フジタ技術研究報告㻌第㻡㻟号㻌 㻌 㻞㻜㻝㻣年㻌

㻌

植物工場内の栽培環境制御技術の開発㻌㻌㻌㻌小林㻌 紀子㻌滝澤㻌 勇輝㻌㻌㻖㻝㻌㻌小野㻌 幹治㻌㻖１㻌

菅原㻌 玲子㻌㻌㻌㻌㻌㻌概㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 要㻌㻌
場所を選ばず設置できる人工光型植物工場は、遊休不動産の新しい活用方法として期待されている。そこで、大和ハウス工業株式会社との共同開発により、既存建物内に設置でき、且つ生産能力および経済性を考慮した中規模植物工場の商品開発を行なった。
植物の生育速度の向上、生産物の高品質化による歩留まりの向上およびエネルギー効率の向上をめざし、栽培ラックの棚間の温度環境をより精密に制御可能な『局所空調システム』を考案し、本システムの性能を温度シミュレーション解析および実測により検証した。㻌
シミュレーション解析では、一般区と比較し、局所空調システム区は栽培ラック内の風上から風下にかけての温度差および上下間の温度差が縮小した。さらに、局所空調システムを用いて検証・改善を行うことにより、栽培ラック内の風上から風下にかけての温度差を縮小させた。㻌
㻌Development of cultivation environment control technology in the plant factory with artificial light (PFAL)

Abstract
PFAL can be installed anywhere, so there are expectations for its potential as a new way to utilize idle realestate. Through joint development with Daiwa House Industry Co., Ltd., we have developed medium-sized Plant
Factory products that can be installed in existing buildings and that were designed with consideration for
production capacity and economic efficiency.
In the aim of improving the growth rate of plants, improving yield by improving product quality, and improving
energy efficiency, we devised a local air conditioning system (LACS) that can more precisely control thetemperature environment between the shelves of cultivating racks. The performance of the system was verified bysimulation analysis of the temperature between the cultivation shelves and by actual measurement.㻌 㻌In the simulation analysis, compared with areas where LACS was not installed, the system reduced thetemperature difference from the windward to the leeward in the racks and the temperature difference between theupper and lower areas. Verifying and improving with LACS also reduced the temperature difference from thewindward to the leeward in the rack.㻌

キーワード：㻌

植物工場、空きスペース利用、㻌

㻌㻌

建物内設置、栽培環境制御技術㻌

＊１㻌 次世代空調事業部㻌 㻌㻌

㻌−91−

フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻟号㻌㻌§１㻚㻌 はじめに㻌

本開発では、2 つの商品コンセプトの実現を目指し㻌ている。

1.1 人工光型植物工場とはまず、１つ目のコンセプトとして、顧客への植物工場技術

植物工場とは施設内の温度、光、炭酸ガス、養液などのの活用や空きスペースの活用法、新規事業等の植物工場

環境条件を自動制御装置で最適な状態に保ち、作物の播を切り口とした提案に適する商品を目指した。当時、寄せら種、移植、収穫、出荷調整まで、周年計画的に一貫して行うれた要望の多くは、既存建物内の空きスペースの有効利用生産システムであり、人工的な光源（ＬＥＤや蛍光灯等）でについての要望であり、『建物内』が対象であったことから栽培を行うものを人工光型植物工場と呼ぶ1）。人工光型植既存建物内に設置可能なシステム（図1）とした。㻌

物工場は、従来の生産システムと異なり、土地に対して垂２つ目のコンセプトは、植物工場の課題である『事業性の直方向に栽培面積を重ねる多段栽培が可能であるため土向上』である。植物工場事業は、新規産業分野であり他分地面積当たりの生産能力が高い。また、建物内で生産を行野からの新規参入が多いことから、事業計画の見通し精度

うことにより天候に左右されることなく作物を周期的に安定が低く、事業運営が厳しい事業者も多い3)。しかし、安全・安供給できる。㻌

心な食品や付加価値商品への消費者ニーズの高まり、原

近年、国内では気象変動、天災による農作物の価格変料の安定供給、海外からの原料調達依存の引き下げ等を動および食の安心・安全や高品質・高機能食品への関心考慮し、植物工場産野菜は今後も必要とされると考えられの高まりにより、植物工場野菜への社会的な需要が増加しる。従って、事業計画の課題を改善することで投資事業リスている。加えて、農薬使用量の低減、水資源の有効利用、クを低減でき、顧客にとって魅力的な商品開発へ繋がると高品質・付加価値の高い作物の生産、医療分野への貢献、考えられた。㻌

雇用創出等が期待されている。㻌

㻌 上記のコンセプトの実現へのアプローチとして、下記の3つの要素について並行して検討を進めた。㻌

1.2 技術開発の背景と目的① 空きスペースに対応可能な柔軟性のある仕様㻌

これまでにフジタでは、総合建設業として建築・土木事② 生産物の生産量・品質の向上が可能なシステム㻌

業のみならず、土地建物の遊休不動産の活用や新規事③ 運用費の圧縮による事業性の向上㻌

業の提案に関する取り組みを検討してきた。

本論文では、『②生産物の生産性・品質を向上可能なシ人工光型植物工場は、場所を選ばず設置できることかステム』を高効率な栽培環境制御技術と位置づけ独自技術

ら遊休不動産の新しい活用方法として期待されている。の開発を行った。㻌

例えば、食品関連施設、物流施設における野菜生産・流

表 1㻌 植物工場の性能の比較

通、既存建物の空きスペースへ設置することで雇用創出、教育・食育への活用、イベント施設およびディスプレイとしての活用等がある。
また、大和ハウスグループでは、持続可能な社会づくりへの取り組みとして“明日の社会に必要不可欠な“商品やagri－cube

本開発商品

設備規模（m2）

10100～500

生産規模 (株/日※１）

30

410

栽培ラック仕様

4列4段8列5段設置場所

屋外

屋内設備タイプ

新設・ユニット式

建物改修・カスタマイズ式

小規模生産

空きスペースを活用した

店頭ディスプレイ

野菜生産

用途

サービスへの技術開発分野として「農業」を位置づけてお※1）フリルレタス80gの株と設定

2)

り、人工光型植物工場「agri-cube」 の商品開発および販売を行っている。フジタは 2013 年に大和ハウスクループへの参加をきっかけとして、大和ハウス工業株式会社（以空きスペース㻌後、大和ハウス社）の植物工場技術とフジタの室内環境制御技術を組み合わせ、共同で新商品開発を行なうこととなった。

§２㻚㻌 商品コンセプトと技術開発の内容㻌㻌
新商品は、大和ハウス社が保有している新設・ユニット式の屋外設置型植物工場である「agri-cube」を技術ベー
図1㻌 既存建物内に設置可能なシステムのイメージ㻌

スとしている。表１に「agri-cube」と新たに開発した植物工場商品の性能を示す。
−92−

植物工場内の栽培環境制御技術の開発㻌

§３㻚㻌 栽培環境制御技術の概要

明の光源はHf蛍光灯を使用しているが、近年のLEDの性㻌

能向上と価格低下により、本システムでは白色LEDを採用

㻌 「agri-cube」の栽培装置は、小規模生産又は店頭ディスした。LEDは、光合成有効放射（PAR、400nm～700nm）プレイを対象として開発されており、本商品への適用には、ならびにクロロフィル吸収ピークがある400～500nm周辺の植物の生育速度の向上、生産物の高品質化による歩留まり波長および600～700nm周辺の波長5）6)のバランスと量をの向上およびエネルギー効率の向上が必要であった。そこ考慮し、葉物野菜全般に汎用的に使用可能な植物栽培用で、植物栽培の周辺環境をより精密に制御可能な技術であLED商品を用いた。加えて、LED㻌 より照射された光量子る『栽培環境制御技術』の開発に取り組んだ。㻌の栽培棚外への消失を防ぎ、且つ栽培面上のPPFDを均㻌 栽培環境制御技術は、下記の3つの技術の組み合わせ一にするため栽培ラック周囲には高効率反射フィルムを設により構成される。㻌

置した。その結果、照射光子量の損出が減少することでエ㻌㻔㻝㻕 局所空調システム㻌㻌㻌 人工光型植物工場は、壁・床・天井に囲われた室内で栽

㻌

エアコン㻌

エアコン㻌

培を行うため、外気温に左右されず室内温度を制御するこ㻌とが可能である。しかし、エアコン空調のみの場合、植物を㻌栽培する栽培ラックの棚間には熱だまりが発生し、栽培面

㻌上には温度にムラができる。加えて、熱だまりでは、空気が㻌滞留しており植物へのCO2供給効率が低下する。従って、

㻌栽培ラックの棚間の気流を絶えず循環させ、温度や気流の㻌

ファン㻌

栽培ラック㻌

栽培ラック㻌

野菜㻌

送風ユニット㻌

ばらつきを抑えることで、栽培環境を均一に制御することが

図2㻌 局所空調システム㻌

可能となり、植物の生育促進及び高品質化に繋がる。㻌

a: agri-cube システム㻌㻌 㻌 図2に本システムを示す。栽培ラックの上部天井に設置㻌

したエアコンによる第風量の吹き出し空気（図2の①）と吸い㻌

込み空気（図2の③）により、栽培中に発生する熱の効率的㻌な処理が可能なである。また、栽培ラックの中央に設置され㻌ている送風ユニットにより棚間へエアコンからの吐き出し空㻌

気を分配・送風し、栽培棚の端からエアコンの吸い込みファ㻌

蛍光灯㻌

照度㻌
過小㻌

b: 高効率照明システム㻌

ンにより空気を吸引することで棚間に気流（図2の②）を生み出し、生育に適する栽培環境に近づけ、且つ棚間の温㻌

度・気流環の均一化が可能である。加えて、棚間を通過し㻌た温度・湿度ともに上昇した空気を選択的に吸い込みエア㻌

コンで処理する（図2の③）ことにより、効率的な空調が可能

㻌

である。㻌

㻌

光反射シート㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 植物栽培用㻸㻱㻰㻌

ラック内に光を反射し、㻌ラック端側の照度㼁㻼㻌

照度大㻌

㻌照度大㻌

照度大㻌

図3㻌 照明効率・均一性の比較㻌㻔㻞㻕 高効率照明システム㻌㻌 植物工場の運営費に占める費用の約3割が植物栽培に照度㻌
過大㻌

照度㻌
過小㻌

a: 一般的なシステム（同時に照明が点灯・消灯）㻌
エアコン㻌
完全明期㻌

栽培ラック㻌

用いる照明の電気代㻠）と言われている。従って、植物栽培

㻌

完全暗期㻌

㻌

用照明（以後、照明）にかかる電気代を圧縮することで、事㻌業性を大きく改善できると考えられる。また、栽培面上へ照一定時間㻌
経過後㻌

㻌

射される光合成有効光量子束密度（以後、PPFD）が不均

b: 熱負荷平準化システム（点灯・消灯を混在させる）

一であると植物の生育速度にばらつきが生じ、生産効率・品質・歩留まりを低下させる原因となる。そこで、栽培面上

送風ユニット㻌明暗混在㻌

㻌
㻌のPPFDを均一にすることで、電気使用量を圧縮および生㻌

育速度のばらつきを減らすことができると考えられる。㻌

一定時間㻌
経過後㻌

㻌

図3に照明効率・均一性の比較（図3-aにagri-cube シス

図4㻌 照明制御システムの比較㻌

テム・図3-bに高効率照明システム）を示す。agri-cubeの照−93−

明暗混在㻌フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻟号㻌㻌

ネルギー効率が改善し、電気使用量の削減と同時に均一

㻔㻞㻕 実測によるSIM解析の検証方法㻌

な高品質野菜の生産が可能になる。㻌

表2に示す植物工場実証サイトにおいて、局所空調シス

㻌

テムの温度環境の実測を行った。図5に、栽培ラックに設置

㻔㻟㻕 照明熱負荷平準化システム㻌

したエアコンの室内温度制御用のセンサー（以後、エアコン

明期・暗期の周期性は、植物の生理代謝や光合成産物温度センサー）の位置と棚間の温度計測箇所を記載する。の生成、植物体内への分配・転流へ影響を与えている4）。

栽培ラックに設置している栽培トレイ1台につき、風上と風下従って、人工光型植物工場内では、照明を点灯・消灯させの2箇所を測定した。測定には温度センサー（株式会社ることにより周期性を制御している。㻌

T&D TR-52Ｓ）を使用し、トレイ中央から長手方向左右へ

図4に照明制御システムの比較（図4-aに一般的なシステ

約450㎜、短手方向中央の2箇所で、高さは栽培ラック桟フムと図4-bに熱負荷平準化システムの照明制御）を示す。一レームの下端しから約150㎜の位置にラック上部から垂らし般的な照明制御システムでは、栽培室内のすべての照明て設置した（図6）。トレイの数は、全20トレイで合計40箇所を同時に点灯・消灯させるため、明期では照明からの排熱（図5の★）の温度を計測した。温度センサーは、直射光がによる熱負荷が高まり、頻繁にエアコンが稼働することで湿当たるのを避けるため紙カップをかぶせた（図6）。測定は、度は低下する。植物は、葉表面に気孔があり、気孔の開閉フリルレタスの栽培期間中に実施した。エアコンの運転条によりガス交換、葉表面温度の調節および根からの養液吸

件は冷房23℃設定にした。エアコン温度センサーは、栽培収を行っている7）。そのため、栽培空間の湿度が低下するとラックＡ列側1段目のフレーム端部付近（図5の▲）に取り付蒸散を抑えるため気孔の開閉度が低下するため、ガス交換

けた。この箇所が設定温度23℃になるようにエアコンが運や根からの養分吸収が抑制されることにより生育速度が低転される。測定間隔は10分とし、2016年4月18日19：00か下する。また、明期の電力使用ピークにより基本契約料金

ら6月16日16：30の作業者の入室が無かった10日間のデが引き上げられる可能性がある。一方、暗期は熱負荷が低ータを用いて、明期の平均温度を求めた。㻌

下することによりエアコンの稼働が低下し、湿度が飽和する

㻌ことで栽培室内にカビや病原菌を増殖させ生産物の品質4.2 結果悪化や清掃負荷が高まる。本システムでは、栽培ラック内に

㻔㻝㻕㻌SIM解析による局所空調システムの検証㻌

おいて栽培棚ごとに明期・暗期を混在させ、一定時間で個㻌 図7に一般区と局所空調システム区のSIM解析結果を示

別に点灯・消灯を切り替えて栽培を行うことにより、一日のす。一般区（図7-A）では、栽培ラック内は19.4～27.8℃とな

熱負荷を一定とし、エアコンの稼動を定常的にすることがで

り温度差は8.4℃内であった。また、気流の滞留やエアコンきる。従って、年間を通じて温度・湿度の変動を最小限に抑から吹き出し空気が通路・床付近の空間への移動が確認でえることで、生産物の品質を向上させ、栽培室内の結露をき、温度環境は不均一になる傾向が示唆された。一方、局抑制し、且つ電気の基本契約料金の削減が図れる。㻌 㻌所空調システム区（図7-B）では、栽培ラック内は21.3～㻌

24.3℃となり温度差は3.0℃内であった。一般区と比較し、§４㻚㻌 局所空調システムの開発

局所空調システム区では5.3℃改善され、且つ栽培ラック内

㻌部を中心（風上）にエアコンにより冷却された空気が送られ㻌 本節では、局所空調システムにおいて、栽培棚間の温度ており、効率的に冷房されていることが示唆された。

シミュレーション解析（以後、SIM解析）および実測によるシ

一般的な植物工場で課題とされる栽培ラックの棚の上段ステムの性能検証を行った際に得られた結果について報

下段の温度差は、一般区では最大７.0℃、局所空調システ

告する。㻌

ム区では最大1.7℃であった。従って、局所空調システム区

㻌では上下間の温度差は5.3℃改善された。㻌

4.1 局所空調システムの検証方法㻌㻔㻝㻕 SIM解析による局所空調システムの検証㻌㻌 㻔㻞㻕㻌 実測による検証㻌
㻌 表 3 に温度センサーによる測定状況を示す。栽培面

栽培ラック内の環境は、気流が滞ることで照明からの排熱により温度が上昇する。従って、温度分布を評価するこ

上の温度は 20.0〜24.1℃であり、温度差 4.1℃内であっとで栽培環境の均一性を評価した。

た。エアコンの設定温度 23.0℃に対して、栽培ラック付近

表㻞にSIM解析に用いた植物工場モデルである『一般的（風上）は温度が低く、栽培ラック両端（風下）に行くにつな空調システム区（以後、一般区）』および『局所空調システれて温度が上昇するという結果になった。一方、栽培ラッム区』の条件を示す。㻌

クの上段下段の温度差は、最大 2.7℃であった。

−94−

植物工場内の栽培環境制御技術の開発㻌

表2㻌 検証に用いた植物工場モデル㻌 一覧㻌
㻌モデル㻌

A:㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 一般区㻌

B:㻌 㻌 㻌 局所空調システム区㻌

㻌㻌

㻌㻌㻌

㻌

C:㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 実証サイト㻌
㻌㻌

エアコン配置㻌

エアコンから一方方向の気流㻌

エアコン2台を対面配置㻌

エアコン2台を対面配置㻌

エアコン条件㻌

エアコン冷却能力7.2ｋW×1台㻌

エアコン冷却能力3.6ｋW×2台㻌

エアコン冷却能力3.6ｋW×2台㻌

エアコン温度センサー23℃設定㻌

エアコン温度センサー23℃設定㻌

（出力50％運転）㻌
エアコン温度センサー23℃設定㻌

送風ユニット㻌㻙㻌

送風ユニット㻌

送風ユニット㻌光条件㻌

LED全灯＋反射フィルム㻌

LED全灯＋反射フィルム㻌

LED全灯＋反射フィルム㻌

㻌

植物栽培用LED㻌

A列㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 B列㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 C列㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 D列
温度測定箇所㻌
エアコン温度センサー設置箇所㻌

㻌栽培面㻌

図5㻌 栽培棚に設置したエアコン温度センサーの位置と棚間の計測箇所㻌
㻌

図6㻌 温度センサー測定状況㻌
温度（℃）㻌

A:一般区

B：局所空調システム区

図 7㻌 一般区と局所空調システム区の温度 SIM 解析結果の比較−95−

温度センサー㻌フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻟号㻌㻌§５㻚㻌 まとめ㻌

4.3 温度制御性能の改善手法
4.2 の計測では、栽培ラックの風上は、エアコン設定温

本論文では、既存建物内に設置可能な中規模植物工度から 3.0℃の差があり低温状態であるため、エアコン温場技術の商品開発に対して、植物周辺の栽培環境を植度センサー位置を栽培ラックＡ列 1 段目とＢ列 1 段目の物の生育に適する環境に制御する技術である『局所空調間に移動させ（図 8 の▲）、再度温度の測定を実施した。

システム』について、下記の性能値を求めた。

4.2 の結果より、栽培ラックの上下方向の温度差が少ない

1) 栽培ラック内の上下温度差は最大 2.7℃であった。

ことから、2 回目は 5 段目と 1 段目の計 16 箇所の温度を2) 栽培ラック内の風上・風下間の温度差は 4.1℃であっ計測した。測定間隔は 10 分とし、2016 年 7 月 23 日 11：た。

00 から 8 月 26 日 10：50 の作業者の入室が無かった 103) エアコンの温度センサーの位置を調整し、栽培ラック内の風上・風下間の温度差は 3.1℃に縮小した。

日間のデータを用いて、明期の平均温度を求めた。

なお、局所空調システムを含む栽培環境制御技術によ
4.4 結果と考察

りフリルレタスの栽培試験を行なった結果、①統計解析

4.3 の結果、栽培面上の温度は 22.1〜25.2℃であり、（一元配置分散分析、5%水準）において、栽培ラックの栽温度差は 3.1℃内となり、エアコン暗温度センサー移動前培トレイの位置において生育量に有意差がないこと、②に比べ温度差は 1.0℃縮小した。さらに、風上温度は80g 以上の株は 92.1％であること、③生育の標準偏差22.1℃以上となり、風上側の低温状態は改善された。し2.6g であることを確認している。

かし、D 列風下側は 25.2℃と温度が上昇していることから、温度の均一化にはさらなる工夫が必要であると考謝辞㻌 大和ハウス工業株式会社㻌 総合研究所との共同研えられる。

究として実施した。同社の研究関係者には、商品コンセプトの検討から技術開発、商品化に至るまでご尽力いた
表 3㻌 棚間の温度測定の結果だいた。また、同社の農業推進室には事業視点でのアドバイスや開発後の商品展開に関してご協力いただいている。ここに感謝の意を示します。㻌
㻌参㻌 考㻌 文㻌 献㻌1)

農林水産省㻌 「特集㻌 野菜をめぐる新しい動き㻌 植物工場の可能性」㻌
http://www.maff.go.jp/j/pr/aff/1002/spe1_01.html㻌

2)

大和ハウス工業㻴㻼㻌 『agri-cube』㻌
㻌 http://www.daiwahouse.co.jp/business/agricube/

3)

古在豊樹（2014）、人工光型植物工場の現状と将来、繊維と工業、Vol.70、ｐ.94-98㻌

4)大山克己㻔2015㻕、大規模経営での経営実態、JGHA
施設と園芸、168号、ｐ.30-33㻌

A列㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 B列㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 C列㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 D列

5)

Kozai etal（2016）, Plant Pactory,p.141-143

6)高辻正基（2010）、完全制御型植物工場の現状、植物温度速度箇所㻌

環境工学、22巻１号、ｐ.2-7㻌

エアコン温度センサー設置箇所㻌

7)

図 8㻌 エアコン温度センサーの移動位置と温度計測箇所

Kozai etal（2016）, Plant Pactory,ｐ.132-139
ひ㻌 と㻌 こ㻌 と㻌

表 4㻌 棚間の温度再測定の結果

植物生理に基づいた精密な環境制御技術は、植物機能を活用するフィールドを広げることができると考えています。今後も植物の研究を通じて社会問題へ取り組んでいきたいと思います。
小林㻌 紀子㻌−96−