JP2011229454A - 光合成パネル、光合成ラック及び植物育成システム - Google Patents

Abstract

【課題】植物の温度を適切に調節することができる光合成パネル、光合成ラック及び植物育成システムを提供すること。
【解決手段】光合成パネル１０は、植物Ｐとの間で輻射熱交換を行う輻射パネルと、植物Ｐに光を照射するＬＥＤ照明とを備える。光合成ラック２０は、複数の中空の光合成パネル１０及びこれを支持する中空の支持フレーム２４を備える。植物育成システム１００は、光合成ラック２０と、空気Ａ１の温度を調節する空気温度調節機３１と、空気温度調節機３１で温度が調節された空気Ａ１を支持フレーム２４内に導く調温空気ダクト３２とを備える。温度調節された空気Ａ１を、中空の支持フレーム２４を介して輻射パネルに供給し、輻射パネルが植物Ｐとの間で輻射熱交換を行うので、蒸散を抑制して植物Ｐの温度を適切に調節することができる。ＬＥＤ照明は、照射に伴う発熱を抑制して輻射パネルの熱負荷を低減する。
【選択図】図４

Description

本発明は光合成パネル、光合成ラック及び植物育成システムに関し、特に植物の温度を適切に調節することができる光合成パネル、これを用いた光合成ラック及び植物育成システムに関する。

近年、農業の効率向上を図る方策として、植物工場が推奨されている。一方で、植物工場は、植物の生育のために必要な電気照明用電力費及び空調用電力費が大きな割合を占めるランニングコストが嵩む点が指摘されている。このようなランニングコストを低減するシステムとして、栽培植物を水耕栽培する培養液槽の栽培棚が設置されているガラス壁で形成された温室内に、夜間電力で駆動されたチラーユニットで製造されて蓄冷された冷水で冷却された、温度２２℃、相対湿度９５％の冷気を供給して局所的に空調するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００−９３０１０号公報（段落００３０、図１等）

しかしながら、ガラス壁で形成された温室内は、太陽光による輻射熱を受けるため、仮に外気温が３３℃程度であったとしても温室内の温度は極めて高温となり、２２℃程度の冷気では冷房負荷を処理することが難しい。他方、太陽光を遮断して人工光で栽培しようとすると、従来の照明は発熱量が大きいために２２℃程度の冷気では冷房負荷を処理することが難しい。いずれの場合も冷房負荷を処理するために供給空気の温度を下げることになるが、供給空気の温度を下げると温室内の絶対湿度が低下してしまい、植物に過度の蒸散が生じて、植物を栽培に適した温度下に置くことが難しくなる。

本発明は上述の課題に鑑み、植物の温度を適切に調節することができる光合成パネル、これを用いた光合成ラック及び植物育成システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る光合成パネルは、例えば図１に示すように、表面温度が可変に構成され、近接して載置された植物との間で輻射による熱交換を行う輻射パネル１１と；輻射パネル１１の植物に対向した表面１３に設けられ、植物に向けて光を照射するＬＥＤ照明１６とを備える。

このように構成すると、植物との間で輻射による熱交換を行う輻射パネルを備えるので、絶対湿度が低い低温空気の供給を回避することができて、過度の蒸散を抑制して植物の温度を適切に調節することができる。また、植物に向けて光を照射するＬＥＤ照明を備えるので、照射に伴う発熱を抑制することができて輻射パネルの熱負荷を低減することができる。

また、本発明の第２の態様に係る光合成ラックは、例えば図２に示すように、上記本発明の第１の態様に係る光合成パネル１０を複数備え；複数の光合成パネル１０を、上下に間隔を空けて支持する中空の支持フレーム２４をさらに備え；輻射パネル１１が、中空に形成され、内部に温度が調節された流体Ａ１を流通させて表面温度を変化させるように構成され；輻射パネル１１の内部と支持フレーム２４の内部とが連通して構成されている。

このように構成すると、省スペースで効率的に光合成を行わせることができる。

また、本発明の第３の態様に係る植物育成システムは、例えば図４に示すように、上記本発明の第２の態様に係る光合成ラック２０と；空気Ａ１の温度を調節する空気温度調節機３１と；空気温度調節機３１で温度が調節された空気Ａ１を支持フレーム２４の内部に導く調温空気ダクト３２とを備える。

このように構成すると、輻射パネルからの輻射熱を適切に調節することが可能となり、植物の温度を適切な温度に調節することができる。

また、本発明の第４の態様に係る植物育成システムは、例えば図４に示すように、上記本発明の第３の態様に係る植物育成システム１００において、空気Ａ２の湿度を調節する空気湿度調節機４１と；空気湿度調節機４１で湿度が調節された空気Ａ２を光合成ラック２０が設置されている室内Ｒに導く調湿空気ダクト４２と；光合成ラック２０が設置されている室内Ｒに二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給装置５０とを備える。

このように構成すると、植物の周囲の環境を適切にすることができる。

本発明によれば、植物との間で輻射による熱交換を行う輻射パネルを備えるので、絶対湿度が低い低温空気の供給を回避することができて、過度の蒸散を抑制して植物の温度を適切に調節することができ、植物に向けて光を照射するＬＥＤ照明を備えるので、照射に伴う発熱を抑制することができて輻射パネルの熱負荷を低減することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る光合成パネルの概略構成を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光合成ラックの側面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光合成ラックの概略構成を示す図である。（ａ）は部分斜視図、（ｂ）は部分平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る植物育成システムの系統図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る光合成パネル１０及び本発明の第２の実施の形態に係る光合成ラック２０を説明する。図１は、光合成パネル１０の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は斜視図である。図１では、内部構造を明らかにする便宜上、（ａ）の平面図において右上及び左下の一部を切り欠いて示しており、（ｃ）の斜視図において中央部分の一部を切り欠いて示している。図２は、光合成ラック２０の側面図である。光合成ラック２０は、光合成パネル１０を複数備えている。光合成パネル１０は、典型的には、植物Ｐの上方に、植物Ｐに近接して設けられる。ここで、光合成パネル１０が植物Ｐに近接しているとは、光合成パネル１０と植物Ｐとの間で輻射による熱交換を効果的に行うことができる程度に接近していることを意味する。

先に図１を主に参照して光合成パネル１０の構成を説明する。光合成パネル１０は、輻射パネル１１と、ＬＥＤ照明１６とを備えている。輻射パネル１１は、植物Ｐ（図２参照）のまわりの熱負荷を処理する器具であり、矩形の上面板１２と、この上面板１２と同じ形状の下面板１３とが間隔をもって平行に配置され、上面板１２と下面板１３との隙間を外周で塞ぐように側面板１４が設けられて構成されている。このように構成されることで、輻射パネル１１は中空に形成されている。さらに、輻射パネル１１の内部には、流体としての温度が調節された空気である調温空気Ａ１の流路を形成する流路形成部材１５が設けられている。流路形成部材１５は、細長い矩形板状の部材であり、輻射パネル１１の中空の内部を仕切るように、周囲の４つの辺が上面板１２、下面板１３及び側面板１４に接している。本実施の形態では、上面板１２及び下面板１３が長方形に形成されており、流路形成部材１５は、上面板１２（下面板１３）を形成する長方形の短辺に対して平行に延びるように（換言すれば長方形の長辺を分割するように）、複数設けられている。また、上面板１２、下面板１３、側面板１４及び流路形成部材１５は、熱伝導率の大きな材料で形成されているとよく、本実施の形態ではアルミニウムで形成されている。

流路形成部材１５は、その２つを上面板１２の長方形の長辺方向に隔てることで、２つの流路形成部材１５の間に溝流路１１ｄを形成するように、輻射パネル１１の中空内部に配設されている。さらに、溝流路１１ｄが複数形成されるように、流路形成部材１５は複数設けられている。隣り合う溝流路１１ｄの間は、中空部１１ｂが形成される。溝流路１１ｄの幅は、溝流路１１ｄに調温空気Ａ１を流したときに乱流境界層が形成される程度（例えば空気の流速が５ｍ／ｓ程度）になるように形成するのが好ましく、本実施の形態では輻射パネル１１の厚さ（上面板１２と下面板１３との間隔）と同程度に形成されている。中空部１１ｂの幅は、溝流路１１ｄの幅よりも広く形成されており、溝流路１１ｄに調温空気Ａ１を流したときに調温空気Ａ１からの熱伝導によって中空部１１ｂを形成する下面板１３の温度を意図する温度にすることができる範囲で極力広くすることが好ましい。中空部１１ｂの幅は、溝流路１１ｄの幅に対して、２〜６倍が好ましく、３〜５倍がより好ましく、本実施の形態では４倍に形成されている。

上面板１２には、各溝流路１１ｄの上方で、上面板１２の長方形の長手方向の２つの辺のそれぞれに近接して、通気孔１２ｈが形成されている。換言すれば、通気孔１２ｈの列が、上面板１２の長方形の長手方向の一方の辺及び他方の辺にそれぞれ近接して形成されている。このように構成されていることにより、溝流路１１ｄの両端に通気孔１２ｈが形成されていることとなり、溝流路１１ｄに対して一方の通気孔１２ｈから調温空気Ａ１を導入し他方の通気孔１２ｈから調温空気Ａ１を導出することができる。

ＬＥＤ照明１６は、植物Ｐ（図２参照）の育成に必要な光を供給するための器具である。ＬＥＤ照明１６を用いることで、蛍光灯や白熱電球といった従来型の照明器具に比べて発熱に伴う冷房負荷を低減することができる。また、ＬＥＤ照明１６は消費電力が小さいので、ランニングコストを低減することができる。ＬＥＤ照明１６は、隣り合う溝流路１１ｄの間の距離よりもやや短い幅で、溝流路１１ｄの両端に形成された通気孔１２ｈの間の距離よりもやや短い長さの大きさをもつ長方形に形成されており、中空部１１ｂの裏側となる下面板１３に取り付けられている。ＬＥＤ照明１６は、溝流路１１ｄの裏側ではなく中空部１１ｂの裏側に設けられていると、溝流路１１ｄを流れる調温空気Ａ１の熱の影響を受けにくくなるため好ましい。ＬＥＤ照明１６は、植物Ｐ（図２参照）に対して必要な光を供給できる範囲で間隔を空けて複数設けられている。本実施の形態では、溝流路１１ｄで区画された中空部１１ｂの３箇所に１つの割合で、下面板１３の長方形の長辺方向に所定の間隔を空けて設けられている。

光合成パネル１０は、さらに、ＬＥＤ照明１６が取り付けられた輻射パネル１１をラックに載置するための載置片１８を有している。載置片１８は、長方形の板状部材を両短辺の中央付近で長辺に沿って折り曲げて形成された、側面視がＬ字状の部材である。載置片１８は、断面Ｌ字状の１つの面が上面板１２に直交して下面板１３から離れる方向に延び、断面Ｌ字状の残りの面が輻射パネル１１の外側に延びるように、長方形の輻射パネル１１の短辺の側面板１４に取り付けられている。載置片１８の長さは、溝流路１１ｄの両端の通気孔１２ｈの間の距離よりも短く形成されており、ＬＥＤ照明１６の長さと同程度に形成されていてもよい。

次に主に図２を参照して光合成ラック２０の構成を説明する。光合成ラック２０の説明において、上述した光合成パネル１０及びこれを構成する各部材に言及しているときは、適宜図１を参照することとする。光合成ラック２０は、上述した光合成パネル１０を複数備えるほか、支持フレーム２４として、水平フレーム２１、横フレーム２２、及び竪フレーム２３を備えている。水平フレーム２１、横フレーム２２、及び竪フレーム２３を総称して、支持フレーム２４ということとする。支持フレーム２４は、内部に調温空気Ａ１を流すことができるように中空に形成されており、本実施の形態では断面正方形の角鋼材が用いられている。竪フレーム２３は鉛直方向に延び、水平フレーム２１は２本の竪フレーム２３の間で水平に延びており、横フレーム２２は水平フレーム２１に対して直交して水平に延びている。水平フレーム２１は、長方形の輻射パネル１１の長辺の長さに対し、竪フレーム２３への接続代の分だけ長く形成されている。横フレーム２２は、両端が竪フレーム２３に接続されたときに、両端の竪フレーム２３の表面間の距離が、溝流路１１ｄの両端の通気孔１２ｈの最内部間の距離よりも小さくなる長さに形成されている。水平フレーム２１及び横フレーム２２は、１つの竪フレーム２３に対して間隔を空けて複数設けられており、この間隔が光合成パネル１０の間隔となる。

ここで図３を併せて参照して、光合成ラック２０の構成をさらに詳細に説明する。図３は、光合成ラック２０の概略構成を示す図であり、（ａ）は部分斜視図、（ｂ）は部分平面図である。図３では内部構造の説明の便宜上、適宜構成部材を省略して示している。竪フレーム２３の側面には、水平フレーム２１が接続される位置に水平フレーム２１の内部と連通する水平開口２３ｈが適宜形成されており、横フレーム２２が接続される位置に横フレーム２２の内部と連通する横開口２３ｓが適宜形成されている。水平開口２３ｈ及び横開口２３ｓが形成される「適宜」の意味は後述する。水平フレーム２１は、組み立てたときに下方を向く面に、輻射パネル１１の上面板１２に形成された通気孔１２ｈと対応して水平フレーム２１と溝流路１１ｄとの間で調温空気Ａ１の流通を可能にする連通小孔２１ｈが、長手方向に沿って複数形成されている。

光合成ラック２０は次のように組み立てられる。まず、竪フレーム２３に横フレーム２２が取り付けられる。そして、横フレーム２２に載置片１８が載置されるようにして、光合成パネル１０が横フレーム２２に支持される。光合成パネル１０が設置されたら、竪フレーム２３に水平フレーム２１を組み込む。このとき、光合成パネル１０の通気孔１２ｈと水平フレーム２１の連通小孔２１ｈとが連通する位置で、水平フレーム２１を上面板１２に密着させる。

組み立てられた光合成ラック２０は、支持フレーム２４及び光合成パネル１０の溝流路１１ｄの内部を満遍なく調温空気Ａ１が流通するように、水平開口２３ｈ及び横開口２３ｓが適宜形成される。本実施の形態では、水平フレーム２１の一方の端部から流入してきた調温空気Ａ１が溝流路１１ｄに入らずに他方の端部から流出してしまうことを回避するために、１つの水平フレーム２１について、竪フレーム２３に対し、一方の端部が連通して他方の端部が連通しないように、水平開口２３ｈが形成されている。また、この水平フレーム２１の隣りとなる水平フレーム２１は、竪フレーム２３に対し、一方の端部が連通せずに他方の端部が連通するように、水平開口２３ｈが形成されている。つまり、隣り合う水平フレーム２１の竪フレーム２３と連通する水平開口２３ｈは、交互に形成されている。また、交互に形成される水平開口２３ｈが横開口２３ｓと出会う位置では、竪フレーム２３に調温空気Ａ１が流入しないように竪フレーム２３の内部が塞がれている。なお、ここで説明した水平開口２３ｈ及び横開口２３ｓの形成の仕方は例示であって、光合成パネル１０の溝流路１１ｄの内部に満遍なく調温空気Ａ１を流通させることができるようにすればよい。

引き続き図４を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る植物育成システム１００を説明する。図４は、植物育成システム１００の系統図である。以下の説明において、光合成パネル１０及び光合成ラック２０の構成に言及しているときは、適宜図１乃至図３を参照することとする。植物育成システム１００は、上述の光合成ラック２０と、光合成ラック２０に供給する調温空気Ａ１の温度を調節する空気温度調節機としてのパネル空調機３１と、パネル空調機３１から光合成ラック２０へ調温空気Ａ１を導く調温空気ダクトとしてのパネル給気ダクト３２と、光合成ラック２０が設置してある栽培室Ｒ内に供給する空気である調湿空気Ａ２の湿度等の状態を調節する空気湿度調節機としての室内空調機４１と、室内空調機４１から栽培室Ｒ内へ調湿空気Ａ２を導く調湿空気ダクトとしての室内給気ダクト４２と、栽培室Ｒ内に二酸化炭素を供給する炭酸ガス供給装置５０と、制御装置６０とを備えている。

本実施の形態に係る植物育成システム１００が設置される植物工場Ｆは、植物Ｐの栽培が行われる栽培室Ｒと、植物育成システム１００を構成する主要機器が設置される機械室Ｍとを有している。栽培室Ｒは、太陽の輻射熱による温度上昇を抑制する観点から、太陽光が透過しない屋根及び外壁を有している。なお、外壁には採光窓が形成されていてもよい。光合成ラック２０は、栽培室Ｒ内に、管理者の要望に応じた配列で、設置されている。パネル空調機３１、室内空調機４１、炭酸ガス供給装置５０は、機械室Ｍに設置されている。機械室Ｍには、外気ＯＡを取り入れる外気ガラリ４５が設けられている。

パネル空調機３１は、本実施の形態ではエアハンドリングユニットであり、調温空気Ａ１を冷却又は加熱するコイル３１ｃを有している。コイル３１ｃには、冷水又は温水（以下「冷温水」という）を導入する冷温水往管３５と、冷温水を導出する冷温水還管３６とが接続されている。冷温水往管３５及び冷温水還管３６は、冷温水の温度を調節する熱源機（不図示）に接続されている。冷温水往管３５には、コイル３１ｃに流入する冷温水の流量を調節する冷温水調節弁６３が設けられている。冷温水調節弁６３は、典型的には電動二方弁が用いられる。パネル空調機３１には、温度が調節された調温空気Ａ１を流すパネル給気ダクト３２と、温度を調節するべき調温空気Ａ１を導入するパネル還気ダクト３３とが接続されている。

パネル給気ダクト３２は、機械室Ｍと栽培室Ｒとを区画する壁Ｗを貫通し、栽培室Ｒ内を延びるように配設されている。パネル給気ダクト３２は、栽培室Ｒ内で、光合成ラック２０の数に応じて枝ダクト（パネル給気枝ダクト）３２ｂが分岐した構成になっている。パネル給気枝ダクト３２ｂは、光合成ラック２０の平面視における角の竪フレーム２３の端部に接続されている。光合成ラック２０の平面視におけるパネル給気枝ダクト３２ｂが接続された角の対角に位置する竪フレーム２３の端部には、パネル還気枝ダクト３３ｂが接続されている。パネル還気枝ダクト３３ｂは、パネル給気枝ダクト３２ｂに対応する数が設けられることとなる。各パネル還気枝ダクト３３ｂは、パネル還気ダクト３３に接続されており、各パネル還気枝ダクト３３ｂを流れる調温空気Ａ１がパネル還気ダクト３３で合流するように構成されている。パネル還気ダクト３３は、壁Ｗを貫通して機械室Ｍ内に延びて敷設されており、機械室Ｍ内でパネル空調機３１に接続されている。光合成ラック２０まわりの各ダクト３２、３２ｂ、３３、３３ｂは、リバースレタンを構成するように設けられているとよい。

室内空調機４１は、本実施の形態ではエアハンドリングユニットであり、調湿空気Ａ２を冷却除湿及び加熱（再熱）ができるようにコイル（不図示）及びヒータ（不図示）を有している。調湿空気Ａ２は、主として湿度が調節された空気であるが、適宜温度も調節された空気である。室内空調機４１には、湿度が調節された調湿空気Ａ２を流す室内給気ダクト４２と、湿度を調節するべき空気ＲＯＡを導入する導入ダクト４６とが接続されている。導入ダクト４６の他端には、栽培室Ｒ内からの還気ＲＡを室内空調機４１に向けて流す室内還気ダクト４３と、外気ガラリ４５から取り入れた外気ＯＡを導入するための外気ダクト４４とが接続されている。室内還気ダクト４３の他端は、壁Ｗに設置された制気口４７に接続されている。なお、導入ダクト４６を省略して、室内還気ダクト４３及び外気ダクト４４を個別に室内空調機４１のミキシングチャンバに接続することとしてもよい。

室内空調機４１の、室内給気ダクト４２の接続口の上流には、調湿空気Ａ２を清浄化するフィルタ４１ｆが設けられている。フィルタ４１ｆは、栽培室Ｒに求められる清浄度に応じたフィルタを用いればよく、本実施の形態ではＨＥＰＡフィルタが用いられている。室内給気ダクト４２は、機械室Ｍと栽培室Ｒとを区画する壁Ｗを貫通し、栽培室Ｒ内を延びるように配設されている。室内給気ダクト４２は、栽培室Ｒ内へ適切に調湿空気Ａ２を拡散させることができるように、枝ダクト（室内給気枝ダクト）４２ｂが分岐した構成になっている。室内給気枝ダクト４２ｂは、植物Ｐまわりの水分が低くなりすぎない程度に調湿空気Ａ２を拡散させる観点から配設され、本実施の形態では、各光合成ラック２０の中央上方で拡口した状態に構成されている。

炭酸ガス供給装置５０は、空気と炭酸ガスとを混合して炭酸ガスを希釈する混合タンク５１と、混合タンク５１に空気を圧入するブロワ５５と、混合タンク５１に導入される炭酸ガスを貯留する炭酸ガスボンベ５６とを有している。混合タンク５１へ圧入される空気は機械室Ｍ内に敷設された混合用ダクト４８を介して導入される構成となっており、混合用ダクト４８は室内給気ダクト４２に接続されて調湿空気Ａ２の一部が混合タンク５１へ導入されるように構成されている。ブロワ５５は、混合用ダクト４８に配設されている。混合タンク５１と炭酸ガスボンベ５６とは、圧力調節弁５６ｖが設けられた連結管５６ｔで接続されている。圧力調節弁５６ｖが設けられていることで、ブロワ５５の羽根車の回転速度の変化に伴う混合タンク５１の内圧に応じた所定量の炭酸ガスが混合タンク５１に導入されるように構成されている。

混合タンク５１には、炭酸ガス含有空気ＡＧを搬送する混合給気ダクト５２が接続されている。混合給気ダクト５２には、内部を流れる炭酸ガス含有空気ＡＧの流路を開閉する開閉弁６５が配設されている。開閉弁６５は、典型的には電磁弁が用いられる。混合給気ダクト５２は、壁Ｗを貫通して栽培室Ｒ内を延び、各光合成ラック２０の複数の光合成パネル１０に対向している植物Ｐそれぞれに炭酸ガス含有空気ＡＧを供給するように、適宜分岐している。光合成ラック２０の近傍には、植物Ｐの温度を測定する植物検温センサ６２と、植物Ｐまわりの二酸化炭素濃度を検出する濃度センサ６４とが設置されている。植物検温センサ６２は、典型的には赤外線センサが用いられる。植物検温センサ６２は、適宜ピックアップした植物Ｐの温度を代表として測定するように、１つ又は複数設置されていればよい。濃度センサ６４も同様に、適宜ピックアップした植物Ｐまわりの二酸化炭素濃度を代表として測定するように、１つ又は複数設置されていればよい。植物検温センサ６２と濃度センサ６４とは、対で設置しなくてもよく、それぞれの機能を発揮できるように独自の観点から設置位置を決めればよい。

制御装置６０は、植物育成システム１００の運転を制御する。制御装置６０は、植物検温センサ６２及び濃度センサ６４とそれぞれ信号ケーブルで接続されており、植物検温センサ６２から温度信号を、濃度センサ６４から濃度信号を、それぞれ受信することができるように構成されている。また、制御装置６０は、パネル空調機３１及び冷温水調節弁６３と信号ケーブルで接続されており、パネル空調機３１の発停や、植物検温センサ６２から受信した温度信号に基づいて調温空気Ａ１を意図する温度にするべく冷温水調節弁６３の開度を調節することができるように構成されている。また、制御装置６０は、室内空調機４１と信号ケーブルで接続されており、調湿空気Ａ２の温度及び湿度を調節することができるように構成されている。また、制御装置６０は、ブロワ５５と信号ケーブルで接続されており、ブロワ５５の発停を制御することができるように構成されている。また、制御装置６０は、開閉弁６５と信号ケーブルで接続されており、濃度センサ６４から受信した濃度信号に基づいて植物Ｐまわりの二酸化炭素濃度を植物Ｐの育成に適した所定の範囲に維持するべく、開閉弁６５の開閉を制御することができるように構成されている。

引き続き図１乃至図４を参照して、光合成パネル１０、光合成ラック２０、及び植物育成システム１００の作用を説明する。なお、光合成パネル１０及び光合成ラック２０の作用は、植物育成システム１００の作用の説明の一環として説明する。まず、主に図４を参照して植物育成システム１００に着目すると、制御装置６０からの指令によりパネル空調機３１が起動する。これにより、調温空気Ａ１がパネル空調機３１から導出される。また、熱源機（不図示）で温度調節された冷温水が、冷温水往管３５及び冷温水還管３６を介してコイル３１ｃとの間を循環し、コイル３１ｃを調温空気Ａ１が通過することで調温空気Ａ１の温度が植物Ｐの育成に適した温度に調節される。パネル空調機３１で温度が調節された調温空気Ａ１は、パネル給気ダクト３２及びパネル給気枝ダクト３２ｂを介して光合成ラック２０に導入される。

図１乃至図３を主に参照して光合成ラック２０に着目すると、パネル給気枝ダクト３２ｂを流れてきた調温空気Ａ１は、パネル給気枝ダクト３２ｂに接続された竪フレーム２３の端部から竪フレーム２３内に流入する。竪フレーム２３を流れる調温空気Ａ１は、横フレーム２２を介して水平フレーム２１に、あるいは竪フレーム２３から水平フレーム２１に直接流入する。水平フレーム２１を流れる調温空気Ａ１は、連通小孔２１ｈ及び通気孔１２ｈを介して、光合成パネル１０の複数の溝流路１１ｄの一端に流入する。溝流路１１ｄの一端に流入した調温空気Ａ１は、溝流路１１ｄの他端に向かって流れる。この際、調温空気Ａ１の熱が輻射パネル１１に伝達され、輻射パネル１１及び調温空気Ａ１の温度が互いの温度に近づく。このとき、溝流路１１ｄを流れる調温空気Ａ１の流速が概ね５ｍ／ｓとなる（乱流境界層が形成される）ように構成されているので、調温空気Ａ１と輻射パネル１１との間の境膜が破壊されて伝達熱量を大きくすることができる。調温空気Ａ１から輻射パネル１１へ伝達した熱は、さらに下面板１３を伝導して溝流路１１ｄの部分から中空部１１ｂの部分へと伝わり、輻射パネル１１は概ね均一な温度となる。このようにして、輻射パネル１１の表面温度が変化する。そして、表面温度が変化した輻射パネル１１は、下方で対向する植物Ｐとの間で輻射による熱交換を行う。

一般に、植物の育成には、光合成、呼吸、細胞の分裂と伸長、適度な蒸散が必要とされており、適度な蒸散により水分吸収、栄養塩類の取り込み、葉の冷却が行われるとされている。光合成は、温度、二酸化炭素、及び光の影響を受ける。呼吸及び細胞の分裂と伸長は、温度及び光合成の影響を受ける。水分と栄養塩類の取り込みは、地上部及び根の温度、並びに空気湿度の影響を受ける。また、水分と栄養塩類の取り込みは、細胞の分裂と伸長に影響を与える。これらの影響因子のうち、温度は１８℃〜３３℃程度とするのが、光合成にとって好ましい。また、この温度範囲は、呼吸等の育成のための作用の妨げにならない。本実施の形態では、調温空気Ａ１を溝流路１１ｄに流すことで輻射パネル１１の温度を調節し、輻射パネル１１と植物Ｐとの間で輻射による熱交換を行わせるので、輻射パネル１１は顕熱の処理を行うこととなる。そして、植物Ｐの育成に影響を与える栽培室Ｒ内の湿度の調節は、室内空調機４１の系統で調湿空気Ａ２によって行われる。このように、顕熱の処理と潜熱の処理とが分離して行われるため、それぞれに最適な制御を行うことが可能となる。これにより、対流空調方式の場合に発生し得るような植物Ｐの過度の蒸散を抑制することができる。

上述のように輻射パネル１１と植物Ｐとで輻射熱交換を行う一方で、ＬＥＤ照明１６からは、植物Ｐの育成に影響を与える光が照射される。ＬＥＤ照明１６は、発熱量が小さいため、輻射パネル１１が調温空気Ａ１によって冷却される場合でも熱ロスが小さくて済む。また、ＬＥＤ照明１６は、光量を必要に応じて増減しても温度への影響がほとんどない。加えて、ＬＥＤ照明１６は、光の強度や波長を調節しやすいため、植物Ｐの種類に応じた適切なＬＥＤ照明１６を構築することができる。ＬＥＤ照明１６も、顕熱の処理及び潜熱の処理と分離して行われるため、ＬＥＤ照明１６にとって最適な状態に調節できる。

さて、輻射パネル１１の溝流路１１ｄを流れた調温空気Ａ１は、溝流路１１ｄの他端の通気孔１２ｈ及び連通小孔２１ｈを介して、水平フレーム２１に流入する。水平フレーム２１に流入した調温空気Ａ１は、適宜横フレーム２２を介して、パネル還気枝ダクト３３ｂが接続された竪フレーム２３に流入する。

再び図４を主に参照して説明を続ける。竪フレーム２３に流入した調温空気Ａ１は、その後パネル還気枝ダクト３３ｂ及びパネル還気ダクト３３を介して再びパネル空調機３１に流入する。パネル空調機３１に流入した調温空気Ａ１は、コイル３１ｃを通過する際に温度が調節され、上述の要領で再び輻射パネル１１に導入され、植物Ｐとの輻射熱交換の熱媒体としての利用に供される。このように、調温空気Ａ１が、パネル空調機３１と輻射パネル１１との間を循環することで、継続して輻射パネル１１と植物Ｐとの輻射熱交換を行わせることができる。調温空気Ａ１が循環している際、制御装置６０は、随時植物検温センサ６２から温度信号を受信し、植物検温センサ６２が検出する温度があらかじめ設定した温度になるように、冷温水調節弁６３の開度を調節する。なお、あらかじめ設定した温度は幅があってもよい。

上述したパネル空調機３１の運転と並行して、室内空調機４１の運転も行われる。制御装置６０からの指令により室内空調機４１の運転が開始されると、導入ダクト４６に対し、外気ダクト４４を介して外気ＯＡが導入されると共に、栽培室Ｒからの還気ＲＡが室内還気ダクト４３を介して導入される。導入ダクト４６内に導入された外気ＯＡ及び還気ＲＡは、混合されて空気ＲＯＡとなり、室内空調機４１内に導入される。室内空調機４１に導入された調湿空気Ａ２は、植物Ｐまわりの雰囲気を植物Ｐが適度に蒸散する状態にするために適切な湿度に調節されると共に、温度が輻射パネル１１の目標温度になるように調節される。室内空調機４１で湿度及び温度が調節された調湿空気Ａ２は、室内給気ダクト４２を介して植物Ｐまわりに供給される。植物育成システム１００では、輻射パネル１１が顕熱処理を受け持つので、調湿空気Ａ２の温度を輻射パネル１１の目標温度にすることが可能となり、植物Ｐまわりに輻射パネル１１の目標設定温度における飽和空気を供給することが可能となって、植物Ｐまわりをあらゆる相対湿度に調節することが可能となる。換言すれば、外部環境がどのような状態にあっても、植物Ｐが適度な蒸散を行う湿度に調節することが可能となる。

上述したパネル空調機３１及び室内空調機４１の運転と並行して、さらに炭酸ガス供給装置５０の運転も行われる。制御装置６０は、随時濃度センサ６４から濃度信号を受信し、検出した二酸化炭素濃度があらかじめ設定した濃度の下限に到達したときに、ブロワ５５を起動すると共に開閉弁６５を開にする。ブロワ５５起動すると、室内給気ダクト４２を流れる調湿空気Ａ２の一部が、混合用ダクト４８を介して混合タンク５１に導入される。このとき、炭酸ガスボンベ５６から炭酸ガスも混合タンク５１に導入される。混合タンク５１内では、調湿空気Ａ２に炭酸ガスが混入され、炭酸ガス含有空気ＡＧとなる。炭酸ガス含有空気ＡＧは、開閉弁６５が開いているため、混合給気ダクト５２を介して植物Ｐまわりに供給される。このようにして、植物Ｐの育成に影響を与える炭酸ガスが補充される。制御装置６０は、濃度センサ６４で検出した濃度があらかじめ設定した濃度の上限に達したときに、ブロワ５５を停止すると共に開閉弁６５を閉にする。

以上で説明したように、植物育成システム１００では、植物Ｐを過度に蒸散させることなく、植物Ｐまわりの環境を、植物Ｐの育成に適した温度、湿度、二酸化炭素濃度に調節することができる。さらに、植物Ｐの温度調節が輻射パネル１１を用いた輻射熱交換により行われるので、熱媒体としての調温空気Ａ１の目標温度に対する温度差及び冷温水の目標温度に対する温度差を大きく取らなくて済み、省エネルギー、省コストを図ることができると共に、急激な温度変化を避けてマイルドな温度調節を行うことができる。

以上の説明では、輻射パネル１１の内部に流通させる流体が空気であるとしたが、液体であってもよい。つまり、輻射パネル１１の表面温度を変化させる熱媒体として利用可能な流体であればよい。しかしながら、空気あるいはその他の気体すると、漏れ対策を施さなくてよいため構成を簡便にすることができる。また、流体を空気とすることで、熱媒体のコストを低減することができる。

以上の説明では、通気孔１２ｈが上面板１２に形成されているとしたが、１つの溝流路１１ｄに対して両端に形成される通気孔１２ｈのうち、両方又は一方が下面板１３に形成されていてもよい。つまり、溝流路１１ｄに調温空気Ａ１の流れを作り出すことができるように１つの溝流路１１ｄに対して両端に通気孔１２ｈが形成されていればよい。

以上の説明では、炭酸ガス含有空気ＡＧが混合給気ダクト５２を介して栽培室Ｒ内に供給されることとしたが、混合給気ダクト５２を混合用ダクト４６との接続部よりも下流側で室内給気ダクト４２に接続し、炭酸ガス含有空気ＡＧを調湿空気Ａ２と混合させて栽培室Ｒ内に供給してもよい。しかしながら、炭酸ガス含有空気ＡＧを混合給気ダクト５２で直接植物Ｐまわりに供給することとすると、植物Ｐまわりの雰囲気を栽培室Ｒ内の平均よりも高い二酸化炭素濃度とすることができるため好適である。

１０ 光合成パネル
１１ 輻射パネル
１３ 下面板
１６ ＬＥＤ照明
２０ 光合成ラック
２４ 支持フレーム
３１ パネル空調機
３２ パネル給気ダクト
４１ 室内空調機
４２ 室内給気ダクト
５０ 炭酸ガス供給装置
１００ 植物育成システム
Ａ１ 調温空気
Ａ２ 調湿空気
Ｐ 植物
Ｒ 栽培室

Claims (4)

1. 表面温度が可変に構成され、近接して載置された植物との間で輻射による熱交換を行う輻射パネルと；
   前記輻射パネルの前記植物に対向した表面に設けられ、前記植物に向けて光を照射するＬＥＤ照明とを備える；
   光合成パネル。
2. 請求項１に記載の光合成パネルを複数備え；
   複数の前記光合成パネルを、上下に間隔を空けて支持する中空の支持フレームをさらに備え；
   前記輻射パネルが、中空に形成され、内部に温度が調節された流体を流通させて表面温度を変化させるように構成され；
   前記輻射パネルの内部と前記支持フレームの内部とが連通して構成された；
   光合成ラック。
3. 請求項２に記載の光合成ラックと；
   空気の温度を調節する空気温度調節機と；
   前記空気温度調節機で温度が調節された空気を前記支持フレームの内部に導く調温空気ダクトとを備える；
   植物育成システム。
4. 空気の湿度を調節する空気湿度調節機と；
   前記空気湿度調節機で湿度が調節された空気を前記光合成ラックが設置されている室内に導く調湿空気ダクトと；
   前記光合成ラックが設置されている室内に二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給装置とを備える；
   請求項３に記載の植物育成システム。

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