熱気が出てきた中国式温室

エネルギー効率の高いパッシブソーラー温室で太陽の潜在能力を最大限に引き出し、暖かいシーズンの植物を年間暖房をほぼまたは全く使わずに成長させよう。

 

この女性は、外気温がマイナス25℃に低下した場合でも、インドのラダックにあるパッシブソーラー温室で、冬にさしかかるまで長く野菜を育てることができる。

文:Kris De Decker

翻訳:沓名 輝政

 

典型的なガラス温室は、作物を季節によらずに育てるために大量のエネルギーを必要とする。三重ガラスであっても、断熱された壁よりもはるかに熱を失うためだ。しかし、思慮深いデザインでは、太陽からのエネルギーを活かして貯めることで、季節によらず果物や野菜を栽培することができる。

 完全ガラス張り温室とは対照的に、パッシブソーラー温室は、熱容量と断熱材を使用してできるだけ多くの熱を保持するように設計されている。これらの機能により、太陽エネルギーだけで年間を通して作物を栽培できる。屋外が凍結している場合でも、大量のエネルギーの投入無しでは不可能な地域でも栽培できる。太陽熱温室は、最近数十年にわたって何千もの温室が建てられた中国で特に成功している。

 温暖な地域で暖かい気候を好む作物を栽培するための探求では、当初はガラスを全く含まなかった。ヨーロッパ北西部では、菜園家は内陸の作物を熱量の高い特殊な壁の近くに植えた。これらの壁は、周囲の気温よりも8〜12℃高い可能性のある微気候を作った(詳細は   

 1970年代の石油危機は、パッシブソーラー温室への新たな関心を促した。 しかし、エネルギー価格が再び下落したときに注目は急速に衰え、世界の多くの地域では完全ガラス温室が園芸の原動力となった。 一方、中国は過去30年間に200万エーカーのパッシブソーラー温室を建設した。

 

中国の太陽熱温室

 中国のパッシブソーラー温室には、一般に、北、東、および西側に構造となるレンガまたは粘土の3つの壁がある。 建物の南側のみが、太陽が輝く透明な材料(通常はビニールフィルム)でできている。 日中、温室は太陽からの熱を壁の熱容量で吸収し、夜は熱として放出される。 また、壁は寒い北風をブロックし、そうしなければ熱損失を早めるだろう。日没時には、断熱シート(通常は藁、押し固めた草、またはキャンバスで作られている)をビニールの上に巻いて熱損失をさらに遅くすることができる。これらの特徴は、中国のパッシブソーラー温室の屋内温度を屋外の温度よりも最大25℃高く保ちます。

 中国政府の奨励政策は、ソーラー温室を中国中部および北部の食糧生産の基礎にした。ソーラー温室は現在、中国の温室がカバーする面積の5分の1を占め、2020年までに少なくとも370万エーカーをカバーすると予想されている。最初の中国式温室は1978年に建設された。実際に技術が立ち上がったの1980年代で、透明ビニールフィルムが登場した後からだ。ビニールフィルムはガラスよりも安価であるだけでなく、軽量で、ガラス製のような重量のあるフレームを必要とせず、温室建設がずっと安価になる。それ以来、デザインは絶えず改善されてきた。構造はより深く、より大きくなり、太陽光をより良く取り込み、温度変動を低減することができる。

 また、栽培者は、壁に近代的な断熱材を選ぶことで、構造物の熱効率を改善している。湿った環境に適した合成断熱毛布も使用されている。湿った状態では、藁のマットは重くなり、断熱能力が低下するためだ。最近建設された温室の中には、自動で上下する断熱毛布など、より洗練された換気および断熱システムを持つものもある。二重の屋根や反射断熱材を備えるものもある。温室に使用されているビニールフィルムは、持続可能な資材ではないことは明らかだが、継続的に改善され、寿命が長くなっている。

効率への反映

 中国の温室の性能は、設計、緯度およびその地域の気候に依存する。最近の研究では、中国の遼寧省の首都である瀋陽で3種類の温室が観察された。この都市は北緯42度線のすぐ南にあり(イリノイ州シカゴとほぼ同じ)、中国式温室が建設されている地域(北緯32度から43度の間で、アメリカ合衆国本土の大半が位置している)の内、最も北部のひとつだ。

 この研究では、3つの温室が調べられ、すべて同じ形状と寸法(197×41×18フィート)だった。最も単純な構造は、安定性を高めるために内接するレンガを備えた版築の壁を有する。その覆いは夜間には藁毛布で断熱する薄いビニールフィルムだ。他の2つの温室は、断熱材として作用する発泡ポリスチレンフォームを備えたレンガの北壁を有している。壁の厚さは版築モデルの半分だ。より現代的なこれらの温室は、より厚いポリ塩化ビニル(PVC)ビニールフィルムで覆われている。また、その内の1つは断熱毛布上に反射コーティングを施し、夜間の熱損失をさらに低減している。

 調査によると、北緯42度では、反射絶縁層を備えた最も洗練された温室だけが、太陽エネルギーのみを使って常に内部温度を氷点以上に保つことに成功した。さらに、室内温度は、ほとんどがトマトやキュウリなどの夏野菜の栽培の最低温度である10℃以上にとどまっていた。 もちろん、より南方の場所にあるパッシブソーラー温室は、加熱することなく、必要なのは高度でない断熱技術だ。

 

北部の気候

 私たちがもっと北に行くならば、同様のパッシブソーラー温室は、いかに断熱されていても、一年の最も寒い月には暖房の追加が必要になる。温室の立地が北方になるほど、屋根の傾斜を大きくして、太陽の光線が地平線上で最も低いときに直角になるようにする必要がある。(温室の屋根の角度の計算については、冬栽培のためのスモール・グリーンハウス・プランをご参照。)2005年にカナダのマニトバ(北緯50度)で、23 × 98フィートの中国式温室を試験した。温室はR値20のガラス繊維断熱材とR値7の綿断熱毛布を使用した断熱性の良い北側の壁を有していた。最も寒い月の2月には、外気温は4℃からマイナス29℃まで変化した。室内温度は屋外よりも平均18℃高くなっていたが、冬の間は熱を加えることなく植物を栽培することは不可能だった。

 それにもかかわらず、ガラス温室と比較して、エネルギーの節約は膨大になる可能性がある。温度を常に10℃以上に保つために、カナダの温室の暖房システムは、1平方フィートにつき1時間当たり最大5.4英国熱量単位(Btu)、建物全体で1時間あたり12,172Btuつまり3.6kW必要。 比較すると、同じ内外の温度で同じ比率のガラス温室は最大125〜155kWの容量が必要です。つまり、マニトバ太陽熱温室はガラス温室よりもエネルギー効率が43倍高くなります!

 これらの結果は、ソーラーエネルギーが外気温度よりも温室の内部温度に大きな影響を与えるため、北緯50度のすべての場所に適用することはできない。内部温度と太陽光の相関は、内部温度と外部温度との相関関係よりもほぼ4倍大きい。したがって、ブリュッセルはマニトバと同じ緯度にあるが、ブリュッセルの太陽熱温室は効率が良くない。マニトバが平均1.5倍の太陽エネルギーを受け取るためだ。

熱容量は、黒塗りの貯水タンクを温室の北側壁面に配置することによって、さらに改善することができる。 日中の有り余る太陽エネルギーを蓄熱し、夜に放熱する。温室の保温性を向上させる別の方法は、北、東、西の壁を盛り土で作ることだ。

問題と解決策

 パッシブソーラー温室は多くのエネルギーを節約する可能性があるが、落とし穴がある:現在、中国の温室で得られる利益は、完全ガラス張りのエネルギーを食う温室の利益より1平方フィートあたり2〜3倍低い。より効率的な中国の温室は、1平方フィート当たり平均2.7kgのトマトとキュウリを栽培することができる。一方、ガラス温室での平均生産量は、約5.4kgのトマトと9kgのキュウリだ。パッシブソーラー温室産業は、同じ量の食糧を生産するには、2〜3倍のスペースを取らなければならない。

 太陽熱温室の別の問題は、二酸化炭素(CO2)源がないことだ。現代の温室で作物の収量を増やすために、事業者は一般に野外で見られるレベルの少なくとも3倍のCO2レベルを目指している。使用されるCO2は、温室内の化石燃料ベースの加熱システムの副生成物だ。栽培者が化石燃料を使用しない場合、CO2の別の供給源を見つける必要がある。これは太陽熱温室だけの問題ではない。地熱エネルギーと電気ヒートポンプが現代の温室産業で進歩していない主な理由の1つでもある。

 中国の太陽熱温室では、この問題は、農産物と動物を一緒に育てることで解決されることがある。豚、鶏、魚はすべて植物が吸収できるCO2を生産し、植物は動物が使うことができる酸素(および緑のゴミ)を生産します。動物およびそれらの肥料はまた、温室の加熱に寄与する。このような統合された温室システムの研究は、野菜、肉、牛乳、および卵の組み合わされた生産が収量をかなり実質的に上昇させることを示している。

 シベリアに住むアメリカ人のジャスティン・ウォーカーは、馬、ヤギ、ヒツジを使ってシベリアの修道院に統合されたシステムを構築している。激しく寒い気候を考えて、その構造は地面の下に部分的に建てられ、地上の部分は盛り土に覆われている。動物はCO2を供給し、植物に利益をもたらす熱を発生させる。 建屋の上のエリアには空の時に、冬の断熱と夏の換気を追加する干し草のロフトがある。 ウォーカーはまた、温室の床に輻射加熱ゾーンを通って配管された温水を生成する堆肥熱回収システムを統合している。

 温室内に動物を収容することなく加熱とCO2の生産も可能。彼らの肥料で十分だ。小規模な温室を加熱するための馬糞の使用は、ヨーロッパで数百年前に始まり、中国では2,000年前に遡って実施された。1980年代以来、いくつかの堆肥温室が米国で建設されてきた。これらは、十分に断熱されていれば、温室は完全にコンポストで暖めることができ、この方法は土壌と温室の空気中のCO2レベルを大幅に強化することを示している。おまけに、堆肥は土壌の肥沃度を高める役割も果たす。

クリス・デ・デッカー(Kris De Decker)は、現代の問題に対する伝統的な知識とローテク・ソリューションを促進するブログ「Low-Tech Magazine」の創設者であり、主なライター。 この記事は「Reinventing the Greenhouse」から抜粋したもの。

 

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Chinese Greenhouses for Winter Gardening

April/May 2017 

By Kris De Decker