研究の概要

植物工場・温室など環境制御型農業（CEA）施設では、HVAC（空調・換気）が設備の中で最大の電力消費源であり、従来の独立PIDループ制御では温湿度の干渉によって20〜40%のエネルギーが無駄になっていた。本研究は「蒸気圧飽差（VPD: Vapor Pressure Deficit）」を外側ループの主制御変数として設定し、7-3-3構成のニューラルネットワークがVPD制約面上のエネルギー最小温湿度セットポイントを動的に算出するカスケード制御アーキテクチャを提案した。Lyapunov安定性解析により理論的安定性を保証したうえで、米国8気候ゾーンの30以上の商業施設に7年以上にわたり展開した。

主な発見・成果

  • 独立PIDベースラインと比較してHVACエネルギーを30〜38%削減（全30施設・7年以上の実測データ）。
  • VPD安定性が68〜73%改善し、作物品質への影響を最小化。
  • 外乱回復速度が60〜67%高速化し、急激な外気変動にも迅速対応。
  • 8つの異なる気候ゾーンで一貫した性能を達成し、地域依存性が低いことを確認。

実務への応用

食料安保・地産地消の観点から垂直農場・植物工場への投資が拡大する中、エネルギーコストは採算性の最大ボトルネックの一つだ。本研究は大規模な実際の施設での7年間実証という点でエビデンスの信頼性が高く、「30%超の省エネは現実に達成可能」という実務的確信を与える。既存施設のBEMSリプレース案件や新設施設の制御設計において、VPD中心カスケード制御をHVAC最適化の標準アーキテクチャとして採用する根拠となる。Scope2削減と運用コスト削減の両立に直結する実証知見として、農業施設運用者・BEMS事業者ともに参照価値が高い。