高価になるため実用的でなく、植物栽培の生産額を考慮した、できるだけ安価なシステムが期待される。

特開平１０−２０１３６８号公報

本発明は、簡単な構造で補光及び温度管理が容易で実用的な植物栽培用温室の提供を目的とする。

本発明に係る植物栽培用温室は、太陽光を利用した温室本体部と、前記温室本体部の内側に配置してあり、下部に開口部を形成するように植栽区域を上部から覆う透光体からなる内部ハウス部とを備え、前記温室本体部の内側天井部に温度センサー部を有し、前記内部ハウス部内に補光光源を有し、前記補光光源の点滅制御が前記温度センサー部の計測値に基づいて制御されていることを特徴とする。

ここで温室本体部とは、農業ハウス等とも称され、ビニルシート等の樹脂シートでドーム状にしたものや、ガラス等を枠組したハウス等、植物を栽培するのに用いられるすべての温室構造体が含まれる。
本発明において、内部ハウス部とは内部に設置した補光光源から発生する熱が植栽区域の暖房としても使用できるように、補光光源及びその下の植物を栽培している植栽区域をカバーシート等で覆った構造をいう。
この場合に植栽区域が異常高温にならないように内部ハウス部の下部は開口されている。
このように本発明は温室本体部と、その内側に配置した内部ハウス部との二重構造にするとともに、内部ハウス部内に補光光源を設けたことにより補光光源を暖房手段に活用できるだけでなく、温室本体部の内側天井部の温度にて日照の強弱を判断することができた点に特徴がある。
よって、光量子計等の高価な計測機器等を用いなくても、温度センサーとタイマー等の凡用性があり、安価な機器類で制御できる。

本発明においては、前記内部ハウス部の下部開口部の周囲に冷気遮断フェンス部を有し、前記内側天井部の暖気を、前記内部ハウス部の内側の植栽区域に還流させるための暖気還流制御手段を有するようにしてもよい。
暖気は上部に発生し、冷気は下部に溜まりやすい性質を利用し、内部ハウス部内に下部の開口部から冷気が侵入するのを周囲の冷気遮断フェンス部で遮り、温室本体部の天井部の暖気を植栽区域部内に還流させることができる。

従来の温室においては、北側の壁面も他の壁面や屋根と同様にガラス、ビニルシート等で構成されているが、この北側壁面は光の吸収に効果がなく、かえって熱を外部に飛散させてしまう。
そこで本発明においては、前記温室本体部の北側に位置する側壁部に蓄熱部を形成してもよい。
この蓄熱部により早朝の外気温が低い時間帯において温室内が低下するのを抑えることができる。
ここで蓄熱部とは、太陽光の熱を吸収し蓄熱性を有するものをいい、安価である点からはポリ容器等に水を入れ、蓄熱部としてもよい。

本発明においては、内部ハウス部の植栽区域が異常高温になるのを防ぐための散水噴霧型冷気発生手段又は／及び外気との換気手段を有するようにして、植栽区域が異常高温になるのを防ぐようにするのが好ましい。
ここで、散水噴霧型冷気発生手段とは水をキリ状に噴霧し、水の蒸発熱にて冷気を発生させる方法をいい、外気との換気手段は相対的に低温の外気を取り入れ、高温の内気を外側に排出することをいう。

本発明に係る植物栽培用温室は、温度管理を温度センサーとタイマーとの組み合せによる簡単なシステムで構築でき、安価で実用的である。

本発明に係る温室の構造例を示す。本発明に係る温室の内部写真を示す。本発明に係る温室の制御フローチャートを示す。金沢市と宇都宮市との比較例を示す。温室内外の温度調査結果を示す。北側の壁に設けた蓄熱層の例を示す。蓄熱層の熱量と内部水温の測定結果を示す。蓄熱層（槽）の予備実験を示す。図８の蓄熱槽の水温変化を示す。

植物の生育のためには光合成に必要な光の照射は不可欠である。
図４に示すように、例えば北陸地方は冬期の晴天日が少ないことが大きな要因となり、石川県では同緯度で平均気温がより低い北関東の栃木県との比較で野菜生産金額は１０％程度にとどまる（図４の気象データは金沢地方気象台，宇都宮気象台の発表データに基づき、野菜生産金額は農林水産省の発表による。）。
降雨日には光合成有効光量子密度（ＰＰＦＤ）が６０μｍｏｌｍ^−２ｓ^−１程度となり、光合成促進のための必要なＰＰＦＤ１５０μｍｏｌｍ^−２ｓ⁻に対して不足する。
冬期等においても６０μｍｏｌｍ^−２ｓ^−１程度の日射量があるので、補光単独の光強度は９０μｍｏｌｍ^−２ｓ^−１を目標として光源および光源から培地までの距離を設定すれば良いことになる。
補光の点灯制御方法としては、光量子密度が１００μｍｏｌｍ^−２ｓ^−１以下の時に点灯する制御が望ましい。
しかし光量子計は高価で制御システムも複雑となるため、一般の農業者には使い難い。
本発明ではこの光強さを温室天井部の温度を計測して、この温度が一定値以下（実験では２０℃）になった時に補光点灯する方式を採用した。
予備調査として、北陸の厳冬期の温室本体部の天井部の気温（温度）と外気温との関係を調査した結果を図５のグラフに示す。
このグラフから雪等の日照不足時は、天井部の温度で判断できることが分かる。

＜天井部の暖気環流制御＞
北陸等の冬期間の作物栽培施設では補光にエネルギーを使わざるを得ないため、いかに省エネルギーで温度を制御するかに技術的な工夫が必要となる。
図５に示したように、少しでも日照があると温室の温度は上昇し、特に天井付近には暖気が溜まる。
そこで、このような温室の特性を利用し、日照不足を補光で補う本発明に係る温室構造の例を図１に示し、実験評価に用いた温室の内部の写真を図２に示す。
屋根及び四方の壁部を透光体で形成した温室本体部１１の内部に棚を設置し、植栽棚からなる植栽区域２０を設けた。
植栽棚の高さは、作業性，補光光源１３の高さ等を考慮して設定されるが、０．８〜１．２ｍのレベルである。
植栽区域２０の上部を覆うように、透光性のカバー体からなる内部ハウス部１２を設ける。
内部ハウス部１２は、上面部１２ａとその周縁部から垂下し、四方を囲む側辺部１２ｂからなる。
側辺部１２ｂの下端には、床面との間に０．６〜０．８ｍの隙間からなる開口部１２ｃを有する。
この開口部１２ｃの外側の周囲部には、側辺部１２ｂと水平方向の隙間０．１〜０．２ｍ空けて、高さ０．９〜１．０ｍの高さのビニルシート等からなる冷気遮断フェンス部１４を立設してある。
この冷気遮断フェンス部１４は、下に溜まった冷気が植栽区域２０側に流れ込むのを防止する作用を有する。
また、逆に内部ハウス部を後述する散水噴霧冷気にて温度を下げる場合には、その冷気保持として作用する。
内部ハウス部１２の内部には、日照不足を補うための補光光源１３を配置してある。
内部ハウス部１２の内側に、このように補光光源１３を適宜の高さで複数個設けることで光源から発生する熱を暖房として活用できる。
温室本体部１１の内側天井部の暖気を植栽区域２０内に還流するための暖気還流制御手段として吸引口１５ｃを天井部に有し、吐出口１５ｄを内部ハウス部１２内に配置したダクト１５を設けた。
本実施例では、温室本体部１１の内側天井部から植栽区域まで１５０ｍｍ直径のアルミ箔ダクトを設置した。
このダクト１５に天井暖気をダクト経由でサーモスタットセンサー設置位置まで還流させるブースターファン１５ａを設置した。
またサーモスタットが適正温度範囲であることを感知したら作動する換気ファン１５ｂをブースターファンの床側に設置した。
これにより温度が２０℃以上で３２℃以下の時に天井暖気を培地近傍に還流させる。

従来温室北側の壁面は、他の壁面や屋根と同様に、ガラスまたはビニールで構成するのが一般的である。
しかし温室北側壁面は光の吸収に効果がなく、熱貫流率が大きいことから低温防止の面で損失となっている。
そこで本発明では、北側の壁面に沿って蓄熱部材を配置したので、以下説明する。
この北側壁に沿って棚を作り、水を封入したポリタンクを図６（ａ），（ｂ）のように並べて設置する。
例えば、長さ５０ｍ，軒高さ２ｍの温室の北壁面には２０Ｌ入りポリタンクを長さ方向に１３７個、高さ方向に４段で、合計５３８個設置できる。
すなわち１０．８ｔｏｎの水を北側壁に蓄積可能である。
晴天の冬至日の想定で最大で１３００ＭＪの蓄積が可能となり、蓄熱槽内の最高水温は晴天の冬至日の想定では最高２８，３℃に達する。
このポリタンクで構成した蓄熱槽は床に垂直な北側の壁際に並べると、下記のように試算でき、その試算値を図７に示す。
Ａ：蓄熱槽の吸収熱量．
Ｂ：吸収熱量による水温の上昇量
蓄熱槽の吸収熱量の計算は下記による。
Ａｔ：５３８個のポリタンクの南側向きの表面積
Ｗ：直達日射量：１０００Ｊｍ^−２Ｓ^−１
θ：太陽高度：位置と時刻で計算可能
ｋ：温室ガラスの反射と吸収率：０．１（透過光は０．９となる）
Ｑ＝Σ（１−ｋ）・Ｗ・Ａｔ・ＣＯＳθ
このことから、太陽光の入射角が低くなる冬期間ほど、蓄熱効果が高いことが分かる。

ＰＥＴボトルで代用した蓄熱槽の予備実験の構造写真を図８に示し、その構成例を下記に示す。
また、測定結果を図９に示す。
＜蓄熱槽の予備実験＞
４種類のＰＥＴボトルを使った蓄熱試験
Ａ．透明なＰＥＴボトルに水封入
Ｂ．個別のＰＥＴボトルを黒ビニールカバーかけし、水封入
Ｃ．Ａと同じ透明ＰＥＴボトルに水を封入し棚全体を黒色ビニールで覆った。
Ｄ．ブラックリキッドを封入したＰＥＴボトル。ブラックリキッドは０．５％
の活性炭と１％の分散剤（ポリビニルピロリドン）および４０％の凍結防止用エチレングリコールと残量は水で構成。
この予備実験にても蓄熱効果が確認でき、例えば温室内１ｍ高さで０℃近辺まで低下する早期においても１０℃前後の水温を維持している。

＜散水噴霧冷房と冷気保持のフェンス＞
温室内の気温は図５に示したように冬期の晴天日には４０℃を超える。
この高温対策として図２にしめしたように不織布（Ｎｏｎｗｏｖｅｎ）で囲った空間内に園芸用の１流体散水噴霧ノズルで散水する。
外部からファン（Ｍｉｓｔｆａｎ）で送風して水の蒸散熱により低下した冷気を培地方向へ送風する。
散水噴霧冷房とパッドアンドファンのメカニズムを合体させた冷却システムで植栽に水滴がかかることを防ぎながら冷気を培地近傍へ供給できる。
冷気は下に溜まるので植栽の高さまでの冷気遮断フェンス部１４を設置することで、植栽近傍の高温を防止する。
散水噴霧冷房の冷却効果は空気の飽和水蒸気圧に依存するため、温度を５℃程度低下させるのが限度となることが多い。
そこで、不足する部分は外気との換気を使う。
外気を直接内部ハウス部に導入しても、暖気が上方に停滞したままで、冷気が下方から通り抜けて植栽域全体の温度が下がらない現象が起きる。
これを防止するためには、外気の導入のファン１７ａ付のダクト１７を内部ハウス部の中段に設置し、暖気の排出ファン１６ａを内部ハウス部１２上段からダクト１６経由で温室外部へと接続することで植栽部分の高温を避けることができる。
＜温度と光を制御するフローチャート＞
図３に温度と光を制御するフローチャートをしめすが、タイマーとサーミスタの信号だけで光源とファンと水供給の電磁弁を制御している。
単純な構造のため安価でかつ制御の信頼度は高い。
より具体的に以下説明する。
８：００〜１７：００の間で天井部の温度（Ｃｅｉｌｉｎｇｔｅｍｐ．）が２０℃以下のときは、補光光源を点灯する。
８：００〜１７：００の間で植栽区域の温度が２８℃を超えるときは、散水ポンプ及びミストファンを稼働し、また必要に応じて熱気排出ファン及び外気導入ファンを作動させる。
８：００〜１６：３０の間で天井部の温度が２０℃以上で３２℃以下であれば、暖気還流ダクトファンを作動する。

１１温室本体部
１２内部ハウス部
１３補光光源
１４冷気遮断フェイス部
２０植栽区域

Claims

太陽光を利用した温室本体部と、前記温室本体部の内側に配置してあり、下部に開口部を形成するように植栽区域を上部から覆う透光体からなる内部ハウス部とを備え、
前記温室本体部の内側天井部に温度センサー部を有し、
前記内部ハウス部内に補光光源を有し、
前記補光光源の点滅制御が前記温度センサー部の計測値に基づいて制御されていることを特徴とする植物栽培用温室。
前記内部ハウス部の下部開口部の周囲に冷気遮断フェンス部を有し、前記内側天井部の暖気を、前記内部ハウス部の内側の植栽区域に還流させるための暖気還流制御手段を有することを特徴とする請求項１記載の植物栽培用温室。
前記温室本体部の北側に位置する側壁部に蓄熱部を形成してあることを特徴とする請求項１又は２記載の植物栽培用温室。
前記内部ハウス部の植栽区域が異常高温になるのを防ぐための散水噴霧型冷気発生手段又は／及び外気との換気手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の植物栽培用温室。