CN105145286B - 一种建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统。包括有储水系统、雨水收集系统、种植模块系统、无动力智能灌溉系统，其中储水系统包括有两个储水箱、连通管，两个储水箱装设在屋面上，储水箱的底部设有连通孔，雨水收集系统包括有雨水收集板和支架，雨水收集板固定在支架上，支架固定在屋面上，种植模块系统包括有植被层、种植土壤层、过滤层、蓄排水层、阻根层、屋面结构层和种植层支撑板；灌溉系统包括有供水管、滴灌管、滴管喷头、湿度传感器、控制阀门和控制模块，本发明节约了水资源，实现了建筑屋面雨水的有效循环利用，且本发明不需要人的参与，节省了人力，体现了智能灌溉的特点。

Description

一种建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统

技术领域

本发明是一种建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统，属于建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统的改造技术。

背景技术

建筑屋面绿化是绿地向空间的发展，也是节约土地、^、开拓城市空间的有效办法。建筑屋面绿化具有良好的隔热节能效应和生态环境效应，其优点主要如下：（1）隔热节能效应：通过减少由建筑屋面传入顶层房间的热量，降低建筑能耗，改善建筑热湿环境；（2）保护屋面：通过绿化屋面的隔热作用降低屋面因热应力破坏作用，保护建筑屋面构造层和防水层；（3）雨水蓄积利用（节水）效应：通过绿化屋面构造层蓄积并利用雨水，节约建筑绿化用水；（4）降低城市洪灾效应：通过屋面绿化层延缓雨水向地面的汇流时间，降低城市道路洪水强度，减小城市排水系统的泄洪压力及洪灾危险；（5）生态环境效应：可增大城市绿化面积，吸收CO₂等温室气体，改善城市及建筑室外热湿环境，降低城市热岛效应。除此之外，建筑生态绿化屋面还具有降低城市大气灰尘浓度、吸收城市噪音及其它有害气体等作用。因此，在节能减排日益受到重视的现代城市生活中，建筑生态绿化屋面越来越受到人们的关注。

现有的建筑屋面雨水蓄积及循环利用模式主要包括以下三种：（1）汇集于地面的利用模式，即直接将建筑屋面汇集的雨水通过雨落管汇集到地面雨水井中，通过雨水井排向雨水蓄积池中实现其循环利用（见图2）；（2）屋面直接蓄积利用模式，即直接在建筑屋面砌筑蓄水池，蓄积雨水并形成蓄水屋面，多余的雨水通过排水孔排至挑檐，再通过排水管汇集于地面雨水井中（见图3）；（3）种植屋面的蓄积利用模式，即在绿化屋面的排水层中设置蓄水槽蓄积雨水，并将其应用于植被的生长，同时通过蒸发冷却作用实现屋面隔热降温（图4）。

以上三种屋面雨水的蓄积利用模式均存在一定的局限性，主要表现在：

第一种利用模式存在的缺点如下：（1）建筑屋面雨水直接汇集到地面，屋面本身利用雨水的可能性降低，雨水利用率较低；（2）增大了地面排水系统的雨水汇集流量，不利于延缓雨水汇集时间和降低城市洪灾风险；（3）雨水汇集于地面，增大了雨水被地面污染的机率，增大了雨水净化处理系统的容量和负荷。第二种利用模式虽然克服了第一种利用模式的一些缺点，但也存在一定的局限性：（1）屋面雨水蓄积量较小；（2）由于蓄水池为敞开式，雨水蓄积利用率受环境影响大，雨水蒸发损耗大，不利用雨水的长时间存储；（3）单纯敞开式浅层蓄水屋面的隔热性能不好；（4）屋面雨水的利用功能单一。

第三种利用模式存在的局限性如下：（1）蓄积利用率仍然较低，对于降雨时间间隔较长的地区，其适用性较差，需要补充外来水源；（2）雨水通过种植土壤层的毛细管作用和植物的根系输送给植物，水的输送能力较低；（3）大部分雨水会通过排水管排到地面，仅有少部分雨水被蓄积并加以利用。

建筑屋面绿化因要满足植被生长的需求，常需要设置灌溉系统。其灌溉方式主要分为以下三种：（1）被动式；（2）手动式；（3）自动式。被动式灌溉方式即通过种植土壤层孔隙和植被根系的毛细压力作用将蓄排水层中的雨水输送到植被层，或完全依靠自然降雨来满足植被生长的需要。这种方式具有受环境影响大、灌溉量不稳定、其水分输送能力低等缺点。手动式灌溉方式即通过人工操作或使用一定的工具实现植被的灌溉，其存在的缺点包括：（1）需要专人维护；（2）灌溉量依靠人的经验判断，具有不稳定性；（3）灌溉水的利用率较低，灌溉时间不易把握。自动灌溉方式即通过水泵、管道、喷淋系统及一套自动控制系统来实现植被的自动灌溉。其灌溉控制系统的输入信号为太阳辐射强度、或根据设定的时间来实现自动灌溉。这种方式存在的局限性如采用太阳辐射强度作为水泵启停信号，不能完全反映出植被对水分的需求；采用定时控制装置，不能反映出降雨对植被灌溉的影响。

根据以上分析可知：建筑绿化屋面为满足植物生长需求需要蓄积屋面雨水进行灌溉，而现有屋面雨水蓄积模式不能满足屋面绿化灌溉需求，雨水的循环利用率较低，传统的灌溉灌溉方式需要人们根据植被的生长通过经验判断，灌溉量和灌溉时间难以准确把握，很难根据植物的生长需求实现精准有效的灌溉，同时需要消耗动力能耗。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统。本发明节约了水资源，实现了建筑屋面雨水的有效循环利用，且本发明不需要人的参与，节省了人力，体现了智能灌溉的特点。

本发明的技术方案是：本发明的建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统，包括有储水系统、雨水收集系统、种植模块系统、无动力智能灌溉系统，其中储水系统包括有两个储水箱、连通管，两个储水箱装设在屋面上，储水箱的底部设有连通孔，储水箱收集的雨水通过连通孔流入屋面，储存于屋面，两个储水箱通过连通管连通；雨水收集系统包括有雨水收集板和支架，雨水收集板固定在支架上，支架固定在屋面上，种植模块系统包括有植被层、种植土壤层、过滤层、蓄排水层、阻根层、屋面结构层和种植层支撑板；灌溉系统包括有供水管、滴灌管、滴管喷头、湿度传感器、控制阀门和控制模块，灌溉系统中的控制模块安装在储水箱的箱壁上，供水管与连通管连接，滴灌管与供水管连接，且滴灌管上安装有灌溉喷头，供水管上装设有控制阀门，控制阀门通过控制模块控制灌溉喷头，种植模块系统中的种植支撑板安装在种植模块的最底部，屋面结构层安装在种植层支撑板上，种植模块中从上到下依次为植被层、种植层、过滤层、蓄排水层、阻根层、屋面结构层以及种植层支撑板，且依次沿箱壁固定，以使种植模块成一整体，用以测定土壤的湿度的湿度传感器放置于土壤中。

本发明由于采用将建筑绿化屋面与雨水蓄积利用相结合的结构，并通过控制元件和土壤湿度传感器构成的无动力智能化灌溉系统，本发明具有如下优点：

（1）本发明灌溉所需的水源主要来自雨水，也可来自建筑内部的生活废水，节约了水资源，实现了建筑屋面雨水的有效循环利用，体现了环保概念；

（2）本发明通过控制元件控制灌溉系统，可以根据土壤湿度控制整个灌溉系统的启停，不需要人的参与，节省了人力，体现了智能灌溉的特点；

（3）本发明灌溉量受控制元件的严格控制，实现了屋面绿化的精准化、定量化灌溉，有利于植物生长，并节约用水；

（4）本发明利用储水箱的静水压强为灌溉提供动力，节约了水泵的动力能耗；

（5）本发明的隔热节能效果比单纯绿化屋面或单纯的敞开式蓄水屋面要好。

本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统。

附图说明

图1为本发明装置在建筑屋面上的结构示意图，图中：1-排水孔；2-箱壁；3-溢流管；4-雨水收集板；5-支架；6-控制模块；7-种植模块；8-排水孔塞；9-排水管；10-控制阀门；11-种植层支撑板；12-连通管；13-连通孔；14-屋面；22-供水管；23-滴灌管；24-灌溉喷头；25-湿度传感器。

图2为将雨水汇集于地面的直接利用模式的结构示意图，图中：1-排水孔；9-排水管；14-屋面。

图3为屋面直接蓄积利用方式的结构示意图，图中：2-箱壁；15-储水箱；1-排水孔；9-排水管；14-屋面。

图4为种植屋面的雨水蓄积利用模式的结构示意图；

图5为热电偶的安装示意图；

图6为用湿度测试仪探测该种植土壤的四个位置A 、B、C、D的示意图；

图7为第一次实验探测各种植面相对湿度值的示意图；

图8第一次实验探测土壤各位置温度值的示意图；

图9第二次实验探测各种植面相对湿度值的示意图；

图10第二次实验探测土壤内各位置温度值的示意图；

图11第三次实验探测各种植面相对湿度值的示意图；

图12第三次实验探测土壤各位置温度值的示意图；

图13不同高度对应管内水流速度值的示意图。

图中：1-排水孔；9-排水管；16-植被层；17-种植层；18-过滤层；19-蓄排水层；20-阻根防水层；21-屋面结构层。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1所示，本发明的建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统，包括有储水系统、雨水收集系统、种植模块系统、无动力智能灌溉系统，其中储水系统包括有两个储水箱15、连通管12，两个储水箱15装设在屋面14上，储水箱15的底部设有连通孔13，储水箱15收集的雨水通过连通孔13流入屋面14，储存于屋面14，两个储水箱15通过连通管12连通；雨水收集系统包括有雨水收集板4和支架5，雨水收集板4固定在支架5上，支架5固定在屋面14上，种植模块系统包括有植被层16、种植土壤层17、过滤层18、蓄排水层19、阻根层20、屋面结构层21和种植层支撑板11；灌溉系统包括有供水管22、滴灌管23、滴管喷头24、湿度传感器25、控制阀门10和控制模块6，灌溉系统中的控制模块6安装在储水箱15的箱壁2上，供水管22与连通管12连接，滴灌管23与供水管22连接，且滴灌管23上安装有灌溉喷头24，供水管22上装设有控制阀门10，控制阀门10通过控制模块6控制灌溉喷头24，种植模块系统中的种植支撑板11安装在种植模块的最底部，屋面结构层21安装在种植层支撑板11上，种植模块中从上到下依次为植被层16、种植层17、过滤层18、蓄排水层19、阻根层20、屋面结构层21以及种植层支撑板11，且依次沿箱壁2固定，以使种植模块成一整体，用以测定土壤的湿度的湿度传感器25放置于土壤中。

上述储水箱15底部设有的连通孔13，使得储水箱15收集的雨水可先通过连通孔13直接流入屋面14，储存于屋面14，用以降低屋面的温度，当屋面14与种植层支撑板11及储水箱15构成一封闭空间储满雨水时，位于连通孔13上方的连通管12发挥作用，连通管12用于连通两边的储水箱15，根据连通器原理，使收集到的雨水均匀一致地流入灌溉系统；上述植被层16用于种植所需的植被、种植层17为土壤层，用于植被种植、过滤层18主要用于防止泥土进入蓄排水层19、蓄排水层19用于雨水的有效收集和排出、阻根层20防止植被根部进入建筑结构层。种植层17与种植支撑板11尺寸一致。

本实施例中,上述雨水收集板4是透明盖板。

本实施例中,上述储水箱15的顶部还设有溢流管3，防止储水箱15内雨水过多。

本实施例中,于上述储水箱15的底部设有排水孔1，排水孔1中装设有排水孔塞8，排水孔1也用于多余雨水的排除。

本实施例中,上述排除屋面14装设有用于排除屋面14过多雨水的排水管9。

本实施例中,上述灌溉系统中的控制模块6通过粘接固定在箱壁2上。

上述储水箱15由板材焊接而成，本实施例中, 储水箱15由废弃的PE板焊接而成，储水箱尺寸为：38.4mm×11.7mm×23.0mm（长×宽×高），两个储水箱底部装有由PVC管道构成的连通管12，连通管12的管径为DN0.374 mm，用于保持两储水箱15的液位相同，连通管12穿过种植模块的土壤层将两储水箱15连通。

本实施例中,上述雨水收集板4设置在种植区域的正上方，由废弃的透明塑料板制作，厚度为5mm, 呈人字形，将其安装于支架5上,在晴朗天气下可拆卸，以利于雨水排向储水箱15，雨水收集板4的长度为比储水箱15略长，宽度比蓄水箱15稍窄，与植被种植区域大小相同。雨水收集系统的支架5由为废弃木板制作而成。

本实施例中,上述种植土壤层厚度为200mm，蓄排水层19由300mm×300mm×25mm规格的塑料蓄排水板组合而成。

本实施例中,上述在连通管上部的土壤层内设置智能灌溉系统中，供水管22由PVC管（DN0.374 mm）制作而成，滴灌管23的管径DN0.374 mm，高度50mm，上述控制模块6由Arduino控制元件构成，其通过设置于土壤层中的湿度传感器25传来的土壤湿度信号进行智能化识别，并根据土壤湿度信号发出控制信号，控制灌溉系统上的控制阀门10，实现控制阀门开度的启动和大小调节，当控制阀门10打开后，由储水箱15中水的液位高度产生一静压强驱动水由储水箱15进入供水管22，并通过滴灌管23为土壤输送水分。当土壤中的湿度含量达到设定值时，湿度信号传递到Arduino控制元件，Arduino控制元件控制关闭控制阀门，从而实现灌溉系统的启停。Arduino外接9伏特的直流电源，整个装置处于电路待命状态，电路连接方式则为简单的串联方式。

本发明的工作原理如下：降雨天气，雨水沿着收集板流入储水箱15，因储水箱15的底部接有连通管12，根据连通器原理，左右两个储水箱15将蓄集等体积的雨水，以保证左右灌溉系统滴灌的均匀性和稳定性。若长期处于干旱天气，则外接水龙头将由Arduino控制元件控制并对储水箱供水，直至箱体内储以足量的灌溉用水；同时，该系统还可以收集建筑内部的生活废水以补充水量的不足。另外，埋设于种植土壤层内的湿度传感器将探测并感应土壤湿度，并将湿度信号反馈给Arduino控制元件。若Arduino控制元件收集到湿度信号低于程序设定的最小值，Arduino控制元件将自动控制控制阀门10，使控制阀门10处于开的状态，利用静水压强驱动水进入种植层，自下而上地完成灌溉；直至湿度传感器感应到绿化植被正常生长所必须的水分量达到要求，并将信息反馈给Arduino控制元件时停止，整个装置的灌溉工作过程不需要人的参与。

测量本发明建筑生态绿化屋面的土壤内的各个位置的温度与湿度的实验中如图5所示，土壤的厚度为200mm，取8个热电偶分别埋进左右两边的区域，8个热电偶分别是热电偶26～33，热电偶26～33对应8个位置E、F、G、H、I、J、K、L,垂直方向上等距离地埋在土壤里，每个热电偶都焊接上数据线，将数据线接在温度巡检仪上，因此可由温度巡检仪得出相应位置的温度。然后用湿度测试仪探测该种植土壤的四个位置A 、B、C、D，如图6。测得的数据如下。

（1）第一次试验：时间：2015.5.24 15:00 天气：晴，探测各种植面相对湿度值如图7所示，土壤内各位置温度值如图8所示。

由于温度巡检仪测得G和K两个位置没有数据，所以在处理时当作是0。

（2）第二次实验：时间2015.5.25 15:00 天气：晴, 探测各种植面相对湿度值如图9所示，土壤内各位置温度值如图10所示。

同样地，温度巡检仪测得G和K两个位置没有数据，所以在处理时当作是0。

（3）第三次实验，时间2015.6.12 10:20 天气：晴, 探测各种植面相对湿度值如图11所示，土壤内各位置温度值如图12所示。

不同高度对应管内水流速度值的示意图如图13所示，水流速度单位cm³/s。

由图8土壤各位置温度值、图10土壤内各位置温度值、图12土壤各位置温度值，可以看出，土壤与屋面距离越近，温度有越低的趋势，相反则温度越高，因此可以说明该装置有降温隔热的效果；而由图13可得，水的不同高度会影响管内水流的速度，当水的位置越高，水流速度越快，因此可以通过调节水的高度来控制水流速，进而减少人工参与或是减少其他能源的消耗。

Claims (10)

1.一种建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统，其特征在于包括有储水系统、雨水收集系统、种植模块系统、无动力智能灌溉系统，其中储水系统包括有两个储水箱、连通管，两个储水箱装设在屋面上，储水箱的底部设有连通孔，储水箱收集的雨水通过连通孔流入屋面，储存于屋面，两个储水箱通过连通管连通；雨水收集系统包括有雨水收集板和支架，雨水收集板固定在支架上，支架固定在屋面上，种植模块系统包括有植被层、种植土壤层、过滤层、蓄排水层、阻根层、屋面结构层和种植层支撑板；灌溉系统包括有供水管、滴灌管、灌溉喷头、湿度传感器、控制阀门和控制模块，所述供水管由PVC管制作而成，灌溉系统中的控制模块安装在储水箱的箱壁上，供水管与连通管连接，滴灌管与供水管连接，且滴灌管上安装有灌溉喷头，供水管上装设有控制阀门，控制阀门通过控制模块控制灌溉喷头，种植模块系统中的种植支撑板安装在种植模块的最底部，屋面结构层安装在种植层支撑板上，种植模块中从上到下依次为植被层、种植层、过滤层、蓄排水层、阻根层、屋面结构层以及种植层支撑板，且依次沿箱壁固定，以使种植模块成一整体，用以测定土壤的湿度的湿度传感器放置于土壤中。

2.根据权利要求1所述的建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统，其特征在于上述雨水收集板是透明盖板。

3.根据权利要求1所述的建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统，其特征在于上述储水箱的顶部还设有溢流管。

4.根据权利要求1所述的建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统，其特征在于上述储水箱的底部设有排水孔，排水孔中装设有排水孔塞。

5.根据权利要求1至4任一项所述的建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统，其特征在于上述屋面装设有用于排除屋面过多雨水的排水管。

6.根据权利要求5所述的建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统，其特征在于上述灌溉系统中的控制模块通过粘接固定在箱壁上，支架通过粘接作用安装在屋面上。

7.根据权利要求5所述的建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统，其特征在于上述储水箱由板材焊接而成。

8.根据权利要求5所述的建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统，其特征在于上述雨水收集板安装于支架上呈人字形。

9.根据权利要求5所述的建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统，其特征在于上述蓄排水板由塑料蓄排水板组合而成。

10.根据权利要求5所述的建筑生态绿化屋面雨水收集及无动力智能灌溉系统，其特征在于上述控制模块由Arduino控制元件构成，Arduino外接直流电源。