シ リ ー ズ

エネルギー利用技術の最前線〜電気の新たな価値の創出に向けた取り組み〜

活性化に寄与するため、植物工場や施設園芸におけるヒートポンプやＬＥＤ照明の活用に

回

地におけるヒートポンプの多目的利用、震災からの復興支援、さらに、ＬＥＤの利用によ3

一般財団法人電力中央研究所 次世代電力需給マネジメント特別研究チーム
電力・エネルギー価値創造グループ
職住環境マネジメントユニット 上席研究員 博士（農学） 後藤 文之 氏
上席研究員 博士（農学） 庄子 和博 氏

電力中央研究所では、農業分野における電化推進を通して電力需要の拡大と地域産業の

はじめに

◆

㎡）のそれぞれにヒートポンプおよび石油暖房機を設置して行いました。その結ポンプの使用により、少ないエネルギーで栽培できることが実証されました（資料①・30

すい夜間の平均成績係数（ＣＯＰ）を解析しました。ＣＯＰとは空調装置のエネルギー利

運転によってエネルギー利用効率の低下が懸念されていたことから、除霜運転が起こりやページ）。ところで、冬期のヒートポンプ利用では、室外機についた霜を取るための除霜

85

果、ヒートポンプのエネルギー消費量は、石油暖房機に対して約 ％と実測され、ヒート

面積：質に与える影響について検討しました。試験は、群馬県内にある２棟の同型の小型温室（床

冬期の温室内でトマトを栽培し、加温装置の違いがエネルギー消費量やトマトの生育、品トがよく理解されているとはいえませんでした。そこで、両者を多面的に比較するため、の収量などを直接比較した例はほとんどなく、需要家にはヒートポンプを導入するメリッています。しかし、同一の条件で、石油暖房機とヒートポンプの消費エネルギー量や作物

めに石油暖房機に代わって、エネルギー効率が高いヒートポンプへの熱源転換が期待されハウスや温室を利用する施設園芸分野では、省エネルギーや温室効果ガス排出削減のた

ヒートポンプの有用性を示す

解明な ど の 研 究 成 果 を 紹 介 し ま す 。

るサニーレタスとスイートバジルの機能性成分の増量技術、葉菜類の光応答メカニズムの関する研究開発を進めています。今回は、施設栽培におけるヒートポンプの有用性、寒冷◆農業電化に関する研究の紹介

第エネルギー利用技 術の最 前 線〜電 気の新たな価 値の創出に向けた取り組 み〜

82

85
86

シ リ ー ズ

農 業 電 化に関する研究の紹介
第3回

資料① ヒートポンプと石油暖房機を熱源にしてトマト栽培をした時のエネルギー消費量

58,40860,00040,0000

石油暖房機
ヒートポンプ

用効率を示す指標です。解析の結果、平均Ｃ％内だったことから、冬期のヒート

ＯＰの変動幅は、機器定格値のほぼプラスマ
イナス

量を大幅に低減できる可能性が示されました。

などへ影響を及ぼすことなく、エネルギー消費

プへ熱源転換した場合、栽培作物の生育や品質以上の結果から、石油暖房機からヒートポン

れませんでした。

ンプの除霜運転を含む）に顕著な差は認めら

ンプと石油暖房機を利用した栽培（ヒートポ

した。その結果、調査した項目ではヒートポ（糖度、ビタミンＣ含有量など）を調査しま

トマトの生育量（開花日や収量など）と品質への影響は限られると考えられました。次に、ポンプ利用においても、エネルギー利用効率30※花卉（かき）：観賞用になるような美しい花をつける植物の総称

から、次に、室内温度を一定に維持しつつ除湿を行うため冷房と暖房の併用運転について度になるとヒートポンプ運転が停止するため、継続して湿度を低く保つことは困難なこと

湿運転を検討しました。その結果、冷房・除湿運転では、室内温度が低下し冷房の設定温

最初に、春・秋期夜間の温室内の高湿度による病害発生の抑制に資するため、冷房・除効果を 定 量 的 に 評 価 し ま し た 。

除湿運転による温室内の温熱空気環境の変化を把握するとともに、作物の病害発生の抑制的な活用法の提案につなげる研究を行いました。研究は、前項と同じ温室を用いて、冷房・

めヒートポンプの特長である冷房・除湿効果に着目し、年間を通したヒートポンプの効果です。そこで、寒冷地、特に東北地方での園芸施設におけるヒートポンプ普及に資するたれらの機能については、一部の ※花卉（かき）を除きほとんど利用されていないのが現状

湿という石油暖房機にはみられないすばらしい機能があります。ただ、残念なことに、こ代替効果が高いことが知られています。また、ヒートポンプには、暖房のほかに冷房や除ヒートポンプは、エネルギー効率が高いことから、冬期の石油消費量が多い寒冷地ほど寒冷地におけるヒートポンプの多目的利用◆

単位（MJ：メガジュール）80,00087
88

16,38420,000エネルギー利用技 術の最 前 線〜電 気の新たな価 値の創出に向けた取り組 み〜
シ リ ー ズ

農 業 電 化に関する研究の紹介
第3回

）。

1.00

0.50

0.00

0.11

除湿なし
除湿有り

分×４回）を行うこと検討しました。その結果、夜間に一定間隔で冷暖房の間欠運転（％以下に保つことにより、相対湿度を低く保ちにくい低温下においても温室内の湿度を全株において病害の程度を６段階に分けて発生指数として評価したところ、ヒートポンプ
運転温室では病害はほとんど発生しませんでし た（ 発 生 指 数 ０。 一 方、 除 湿 な し=・ ）の温室では、全ての栽培区で灰色かび病が発生した株が認められました（平均発生指数

色かび病の抑制効果を定量的に示せる可能性を見い出すことができました。なお、冷房については、夏期の夜間を対象にしてトマトの収量増加や高品質化を狙って研究を続けています。

震災からの復興支援◆

農林水産省では、東日本大震災からの東北地方の復興支援を目的に、２０１２年度から３年間「食料生産地域再生のための先端技術展開事業」を推進しました。その中で、ヒートポンプを利用した省エネ型施設園芸の普及を進めており、この一環として、当研究所はヒートポンプのＣＯＰを指標としたエネルギー効率の評価と、ヒートポンプ適用時の栽培
作物の有用（食味や機能性）成分の実測を目的とした研究を受託しました。
２０１２年度は、地下水や地中熱を熱源とする地中熱ヒートポンプのＣＯＰを栽培現場で測定する方法を開発しました。２０１３年度は、地中熱ヒートポンプと空気熱ヒートポン
プのＣＯＰおよび運転時の温熱空気環境の測定を実施し、両者のエネルギー効率の評価を行いました。空気熱ヒートポンプは空気を熱源とするため、除霜に起因する断続的な発停を繰

=（葉、実の病徴の割合）を定量的に示すため、

し ま し た（ 資 料 ② ）。灰色かび病の発生状況

房の間欠運転による除湿の効果について検討

害である灰色かび病の発生抑制に対する冷暖が可能となりました。次に、トマトの重要病

90以上の結果から、ヒートポンプの冷暖房で除湿することによって、トマト栽培において灰

１・

1.27
1.50

15
11

病害の発生指数
2.00

89
90

資料② ヒートポンプによる除湿の有無による病害発生の比較

27

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第3回

り返し、常時ＣＯＰが大きく変動しました。典型的な運転条件における夜間平均のＣＯＰは２・６でした。一方、地中熱ヒートポンプは、除霜の必要がないためＣＯＰは一定となる傾向がみられ、典型的な運転条件では、夜間平均ＣＯＰは３・２でした。これらのことから、
空気熱ヒートポンプのＣＯＰの向上には、機械的な除霜対策や運転方法の改善が有用であり、改善により空気熱ヒートポンプにおいても、寒冷地に適した地中熱ヒートポンプと同程度のエネルギー効率での利用が期待できると考えられました。２０１４年度は、栽培作物であるキュウリを対象として食味成分を分析しました。その結果、秋期栽培では冬期栽培の３倍も機能性成分であるシトルリン（アミノ酸の一種）を蓄積することを明らかにしました。

サニーレタスとスイートバジルの機能性成分の増量技術◆

近年、超高齢化社会の到来や国民の健康志向の高まりを背景に、ポリフェノールやビタミ
ンなどを多量に含む機能性野菜を求める消費者意識が高まっています。当研究所では、植物工場の要素技術開発の一環として、人工光源を活用した葉菜類の可食部分の増加、徒長（枝や茎がむだに伸びてしまうこと）の抑制、機能性成分の増量などを可能とする光質制御栽培技術の開発を推進しています。サニーレタスはサラダ用途として食卓で広く利用されている

葉菜類の一つですが、ガラス温室などの栽培施設において水耕栽培を行うとアントシアニン（ポリフェノールの一種）蓄積が十分に進行しないことが多く、商品価値の低下が問題となっていました。そこで、植物栽培用蛍光ランプの波長と照射時間帯に着目してサニーレタスの商品価値の改善方法を検討したところ、温室栽培条件では、夜間に青色光を照射すること、もしくは青色光と紫外線を併用照射することにより、成長を損なうことなくアントシアニン
合成を大きく促進できることが分かりました。次に、人工光型植物工場におけるサニーレタ
スの栽培を想定して、ＬＥＤを用いて連続光条件における赤色光と青色光の割合がアントシアニン蓄積に及ぼす影響を検討したところ、アントシアニン含量は青色光の割合が高まるほ
ど大きくなることを明らかにしました。スイートバジルは生葉だけでなく乾燥バジルや香料としても利用される代表的なシソ科ハーブ野菜です。スイートバジルのメタノール抽出液を
液体クロマトグラフ（化学的・物理的な性質や相互作用を利用して、物質を分離させる装置）で分析したところ、ロズマリン酸、チコリ酸、カフェ酸の三つのポリフェノール類が検出されましたが、スイートバジルに含まれるポリフェノール類の含有量はレモンバームやローズ
マリーなどのほかのシソ科植物に比べて少ないことが分かりました。そこで、スイートバジ
ルのポリフェノール含量を高めることを目標に植物栽培用蛍光ランプの波長と照射方法を検9192

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第3回

ＥＤ光源を導入して光質と光強度が葉菜類（レタス、コマツナ、ホウレンソウ）の成長と討したところ、白色光を連続的（昼夜照明）に照射することでロズマリン酸、チコリ酸、カ性成分向上に関する検討結果について紹介します。

◆

PPFD

100

200

300

波長

470

青LED

450

葉が着色
紫LED

405

510

徒長
520
緑LED

530

620

660

葉面積の増大
640

赤LED

680

有効な可視領４００ｎｍ〜７００ｎｍの光の単位時間、単位面積当たりの量子数のこと：

光質応答反応をできるだけ詳細に調べるため、光合成有効光量子束密度（植物の光合成に本研究では、４００ｎｍ（ナノメートル）〜７００ｎｍの可視光領域における葉菜類の有用成分蓄積に及ぼす影響の解明に取り組みました。本稿ではサニーレタスの生育と機能の課題が設定され、当研究所は「葉菜類の光応答メカニズムの解明」を受託し、最新のＬ

葉大学を中核機関とする「野菜などの光応答メカニズムの解明および高度利用技術の開発」

カニズムの解明と省エネルギー、コスト削減技術の開発」を推進しました。その中で、千技術の体系化と高度化に資することを目的に、２００９年度から５年間「生物の光応答メ

農林水産省では、科学的根拠に基づいたＬＥＤなどの光利用技術を確立し、新しい農業

葉菜類の光応答メカニズムの解明

フェ酸が共に増加することが分かりました。

エネルギー利用技 術の最 前 線〜電 気の新たな価 値の創出に向けた取り組 み〜

資料③ サニーレタスの草姿と葉色の変化に及ぼすLED波長の影響

93
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第3回

µmol m ）s に設定して連続光条件で水耕栽培を行いました。定植７日後（播種 日後）に植物体をサンプリングして生育調査および機能性成分有量の測定を行いました。生育調査：以下ＰＰＦＤと略します）で３００マイクロモル毎平
Photosynthetic Photon Flux Density

色を変化させることが分かりました（資料③・ ページ）
。紫ＬＥＤ（４０５ｎｍ）と青Ｌ

-1

10

-1

14

25

10

60

-2

-1

5

5

0
クロロゲン酸含量

15

紫LED

緑

赤

緑

赤

青

緑

赤

青

緑

赤

青

緑

赤

680
660
640
620
530
520

赤LED
緑LED
青LED

510
470
450
405

FL

青
赤
緑

全て高い
高い
高い
赤
緑

PPFD300（光強度：強）PPFD200（光強度：中）PPFD100（光強度：弱）
0

高い

10

高い

青
赤
緑
青

高い
高い

10

高い
高い
アントシアニン含量

0.4

青
赤
緑
青

0

青

15

チコリ酸含量0.2

高いほどサニーレタスの生育が阻害されることが分かりました。緑ＬＥＤ（５１０ｎｍ～５３されました。また、４０５ｎｍ～４７０ｎｍの波長領域では、波長が短く、光強度が強い

ＥＤ（４５０ｎｍ～４７０ｎｍ）では、葉におけるアントシアニン蓄積による着色が促進

92の結果、サニーレタスはＬＥＤのピーク波長と光強度の違いに敏感に応答して、草姿と葉17

濃 度 ９ ０ ０ ｐ ｐ ｍ ） に 苗 を 定 植 し、 光 強 度 を ３ 段 階（ Ｐ Ｐ Ｆ Ｄ １ ０ ０、 ２ ０ ０、 ３ ０ ０-2

播種し、白色蛍光ランプ（ＰＰＦＤ１２０ µmol m 、
s 時間日長）の下で 日間育苗しました。植物栽培評価用ＬＥＤ光源を設置した人工気象室（気温 ℃、相対湿度 ％、ＣＯ ２

ＬＥＤ光源（ＩＳＬ ３-０５Ｘ３０２型、シーシーエス㈱）を新規製作しました。サニーレ
タスの栽培試験は以下の手順で行いました。まず、種子を吸水させたウレタンキューブに-2

方メートル毎秒（ µmol m ）
４５０、
s の出力が可能な 種類（ピーク波長（ｎｍ）：４０５、
４７０、５１０、５２０、５３０、６２０、６４０、６６０、６８０）の植物栽培評価用

エネルギー利用技 術の最 前 線〜電 気の新たな価 値の創出に向けた取り組 み〜

資料④ サニーレタスの主要ポリフェノール蓄積に及ぼすLED波長の影響

95
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第3回０ｎｍ）では、波長が長く、光強度が弱いと葉が糸状に変形する徒長が発生しました。一方、赤ＬＥＤ（６２０ｎｍ～６８０ｎｍ）では、葉面積が増大して地上部重が大きくなりました。
サニーレタスの葉にはアントシアニンが多く含まれていますが、ほかに含有するポリフェ
ノール類を調べるために、高速液体クロマトグラフィーによる質料分析（ＨＰＬＣ／ＭＳ
分析）を実施したところ、クロロゲン酸とチコリ酸が多く含まれていることが分かり、さらにカフェオイルリンゴ酸、ジカフェオイル酒石酸およびジカフェオイルキナ酸が少量検出されました。そこで可食部に含まれる主要ポリフェノール類の変化を調べたところ（資料④・ ページ）、アントシアニンとクロロゲン酸の含量は青ＬＥＤ（４５０ｎｍ～４７０-1-1とで、人工光型植物工場における葉菜類の生産性向上に寄与していきたいと考えています。

を決定するとともに、複数波長に対する作物反応に関する知見についても蓄積していくこ

能であることが示されました。今後は、本知見を活用して生育ステージごとに適切な波長に大きく影響されるので、適切な光質制御を実施することで生産性と付加価値の向上が可-2

Ｄで高く、ＰＰＦＤ３００ µmol m で
s は全ＬＥＤで高くなることが明らかになりました。
以上のように、サニーレタスの成長と有用成分蓄積は光質（波長）と光強度（ＰＰＦＤ）-2

では低くなりました。一方、チコリ酸の含量は、ＰＰＦＤ１００ µmol m で
s は青ＬＥＤだ-1
けで高くなりましたが、ＰＰＦＤ２００ µmol m-2 で
s は５３０ｎｍ～６２０ｎｍを除くＬＥｎｍ）で高く、緑ＬＥＤ（５１０ｎｍ～５３０ｎｍ）と赤ＬＥＤ（６２０ｎｍ～６８０ｎｍ）

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第3回

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講
●後藤
（ごとう

師

略

歴

文之

ふみゆき）

一般財団法人電力中央研究所
次世代電力需給マネジメント特別研究チーム
電力・エネルギー価値創造グル―プ
職住環境マネジメントユニツト
上席研究員 博士（農学）
１９８７年３月 九州大学理学部生物学科卒業
１９９３年５月 （財）電力中央研究所 入所
２００１年12月～２００３年７月 米国パデュー大学 博士研究員
２００４年４月～２００６年９月 日本大学生産工学部大学院 非常勤講師
２００５年４月～２００９年９月 岩手大学農学部 客員教授
２０１２年９月～ 東 京大学生物生産工学研究センター
非常勤講師

●庄子

（しょうじ

和博

かずひろ）

一般財団法人電力中央研究所
次世代電力需給マネジメント特別研究チーム
電力・エネルギー価値創造グループ
職住環境マネジメントユニツト
上席研究員 博士（農学）
１９９０年３月 東北大学農学部農学科 卒業
１９９０年４月 （財）電力中央研究所 入所
１９９５年４月〜１９９８年３月 農林水産省農業生物資源研究所 依頼研究員
２０１０年３月 千葉大学大学院園芸学研究科博士課程 修了
２０１６年〜 Ｎ ＰＯ植物工場研究会 理事
日本農業工学会 フェロー

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