【要約】現在、家庭用栽培装置は一体型設計が一般的で、移動や積み下ろしに多くの不便を招いています。都市部住民の生活空間の特性と家庭菜園の設計目標に基づき、本稿では、新しいタイプのプレハブ式家庭菜園装置の設計を提案します。この装置は、支持システム、栽培システム、給水・施肥システム、光補給システム（主にLED栽培ライト）の4つの部分で構成されています。設置面積が小さく、空間利用率が高く、構造が斬新で、分解・組み立てが簡単で、コストが低く、実用性が高いという特徴があります。都市部住民のセロリ用レタス、早生野菜、栄養豊富なキャベツ、ベゴニア・フィムブリスティプラなどのニーズを満たすことができます。小規模な改造により、植物科学実験研究にも使用できます。

栽培設備の全体設計

設計原則

このプレハブ栽培装置は、主に都市部住民を対象としています。チームは都市部住民の生活空間の特性を徹底的に調査しました。面積が小さく空間利用率が高いこと、構造が斬新で美しいこと、分解・組み立てが簡単でシンプルで習得しやすいこと、そして低コストで実用性が高いこと。これら4つの原則は設計プロセス全体を貫き、住環境との調和、美しく洗練された構造、そして経済的で実用的な価値という究極の目標の達成を目指しています。

使用する材料

支持フレームは、市販の多層棚製品から購入し、長さ1.5m、幅0.6m、高さ2.0mです。材質は鋼鉄で、防錆スプレー塗装が施されており、支持フレームの四隅にはブレーキ付きユニバーサルホイールが溶接されています。支持フレーム層板を強化するためにリブ付きプレートが選択され、厚さ2mmの鋼板にスプレープラスチック防錆処理が施され、1層につき2枚使用されています。栽培トレイは、10cm×10cmのオープンキャップ式PVC水耕栽培角管で作られています。材質は硬質PVCボードで、厚さは2.4mmです。栽培穴の直径は5cm、栽培穴の間隔は10cmです。養液タンクまたは水槽は、壁の厚さ7mm、長さ120cm、幅50cm、高さ28cmのプラスチックボックスでできています。

栽培装置の構造設計

全体設計図によると、プレハブ式家庭用栽培装置は、支持システム、栽培システム、給水・施肥システム、光補助システム（主にLED栽培ライト）の4つの部分で構成されています。システム内の配置は図1に示されています。

図1にシステム内の分布を示します。

サポートシステム設計

プレハブ式家庭用栽培装置の支持システムは、支柱、梁、および層板で構成されています。支柱と梁は蝶穴バックルに挿入され、分解・組み立てが簡単です。梁には補強リブ付きの層板が装備されています。栽培フレームの四隅にはブレーキ付きのユニバーサルホイールが溶接されており、栽培装置の移動の柔軟性を高めています。

栽培システムの設計

栽培タンクは10cm×10cmの水耕栽培用角筒で、蓋が開いた設計で、お手入れが簡単で、養液栽培、基質栽培、土壌栽培に使用できます。 養液栽培では、植え付けバスケットを植え穴に入れ、対応する規格のスポンジで苗を固定します。 基質または土壌を栽培するときは、栽培トレイの両端の接続穴にスポンジまたはガーゼを詰めて、基質または土壌が排水システムを塞ぐのを防ぎます。 栽培タンクの両端は、内径30mmのゴムホースで循環システムに接続されており、PVC接着剤による構造固化の欠陥を効果的に回避し、動きを妨げません。

水と肥料の循環システムの設計

養液栽培では、調整可能なポンプを使用して最上層の栽培タンクに養液を追加し、PVCパイプの内栓を通して養液の流れの方向を制御します。養液の不均一な流れを避けるために、同層栽培タンク内の養液は一方向の「S字型」流動方式を採用しています。養液中の酸素含有量を高めるために、最下層の養液が流出する際、水出口と水槽の液面の間に一定の隙間が設計されています。基質または土壌栽培では、水槽を最上層に配置し、点滴灌漑システムを介して散水と施肥を行います。主管は直径32mm、肉厚2.0mmの黒色PE管、枝管は直径16mm、肉厚1.2mmの黒色PE管です。各枝管には個別に制御するためのバルブを設置します。滴下矢印は、圧力補償付きの直矢型ドリッパーを使用し、穴ごとに2本設置し、栽培穴内の苗の根元に挿入します。余分な水は排水システムを通じて集められ、ろ過されて再利用されます。

ライトサプリメントシステム

バルコニー栽培装置をバルコニー栽培に使用する場合、バルコニーからの自然光を補助光なし、または少量の補助光で利用することができます。リビングルームで栽培する場合は、補助照明の設計を行う必要があります。照明器具は長さ1.2mのLED栽培ライトで、点灯時間は自動タイマーで制御されます。点灯時間は14時間、非補助点灯時間は10時間に設定されています。各層には4つのLEDライトがあり、層の底部に設置されています。同じ層にある4本のチューブは直列に接続され、層間は並列に接続されています。植物の異なる照明ニーズに応じて、異なるスペクトルのLEDライトを選択できます。

デバイスの組み立て

プレハブ家庭用栽培装置は構造がシンプルで（図2）、組み立てプロセスも簡単です。第1ステップでは、栽培作物の高さに合わせて各層の高さを決定した後、梁を直立ポールの蝶穴に挿入して装置の骨組みを構築します。第2ステップでは、層の背面にある補強リブにLED成長ライトチューブを固定し、栽培フレームの横梁の内側の溝に層を配置します。第3ステップでは、栽培トラフと水と肥料の循環システムをゴムホースで接続します。第4ステップでは、LEDチューブを取り付け、自動タイマーを設定し、水タンクを配置します。第5ステップ - システムデバッグで、水タンクに水を追加します。ポンプの揚程と流量を調整した後、水と肥料の循環システムと栽培タンクの接続に水漏れがないか確認し、電源を入れてLEDライトの接続と自動タイマーの動作状態を確認します。

図2 プレハブ栽培装置の全体設計

応用と評価

栽培アプリケーション

2019年、この装置はレタス、白菜、セロリなどの野菜の小規模室内栽培に使用される（図3）。 2020年には、これまでの栽培経験を総括し、プロジェクトチームは食薬同族野菜の有機培地栽培とベゴニア・フィムブリスティプラ・ハンスの培養液栽培技術を開発し、装置の家庭応用例を豊かにした。 過去2年間の栽培と応用において、レタスと早生野菜は室内温度20〜25℃で栽培してから25日後に収穫できる。セロリは35〜40日間生育する必要がある。ベゴニア・フィムブリスティプラ・ハンスと白菜は複数回収穫できる多年生植物である。ベゴニア フィムブリスティプラは、約35日で上部10cmの茎と葉を収穫でき、キャベツの栽培では約45日で若い茎と葉を収穫できます。収穫すると、レタスと白菜の収量は1株あたり100〜150gです。白セロリと赤セロリの収量は1株あたり100〜120gです。ベゴニア フィムブリスティプラ ハンスの1回目の収穫量は低く、1株あたり20〜30gですが、側枝が継続的に発芽するため、約15日の間隔で2回目の収穫が可能で、1株あたり60〜80gの収量があります。栄養メニューホールの収量は50〜80gで、25日に1回収穫し、継続的に収穫できます。

図3 プレハブ栽培装置の生産応用

アプリケーション効果

1年以上の製造と応用を経て、この装置は室内の立体空間を最大限に活用し、様々な作物の小規模生産を可能にしました。積み込みと積み下ろしの操作は簡単で習得しやすく、専門的な訓練は必要ありません。水ポンプの揚程と流量を調整することで、栽培タンク内の養液の過剰流量と溢れの問題を回避できます。栽培タンクのオープンカバー設計は、使用後の清掃が容易なだけでなく、付属品が破損した場合の交換も容易です。栽培タンクは水と肥料の循環システムのゴムホースに接続されており、栽培タンクと水と肥料の循環システムのモジュール設計を実現し、従来の水耕栽培装置の一体型設計の欠点を回避しています。さらに、この装置は家庭用作物生産に加えて、制御可能な温度と湿度条件下での科学研究にも使用できます。試験スペースを節約するだけでなく、生産環境、特に根の成長環境の一貫性という要件も満たしています。簡単な改良により、この栽培装置は根圏環境の様々な処理方法の要件も満たすことができ、植物科学実験に広く利用されています。

記事ソース: WeChatアカウント農業工学技術（温室園芸） 

参考情報：Wang Fei、Wang Changyi、Shi Jingxuan、他プレハブ家庭用栽培装置の設計と応用[J].農業工学技術、2021、41(16):12-15。