【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、完全制御型植物工場の生産コストを低減することができると共に、収穫率の高い植物栽培を安定的に実現することができる植物栽培施設建屋に関し、特に、その構造の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、自然環境の変化の影響を受けないようにして植物を栽培する植物工場に関わる技術としては、実開昭６０−８５１４２号公報、特開昭６２−２８
２５２６号公報、特開昭６３−１１９６３１号公報、特開平５−３８２２７号公報、特開平５−３０８８５７号公報に開示されたものがある。

【０００３】植物工場と言われるものの内、従来のいわゆる温室、ビニールハウス等の栽培施設は、太陽光併用型と言われるもので、壁面は断熱的構造を持たず、通気性良く、密閉構造とはいえない。 また透光性の窓を有している。

【０００４】一方、外部環境から断熱され実質的に密閉された建屋内に人工照明、空調設備、温度制御設備などを設置することにより、人工的に環境を調整して植物の生産速度を早めるものを完全制御型植物工場と言う。

【０００５】完全制御型植物工場は、密閉された建屋の中で人工照明により植物を育成するものであるから、太陽光併用型と対比して、事業として次のような特長を有する。 １． 最適な成長条件を設定することができるので、成長速度が早く、したがって、生産量、施設回転率が高い。 このため、生産単価が安くなる。

【０００６】２． 外界の気象条件に無関係に生産できるので、計画生産ができ、納期の不確実性がない。

【０００７】３． 完全無農薬、無病虫害が実現でき、密植率を高くとれるので生産性が上がり、また付加価値を高めることができる。 更に、労働者の健康を守り、環境を破壊することもない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、完全制御型植物工場の問題点は、人工照明に関係する問題であって、そのためのコストと、ランプの熱源による夏季冷房のコストにある。 冬季の暖房は、密閉構造なので、従来の温室と異なって内部のランプ熱源により、大部分賄われ、暖房コストは極めて少ない特長がある。 その代わり夏季の冷房コストは重要な問題となっており、これを軽減させれば、完全制御型植物工場の経済性を飛躍的に向上させることができる。

【０００９】本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであり、生産コストを低減しつつ収穫率の高い植物栽培を安定的に実現することができる植物栽培施設建屋を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成するために本発明は、植物栽培施設建屋において、断熱的な壁層により実質的に密閉されて、外部への窓を有しない建屋の内部が上下二階に分かれ、その中間層は同じく断熱的に構成されており、同時に開閉できる開口部を備えており、その下階に植物栽培施設を配置し、また、上階には実質的な熱源を設置しないことを特徴とする構造にした。

【００１１】

【作用】このような構造によると、前記断熱的な壁層により、建屋内は自然光と外気温から遮断される。 建屋内は前記中間層によって上階と下階に分割され、更に、その中間層（すなわち、下階の天井および上階の床に担当するものを指す）には、上階の空間と下階の空間とを断続することできる開口部が設けられている。 そして、下階の上部に人工照明を設けて栽培を行い、植物を栽培している下階の室温が上昇する夏季等においては、その開口部を開くと、下階の上部空間に蓄積している人工照明等に起因する熱を上階に排出することができ、植物が栽培されている下階の下部空間に下がってくる相対的に冷えた空気（涼気）によって、その下階の温度を略一定に安定化することができる。 また、たとえ、栽培のための最適温度を越える室温となって、冷却装置によって強制冷却する必要場ある場合であっても、消費電力の低減を図ることができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明による一実施例を図面と共に説明する。 尚、図１及び図２は、建屋の構造を示す縦断面図、図３及び図５はその機能及び効果を説明するための説明図である。

【００１３】図１及び図２に基づいて構造を説明する。
建屋Ａの外形は、通気性を有さず且つ断熱性と遮光性（光を透過しない性質）を有する素材、例えばガラスウールを介在させたコンクリートブロックやストレート材等を外壁１に用いて構築され、更にその外壁１の内面に更に上記同様の性質を有する内壁２が積層されている。
このように、外壁１と内壁２との積層構造の壁（以下、
壁層という）３で建屋Ａを構築することによって、建屋Ａの内部が外部環境から影響を受けないようにほぼ完全に密閉されている。 尚、現実には、壁層３を構成する外壁１と内壁２の特性上、理想的な完全密閉は不可能であるが、可能な限り密閉性が得られる構造とする。 これは、後記するように、生産性を高めるために炭酸ガスの施用を前提としているので、密閉性は必要条件であり、
従って建屋Ａは冷房を必要とするときでも通常のハウス施設のように外気を通風させることができない。 建屋は実質的に密閉構造をとるのである。

【００１４】更に、建屋Ａの内部は、上記の壁層３と同様の壁（以下、中間層という）４によって上下２段に仕切られることにより、屋根裏側の上部室Ｂと下部室Ｃとが構成されている。 尚、中間層４の１又は２以上の箇所には開口部が形成されており、中間層４の所定部分に取り付けられた蝶番機構を介して揺動可能に支持されている開閉扉５〜７を、図１に示す如く閉じると、上記開口部を密閉し、図２に示す如く開くと、開口部を介して上部室Ｂと下部室Ｃとを連通することができるようになっている。

【００１５】下部室Ｃには、中間層４の一端に固着された照明ランプ８〜１０が設けられている。 これらの照明ランプ８〜１０の個数は３個に限定されるものではなく、建屋Ａの規模に応じて適宜の数に決められると共に、夫々の設置間隔も適宜に設定される。 また、照明ランプ８〜１０は、自然光と同様の波長光を出射するナトリウムランプやハロゲンランプその他のランプが適用される。

【００１６】更に、下部室Ｃには、必要によってこの室温を常時検出する１又は２以上の温度センサ（図示せず）が設置されると共に、設定温度を基準として、その検出温度の変動を無くすように冷気または暖気を下部室Ｃへ供給するエアーコンディショナー１１が設置することができる。 このエアーコンディショナー１１は、動作時には、下部室Ｃ側の壁層３の所定部分に穿設された穴に設けられた排気管１２を介して下部室Ｃ内の空気等を吸入し、その吸入した空気等を熱交換器（図示せず）で冷気または暖気に熱交換して、壁層３の他の部分に穿設された穴に設けられている供給管１３を介して再び下部室Ｃへ供給する。 尚、排気管１２及び供給管１３と上記の穴との間に隙間が生じないように密閉処理されており、且つ下部室Ｃの空気等がエアーコンディショナー１
１と排気管１２及び供給管１３による閉ループ内を循環するので、上部室Ｂと下部室Ｃは外気から遮断される。

【００１７】更に、図示していないが、下部室Ｃ内において植物Ｄを栽培するための灌水用配管や培地、更に、
植物の光合成に必須の炭酸ガスを供給し且つその濃度を調整する炭酸ガス供給調整系が設けられている。

【００１８】次に、図３及び図４に基づいて、このように外部環境から遮断された建屋Ａの機能を説明する。
尚、発明の原理を理解し易くするために、植物の成長に最適な下部室Ｃ内の温度をＴ _CO （例えば、２０℃）に保持するように制御するものとし、下部室Ｃ内の実際の温度をＴ _C 、上部室Ｂの実際の温度をＴ _B 、更に外気の実際の温度をＴ _Oとする。 更に、照明ランプ８〜１０は、
植物の成長にとって最適な条件の一定照度で常に点灯される。

【００１９】図３において、冬季のように、下部室Ｃの温度に対して外気温度Ｔ _Oが低い場合には、壁層３の断熱効果と照明ランプ８〜１０による発熱により、下部室Ｃの温度Ｔ _Cは、外気温度Ｔ _Oよりも高くなる。 更に、
壁層３及び中間層４は完全な断熱効果を発揮するものではなく、実質的に断熱効果を発揮するものであるので、
熱源の効果をも有している照明ランプ８〜１０から離れている上部室Ｂの温度Ｔ _Bは、下部室Ｃの温度Ｔ _Cよりも低く且つ外気温度Ｔ _Oよりも高い状態となる。 即ち、
Ｔ _O ＜Ｔ _B ＜Ｔ _Cの関係が保たれる。 更に、上部室Ｂ
は、植物を栽培している下部室Ｃにとって緩衝作用を発揮するので、下部室Ｃの温度Ｔ _Cは外気温度Ｔ _Oからの影響を受け難く、下部室Ｃの保温性が保たれる。

【００２０】ここで、照明ランプ８〜１０と壁層３及び中間層４による保温効果によっても、現実に下部室Ｃの温度Ｔ _Cが設定温度Ｔ _COよりも所定の許容範囲を越えて低下した場合には、必要に応じて設置された温度センサの検出信号に応じてエアーコンディショナー１１が起動し、供給管１３を介して下部室Ｃ内に暖気を供給し、実際の温度Ｔ _Cが設定温度Ｔ _COに戻ると、エアーコンディショナー１１の電源を切って停止させる。

【００２１】また、上記所定の許容範囲を越えて温度Ｔ
_Cが設定温度Ｔ _COよりも上昇した場合には、後述の図４
に示すように、開閉扉５〜７を開き、中間層４の開口部を介して熱を上部室Ｂへ逃がし、下部室Ｃの温度Ｔ _Cが設定温度Ｔ _COになると、開閉扉５〜７を閉じて、再び上部室Ｂと下部室Ｃとの間を中間層４で遮断する。

【００２２】このように、開閉扉５〜７の開閉操作を行うことによって、下部室Ｃの温度調節を行うことは、エアーコンディショナー１１の使用頻度を大幅に低減することができ、それに伴って消費電力の大幅低減と、植物の成長性を維持しつつ生産コストの低減を図ることができる。

【００２３】次に、図１に示す如く開閉扉５〜７を閉じた状態において、夏季のように、外気温度Ｔ _Oが設定温度Ｔ _COと比較して高くなる場合には、エアーコンディショナー１１を作動させないで長期間経過すれば、外気温度Ｔ _Oと上部室Ｂの温度Ｔ _Bと下部室Ｃの温度Ｔ _Cの関係は、一般的には、Ｔ _C ＞Ｔ _B ＞Ｔ _Oとなる。 そして、
壁層３と中間層４及び上部室Ｂが存在していても、現実には、下部室Ｃの温度Ｔ _Cは設定温度Ｔ _COよりも上昇しやすいこととなる。 これは好ましい状況ではない。

【００２４】このように、温度Ｔ _Cが設定温度Ｔ _COよりも所定の許容範囲を越えて上昇する場合には、図４に示す如く、開閉扉５〜７を開放する。 即ち、図１に示すように開閉扉５〜７を閉めたままにしておくと、上部室Ｂ
内の温度Ｔ _Bは、周知のごとく高い温度の空気等が上昇するから、実際には上部空間ほど高温となり、中間層４
に近い空間ほど低温となるという温度分布を有し、一方、下部室Ｃ内の実際の温度も、中間層４に近い上部空間の方が照明ランプ８〜１０の発熱や上昇熱のために高温となり、地面に近い下部空間の方が低温となる。 更に、上部室Ｂの中間層４に近い空間の温度Ｔ _BLは、照明ランプ８〜１０の発熱を中間層４によって遮断されていることにより、下部室Ｃの上部空間の温度Ｔ _CUよりも低温になる（Ｔ _BL ＜Ｔ _CU ）。

【００２５】そこで、下部室Ｃの実測温度Ｔ _Cが設定温度Ｔ _COよりも所定の許容範囲を越えて上昇する場合には、図４に示す如く、開閉扉５〜７を開放し、上部室Ｂ
の温度Ｔ _BLの空気等（図中に涼気として示す）を下部室Ｃへ自然降下させると共に、下部室Ｃの温度Ｔ _CUの空気等を上部室Ｂへ自然上昇させて、入れ替えを自然に行わせる。 これにより、下部室Ｃの温度Ｔ _Cは下がり、所定の設定温度Ｔ _COに近づくよう調整することができる。

【００２６】但し、かかる開閉扉５〜７を開放しても温度Ｔ _Cが十分に下がらない場合には、エアーコンディショナー１１を起動させて、下部室Ｃ内を強制冷却する。
このときＴ _C ＜Ｔ _B ＜Ｔ _Oとなる。 これは冬期の場合と逆であって、（Ｔ _O −Ｔ _C ）＞（Ｔ _B −Ｔ _C ）のように、上階と下階との温度差を小さくすることができる。
すなわち上方からの外気熱が上階を経由して下階へ及ぶのを最小限に止めることができる。

【００２７】このように、開閉扉５〜７の開閉操作を行うことによって、下部室Ｃの温度調節を行うことは、たとえエアーコンディショナー１１を使用する事態が生じたとしても、その使用頻度を大幅に低減することができるので、それに伴って消費電力の大幅低減と、植物の成長性を維持しつつ生産コストの低減を図ることができる。

【００２８】尚、詳細にみれば、下部室Ｃ内においても、中間層４に近い上部空間の温度の方が植物の栽培されている地面に近い下部空間の温度よりも低くなるという温度分布を生じることとなる。 そして、設定温度Ｔ _CO
と温度センサにより検出される実際の温度Ｔ _Cは、たとえば植物の栽培されている一定の空間領域（比較的下部の空間）の温度に設定されており、実際の温度Ｔ _Cが設定温度Ｔ _COとほぼ等しい状態であっても、中間層４に近い上部空間の実際の温度は、設定温度Ｔ _COよりも高くなる。 しかし、中間層４に近い上部空間の実際の温度が高くなることは、冬季のように外気温度が低下する場合には、外気温度Ｔ _O及び上部室Ｂの温度Ｔ _Ｂに対する緩衝効果を発揮することとなる。 そして、開閉扉５〜７を開閉制御することによって、この中間層４に近い上部空間の上昇温度を上部室Ｂへ逃がすだけで、温度Ｔ _Ｃを大きな温度変動を伴うことなく調整することができる。

【００２９】このように、この実施例によれば、簡素な構造により完全制御型植物工場の建屋Ａを実現することができ、特に、中間層４により上部室Ｂと下部室Ｃに分離して、適宜に中間層４の開口部を開閉制御するようにしたので、電力消費の大きなエアーコンディショナー１
１等を使用することなく、又はその使用頻度を大幅に低減して、最適条件の温度管理を可能にするという優れた機能を発揮する。 また、このような温度管理を可能にすることができるのは、建屋Ａ内を開閉扉８〜９を備えた中間層４によって上部室Ｂと下部室Ｃとに区分けして、
上部室Ｂの空間内に温度調節時に使用するための空気およびその他の物体の熱容量等を貯蓄するようにした点にある。 そして、極めて簡素な構造で実現されている点に優れた特徴を有する。

【００３０】尚、上部室Ｂの容積は、下部室Ｃ内における植物の生産量を考慮しつつ、その温度調整に必要な空気等の体積を算出することによって、最適に設計することが望ましい。

【００３１】次に、シミュレーションの結果を示す。 このような大規模となる植物工場の効果を、実際に建屋Ａ
を構築して具体的実験結果にて開示することは困難な場合があるので、シミュレーションの結果を示すものとする。

【００３２】一般的な場合、例えば建坪が３００ｍ ²の建屋Ａを構築するものとして、平均熱伝導率が約０．１
（Ｗ／ｍ・Ｋ）且つ厚さが約１０ｃｍの壁層３と中間層４を用いて密閉した建屋Ａを構築する。 そして、下部室Ｃに植物を栽培するための水耕設備を内蔵すると共に、
最適栽培条件を満足する照度で照明ランプ８〜１０を点灯させるようにする。 この場合には、照明ランプ８〜１
０の電力消費量は、５０ｋＷ程度となる。

【００３３】夏季などにおいて（図３を参照）、外気温Ｔ _Oが例えば３２℃であるものとすると、外部から建屋Ａ内に侵入するパワーは約１０ｋＷとなる。 上部室Ｂと下部室Ｃの実効熱容量が同程度とし、中間層４の開口部を開閉扉５〜７で閉じると、上部室Ｂで３０℃、下部室Ｃの植物栽培されている近傍の空間の温度Ｔ _C ＝２２℃
を保つために、下部室Ｃに設置されたエアーコンディショナーの空調用の電力は２０ｋＷを要する。

【００３４】本発明の場合のように中間層４に設ける開口部の開口面積を適当に選び、下部室Ｃにエアーコンディショナー１１を設置したとき、上部室ＢではＴ _B ＝２
７℃、下部室Ｃの植物栽培されている近傍の空間の温度Ｔ _C ＝２２℃となる。 これは、上部室Ｂには、下部室Ｃ
からの暖気の上昇があるからである。 中間層を介しての温度差が小さいため、変調用消費電力は１０ｋＷとなる。 以上の結果から明らかなように、電力消費の節約が明らかである。

【００３５】一方、冬季のように（図４を参照）、外気温がＴ _O ＝０℃の場合には、下部室Ｃの設定温度Ｔ _COを２０℃に保つこととするならば、開口部を開放すると、
下部室Ｃの植物栽培されている近傍の空間の温度Ｔ _C ＝
１５℃となる。 これは、上部室Ｂから冷気が直接に効果すると共に、暖房熱容量が増加したからである。 上部室Ｂの温度Ｔ _Bも１５℃となる。 従って、この場合にはエアーコンディショナー１１によって暖房する必要があるので不利である。 一方、中間層４の開口部を開閉扉５〜
７によって閉じれば、自己発熱により、ほぼ暖房を必要とせずに、設定温度Ｔ _COが得られる。 このとき、上部室Ｂの温度はＴ _B ＝１０℃となる。

【００３６】以上のシミュレーション結果からも明らかなように、夏季や冬季等の外気温度が設定温度から大きく変動する場合があっても、年間を通して所望の温度設定が可能となり、そのための電力消費量も大幅に低減することができる。 そして、季節を問わず通年で植物栽培（生産）を行うことができる。

【００３７】尚、この実施例では、建屋Ａの内部を中間層４にて上下段の２分割にし、上部室Ａと下部室Ｂとの間で熱対流を行わせることによって安価な温度調整を可能にする場合を説明したが、かかる基本構造を有して更に各種の構造的な変形を加えるようにしてもよい。

【００３８】また、一般的に建屋内を一定温度に保つ方法としては、植物栽培を行うための第１の建屋を構築して、更にこの第１の建屋よりも大容積の第２の建屋で第１の建屋全体を包含するようにする所謂二重構造にすることが考えられるが、かかる構造によれば、図１〜図４
に示したこの実施例とは異なり、屋根と壁の全てが第１，第２の建屋毎に独立して必要となり、実質的に２個の建屋を建てることとなる。 したがって、コスト面での問題が生じることは勿論のこと、大規模の植物工場を構築することの技術的困難を生じる。

【００３９】これに対して、この実施例を含む本発明によれば、基本的には、中間層にて１個の建屋内を上下２
分割する構造で温度調節が可能であるから、特に大規模の植物工場を構築する場合に優れた効果を発揮する。 但し、上述の一般的に考えられ得る所謂二重構造を実現する第１，第２の建屋に対して、この実施例に示したような中間層を夫々備えるような場合は、本発明から容易に想到し得る技術であるから、このような変更構造は、本発明の技術を利用したものである。

【００４０】因みに、この実施例に係わる構造の建屋を使用して年間の諸費用を算出したところ、軒下３ｍ程度、璧層３と中間層４には約５ｃｍ厚さのグラスウール断熱壁を適用した建坪１００坪の建屋の場合には、冷暖房に必要な電力消費を２０％〜３０％削減することができた。

【００４１】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
断熱的な壁層により建屋内は自然光と外気温から遮断され、建屋内は中間層によって上階と下階に分割され、更に、その中間層には、上階の空間と下階の空間とを断続することできる開口部が設けられ、そして、下階の上部に人工照明を設けて栽培を行い、植物を栽培している下階の室温が上昇する夏季等においては、その開口部を開くと、下階の上部空間に蓄積している人工照明等に起因する熱を上階に排出することができ、植物が栽培されている下階の下部空間に下がってくる相対的に冷えた空気（涼気）によって、その下階の温度を略一定に安定化することができる。 また、たとえ、栽培のための最適温度を越える室温となって、冷却装置によって強制冷却する必要場ある場合であっても、消費電力の低減を図ることができる。

【００４２】このように、季節の変化に係わりなく通年で植物栽培を行うことができ、そのための生産コストを低減することができる完全制御型植物工場を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による植物栽培施設建屋の一実施例の構造を示す縦断面図である。

【図２】本発明による植物栽培施設建屋の一実施例の構造を更に示す縦断面図である。

【図３】一実施例の機能を説明するために図１に対応して示す縦断面図である。

【図４】一実施例の機能を更に説明するために図２に対応して示す縦断面図である。

【符号の説明】

Ａ…建屋、Ｂ…上部室、Ｃ…下部室、Ｄ…栽培される植物、１…外壁、２…内壁、３…壁層、４…中間層、５〜
７…開閉扉、８〜１０…照明ランプ、１１…エアーコンディショナー、１２…排気管、１３…供給管。