Ｔ１３Ｋ６６７Ａ 北澤 紫乃

指導教員 赤林 伸一 教授

完全人工光型植物工場の

省エネルギー化に関する研究

栽培実験及び全国における エネルギー消費のシミュレーション

研究目的

図 Ｓ社の完全人工光型植物工場

近年、無農薬･無菌で植物を通年計画生産する完全人工光型植物工場が注目され、全国で増加している。

研究目的

図 従来型栽培設備の栽培イメージ

植物工場は露地栽培に対して照明・空調用エネルギーが必要であるが、現状の照明・空調・栽培設備は植物工場に特化した製品は少なく、既存の建築・設備技術の流用である場合が多いため、省エネ化に課題がある。

照明(蛍光灯など) 発熱(多)

冷房用 エネルギー(多)

空調機

断熱 コンテナ

リーフレタス

研究目的

文１) 赤林・坂口他「完全人工光型植物工場を対象とした省エネ型植物栽培設備の開発研究 その６」日本建築学会大会学術講演梗概集、2016年

図 省エネ型栽培設備の栽培イメージ

既往の研究文１)では植物工場の省エネ化を目的とし、新たに開発した省エネ型栽培設備による年間のエネルギー削減効果を検討している。

照明(赤・青LED) 発熱(少)

冷房用 エネルギー(少)

反射材

空調機

断熱 コンテナ

リーフレタス

研究目的

本研究では、省エネ型栽培設備を導入した完全人工光型植物工場を、全国の外気条件の異なる地域に設置して植物生産を行った場合の工場全体のエネルギー消費量を明らかにすることを目的とし、リーフレタス栽培実験･植物工場全体の電力消費量の実測及び全国における植物工場稼働時の電力消費量の解析を行う。

実験概要

図１ 実験室の平面

栽培実験は実験室に設置したコンテナ式植物工場で行う。 コンテナの内法は2.17[m](幅)×4.16[m](長さ)×2.36[m](高さ)とし、熱損失係数は1.9[W/m2･K]である。

図２ コンテナ式植物工場の平面

エアコン室外機 CO２ボンベ

データ ロガー

電力 モジュール

養液タンク

LED照明制御機器

有圧換気扇

pH・EC計

実測用 PC

養液 ポンプ

コンテナ式 植物工場

エアコン室内機

栽培設備① (蛍光灯)

温湿度発信機

紫外線殺菌灯

電力消費量測定用 クランプオンセンサ

栽培設備② (赤・青LED、 光反射材)

NDIR式CO2濃度制御用モニタ

4.16[m]

2.17[m]

Ｔ型 熱電対

高さ 2.36[m]

実験概要

コンテナ式植物工場

図 実験室内の様子

有圧 換気扇

養液 タンク

図 実験室の平面

実験室には有圧換気扇で外気を給気し外部環境を模擬し※１実験室内の温度を模擬外気温度とする。

「 」は空気の流れを示す。

｢ ｣はＴ型熱電対による温度測定点を示す。

給気風量は3,500[m3/h]、換気回数は23[回/h] である。栽培実験期間中の外気と実験室の温度差は1.5[℃]以下である。

※１

エアコン室外機

自然 排気

外気給気 有圧 換気扇

養液 ポンプ

CO２ボンベ

廊下

隣室

コンテナ式 植物工場

LED照明 制御機器

pH・EC計

データ ロガー

養液タンク

電力 モジュール 実測用

PC

実験概要

図 栽培設備①

栽培植物(リーフレタス)

蛍光灯

実験は光源に蛍光灯(FLR40W)を用いた栽培設備①と、赤･青LED点光源(赤10個、青１個)文２)を用いた栽培設備②で交互に行う。実験期間中には明期と暗期※２を設ける。

図 栽培設備②

文２)

※２

赤林・坂口他「完全人工光型植物工場を対象とした省エネ型植物栽培設 備の開発研究 その５」日本建築学会大会学術講演梗概集、2016年 明期を17時～翌９時(16時間)とし、その他の時間を暗期とする。

栽培植物(リーフレタス)

給気口 (ファン)

反射材 (６面)

赤･青LED

ネットワークカメラ

実験概要

ネットワークカメラ

表１ 栽培実験で使用するエアコン※３の仕様

空調は測定する栽培棚温度により適宜冷房と暖房を切り替えて運転し、コンテナ室内外温度差※４とエアコンの電力消費量の関係を明らかにする。

※３

※４

Ｐ社製家庭用ルームエアコン(品番：CS-403CXR2) 模擬外気温度-コンテナ内温度

室内ユニット（CS）室外ユニット（CU）CS-X403C2(W)(C) CU-X403C2

[kW][kW][W][W]

冷房標準時 1010（最小120～最大1720）暖房標準時 1025（最小110～最大3960）

消費電力

能力冷房標準能力 4.0(最小0.5～最大5.4)暖房標準能力 5.0(最小0.4～最大11.6）

熱負荷計算の概要

表２に解析条件を示す。解析対象は完全人工光型コンテナ式植物工場とする。

熱抵抗[(m２・K)/W]0.0560.0752.5

1088318

2023

ラーチ合板129

暖房設定温度[℃]

冷房設定温度[℃]

壁体の仕様

室内発熱量[W]赤・青LED

空調条件

外壁の材質

スタイロフォームEX

熱伝導率[W/(m･K)]厚さ[㎜]

60 0.024蛍光灯

0.16

表２ 解析条件

熱負荷計算の概要

図２ コンテナ式植物工場の平面

エアコン室内機

栽培設備① (蛍光灯)

温湿度発信機

紫外線殺菌灯

電力消費量測定用 クランプオンセンサ

栽培設備② (赤・青LED、光反射材)

NDIR式CO2濃度制御用モニタ

4.16[m]

2.17[m]

Ｔ型熱電対

表２に解析条件を示す。解析対象は完全人工光型コンテナ式植物工場とする。

高さ 2.36[m]

熱負荷計算の概要

気象条件は日本建築学会拡張アメダス気象データ(標準年)から代表12地点を使用する。 尚、コンテナ式植物工場は室内に設置することを前提とし日射は無視する。

札幌

那覇

新潟 仙台

名古屋 福岡

鹿児島

大阪

広島

高知

金沢

東京

図 解析対象とする代表12地点

熱負荷計算の概要

熱負荷計算※５により植物工場の暖冷房負荷発生頻度の解析を行い、暖房及び冷房負荷の発生する時刻及び室内外温度差を算出する。

※５ 解析にはTRNSYS(Transient System Simulation Tool)ver16.0を使用する。エアコンの電力消費量は外部条件の影響を受け変動する値であるがその他（照明、循環用ファン等）の電力消費量は定格である。よって、エアコンの電力消費量のみをシミュレーションにより算出する。

栽培実験結果

期間 合計期間明期 なし なし暗期 12～３月 ４か月間明期 通年 12か月間暗期 ４～11月 ８か月間明期 11～４月暗期 11～４月明期 ５～10月暗期 ５～10月

６か月間

６か月間

栽培設備①

栽培設備②

暖房期間

冷房期間

暖房期間

冷房期間

表３ 各栽培設備における年間のエアコン稼働条件

表３に各栽培設備における年間のエアコン稼働条件を 示す。

栽培実験結果 電

力消

費量

[kWh]

コンテナ室内外温度差[℃](室外-室内)

(ａ) 明期 冷房時

電力

消費量

[kWh]

電力消費量

[kWh]

電力消費量

[kWh]

コンテナ室内外温度差[℃](室外-室内)

(ｃ) 暗期 冷房時

コンテナ室内外温度差[℃](室外-室内)

(ｄ) 暗期 暖房時

コンテナ室内外温度差[℃](室外-室内)

(ｂ) 明期 暖房時

図３ 実験期間中の１時間当たりの平均コンテナ室内外温度差と エアコンの電力消費量の関係

y = 6.0914x + 186.44

R² = 0.5956

y = 11.163x + 99.028

R² = 0.6947

y = 2.88x + 73.62

R² = 0.7842

y = 4.0523x + 46.233

R² = 0.73340

50

100

150

200

250

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

栽培設備① ７～８月 栽培設備② ８～９月栽培設備① 1～６、９～12月 栽培設備② ５～７、10月

エアコンの電力消費量は室内外温度差にほぼ比例して大きくなる。

y = -5.2951x - 20.232

R² = 0.6726

0

50

100

150

200

250

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

栽培設備② 11～４月

y = 10.941x + 74.049

R² = 0.4827

y = 9.0925x + 67.3

R² = 0.4791

y = 2.8619x + 28.417

R² = 0.5819

y = 3.085x + 29.759

R² = 0.78240

50

100

150

200

250

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

栽培設備① ７～８月 栽培設備② ８～９月栽培設備① ４～６、９～11月 栽培設備② ５～７、10月

y = -5.2488x - 24.424

R² = 0.421

y = -4.4635x + 7.7025

R² = 0.6938

0

50

100

150

200

250

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

栽培設備① 12～３月 栽培設備② 11～４月

0

50

100

150

200

250

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

栽培設備① ７～８月 栽培設備② ８～９月栽培設備① 1～６、９～12月 栽培設備② ５～７、10月

栽培実験結果

明期冷房時において栽培設備①と栽培設備②を比較すると、栽培設備①に対して栽培設備②のエアコンの電力消費量は、夏季は約67[％]、それ以外の季節では約74[％]となる。

電力

消費量[kWh]

コンテナ室内外温度差[℃](室外-室内)

(ａ) 明期 冷房時

図３ 実験期間中の１時間当たりの平均コンテナ室内外温度差と エアコンの電力消費量の関係

栽培設備① ７～８月

栽培設備② ８～９月

栽培設備② ５～７、10月

栽培設備① １～６，９～12月

0

50

100

150

200

250

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

栽培設備① ７～８月 栽培設備② ８～９月栽培設備① 1～６、９～12月 栽培設備② ５～７、10月

電力

消費量[kWh]

コンテナ室内外温度差[℃](室外-室内)

栽培設備① ７～８月

栽培設備② ８～９月

栽培設備② ５～７、10月

栽培設備① １～６，９～12月

栽培実験結果

約67[％]

約74[％]

明期冷房時において栽培設備①と栽培設備②を比較すると、栽培設備①に対して栽培設備②のエアコンの電力消費量は、夏季は約67[％]、それ以外の季節では約74[％]となる。

図３ 実験期間中の１時間当たりの平均コンテナ室内外温度差と エアコンの電力消費量の関係

(ａ) 明期 冷房時

0

50

100

150

200

250

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

栽培設備① 12～３月 栽培設備② 11～４月

0

50

100

150

200

250

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

栽培設備① ７～８月 栽培設備② ８～９月

栽培設備① ４～６、９～11月 栽培設備② ５～７、10月

栽培実験結果

図３ 実験期間中の１時間当たりの平均コンテナ室内外温度差と エアコンの電力消費量の関係

電力

消費

量[kWh] 栽培設備① ７～８月

栽培設備② ８～９月

栽培設備① ４～６，９～11月

栽培設備② ５～７，10月

電力消費量

[kWh]

栽培設備① 12～３月

栽培設備② 11～４月

暗期では栽培設備①と栽培設備②に殆ど差は見られない。

コンテナ室内外温度差[℃](室外-室内) コンテナ室内外温度差[℃](室外-室内)

(ｃ) 暗期 冷房時 (ｄ) 暗期 暖房時

栽培実験結果

尚、明期・暗期の冷房時では同じ室内外温度差でも夏季とその他の季節によってエアコンの電力消費量の分布が異なっている。

図３ 実験期間中の１時間当たりの平均コンテナ室内外温度差と エアコンの電力消費量の関係

0

50

100

150

200

250

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

栽培設備① ７～８月 栽培設備② ８～９月

栽培設備① 1～６、９～12月 栽培設備② ５～７、10月

コンテナ室内外温度差[℃](室外-室内)

栽培設備① ７～８月

栽培設備② ８～９月

栽培設備① １～６，９～12月

栽培設備② ５～７，10月

電力消費量[kWh]

コンテナ室内外温度差[℃](室外-室内)

0

50

100

150

200

250

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

栽培設備① ７～８月 栽培設備② ８～９月

栽培設備① ４～６、９～11月 栽培設備② ５～７、10月

栽培設備① ７～８月

栽培設備② ８～９月

栽培設備① ４～６，９～11月

栽培設備② ５～７，10月

電力消費量

[kWh]

(ａ) 明期 冷房時 (ｃ) 暗期 冷房時

栽培実験結果

これは、両実験期間でエアコンのON-OFF運転の間隔が異なるためと考えられる。

電力消費量

[kWh]

0

50

100

150

200

250

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

栽培設備① ７～８月 栽培設備② ８～９月

栽培設備① 1～６、９～12月 栽培設備② ５～７、10月

栽培設備① ７～８月

栽培設備② ８～９月

栽培設備① １～６，９～12月

栽培設備② ５～７，10月

0

50

100

150

200

250

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

栽培設備① ７～８月 栽培設備② ８～９月

栽培設備① ４～６、９～11月 栽培設備② ５～７、10月

電力消費量[kWh]

栽培設備① ７～８月

栽培設備② ８～９月

栽培設備① ４～６，９～11月

栽培設備② ５～７，10月

図３ 実験期間中の１時間当たりの平均コンテナ室内外温度差と エアコンの電力消費量の関係

コンテナ室内外温度差[℃](室外-室内) コンテナ室内外温度差[℃](室外-室内)

(ａ) 明期 冷房時 (ｃ) 暗期 冷房時

熱負荷計算で得られた暖冷房負荷発生頻度により、暖冷房負荷発生時の各代表地点の外気温と室温からコンテナ室内外温度差を算出し、実験で得られた回帰式(図３)から、エアコンの年積算電力消費量※６を算出する。

植物工場稼働時における電力消費量の数値計算結果

※６ 対象とするコンテナ式植物工場を１年間稼働させ続けた場合の 積算値である。

図４に栽培設備①、②における各代表地点のエアコンの年積算電力消費量を示す。

植物工場稼働時における電力消費量の数値計算結果

図４ 栽培設備①、②における各代表地点のエアコンの年積算電力消費量

電力消費量

[kWh]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ②

札幌 仙台 東京 名古屋 新潟 金沢 大阪 広島 高知 福岡 鹿児島 那覇

冷房時のエアコンの電力消費量 暖房時のエアコンの電力消費量栽培設備① 冷暖房合計 栽培設備② 冷暖房合計

0

100

200

300

400

500

600

700

800

① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ②

札幌 仙台 東京 名古屋 新潟 金沢 大阪 広島 高知 福岡 鹿児島 那覇

冷房時のエアコンの電力消費量 暖房時のエアコンの電力消費量栽培設備① 冷暖房合計 栽培設備② 冷暖房合計

植物工場稼働時における電力消費量の数値計算結果

冷房時エアコンの電力消費量はどの地点も栽培設備①と比較して栽培設備②の方が少なく約1/3となる。

図４ 栽培設備①、②における各代表地点のエアコンの年積算電力消費量

電力消費量

[kWh]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ②

札幌 仙台 東京 名古屋 新潟 金沢 大阪 広島 高知 福岡 鹿児島 那覇

冷房時のエアコンの電力消費量 暖房時のエアコンの電力消費量栽培設備① 冷暖房合計 栽培設備② 冷暖房合計

植物工場稼働時における電力消費量の数値計算結果

暖房時エアコンの電力消費量はどの地点も栽培設備①と比較して栽培設備②の方が多く、札幌と那覇を除く平均では約７倍となる。

図４ 栽培設備①、②における各代表地点のエアコンの年積算電力消費量

電力消費量

[kWh]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ②

札幌 仙台 東京 名古屋 新潟 金沢 大阪 広島 高知 福岡 鹿児島 那覇

冷房時のエアコンの電力消費量 暖房時のエアコンの電力消費量栽培設備① 冷暖房合計 栽培設備② 冷暖房合計

植物工場稼働時における電力消費量の数値計算結果

札幌以外では、栽培設備①と比較して栽培設備②のエアコンの年積算電力消費量が少なく、11地点の平均は約78[％]となる。

図４ 栽培設備①、②における各代表地点のエアコンの年積算電力消費量

電力消費量

[kWh]

0%

20%

40%

60%

80%

100%

札幌 仙台 東京 名古屋 新潟 金沢 大阪 広島 高知 福岡 鹿児島 那覇

冷房 暖房

これは栽培設備①ではエアコンの総電力消費量に対する冷房時の電力消費量の割合が９割以上であり、暖房時の電力消費量の増加に比較して冷房時の電力消費量の減少の方が総電力消費量へ与える影響が相対的に大きいためである。

植物工場稼働時における電力消費量の数値計算結果

図 栽培設備①における各代表地点の エアコンの総電力消費量の冷暖房比

冷房

暖房

冷暖房比

[％]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ②

札幌 仙台 東京 名古屋 新潟 金沢 大阪 広島 高知 福岡 鹿児島 那覇

冷房時のエアコンの電力消費量 暖房時のエアコンの電力消費量栽培設備① 冷暖房合計 栽培設備② 冷暖房合計

植物工場稼働時における電力消費量の数値計算結果

札幌では冬の暖房負荷が大きいため、照明発熱が少なく暖房運転をする期間の長い栽培設備②の方がエアコンの年積算電力消費量が多い。

図４ 栽培設備①、②における各代表地点のエアコンの年積算電力消費量

電力消費量

[kWh]

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ②

札幌 仙台 東京 名古屋 新潟 金沢 大阪 広島 高知 福岡 鹿児島 那覇

エアコンの電力消費量 照明の電力消費量 循環用ファンの電力消費量

植物工場稼働時における電力消費量の数値計算結果

図５に栽培設備①、②における各代表地点の照明・エアコン・循環用ファンを含めた年積算総電力消費量を示す。

エアコン

循環用ファン

照明(蛍光灯)

照明(LED)

図５ 栽培設備①、②における各代表地点の 照明･エアコン･循環用ファンを含めた年積算総電力消費量

電力

消費量

[kWh]

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ② ① ②

札幌 仙台 東京 名古屋 新潟 金沢 大阪 広島 高知 福岡 鹿児島 那覇

エアコンの電力消費量 照明の電力消費量 循環用ファンの電力消費量

植物工場稼働時における電力消費量の数値計算結果

どの地点でも栽培設備①に比較して栽培設備②の年積算総電力消費量が少なく、約36[％]となる。

図５ 栽培設備①、②における各代表地点の 照明･エアコン･循環用ファンを含めた年積算総電力消費量

電力

消費量

[kWh]

植物工場稼働時における電力消費量の数値計算結果

図 各代表地点の年積算総電力消費量における エアコンの電力消費量の割合

(ａ) 栽培設備① (ｂ) 栽培設備②

電力

消費量

の割合

[％]

電力

消費量

の割合

[％]

年積算総電力消費量におけるエアコンの電力消費量の割合は、栽培設備①で約８[％]、栽培設備②で約18[％]と少なく、栽培設備②による植物工場全体の年積算総電力消費量の削減効果は、照明用電力消費量の減少による影響が大半を占める。

20% 19% 18% 19% 19% 19% 18% 19% 18% 16% 15% 13%0%

20%

40%

60%

80%

100%

エアコンの電力消費量 照明(赤・青LED)の電力消費量

循環用ファンの電力消費量

6% 7% 8% 8% 8% 8% 8% 8% 8% 8% 9% 10%0%

20%

40%

60%

80%

100%

エアコンの電力消費量 照明(蛍光灯)の電力消費量

まとめ

①エアコンの電力消費量はコンテナ室内外温度差に比例し て多くなる。 ②エアコンの年積算電力消費量は、冬の暖房負荷が大きい 札幌を除いた11地点で栽培設備②の方が少なくなる。 ③どの地点でも照明・エアコン・循環用ファンを合計した 年積算総電力消費量は栽培設備①に比較して栽培設備② が少なく、約36[％]となる。