JP7701032B2 - Environmental control system for controlling the plant microenvironment - Google Patents
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Description
本発明は、植物の栽培に適した空気を局所的に施用する農業用ハウス用の環境制御システムに関する。具体的には、二酸化炭素濃度、温度、湿度を調製した空気を送風することにより気流を発生させ、植物の生育環境を整える環境制御システムに関する。また、単位面積あたりの栽培株数を増加させるとともに、施用した二酸化炭素の散逸や栽培ベッドの温度低下を抑制することができるシステムに関する。 The present invention relates to an environmental control system for agricultural greenhouses that locally applies air suitable for plant cultivation. Specifically, the present invention relates to an environmental control system that creates an airflow by blowing air with adjusted carbon dioxide concentration, temperature, and humidity, creating a favorable environment for plant growth. The present invention also relates to a system that can increase the number of cultivated plants per unit area, while suppressing the loss of applied carbon dioxide and the temperature drop of the cultivation bed.
野菜や花卉等の施設栽培は、露地では栽培不可能な低温の時期から気温、地温、光量、土壌水分などの植物の生育環境を人工的に制御し、一年を通じて安定した品質の作物を栽培することを目的としている。また、植物の成長に必要な光合成は雰囲気中の二酸化炭素濃度を高くすることによって加速することから、二酸化炭素を供給し、収量、栽培期間を短縮する技術の開発が行われている。 The aim of greenhouse cultivation of vegetables, flowers, etc. is to cultivate crops of consistent quality throughout the year by artificially controlling the plant's growing environment, including air temperature, soil temperature, light intensity, and soil moisture, even during cold periods when outdoor cultivation is impossible. In addition, because photosynthesis, which is necessary for plant growth, is accelerated by increasing the concentration of carbon dioxide in the atmosphere, technology is being developed to supply carbon dioxide and increase yields and shorten cultivation periods.
植物が二酸化炭素と水を材料として光エネルギーを利用して糖を合成するのが光合成である。施設栽培は、閉鎖環境、あるいは半閉鎖環境であることから、光合成の盛んになる日中に二酸化炭素が不足することがある。二酸化炭素が不足すると光合成の効率が下がり、その結果、作物の収量が下がると言われている。そこで、二酸化炭素を施用し、光合成効率を高く保つ工夫が行われている。 Photosynthesis is the process by which plants synthesize sugars using light energy from carbon dioxide and water as materials. Since greenhouse cultivation is a closed or semi-closed environment, there can be a shortage of carbon dioxide during the day when photosynthesis is most active. A lack of carbon dioxide reduces the efficiency of photosynthesis, which is said to result in lower crop yields. For this reason, efforts are being made to apply carbon dioxide and keep photosynthetic efficiency high.
また、日本における施設栽培は、温度の調整が重要である。特に夏場や、日照が強い地域では１年を通して、農業用ハウス（以下、農業用ハウス、ハウス、温室、園芸施設など施設園芸に用いる建造物の名称は相互に互換的に使用される。）内が高温になるため、植物の生育には適さない状態となり高温障害を生じやすく、適切な温度管理を行うことが重要となっている。ハウス内の室温を冷却するために、パッドアンドファンシステム、ミストシステムなど様々な設備があるが、効果、コストの上で必ずしも満足できるものとはなっていない。 Temperature control is also important for greenhouse cultivation in Japan. Especially in summer and in areas with strong sunlight, agricultural greenhouses (hereinafter, the names of structures used in greenhouse horticulture, such as agricultural greenhouses, greenhouses, greenhouses, and horticultural facilities, are used interchangeably) can become hot throughout the year, making the conditions unsuitable for plant growth and making plants susceptible to heat damage, so it is important to properly manage the temperature. There are various types of equipment for cooling the room temperature inside greenhouses, such as pad and fan systems and mist systems, but these are not necessarily satisfactory in terms of effectiveness and cost.
特許文献１には、密閉された園芸施設だけではなく、雨除けハウス、トンネルハウスなどのように外気に開放された施設においても、作物群落内に二酸化炭素を施用する二酸化炭素施用装置が記載されている。園芸施設内に設置された燃焼式二酸化炭素発生器により発生した二酸化炭素を、送風機を用いて園芸施設内の栽培植物の群落内に配設されたダクトから噴出し、群落内の二酸化炭素濃度を上昇させる装置が開示されている。 Patent Document 1 describes a carbon dioxide application device that applies carbon dioxide to crop communities not only in sealed horticultural facilities, but also in facilities open to the outside air, such as rain shelters and tunnel houses. The device disclosed uses a blower to blow carbon dioxide generated by a combustion-type carbon dioxide generator installed in the horticultural facility from a duct installed in the community of cultivated plants in the horticultural facility, thereby increasing the carbon dioxide concentration in the community.
特許文献２には、ハウス内の温度を一定に保つために換気を行う場合であっても、二酸化炭素がハウス外に流出しないように制御するシステムが開示されている。具体的には、二酸化炭素供給装置を駆動する工程、及びこれに続く二酸化炭素供給装置の駆動を禁止し、二酸化炭素を拡散させる工程をハウス内の温度が一定以上になるまで繰り返し、その間は換気扇を停止することによって、ハウス外への二酸化炭素の流出を抑制しようとするものである。 Patent Document 2 discloses a system that controls the flow of carbon dioxide to prevent it from leaking out of the house, even when ventilation is performed to keep the temperature inside the house constant. Specifically, the system repeats a process of driving a carbon dioxide supplying device and the subsequent process of prohibiting the driving of the carbon dioxide supplying device and diffusing carbon dioxide until the temperature inside the house reaches a certain level or higher, and stops the ventilation fan during that time, thereby suppressing the flow of carbon dioxide to the outside of the house.
特許文献３には、外気と温室内空気とを空気混合部で混合した混合空気を栽培植物の株元に供給する温室用空気供給装置が開示されている。外気と温室内空気との混合割合を制御することによって、温度、湿度、二酸化炭素を効率的に制御する装置である。さらに、混合空気に二酸化炭素発生器により生成された二酸化炭素を取り込み、二酸化炭素を制御することも開示されている。 Patent document 3 discloses an air supply device for a greenhouse that supplies mixed air, obtained by mixing outside air and greenhouse air in an air mixing section, to the base of cultivated plants. The device efficiently controls temperature, humidity, and carbon dioxide by controlling the mixing ratio of outside air and greenhouse air. It also discloses that carbon dioxide can be controlled by incorporating carbon dioxide generated by a carbon dioxide generator into the mixed air.
特許文献１に記載の発明は、開放型のハウスにおいても、作物の群落内の二酸化炭素濃度を上昇させることが可能な装置が記載されている。しかし、日本など温帯に属する地域では、冬期は密閉型の温室栽培を行う必要があっても、春から夏にかけては、高温障害を生じることから換気が必要となる。換気を行うとハウス外に二酸化炭素が流出してしまう。そのため、二酸化炭素を施用していても非常に効率が悪い。さらに、特許文献１の装置では、ハウス内に燃焼式の二酸化炭素発生装置を設置していることから、気温の高い時期においては使用することができないという問題も生じる。 The invention described in Patent Document 1 describes a device that can increase the carbon dioxide concentration in a crop colony even in an open greenhouse. However, in temperate regions such as Japan, even if closed greenhouse cultivation is necessary in the winter, ventilation is necessary from spring to summer due to high temperature damage. When ventilation is performed, carbon dioxide flows out of the greenhouse. Therefore, even if carbon dioxide is applied, it is very inefficient. Furthermore, the device in Patent Document 1 has a combustion-type carbon dioxide generation device installed inside the greenhouse, which creates the problem that it cannot be used during hot seasons.
特許文献２に記載の発明は、二酸化炭素のハウス外への流出を抑制することは可能であるが、気温が高い時期においては常時換気が必要となることから、二酸化炭素供給装置を使用することができない。また、二酸化炭素生成器から供給される二酸化炭素は園芸植物の株元近傍に形成された吹出口から供給される構成となっているため、トマトやナスのような長茎植物の場合には光合成を行う葉の近傍には二酸化炭素が供給されない。 The invention described in Patent Document 2 is capable of preventing carbon dioxide from escaping from the greenhouse, but since constant ventilation is required during hot seasons, a carbon dioxide supplying device cannot be used. Also, since the carbon dioxide supplied from the carbon dioxide generator is supplied from an outlet formed near the base of the horticultural plant, in the case of long-stemmed plants such as tomatoes and eggplants, carbon dioxide is not supplied to the vicinity of the leaves where photosynthesis takes place.
特許文献３には、外気と温室内空気を混合し、温度、湿度、二酸化炭素を制御する装置が開示されている。特許文献３に記載の発明は、日中の換気を行わない閉鎖型、又は日中室温が所定の温度を超えた場合のみ換気を行う半閉鎖型栽培を実施するのに適しているが、わが国の栽培環境は換気が必要となる期間が多く、使用することのできない期間が長いという問題がある。また、ハウス内湿度は外気の湿度と連動していることから、外気と温室内空気を混合することにより湿度を調整できる余地は少ない。さらに、温室用空気が株元に供給される構成となっているため、特許文献２の発明と同様に、長茎植物の場合には、植物の上部には二酸化炭素が供給されないという問題があった。 Patent Document 3 discloses a device that mixes outside air with greenhouse air to control temperature, humidity, and carbon dioxide. The invention described in Patent Document 3 is suitable for closed cultivation where ventilation is not performed during the day, or semi-closed cultivation where ventilation is performed only when the room temperature during the day exceeds a specified temperature, but there is a problem that the cultivation environment in Japan requires ventilation for many periods and the period during which it cannot be used is long. In addition, since the humidity inside the greenhouse is linked to the humidity of the outside air, there is little room to adjust the humidity by mixing the outside air with the greenhouse air. Furthermore, because the greenhouse air is configured to be supplied to the base of the plants, there is a problem that carbon dioxide is not supplied to the top of the plants in the case of long-stem plants, as with the invention in Patent Document 2.
上記のように、いずれの発明も、閉鎖型、開放型を問わず、あらゆる園芸施設に対応し、温度、湿度、二酸化炭素を総合的に調整し、植物の生育環境を制御するシステムとはなっていない。施設栽培は、ハウス内の温度が高くなることから、高温障害を避けるため換気の必要性が生じるが、換気を行いながらの二酸化炭素施用は外気への二酸化炭素の流出が避けられず効率が悪い。適切な温度、湿度管理を行いながら、一年を通して無駄なく二酸化炭素を一定濃度に維持するシステムの開発が望まれている。 As mentioned above, none of the inventions are systems that are suitable for use in any horticultural facility, whether closed or open, and that comprehensively adjust temperature, humidity, and carbon dioxide to control the plant growth environment. In greenhouse cultivation, the temperature inside the greenhouse becomes high, making ventilation necessary to avoid heat damage, but applying carbon dioxide while ventilating is inefficient because it is inevitable that carbon dioxide will escape into the outside air. There is a need for the development of a system that can maintain a constant concentration of carbon dioxide without waste throughout the year while performing appropriate temperature and humidity management.
本発明は植物の生育に適した二酸化炭素濃度、温度、湿度に調整した空気を植物の群落内に局所的に供給し、植物の生育環境を制御するシステムに関する。また、施用された二酸化炭素の散逸の抑制や保温を図り、一定の環境を維持するシステムに関する。
（１）農業用ハウスにおける環境制御システムであって、植物群落内全体に微風を送ることにより気流を生じさせ植物群落内全体の微小環境を調整することを特徴とする環境制御システム。
（２）（１）記載の環境制御システムは、栽培用空気を調整する混合キャビンと、二酸化炭素を供給する二酸化炭素供装置と除湿機と、加湿器とを備え、前記混合キャビン内で二酸化炭素濃度、温度、湿度を所定の範囲内に調整し、送風チューブによって調製空気を供給する環境制御システム。
（３）前記二酸化炭素供給装置が、燃焼式二酸化炭素発生器であり、二酸化炭素の供給及び植物群落の温度管理に用いることができる（２）記載の環境制御システム。
（４）前記加湿器がミスト発生装置である（２）又は（３）記載の環境制御システム。
（５）農業用ハウス内及び農業用ハウス外に少なくとも温度、湿度を測定するセンサを設け、制御装置によって混合される調製空気を調整し供給する（１）～（４）いずれか１つ記載の環境制御システム。
（６）農業用ハウス内に設けられている栽培ベッドは吊りベッドであり、垂直方向に移動可能であることを特徴とする（１）～（５）いずれか１つ記載の環境制御システム。
（７）移動可能な環境維持用カーテンが設けられていることを特徴とする（１）～（６）いずれか１つ記載の環境制御システム。
（８）草丈の低い植物を栽培する場合には送風チューブを株元に配置し、長茎植物を栽培する場合には送風チューブから送風サブチューブを垂直方向に分岐させて配置し、各植物に調整空気を供給する（２）～（５）いずれか１つ記載の植物栽培用調製空気施用システム。
The present invention relates to a system for controlling the growth environment of plants by locally supplying air adjusted to a carbon dioxide concentration, temperature, and humidity suitable for plant growth to a plant community, and also to a system for suppressing the loss of applied carbon dioxide and maintaining heat to maintain a constant environment.
(1) An environmental control system for an agricultural greenhouse, characterized in that it generates airflow by blowing a gentle breeze throughout a plant community, thereby adjusting the microenvironment within the entire plant community.
(2) The environmental control system described in (1) is an environmental control system that includes a mixing cabin for adjusting the air for cultivation, a carbon dioxide supply device for supplying carbon dioxide, a dehumidifier, and a humidifier, and adjusts the carbon dioxide concentration, temperature, and humidity within the mixing cabin to within predetermined ranges and supplies prepared air through an air blowing tube.
(3) The environmental control system according to (2), wherein the carbon dioxide supplying device is a combustion type carbon dioxide generator and can be used to supply carbon dioxide and to control the temperature of a plant community.
(4) An environmental control system according to (2) or (3), wherein the humidifier is a mist generating device.
(5) An environmental control system according to any one of (1) to (4), in which sensors are provided inside and outside the agricultural greenhouse to measure at least temperature and humidity, and the prepared air mixed by the control device is adjusted and supplied.
(6) An environmental control system according to any one of (1) to (5), characterized in that the cultivation bed provided in the agricultural greenhouse is a hanging bed and is vertically movable.
(7) An environmental control system according to any one of (1) to (6), further comprising a movable environmental maintenance curtain.
(8) A conditioned air supply system for plant cultivation described in any one of (2) to (5), in which when cultivating short plants, a ventilation tube is placed at the base of the plant, and when cultivating long-stemmed plants, a ventilation sub-tube is arranged branching off vertically from the ventilation tube, thereby supplying conditioned air to each plant.
温度、湿度、二酸化炭素濃度を植物の生育に適切な範囲内になるように調整した植物栽培用調整空気を植物群落内、特に光合成を行う葉の近傍に供給することが可能なシステムであることから、低コストでありながら、収量が増加するとともに、病気を抑制することができる。従来は換気が必要となる夏期には二酸化炭素を供給することが困難であったが、以下の実施形態に示すシステムは、換気が必要な気候条件であっても二酸化炭素を効率的に供給することが可能となる。また、吊りベッド、カーテン展張システムを採用することによって、供給された二酸化炭素を栽培植物の群落内に留めて散逸を抑制し、単位あたりの栽培面積を増やすことができる。その結果、より生産性の良い、収益性の高い施設とすることができるだけではなく、二酸化炭素排出量の削減にもつなげることができる。 This system is capable of supplying conditioned air for plant cultivation, with temperature, humidity, and carbon dioxide concentration adjusted to be within the appropriate range for plant growth, to the plant community, especially near the leaves where photosynthesis takes place, thereby increasing yields and suppressing diseases at low cost. Conventionally, it has been difficult to supply carbon dioxide in the summer when ventilation is required, but the system shown in the following embodiment makes it possible to efficiently supply carbon dioxide even in weather conditions where ventilation is required. In addition, by adopting a hanging bed and curtain extension system, the supplied carbon dioxide can be retained within the community of cultivated plants to suppress dissipation, and the cultivation area per unit can be increased. As a result, not only can a facility be made more productive and profitable, but it can also lead to a reduction in carbon dioxide emissions.
以下の実施形態で詳細に説明するが、植物栽培用調製空気施用システムは密閉型ハウスであっても、開放型ハウスであっても、どのような形態の園芸施設であっても適用可能である。植物体の近傍に調整空気を施用し、微小環境を整えるシステムであることから、開放型ハウスであっても施設外への二酸化炭素の流出はさほど気にする必要はなく、低コストで植物の生育環境を適切に維持することができる。 As will be described in detail in the following embodiments, the conditioned air application system for plant cultivation can be applied to any type of horticultural facility, whether it is a closed greenhouse or an open greenhouse. Because the system applies conditioned air to the vicinity of the plants and creates a microenvironment, there is no need to worry too much about carbon dioxide leaking outside the facility, even in an open greenhouse, and the plant growth environment can be maintained appropriately at low cost.
植物栽培用調製空気施用システムは、どのような園芸作物に使用してもよいが、例えばトマト、ナス、キウリ、ピーマン、パプリカなどの野菜、イチゴ、メロンなどの果物、さらに、キク、バラ、カーネーションなどの花卉を対象作物とすることができる。作物ごとに、適した環境になるように、二酸化炭素濃度、温度、飽差、土壌水分を設定し、調整することができる。 The plant cultivation conditioned air application system can be used for any horticultural crop, but can also be used for vegetables such as tomatoes, eggplants, cucumbers, green peppers, and paprika, fruits such as strawberries and melons, and flowers such as chrysanthemums, roses, and carnations. The carbon dioxide concentration, temperature, saturation deficit, and soil moisture can be set and adjusted to create an appropriate environment for each crop.
最初に、植物の栽培に適した調整空気について説明する。局所に施用する調整空気は、植物群落の活発な光合成と病害の発生を抑制することを目的としており、二酸化炭素濃度、気温、飽差（湿度）を適切な範囲になるように空気を調整し送風する。送風することにより気流を生じさせ、生育に必要な管理を行うことができる。 First, we will explain conditioned air suitable for plant cultivation. The purpose of locally applied conditioned air is to promote active photosynthesis in plant communities and suppress the occurrence of disease, and the air is conditioned and blown so that the carbon dioxide concentration, temperature, and saturation deficit (humidity) are within appropriate ranges. Blowing air creates air currents, which allow for the necessary management for growth.
ハウス内の空気環境（状態）は常に変動しているので、二酸化炭素濃度、温度、飽差（湿度）を自動的に逐次計測し、その結果に基づいて空気を調整しハウス内に供給する。生育に適した温度に管理するとともに、二酸化炭素濃度を調整し光合成量を増やし、さらに湿度を調整することにより病害を抑制することができる。また、二酸化炭素濃度、温度管理のために使用する化石燃料は、局所施用であることから施設全体を制御する場合に比べて少なくて済み、低コストで生産量の増加を図ることができる。以下に本システムで管理する項目について説明する。 Since the air environment (conditions) inside the greenhouse is constantly changing, the carbon dioxide concentration, temperature, and saturation deficit (humidity) are automatically and sequentially measured, and the air is adjusted based on the results and supplied to the greenhouse. In addition to controlling the temperature to an appropriate level for growth, the carbon dioxide concentration is adjusted to increase the amount of photosynthesis, and by adjusting the humidity, disease can be suppressed. Also, because this is a localized application, less fossil fuels are used to control the carbon dioxide concentration and temperature compared to controlling the entire facility, making it possible to increase production at low cost. The items managed by this system are explained below.
［気流］
栽培用調整空気は、ダクトから微風として供給することにより、植物群落内に気流が生じる状態を実現する。日中植物の気孔が開いているときには、気流速度が数ｃｍ／ｓ～数１０ｃｍ／ｓの範囲内では気流速度が速いほど光合成効率が良いと言われている。また、夜間は植物群落内の湿度と温度が一定の範囲に保たれる程度に気流速度を設定することが好ましい。気流が生じることにより、日中は二酸化炭素が供給され、また、適切な温度、湿度範囲に植物群落が保たれることから、高い光合成効率が得られるだけではなく、病害を抑制することができる。
[air current]
The conditioned air for cultivation is supplied as a gentle breeze from a duct, thereby creating a state in which an air current is generated within the plant community. During the day, when the stomata of the plants are open, it is said that the higher the air current speed is within the range of several cm/s to several tens of cm/s, the better the photosynthetic efficiency. In addition, it is preferable to set the air current speed at night so that the humidity and temperature within the plant community are maintained within a certain range. The generation of air current not only provides carbon dioxide during the day, but also keeps the plant community within the appropriate temperature and humidity range, thereby not only achieving high photosynthetic efficiency but also suppressing disease.
施設園芸では、ハウス内の空気中に揮散することによって微気象を利用し、簡単に防除できることから、近年燻煙剤が利用されるようになってきている。うどんこ病、葉かび病、すすかび病、灰色かび病、白さび病、乾腐病、球根腐敗病、べと病、黒枯病などの原因となる病原菌の防除や、アブラムシ類、アザミウマ類、コナジラミ類、ミカンキイロアザミウマ、ミナミキイロアザミウマなどのアザミウマ類、カイガラムシ類、コナカイガラムシ類、ホソオビツチイロノメイガ、ノシメマダラメイガ、チャマダラメイガ、ヒラタコクヌストモドキ、コクゾウムシ、タバコシバンムシ、ミカンハダニなどのハダニ類、ハスモンヨトウなどの病害虫の駆除に用いられているシフルフェナミド、トリフルミゾール、メバニビリム、テトラクロロイソフタロニトリル、アセタミブリド、ビフェントリン、フルバリネート、テブフェンピラド、フェノブカルブ（ＢＰＭＣ）などを有効成分とする燻煙剤を以下で説明する空気を調整するための混合キャビンに置いて燻煙すれば、植物群落内で有効成分を分散させることが可能であり、高い燻煙効果を得ることができる。また、ハウス内の植物群落に送風することにより燻煙を行うので、均一な効果を得ることができる。 In greenhouse horticulture, fumigants have come into use in recent years because they can be easily controlled by taking advantage of the microclimate by volatilizing into the air inside the greenhouse. They are used to control pathogens that cause powdery mildew, leaf mold, sooty mold, gray mold, white rust, dry rot, bulb rot, downy mildew, black blight, etc., and to control insects such as aphids, thrips, whiteflies, citrus flower thrips, southern melon thrips, scale insects, mealybugs, the narrow-banded brown moth, the Indian meal moth, the brown meal moth, the flat-headed red flour beetle, rice weevils, tobacco beetles, and citrus red mites. If fumigants containing active ingredients such as cyflufenamid, triflumizole, mevanivirim, tetrachloroisophthalonitrile, acetamibrid, bifenthrin, fluvalinate, tebufenpyrad, and fenobucarb (BPMC), which are used to exterminate pests such as mites and cutworms, are placed in a mixing cabin for adjusting the air, as described below, and used for fumigation, it is possible to disperse the active ingredients within the plant community, resulting in a high fumigation effect. In addition, since fumigation is performed by blowing air over the plant community in the greenhouse, a uniform effect can be obtained.
［二酸化炭素濃度］
光合成には、二酸化炭素と水が必要であることから、日中の二酸化炭素濃度の制御が重要である。ハウスで二酸化炭素管理を行わずに植物を栽培すると、日中は光合成により二酸化炭素が消費され外気の二酸化炭素濃度（約４００ｐｐｍ）以下になることも多い。二酸化炭素が１００～７００ｐｐｍの範囲では正味光合成速度は直線的に増加し、１０００～１５００ｐｐｍでは光合成量が最も高くなると言われている。例えば、トマトの場合は二酸化炭素濃度が４００ｐｐｍから１０００ｐｐｍになると収量が８４％増加するというデータがある。しかし、二酸化炭素濃度を７００～１０００ｐｐｍで施用しても、施設の隙間から流出してしまい、二酸化炭素利用率は極めて少ないと言われている。二酸化炭素を施用せず気流が生じていない場合には、植物群落内の裏面近傍の二酸化炭素濃度は４００ｐｐｍ以下になっていることを考えると、常に植物群落内に気流を発生させ、外気と同程度の４００ｐｐｍに二酸化炭素濃度を維持しても収量は増加する。したがって、少なくとも４００ｐｐｍ以上の二酸化炭素濃度に調整した空気を送風し、植物群落内の二酸化炭素濃度を４００ｐｐｍ以上に維持することが好ましい。
[Carbon dioxide concentration]
Since carbon dioxide and water are necessary for photosynthesis, it is important to control the carbon dioxide concentration during the day. If plants are cultivated in a greenhouse without carbon dioxide management, carbon dioxide is consumed by photosynthesis during the day, and the carbon dioxide concentration often falls below the outside air carbon dioxide concentration (about 400 ppm). It is said that the net photosynthetic rate increases linearly when carbon dioxide is in the range of 100 to 700 ppm, and the amount of photosynthesis is highest at 1000 to 1500 ppm. For example, there is data that shows that the yield of tomatoes increases by 84% when the carbon dioxide concentration increases from 400 ppm to 1000 ppm. However, even if carbon dioxide is applied at a concentration of 700 to 1000 ppm, it leaks out through the gaps in the facility, and the carbon dioxide utilization rate is said to be extremely low. Considering that the carbon dioxide concentration near the back surface of the plant community is 400 ppm or less when carbon dioxide is not applied and no air current is generated, the yield will increase even if an air current is always generated within the plant community and the carbon dioxide concentration is maintained at 400 ppm, which is the same as the outside air. Therefore, it is preferable to blow air whose carbon dioxide concentration has been adjusted to at least 400 ppm, and to maintain the carbon dioxide concentration within the plant community at 400 ppm or more.
二酸化炭素濃度は２０００ｐｐｍまでは、収量の増加が見られることから、密閉型ハウスであって、外部への二酸化炭素の流出がさほど起こらない場合には２０００ｐｐｍに設定することができる。しかし、非密閉型ハウス、あるいは夏期に換気が必要な場合には、少なくとも外気と同程度の二酸化炭素濃度、すなわち４００ｐｐｍかそれよりも高い二酸化炭素濃度に維持することが好ましい。二酸化炭素の外部への流出と光合成量を鑑みて、日中は４００ｐｐｍ～１０００ｐｐｍ、より好ましくは５００ｐｐｍ～９００ｐｐｍに二酸化炭素濃度を維持できるように設定することが好ましい。二酸化炭素濃度は植物の周囲、特に気孔が多数存在する葉裏において一定以上の濃度となれば良く、ハウス全体の二酸化炭素濃度を一定に保つ必要はない。さらに、二酸化炭素施用は光合成を行う日中には必要であるが、植物が光合成を行わない夜間は施用する必要がない。以下のデータで示すように、日の出とともに光合成が開始され、二酸化炭素施用を行わない場合には、急激にハウス内の二酸化炭素濃度が減少することから、日の出直後から午前中は９００ｐｐｍから１５００ｐｐｍ程度の高濃度で二酸化炭素施用を行うことが好ましい。また、午後は、大気の二酸化炭素濃度である４００ｐｐｍよりも２００ｐｐｍ高い６００ｐｐｍ程度に維持できる濃度、具体的には８００～９００ｐｐｍ程度で施用すればよい。 Since an increase in yield is observed up to 2000 ppm, the carbon dioxide concentration can be set to 2000 ppm in closed greenhouses where there is little outflow of carbon dioxide to the outside. However, in non-closed greenhouses or when ventilation is required in summer, it is preferable to maintain a carbon dioxide concentration at least the same as that of the outside air, that is, 400 ppm or higher. In consideration of the outflow of carbon dioxide to the outside and the amount of photosynthesis, it is preferable to set the carbon dioxide concentration so that it can be maintained at 400 ppm to 1000 ppm during the day, more preferably 500 ppm to 900 ppm. It is sufficient that the carbon dioxide concentration is at a certain level or higher around the plants, especially on the undersides of the leaves where there are many stomata, and there is no need to keep the carbon dioxide concentration constant throughout the greenhouse. Furthermore, carbon dioxide application is necessary during the day when photosynthesis occurs, but it is not necessary to apply it at night when plants do not perform photosynthesis. As shown in the data below, photosynthesis begins at sunrise, and if carbon dioxide is not applied, the carbon dioxide concentration in the greenhouse drops sharply, so it is preferable to apply carbon dioxide at a high concentration of about 900 ppm to 1500 ppm from just after sunrise in the morning. In the afternoon, it is sufficient to apply carbon dioxide at a concentration that can maintain the carbon dioxide concentration at about 600 ppm, which is 200 ppm higher than the atmospheric carbon dioxide concentration of 400 ppm, specifically about 800 to 900 ppm.
［温度］
温度管理は各植物に適した温度になるように管理を行う。また、植物によっては、ハウス全体の温度を管理する必要がない。葉の近く、あるいは地温の管理をすればよく、株元に供給する空気で温度管理を行ってもよい。特にイチゴでは、クラウンと呼ばれる成長点のある株基部の温度が重要であり、一定の温度範囲に収まればよいことが知られている。したがって、イチゴでは株元に送風する空気で温度管理を行えば良い。あるいは、栽培ベッドに電熱ケーブルを配置し、加温してもよい。例えば、イチゴの場合は、年間を通じて栽培ベッドが１５～２０℃に維持されるように管理すればよい。また、夏期には湿度９０～９５％の冷風を植物上方より施用することにより温度の上昇を抑えたり、潅水を行うことによって温度管理をしてもよい。
[temperature]
Temperature control is performed so that the temperature is suitable for each plant. Depending on the plant, it is not necessary to control the temperature of the entire greenhouse. It is sufficient to control the temperature near the leaves or the ground temperature, and temperature control may be performed by air supplied to the base of the plant. In particular, for strawberries, the temperature of the base of the plant, where the growth point called the crown is located, is important, and it is known that it is sufficient to keep the temperature within a certain range. Therefore, for strawberries, temperature control may be performed by air blown to the base of the plant. Alternatively, electric heating cables may be placed in the cultivation bed to heat it. For example, in the case of strawberries, the cultivation bed may be managed so that it is maintained at 15 to 20°C throughout the year. In addition, in summer, cool air with a humidity of 90 to 95% may be applied from above the plants to suppress the temperature rise, or temperature control may be performed by irrigation.
［飽差（湿度）］
植物に効率良く光合成を行わせるためには飽差による湿度管理が重要となる。飽差とはある温度と湿度において、水蒸気が飽和するまでに必要な量を示す指標であり、植物は相対湿度よりも飽差により強く影響を受けている。そのため、飽差値によって湿度管理を行うことが望ましい。
[Saturation difference (humidity)]
In order to allow plants to photosynthesize efficiently, it is important to control humidity based on the saturation deficit. The saturation deficit is an index that indicates the amount of water vapor required to reach saturation at a certain temperature and humidity, and plants are more strongly affected by the saturation deficit than by the relative humidity. Therefore, it is desirable to control humidity based on the saturation deficit value.
植物は、日中は気孔を開き、水分の蒸散が行われる。植物は蒸散により失われる水分を根から吸収するとともに、土壌中の養分も吸収する。根からの水分の吸収量と蒸散量のバランスが取れていればいいが、飽差値が大きく吸水が追いつかない状態では、植物は気孔を閉じてしまう。その結果、気孔からの二酸化炭素の取り込みも行われなくなり、光合成の効率が低下する。二酸化炭素を施用していても、気孔からの取り込みが行わなければ、光合成量の増加にはつながらない。したがって、飽差管理は光合成量の増加にとって重要である。植物によって適切な飽差範囲は異なるが、一般に３～８ｇ／ｍ３に管理することが良いとされている。 Plants open their stomata during the day and allow water to transpire. Plants absorb the water lost through transpiration through their roots, and also absorb nutrients from the soil. It would be good if there was a balance between the amount of water absorbed by the roots and the amount of transpiration, but if the saturation deficit is large and water absorption cannot keep up, the plant will close its stomata. As a result, carbon dioxide will no longer be taken up through the stomata, and the efficiency of photosynthesis will decrease. Even if carbon dioxide is applied, if it is not taken up through the stomata, it will not lead to an increase in the amount of photosynthesis. Therefore, saturation deficit management is important for increasing the amount of photosynthesis. The appropriate saturation deficit range differs depending on the plant, but it is generally considered good to manage it at 3 to 8 g/ m3 .
また、湿度は、光合成の効率だけではなく、病害の発生にも強く関わっている。特に、夜間の湿度管理は病害発生の抑制のために重要であり、結露しないような状態に管理する。病害は結露すると急増することから、湿度を９５％以下の範囲に調整する。 Humidity also plays a major role not only in the efficiency of photosynthesis, but also in the occurrence of disease. Humidity control at night is particularly important for preventing disease occurrence, and humidity should be controlled to prevent condensation. Disease increases dramatically when condensation occurs, so humidity should be adjusted to below 95%.
次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本実施形態の植物栽培用調製空気施用システムの概略を示した図である。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Figure 1 shows an outline of the prepared air application system for plant cultivation according to this embodiment.
［植物栽培用調製空気混合部］
植物栽培用調製空気混合部１は、温度、湿度、二酸化炭素濃度が最適になるように空気を混合する混合キャビン２、二酸化炭素発生装置３、除湿機４、加湿器５を備えている。二酸化炭素発生装置は、ＦＦ式石油ストーブのような燃焼装置を用いればよく、燃焼ガス中の二酸化炭素の供給とともに、気温が低い場合には温風を供給し、温室内の植物群落の温度を一定以上に保つことができる。図には示していないが、気温が高い場合には温風を送風するパイプを混合キャビンの外に向け、高温の燃焼ガスの混合キャビンまでの配管を空冷もしくは水冷することにより、温室内の温度を殆ど上昇させることなく、二酸化炭素を供給することができる。現在使用されている二酸化炭素施用装置は、大量の二酸化炭素を供給する装置であり熱交換量が多いため、気温が高くなると使用することができない。これに対し、本実施形態では、少量の二酸化炭素のみを供給する方式なので熱交換による冷却が容易であり、栽培期間を通して二酸化炭素を制御することができる。また、ここでは二酸化炭素発生装置３、除湿機４を混合キャビン２の外側に配置する構成としているが、混合キャビン２の中に配置することもできる。
[Prepared air mixing section for plant cultivation]
The plant cultivation prepared air mixing section 1 includes a mixing cabin 2, a carbon dioxide generator 3, a dehumidifier 4, and a humidifier 5, which mix air so that the temperature, humidity, and carbon dioxide concentration are optimal. The carbon dioxide generator may be a combustion device such as an FF type oil stove, and in addition to supplying carbon dioxide in the combustion gas, it can supply hot air when the air temperature is low, thereby keeping the temperature of the plant community in the greenhouse at a certain level or higher. Although not shown in the figure, when the air temperature is high, the pipe for blowing hot air is directed outside the mixing cabin, and the piping to the mixing cabin of the high-temperature combustion gas is air-cooled or water-cooled, so that carbon dioxide can be supplied without almost increasing the temperature in the greenhouse. The currently used carbon dioxide application device is a device that supplies a large amount of carbon dioxide and has a large amount of heat exchange, so it cannot be used when the air temperature is high. In contrast, in this embodiment, since only a small amount of carbon dioxide is supplied, cooling by heat exchange is easy, and carbon dioxide can be controlled throughout the cultivation period. In addition, although the carbon dioxide generator 3 and the dehumidifier 4 are configured to be arranged outside the mixing cabin 2 here, they can also be arranged inside the mixing cabin 2.
湿度は潅水、換気によって調節されるとともに、除湿機４、加湿器５によって、適切な範囲に調整される。加湿器５は、水を供給するためのタンク、あるいは給水装置（図示せず）と接続し、常に水が供給されている。飽差／湿度は、日中及び夜間で適切な範囲が異なることから、日内で適切な範囲内となるように適宜制御されている。加湿器５は、どのようなものを用いてもよいが、ミスト発生装置、特に超音波式ミスト発生装置を用いることが好ましい。ミストは１０～３０μｍ程度のミストを発生させることにより、湿度を増加させる。混合キャビン２内には、空気混合用ファン６が設けられ、二酸化炭素、温度、湿度が適切な範囲内になるように混合される。夜間は植物が光合成を行わないので、二酸化炭素施用を行う必要はない。したがって、ハウスの換気窓を開けるなど積極的に換気を行いながら、温度と湿度の管理を行えばよい。 Humidity is adjusted by watering and ventilation, and is adjusted to an appropriate range by the dehumidifier 4 and humidifier 5. The humidifier 5 is connected to a tank for supplying water or a water supply device (not shown) and is constantly supplied with water. The appropriate range of saturation deficit/humidity differs between daytime and nighttime, so it is appropriately controlled so that it is within the appropriate range during the day. Any type of humidifier 5 can be used, but it is preferable to use a mist generator, especially an ultrasonic mist generator. The mist increases humidity by generating mist of about 10 to 30 μm. An air mixing fan 6 is provided in the mixing cabin 2, and carbon dioxide, temperature, and humidity are mixed to be within the appropriate range. Since plants do not photosynthesize at night, there is no need to apply carbon dioxide. Therefore, it is sufficient to actively ventilate the greenhouse by opening the ventilation windows, etc., while managing the temperature and humidity.
混合キャビン２内で混合された調整空気は、調整空気送風ファン７によって調整空気送風パイプ８を介して植物群落内に送られる。ここでは混合キャビン２から１つの調整空気送風パイプ８によって、調整空気がハウス内に送風される構成を示しているが、複数の調整空気送風パイプによってハウス内に送風する機構としてもよい。１時間に対象とする植物群落容積の０．５～１０倍、好ましくは１～８倍、より好ましくは３～５倍の容積の調整空気を供給することにより、植物近傍の空気が常時調整空気により換気されて交換し、植物の生育環境を制御することができる。例えば、イチゴの場合群落容積はイチゴ群落の幅５０ｃｍ、高さ４０ｃｍ、総畝延長６００ｍとすると、１２０ｍ３となり、１時間に６０～１２００ｍ３の調整空気を植物群落内に送風すればよい。なお、群落容積を１として、１時間に群落容積の何倍の調整空気で換気を行ったかを換気速度とし、これを群落内換気速度という。例えば、群落容積１２０ｍ３のイチゴ群落を、１時間に２４０ｍ３の調整空気で換気をした場合、群落内換気速度２回／時間で換気を行ったという。 The conditioned air mixed in the mixing cabin 2 is sent into the plant community through the conditioned air pipe 8 by the conditioned air fan 7. Here, the conditioned air is sent into the house from the mixing cabin 2 through one conditioned air pipe 8, but a mechanism for sending air into the house through multiple conditioned air pipes may be used. By supplying conditioned air with a volume of 0.5 to 10 times, preferably 1 to 8 times, and more preferably 3 to 5 times the volume of the target plant community per hour, the air near the plants is constantly ventilated and exchanged with the conditioned air, and the growth environment of the plants can be controlled. For example, in the case of strawberries, the community volume is 120 m3 if the strawberry community width is 50 cm, the height is 40 cm, and the total ridge length is 600 m , and conditioned air of 60 to 1200 m3 should be sent into the plant community per hour. Note that the community volume is set to 1, and the ventilation speed is the number of times the community volume that the conditioned air is used for ventilation per hour, and this is called the community ventilation speed. For example, when a strawberry canopy with a canopy volume of 120 m3 is ventilated with 240 m3 of conditioned air per hour, the canopy ventilation rate is said to be two times per hour.
［農業用ハウス内の送風システム］
図２及び図３にハウス内の調整空気の送風機構を示す。図２はイチゴのように草丈の低い植物に対する調整空気の施用を示している。調整空気送風パイプ８はハウス内で分岐させ植物の株元に配置されている送風チューブ９に接続する。送風チューブ９はポリエチレンなどの可撓性のあるチューブを用いることにより土壌の上を自由に這わせることができる。送風チューブは、ここでは直径５ｃｍのものを用いているが、植物群落容積や調節空気を供給する量などによって直径４～８ｃｍ程度のチューブを適宜選択することができる。図２（Ａ）は送風チューブの斜視図を示しているが、送風チューブ上面には、直径０．０５～１．０ｍｍ程度の送風孔１０が開いており、調整空気が植物の葉裏に供給される。上述のように、植物は葉裏に気孔が多数存在し、蒸散、二酸化炭素の取り込みを行っている。したがって、葉裏に微風として調整空気が供給されることにより、光合成効率を上げることができる。
[Ventilation system in agricultural greenhouses]
2 and 3 show the conditioned air blowing mechanism in the greenhouse. FIG. 2 shows the application of conditioned air to plants with short grass height such as strawberries. The conditioned air blowing pipe 8 is branched in the greenhouse and connected to a blowing tube 9 arranged at the base of the plant. The blowing tube 9 can be freely made to crawl over the soil by using a flexible tube such as polyethylene. The blowing tube used here has a diameter of 5 cm, but a tube with a diameter of about 4 to 8 cm can be appropriately selected depending on the volume of the plant community and the amount of conditioned air to be supplied. FIG. 2(A) shows a perspective view of the blowing tube, and the upper surface of the blowing tube has a blowing hole 10 with a diameter of about 0.05 to 1.0 mm, through which conditioned air is supplied to the underside of the leaves of the plants. As mentioned above, plants have many stomata on the underside of the leaves, which transpire and take in carbon dioxide. Therefore, the photosynthetic efficiency can be increased by supplying conditioned air to the underside of the leaves as a gentle breeze.
図２（Ｂ）は、送風チューブ９の上面図であり、上面に２箇所の送風孔１０を開けた形態を示しているが、施用する植物、畝の間隔によって、送風孔の個数、位置は適宜設定することができる。調整空気は、送風チューブの送風孔から植物群落内に供給されるが、植物体、特に葉にあたることで、気流を発生する。図２（Ｃ）、（Ｄ）の矢印は供給された調整空気が植物にあたって生じる気流を模式的に示している。調整空気は送風孔から微風として供給され、常に植物周辺で微風が生じている状態となる。植物は調整空気により、適切な温度、湿度が維持され、日中は二酸化炭素が供給されることになる。 Figure 2 (B) is a top view of the air tube 9, showing two air holes 10 on the top surface, but the number and position of the air holes can be set appropriately depending on the plants to be treated and the spacing between the rows. Conditioned air is supplied into the plant community from the air holes of the air tube, and generates an air current when it hits the plants, especially the leaves. The arrows in Figures 2 (C) and (D) show a schematic of the air current that is generated when the supplied conditioned air hits the plants. The conditioned air is supplied as a gentle breeze from the air holes, so that a gentle breeze is always generated around the plants. The conditioned air maintains the plants at an appropriate temperature and humidity, and supplies carbon dioxide during the day.
また、イチゴでは上述のようにクラウンの温度を一定範囲に保つことが生育に重要である。品種によっても異なるが、クラウン付近の温度が１５℃以下では展葉速度の低下、出蕾の遅延、草勢の低下が生じると言われている。また、２３℃以上では花芽分化が遅れる品種があることも知られている。送風チューブ９を図２（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、株と株の間に配置することにより、温風、あるいは冷風をクラウン付近に循環させ、温度を生育に適切な一定範囲に調整することができる。クラウン周囲の温度を調整するだけでよく、ハウス内全体を暖房、あるいは冷房する必要がないので、低コストで適切な温度に調整することができる。また、冬季に栽培ベッドの温度が低くなり、送風チューブからの温風だけでは効果的な加温ができない地域では、栽培ベッド内に電熱ケーブルを配置し、ベッド温が１５℃～１８℃になるように加温してもよい。 As mentioned above, it is important for strawberry growth to keep the crown temperature within a certain range. Although it depends on the variety, it is said that if the temperature near the crown is below 15°C, the leaf expansion rate will decrease, buds will not sprout, and plant vigor will decrease. It is also known that there are varieties where flower bud differentiation is delayed at temperatures above 23°C. By placing air blowing tubes 9 between the plants as shown in Figures 2(C) and (D), hot or cold air can be circulated around the crown, and the temperature can be adjusted to a certain range suitable for growth. Since it is only necessary to adjust the temperature around the crown, and there is no need to heat or cool the entire greenhouse, it is possible to adjust the temperature to an appropriate level at low cost. In addition, in areas where the temperature of the cultivation bed is low in winter and effective heating cannot be achieved with hot air from the air blowing tube alone, electric heating cables can be placed in the cultivation bed to heat the bed to 15°C to 18°C.
トマトのような長茎植物に対する施用の例を図３に示す。調整空気送風パイプ（図示せず）が、ハウス内で送風チューブ９に接続されるのは、草丈の短い植物に調整空気を施用する場合と同様である。図３（Ａ）は送風チューブ９、送風サブチューブ１１の斜視図、図３（Ｂ）は上から見た平面図を示す。送風チューブ９は植物の株元に配置され（図３（Ｃ）、（Ｄ）参照）、送風チューブ９から送風サブチューブ１１が垂直方向に分岐している。送風サブチューブ１１もポリエチレン等の可撓性の非常に軽い素材で製造されているので、送風チューブ９からの空気圧によって直立し、両側に開口している送風孔１０から植物体に対して横方向に調整空気を供給する（図３（Ａ）、（Ｃ））。送風サブチューブ１１は、各株の近傍に配置されており、送風サブチューブ１１に開口している送風孔１０から調整空気が供給されている。直立した送風サブチューブ１１から水平方向に供給された調整空気（図３（Ａ）、黒い矢印）は、植物体に当たることによって方向が変化し（図３（Ｃ））長茎植物の植物体近傍に微風として調整空気を供給することができる。 An example of application to a long-stem plant such as a tomato is shown in FIG. 3. A conditioned air blowing pipe (not shown) is connected to the blowing tube 9 inside the greenhouse, as in the case of applying conditioned air to a short-grass plant. FIG. 3(A) shows a perspective view of the blowing tube 9 and the blowing sub-tube 11, and FIG. 3(B) shows a plan view from above. The blowing tube 9 is placed at the base of the plant (see FIG. 3(C) and (D)), and the blowing sub-tube 11 branches vertically from the blowing tube 9. The blowing sub-tube 11 is also made of a very light and flexible material such as polyethylene, so it stands upright due to the air pressure from the blowing tube 9 and supplies conditioned air to the plant body laterally from the blowing holes 10 opening on both sides (FIG. 3(A) and (C)). The blowing sub-tube 11 is placed near each plant, and conditioned air is supplied from the blowing holes 10 opening in the blowing sub-tube 11. Conditioned air supplied horizontally from the upright air supply sub-tube 11 (Figure 3(A), black arrow) changes direction when it hits the plant body (Figure 3(C)), allowing the conditioned air to be supplied as a gentle breeze near the plant body of the long-stalked plant.
さらに、草丈が短い時期には、送風サブチューブの上端を作物の高さに合うようにクリップやテープで閉じ、成長に応じた長さにして使用することができる。成長に合わせて垂直方向に送風サブチューブの長さを簡単に調節可能であることから、無駄なく調整空気を施用することができる。 Furthermore, when the grass is short, the upper end of the ventilation sub-tube can be closed with clips or tape to match the height of the crop, allowing it to be used at a length appropriate to the growth of the crop. As the length of the ventilation sub-tube can be easily adjusted vertically to match the growth of the crop, conditioned air can be applied without waste.
［吊りベッド・カーテン展張システムを用いた環境制御システム］
イチゴなどの栽培に用いる高設栽培は、作業通路が施設面積の６～７割を占め、土耕栽培に比べると２～３割程度少なくなると言われている。栽培面積の増加を図ることができれば、単位面積あたりの収量が増加する。そこで、温室内に上下に移動する吊りベッド方式を採用し、栽培面積の増加を図った。
[Environmental control system using hanging bed and curtain extension system]
In elevated cultivation used for strawberries and other crops, the walkways take up 60-70% of the facility area, which is said to be 20-30% less than in soil cultivation. If the cultivation area can be increased, the yield per unit area will increase. Therefore, we adopted a hanging bed system that moves up and down inside the greenhouse to increase the cultivation area.
図４（Ａ）に吊りベッドシステム２１の斜視図、（Ｂ）に吊りベッドを移動させたところを示す。吊りベッド２２は吊りロープ２３によって、栽培ベッドの両端を吊るし、上方のフレーム梁２４上の電動ウインチ２５に連結したシャフト２６に巻き付けた吊りロープ２３で吊り下げられて支持されている。吊りベッド２２は、作業内容とハウス内環境に合わせて、電動ウインチ２５によって、地表面から、頭上までシャフト２６により巻き上げ、巻き下げすることによって上下に移動できる。具体的には、作業時は、吊りベッドを上に移動させることで通路幅と作業空間を確保し（図４（Ｂ）、矢印）、また、作業を行う吊りベッドは高設栽培と同等の高さに移動させ作業を行うことができる。高設栽培では通路として使用している場所にも栽培ベッドを設けることができるので、栽培面積を増やし収穫を増やすことができる。吊りベッド位置は、毎日の作業に応じて位置を制御するとともに、日当たりの良い高さに自動的に位置を制御することも可能である。また、効率的な二酸化炭素施用、あるいは保温が必要な場合には、地表面まで吊りベッドを降ろし、後述の環境維持用カーテンで覆うことによって保温、あるいは効率的な二酸化炭素施用を行うことができる。 Figure 4 (A) is a perspective view of the hanging bed system 21, and (B) shows the hanging bed moved. The hanging bed 22 is supported by hanging ropes 23 that are wound around shafts 26 connected to electric winches 25 on the upper frame beams 24, and both ends of the cultivation bed are suspended. The hanging bed 22 can be moved up and down by the electric winch 25, which winds it up and down from the ground surface to overhead using the shaft 26, depending on the work content and the environment inside the greenhouse. Specifically, when working, the hanging bed is moved up to ensure the width of the aisle and the working space (arrow in Figure 4 (B)), and the hanging bed where the work is performed can be moved to the same height as the elevated cultivation to perform the work. In elevated cultivation, the cultivation bed can be installed in the place used as the aisle, so the cultivation area can be increased and the harvest can be increased. The position of the hanging bed can be controlled according to the daily work, and it is also possible to automatically control the position to a height where the sun shines. In addition, if efficient carbon dioxide application or heat retention is required, the hanging bed can be lowered to the ground surface and covered with an environmental maintenance curtain (described below) to maintain heat or provide efficient carbon dioxide application.
カーテン展張システムは、地表面に降ろした栽培ベッドに移植された植物群落上を環境維持用カーテン２７で覆うことによって、二酸化炭素の散逸や温度低下を防ぐシステムである。図５は吊りベッド・カーテン展張システムの一部断面を模式的に示している。環境維持用カーテン２７には、断熱シート、透明シート、カーテンを張っていない巻取り用フレームのみの３種類のカーテンが用意されており、カーテン巻取機２８によって、適切なカーテンによって植物上面を覆うことができる。カーテンは保温が必要な夜間は断熱シート、二酸化炭素施用が必要な昼間は透明カーテンで植物群落を覆うことができる。 The curtain extension system is a system that prevents carbon dioxide loss and temperature drop by covering the plant community transplanted in a cultivation bed lowered to the ground surface with an environmental maintenance curtain 27. Figure 5 shows a schematic cross section of a part of the hanging bed curtain extension system. Three types of environmental maintenance curtains 27 are available: an insulating sheet, a transparent sheet, and only a winding frame with no curtain stretched, and the top of the plants can be covered with the appropriate curtain using the curtain winder 28. The plant community can be covered with the insulating sheet at night when heat retention is required, and with the transparent curtain during the day when carbon dioxide application is required.
作業をしているときには、環境維持用カーテン２７は最上部であるフレーム梁直下まで巻き上げる（図４（Ｂ））。また、作業を行わない場合には、栽培ベッドを地表面まで下ろし、カーテンを下げて使用すればよい（図４（Ａ）、図５）。地表面まで栽培ベッドを下すことにより、カーテンで仕切られている空間がハウス全体の１／５程度になることから、施用に必要な二酸化炭素は農業用ハウス全体を施用する場合と比較して１／５程度に抑制することができる。また、夜間の保温が必要な時期には、断熱カーテンを使用すればよい。さらに、フレームの外周を側壁２９で囲うことにより、植物群落上を環境維持用カーテンとともに覆うことができるので、二酸化炭素の散逸の抑制し、保温効果を上げることができる。具体的には冬季の保温が必要な時期には、断熱素材の側壁と断熱カーテンで覆うことにより外気へ熱が逃げるのを防ぐことができる。また、保温が必要とされない時期には、側壁を透光性のシートに代え、透明な環境維持用カーテンとともに植物群落を覆うことにより二酸化炭素の散逸を防ぐことができる。 When work is being performed, the environmental maintenance curtain 27 is rolled up to the top, directly below the frame beam (Fig. 4(B)). When work is not being performed, the cultivation bed can be lowered to the ground surface and the curtain can be lowered for use (Figs. 4(A), 5). By lowering the cultivation bed to the ground surface, the space partitioned by the curtain becomes about 1/5 of the entire greenhouse, so the amount of carbon dioxide required for application can be reduced to about 1/5 compared to when the entire agricultural greenhouse is applied. In addition, when heat retention is required at night, a heat insulating curtain can be used. Furthermore, by surrounding the outer periphery of the frame with the side walls 29, the plant community can be covered together with the environmental maintenance curtain, so that the dissipation of carbon dioxide can be suppressed and the heat retention effect can be improved. Specifically, when heat retention is required in winter, heat can be prevented from escaping to the outside air by covering the side walls and the heat insulating curtain made of heat insulating material. In addition, when heat retention is not required, the side walls can be replaced with translucent sheets and the plant community can be covered together with the transparent environmental maintenance curtain to prevent the dissipation of carbon dioxide.
混合キャビンで調整された植物栽培用調整空気は、ダクトから送風チューブ３０に送られ、植物株元から送風される。また、冬季のベッド温を管理するために、吊りベッド２２には、電熱ケーブル３１を設けても良い。電熱ケーブルによって土壌温度の管理をすることにより少ないエネルギーでベッド温を一定の温度に管理することが可能である。また、潅水チューブ３２を送風チューブに沿って這わせることにより、自動的に潅水することができる。 The conditioned air for plant cultivation adjusted in the mixing cabin is sent from a duct to the air blower tube 30 and blown out from the base of the plant. In addition, an electric heating cable 31 may be provided on the hanging bed 22 to control the bed temperature in winter. By controlling the soil temperature with the electric heating cable, it is possible to control the bed temperature at a constant temperature with less energy. In addition, watering can be performed automatically by running the irrigation tube 32 along the air blower tube.
［植物栽培用調製空気施用システム］
次に、植物栽培用調製空気施用システムについて説明する。植物に適した調整空気を供給するためには、ハウス内及びハウス外の温度、湿度を測定し、供給する空気の温度、湿度、二酸化炭素を調整する制御システムが必要である。複数の農業用ハウスで作物を栽培している場合には、１つの農業用ハウスに親機を設置し、栽培する植物の最適な温度、飽差等の生育条件を入力し、子機を通じて各ハウスを制御すればよい。
[Conditioned air application system for plant cultivation]
Next, a conditioned air supply system for plant cultivation will be described. In order to supply conditioned air suitable for plants, a control system is required that measures the temperature and humidity inside and outside the greenhouse and adjusts the temperature, humidity, and carbon dioxide of the air to be supplied. When crops are cultivated in multiple agricultural greenhouses, a parent unit is installed in one agricultural greenhouse, and the optimal growth conditions for the plants to be cultivated, such as temperature and saturation deficit, are input, and each greenhouse is controlled through a child unit.
図６は、植物栽培用調製空気施用システム４１を模式的に示した図である。図６（Ａ）は植物栽培用調製空気施用システム４１の概要を、図６（Ｂ）は親機及び子機のコントローラ４５（マスターコントローラ）、４６（スレーブコントローラ）による調節機構を模式的に示している。混合キャビン２に接続された二酸化炭素供給装置３、除湿機４、加湿器５によって、温度、湿度、二酸化炭素濃度が適切に調整された調整空気が各ハウス４２に調整空気送風パイプ８、送風チューブ１０を介して供給される。ハウス内の温度、湿度、二酸化炭素濃度はハウス内センサ４３、外気の温度、及び湿度はハウス外センサ４４によって測定され、各ハウスのコントローラにデータが送られる。図６は制御装置に親機、子機がある場合を図示しているが、各ハウスのデータはハウス内に設置されているマスターコントローラ４５あるいはスレーブコントローラ４６に送信される。 Figure 6 is a schematic diagram of a conditioned air supply system 41 for plant cultivation. Figure 6(A) shows an overview of the conditioned air supply system 41 for plant cultivation, and Figure 6(B) shows a schematic diagram of the adjustment mechanism by the parent and child controllers 45 (master controller) and 46 (slave controller). Conditioned air whose temperature, humidity, and carbon dioxide concentration have been appropriately adjusted by the carbon dioxide supply device 3, dehumidifier 4, and humidifier 5 connected to the mixing cabin 2 is supplied to each house 42 via the conditioned air blowing pipe 8 and blowing tube 10. The temperature, humidity, and carbon dioxide concentration inside the house are measured by the inside house sensor 43, and the temperature and humidity of the outside air are measured by the outside house sensor 44, and the data is sent to the controller of each house. Figure 6 shows a case where the control device has a parent unit and a child unit, but the data of each house is sent to the master controller 45 or slave controller 46 installed inside the house.
親機であるマスターコントローラ４５には、栽培する作物に関する温度、飽差等の最適条件や、日の出、日の入り時刻などを操作端末４７から入力することができる。マスターコントローラ４５で入力した栽培条件によって、マスターコントローラが設置してあるハウスだけではなく、スレーブコントローラが設置してあるハウスも管理することができる。しかし、ハウスによって日当たり等細かい条件が異なることから、温度、湿度、二酸化炭素濃度、及び外気の状態についてはハウス毎に測定することが望ましい。ハウス内センサ４３で測定されたデータはマスターコントローラ４５、スレーブコントローラ４６のハウス内データ管理装置４８に送信され、ハウス外センサで測定されたハウス外データ管理装置４９に送信される。いずれのデータもハブ５０を介してマスターコントローラに送信される（図６（Ｂ））。 The master controller 45, which is the parent device, can input the optimum conditions for the crop to be cultivated, such as temperature and saturation deficit, as well as sunrise and sunset times, from the operation terminal 47. The cultivation conditions inputted into the master controller 45 can manage not only the greenhouse in which the master controller is installed, but also the greenhouse in which the slave controller is installed. However, since the detailed conditions such as sunlight vary depending on the greenhouse, it is desirable to measure the temperature, humidity, carbon dioxide concentration, and outside air conditions for each greenhouse. The data measured by the greenhouse sensor 43 is transmitted to the greenhouse data management device 48 of the master controller 45 and the slave controller 46, and the data measured by the greenhouse sensor is transmitted to the outside greenhouse data management device 49. All data is transmitted to the master controller via the hub 50 (Figure 6 (B)).
マスターコントローラ４５では受信したデータをもとに、調整空気の温度、湿度、二酸化炭素濃度をどのように調整すればよいか演算が行われ、ハブを介して制御装置５１に信号が送信され、二酸化炭素供給装置３、除湿機４、加湿器５が司令によって駆動し、混合キャビン内で適切な温度、湿度、二酸化炭素濃度に空気が調整される。混合キャビン２内で混合された調整空気は調整空気送風パイプ、送風チューブを介してハウス内の植物群落内に供給される。 The master controller 45 calculates how to adjust the temperature, humidity, and carbon dioxide concentration of the conditioned air based on the received data, and sends a signal via the hub to the control device 51, which drives the carbon dioxide supply device 3, dehumidifier 4, and humidifier 5 according to the command, adjusting the air to the appropriate temperature, humidity, and carbon dioxide concentration in the mixing cabin. The conditioned air mixed in the mixing cabin 2 is supplied to the plant community in the greenhouse via the conditioned air blowing pipe and blowing tube.
実際に微風を常時送風し、栽培を行った例を示す。２０１９年の９月下旬にイチゴを定植し、高設栽培しているビニールハウスで３月３０日から５月２３日まで試験を行った。直径５ｃｍのポリエチレンシート製の送風チューブから、直径０．６ｍｍの送風孔を介して終日送風のみを行い、データを取得している。実施例１の試験では、同一ハウス内に試験区を設定しており、ハウス全体に石油燃焼ガス中の二酸化炭素を施用して試験を行っているため、送風チューブを介して湿度の調節のみを行っている。送風の有無による温度、飽差、二酸化炭素濃度の１週間の平均データを表１に示す。温度は、昼は８時から１６時まで、夜は１９時から翌日の５時までの１０分おきの測定値の週平均を示している。外気温以外の温度、湿度、二酸化炭素濃度は植物群落内、葉の近傍でデータを取得している。 An example of cultivation with constant gentle breeze is shown below. Strawberries were planted in late September 2019, and the test was conducted from March 30 to May 23 in a vinyl greenhouse where they were grown on an elevated platform. Data was collected by blowing air all day through a 0.6 mm diameter air hole from a 5 cm diameter polyethylene sheet air tube. In the test of Example 1, a test area was set up in the same greenhouse, and carbon dioxide in oil combustion gas was applied to the entire greenhouse, so only humidity was adjusted through the air tube. Table 1 shows the average data for temperature, saturation deficit, and carbon dioxide concentration for one week with and without air blowing. The temperature shows the weekly average of measurements taken every 10 minutes from 8:00 to 16:00 in the daytime and from 19:00 to 5:00 the next day. Data on temperature, humidity, and carbon dioxide concentration other than the outside temperature was collected within the plant community and near the leaves.
イチゴは昼の気温の最高限界が３０℃、夜の気温の最低限界が３℃と言われている。夜の気温が最低限界以下となることはなかったが、昼の気温は送風無しの試験区では４月６日の週では３０．２℃と３０℃を超えている。また、飽差は３～６ｇ／ｍ３に管理するのが良いとされているが、送風無しの試験区域では３月３０日、４月６日、１３日、２０日、２７日の５月１１日の６週にわたり、至適範囲を超えた値となっている。これに対し、送風有りの試験区域では４月６日、１３日、２０日のみが至適範囲を超えているが、その場合であっても、送風無しの区域と比較すると乾燥の程度は弱いものとなっている。さらに、二酸化炭素濃度に関しては、送風無しの場合にはいずれの期間も日中は外気の二酸化炭素濃度である４００ｐｐｍよりも低い値を示している。微風により植物群落内に気流を生じさせることにより、温度、飽差、二酸化炭素いずれの生育環境も改善することが明らかとなった。 It is said that the maximum daytime temperature limit for strawberries is 30°C, and the minimum nighttime temperature limit is 3°C. Although the nighttime temperature never fell below the minimum limit, the daytime temperature in the test area without ventilation exceeded 30°C, reaching 30.2°C in the week of April 6. In addition, it is said that the saturation deficit should be controlled at 3-6 g/ m3 , but in the test area without ventilation, the values exceeded the optimum range for six weeks from March 30, April 6, 13, 20, 27, and May 11. In contrast, in the test area with ventilation, the optimum range was exceeded only on April 6, 13, and 20, but even in those cases, the degree of drying was weaker than in the area without ventilation. Furthermore, with regard to the carbon dioxide concentration, in the case of no ventilation, the values shown during the day were lower than the carbon dioxide concentration of the outside air, 400 ppm, in all periods. It was revealed that by creating air currents within the plant community through the use of a light breeze, the growth environment in terms of temperature, vapor pressure deficit, and carbon dioxide was improved.
送風区域中央の３ｍ内の３０株、及び送風を行わなかった区域の３０株について試験期間中の収量と糖度の平均を週毎にまとめた（表２）。植物の生育環境の改善に伴い、収量が２０％近く増加しただけではなく、糖度の増加も見られた（表２）。限られた期間内で２０％程度収量の増加が確認されたことから、長期間に渡ればより高い収量の増加が期待される。 The average yield and sugar content during the test period were compiled by week for 30 plants within 3 m of the center of the ventilation area, and 30 plants in the area where ventilation was not performed (Table 2). As the plant growth environment improved, not only did the yield increase by nearly 20%, but an increase in sugar content was also observed (Table 2). As a yield increase of around 20% was confirmed within a limited period of time, even higher yield increases are expected over the long term.
実施例１と同様に高設栽培でイチゴを栽培しているビニールハウスで、２０２０年３月３０日から４月２日までの４日間、混合キャビンで植物栽培用調整空気を調整し、１０時から１８時まで１４００ｐｐｍで送風チューブから群落内換気速度５回／時間の条件で株元へ二酸化炭素施用を行い、施用区、無施用区の二酸化炭素濃度を測定した（図７）。外気の二酸化炭素は４５０～４８０ｐｐｍであった。３月３０日、３１日はほぼ無風状態で快晴、ビニールハウス内の空気はあまり換気されていない状況であった。無施用区の群落内はイチゴが二酸化炭素を吸収するため日中は外気より二酸化炭素濃度が１００ｐｐｍ程度低くなっている。一方、二酸化炭素施用区は日中でも濃度が高く保たれている。施用区、無施用区ともに夜になると植物の呼吸により二酸化炭素濃度は上昇する。４月１日、２日は、風が強く曇天、換気により全体的に二酸化炭素濃度が外気と近い値となっている。施用区では、無施用区よりも二酸化炭素濃度は高いが、風により二酸化炭素が散逸するため施用区、無施用区で大きな差は認められなかった。 In a greenhouse where strawberries are grown in elevated cultivation as in Example 1, the conditioned air for plant cultivation was adjusted in a mixing cabin for four days from March 30 to April 2, 2020, and carbon dioxide was applied to the base of the plants from 10:00 to 18:00 at 1400 ppm with a ventilation rate of 5 times/hour from a blower tube, and the carbon dioxide concentration in the application and non-application areas was measured (Figure 7). The carbon dioxide in the outside air was 450 to 480 ppm. On March 30 and 31, there was almost no wind and it was sunny, and the air in the greenhouse was not ventilated very much. In the non-application area, the carbon dioxide concentration is about 100 ppm lower than the outside air during the day because the strawberries absorb carbon dioxide. On the other hand, the carbon dioxide application area maintains a high concentration even during the day. In both the application and non-application areas, the carbon dioxide concentration increases at night due to plant respiration. On April 1 and 2, it was windy and cloudy, and the overall carbon dioxide concentration was close to that of the outside air due to ventilation. The carbon dioxide concentration was higher in the treated area than in the untreated area, but because carbon dioxide dissipates due to the wind, no significant difference was observed between the treated and untreated areas.
カーテン展張システムの効果を検討するために、シートで被覆しカーテン展張システムを模した略密閉空間を作り、二酸化炭素濃度１７６０ｐｐｍ、湿度３０％に除湿した空気を上記と同じ群落内換気速度５回／時間の条件で送風チューブから施用し、二酸化炭素濃度、湿度を測定した。結果を表３に示す。 To examine the effectiveness of the curtain extension system, a roughly sealed space was created by covering it with a sheet to mimic a curtain extension system, and air that had been dehumidified to a carbon dioxide concentration of 1,760 ppm and a humidity of 30% was applied from an air blower tube under the same conditions as above, with an intra-village ventilation rate of 5 times per hour, and the carbon dioxide concentration and humidity were measured. The results are shown in Table 3.
この結果からカーテンをして略密閉状態にした空間に二酸化炭素を施用し続ければ二酸化炭素濃度は高く維持されること、湿度は顕著に低下することが分かった。炭疽病や灰色かび病など多くの病害は９５％以上の高湿度状態で発生し繁殖するので、カーテン展張の病害予防効果が高いと考えられる。 These results show that if carbon dioxide is continuously applied to a space that is closed and nearly sealed, the carbon dioxide concentration will be maintained at a high level and humidity will drop significantly. Many diseases, such as anthracnose and gray mold, develop and grow in high humidity conditions of 95% or more, so hanging curtains is thought to be highly effective in preventing disease.
以上示してきたように、本発明の環境制御システムは、二酸化炭素濃度、湿度、温度が制御された植物栽培用空気を群落に施用し、さらにカーテン展張システムによって、制御された環境を維持することができる。また、吊りベッドを使用することにより、面積当たりの栽培株数を増やし、収量の増加を図ることも可能となる。従来の二酸化炭素施用システムは、春先から気温が高くなると換気が必要となり、二酸化炭素施用を行うことができない期間が長かった。本システムは、温度の上昇を抑制しつつ、環境維持用カーテンによって二酸化炭素濃度を維持することができるので、ハウスの換気が必要な時期になっても二酸化炭素施用を行うことが可能となる。 As described above, the environmental control system of the present invention applies to the colony plant cultivation air with controlled carbon dioxide concentration, humidity, and temperature, and further maintains a controlled environment by using a curtain extension system. In addition, by using hanging beds, it is possible to increase the number of cultivated plants per area and increase yields. With conventional carbon dioxide application systems, ventilation is required when temperatures rise from early spring, and there are long periods during which carbon dioxide application cannot be performed. This system can maintain the carbon dioxide concentration by using environmental maintenance curtains while suppressing temperature increases, making it possible to apply carbon dioxide even when it is time to ventilate the greenhouse.
１…植物栽培用調製空気混合部、２…混合キャビン、３…二酸化炭素供給装置、４…除湿機、５…加湿器、６…空気混合用ファン、７…調整空気送風ファン、８…調整空気送風パイプ、９…送風チューブ、１０…送風孔、１１…送風サブチューブ、２１…吊りベッドシステム、２２…吊りベッド、２３…吊りロープ、２４…フレーム梁、２５…電動ウインチ、２６…シャフト、２７…環境維持用カーテン、２８…カーテン巻取機、２９…側壁、３０…送風チューブ、３１…電熱ケーブル、３２…潅水チューブ、４１…植物栽培用調製空気施用システム、４２…ハウス、４３…ハウス内センサ、４４…ハウス外センサ、４５…マスターコントローラ、４６…スレーブコントローラ、４７…操作端末、４８…ハウス内データ管理装置、４９…ハウス外データ管理装置、５０…ハブ、５１…制御装置 1...Prepared air mixing section for plant cultivation, 2...Mixing cabin, 3...Carbon dioxide supply device, 4...Dehumidifier, 5...Humidifier, 6...Air mixing fan, 7...Prepared air blowing fan, 8...Prepared air blowing pipe, 9...Blowing tube, 10...Blowing hole, 11...Blowing sub-tube, 21...Suspended bed system, 22...Suspended bed, 23...Suspension rope, 24...Frame beam, 25...Electric winch, 26...Shaft, 27...Environmental maintenance curtain, 28...Curtain winder, 29...Side wall, 30...Blowing tube, 31...Electric heating cable, 32...Irrigation tube, 41...Prepared air application system for plant cultivation, 42...House, 43...Inside house sensor, 44...Outside house sensor, 45...Master controller, 46...Slave controller, 47...Operation terminal, 48...Inside house data management device, 49...Outside house data management device, 50...Hub, 51...Control device
Claims (6)
農業用ハウス内には垂直方向に移動可能な吊りベッドが栽培ベッドとして設けられており、
二酸化炭素濃度、温度、湿度を所定の範囲内に調整した調整空気を植物の葉裏に供給し、
前記調整空気を１時間に対象とする植物群落容積の０．５～１０倍の容積で供給し植物群落内全体に微風を送ることにより気流を生じさせ植物群落内全体の微小環境を調整し、
植物群落を覆うように上下に移動可能な環境維持用カーテンを設けていることを特徴とする環境制御システム。 An environmental control system for an agricultural greenhouse, comprising:
The agricultural greenhouse is equipped with vertically movable hanging beds as cultivation beds,
Conditioned air with carbon dioxide concentration, temperature, and humidity adjusted to specified ranges is supplied to the underside of the leaves of the plants.
The conditioned air is supplied at a volume of 0.5 to 10 times the volume of the target plant community per hour, and a gentle breeze is sent throughout the plant community to generate an air flow and adjust the microenvironment of the entire plant community;
An environmental control system comprising an environmental maintenance curtain that can be moved up and down to cover the plant community.
栽培用空気を調整する混合キャビンと、
二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給装置と
除湿機と、
加湿器とを備え、
前記混合キャビン内で二酸化炭素濃度、温度、湿度を所定の範囲内に調整し、
送風チューブによって調製空気を供給する環境制御システム。 The environmental control system according to claim 1,
A mixing cabin to regulate the cultivation air;
A carbon dioxide supplying device for supplying carbon dioxide and a dehumidifier;
A humidifier is provided.
Adjusting the carbon dioxide concentration, temperature, and humidity in the mixing cabin to within predetermined ranges;
An environmental control system that supplies conditioned air through a blower tube.
燃焼式二酸化炭素発生器であり、
二酸化炭素の供給及び植物群落の温度管理に用いることができる請求項２記載の環境制御システム。 The carbon dioxide supply device is
It is a combustion type carbon dioxide generator,
3. The environmental control system according to claim 2, which can be used for supplying carbon dioxide and controlling the temperature of a plant community.
制御装置によって混合される調製空気を調整し供給する請求項１～４いずれか１項記載の環境制御システム。 Sensors for measuring at least temperature and humidity are provided inside and outside the agricultural house,
5. The environmental control system of claim 1, further comprising a controller for adjusting and supplying mixed conditioned air.
長茎植物を栽培する場合には送風チューブから送風サブチューブを垂直方向に分岐させて配置し、
各植物に調整空気を供給する請求項２～５いずれか１項記載の植物栽培用調製空気施用システム。
When cultivating short plants, place the ventilation tube at the base of the plant.
When growing long-stemmed plants, the ventilation sub-tube is arranged vertically branching off from the ventilation tube,
A system for applying conditioned air to plants according to any one of claims 2 to 5, which supplies conditioned air to each plant.
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