CN115299268B - 一种可调控基质干湿的绿色屋顶系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可调控基质干湿的绿色屋顶系统，包括：基质层、蓄水模块、植被层和电渗透系统；所述植被层位于所述基质层的顶部；所述蓄水模块位于所述基质层的侧面且与所述基质层连通；所述电渗透系统包括正电极、负电极和电渗透控制器；所述正电极位于所述基质层内，所述负电极位于所述蓄水模块内，所述电渗透控制器与所述正电极、负电极电连接，使正电极和负电极之间产生电势梯度。本发明实现了基质层与蓄水模块间水分的快速定向移动，从而实现了降雨前后绿色屋顶基质层土壤干湿交替，以提高不同雨前干期降雨事件下绿色屋顶的雨水滞蓄能力，并保证了干旱期基质层土壤的水分含量。

Description

一种可调控基质干湿的绿色屋顶系统

技术领域

本发明涉及绿化屋顶技术领域，具体涉及一种可调控基质干湿的绿色屋顶系统。

背景技术

随着城市化的快速发展，城市内涝、雨水径流污染、雨水资源利用率低等雨水问题日益突出。绿色屋顶具有良好的生态效应，主要表现为：雨水滞蓄、水质净化、节能减排、提供生物栖息地、缓解城市热岛效应等。在全国海绵城市建设持续推进的大背景下，绿色屋顶技术在我国获得了更为广泛的运用，绿色屋顶作为海绵城市建设的一种重要技术措施，对城市雨洪资源化利用和非点源污染控制有着重要作用。

目前简单式绿色屋顶系统由于其结构简单、施工方便而被广泛应用于城市中。其结构由上至下依次为植被层、基质层、过滤层、排水层、防水层。然而简单式绿色屋顶系统的雨水滞蓄能力受限于基质层材料的蓄水和渗透性能，这导致降雨量较高时绿色屋顶的雨水滞留能力有限。有相关技术采用吸水、蓄水能力高的多孔纤维棉替换传统排水层，以提高绿色屋顶滞蓄雨水的能力，但由于多孔纤维棉的高保水性能，影响了系统的排水性能，并且在降雨频繁的季节导致基质层土壤长时间处于湿润状态，对植物生长和雨水滞蓄产生影响，而由于在降雨少的干旱期基质层土壤水分低，难以维持植物生长，又需要额外的灌溉用水。也有相关技术采用双基质层结构的绿色屋顶，但增加了屋面荷载和施工维护成本。

地区的降雨量大小会影响绿色屋顶的雨水滞蓄，但在同一地区的雨期中，不同降雨事件之间的时间间隔不同也会严重影响绿色屋顶的雨水滞蓄效果，上述只通过更改基质类型或排水层类型的处理方式由于未考虑多种外界因素下绿色屋顶基质层干湿的交替变化，只能单方面的提高某场降雨下的雨水滞蓄效果，无法保证在多种气候降雨事件下绿色屋顶具备较高的雨水滞蓄能力。

因此，如何提供一种有利于基质层干湿交替的绿色屋顶系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种可调控基质干湿的绿色屋顶系统，实现降雨前后绿色屋顶基质层土壤干湿可控交替，以提高不同雨前干期降雨事件下绿色屋顶的雨水滞蓄能力，并保证了干旱期基质层土壤的水分含量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明公开了一种可调控基质干湿的绿色屋顶系统，包括：基质层、蓄水模块、植被层和电渗透系统；其中，

所述植被层位于所述基质层的顶部；所述蓄水模块位于所述基质层的侧面且与所述基质层连通；

所述电渗透系统包括正电极、负电极和电渗透控制器；所述正电极位于所述基质层内，所述负电极位于所述蓄水模块内，所述电渗透控制器与所述正电极、负电极电连接，使正电极和负电极之间产生电势梯度。

本发明通过在基质层和蓄水模块间添加电渗透电场，使水分子在电场间定向移动，使得基质层中的水分转移至蓄水模块中蓄存，实现基质层土壤快速干燥；在基质层两侧布置生态岩棉蓄水模块，利用生态岩棉的蓄水和水分子的毛细力作用，在干旱期向基质层补充水分，提高土壤湿度，维持植物生长。通过上述技术过程，实现降雨前后绿色屋顶基质层土壤干湿交替，以提高不同雨前干期降雨事件下绿色屋顶的雨水滞蓄能力，并保证了干旱期基质层土壤的水分含量。

优选的，所述正电极位于所述基质层中轴线处，所述负电极位于所述蓄水模块内远离所述基质层的一侧，保证电势梯度驱动带电粒子定向移动的距离并充满整个蓄水模块。

优选的，所述正电极和负电极均至少设置一个，所述正电极沿基质层中轴线以固定间隔设置，所述负电极以固定间隔布设在所述蓄水模块内。

优选的，还包括土工布过滤层和排水层，所述基质层底部依次设置所述土工布过滤层和所述排水层；所述排水层用于将多余水分向外界排出。

优选的，所述基质层侧面和底面均包覆有土工布过滤层。

优选的，还包括中央控制器和湿度传感器；所述中央控制器与所述湿度传感器和所述电渗透控制器电连接，所述湿度传感器位于所述基质层内，用于监测所述基质层的水分含量；所述中央控制器用于读取识别所述湿度传感器采集的湿度信号，并对所述电渗透控制器发送工作信号。

优选的，还包括绿色屋顶装置壳体，所述绿色屋顶装置壳体包括底板、外侧壁、内侧壁和盖板；所述外侧壁包覆于所述蓄水模块外侧面，所述内侧壁位于所述基质层和蓄水模块之间，且所述内侧壁上具有供水渗透的孔洞，所述盖板位于所述蓄水模块的顶部，盖板能够防止蓄水模块内的水分蒸发，且用于蓄水模块的更换；所述底板位于排水层和蓄水模块的底部。

优选的，所述盖板与内侧壁为可拆卸结构，便于向蓄水模块中填装蓄水材料。

优选的，所述蓄水模块采用生态岩棉。

优选的，所述正电极采用橡胶石墨电极，所述负电极采用铜质电极。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1、本发明在基质层与蓄水模块间形成电势梯度，使水分子由正极向负极的定向移动，将基质层土壤水分转移至生态岩棉蓄水模块中，实现水分的蓄存和基质层土壤的及时干燥，加快恢复基质层蓄滞雨水的能力，有利于在下次降雨时维持绿色屋顶较高的雨水滞蓄能力。

2、两侧的生态岩棉组成了绿色屋顶的蓄水模块，区别传统的绿色屋顶位于基质层的下方，增加了与基质层的接触范围和蓄水容积，在雨前干期较长的干旱期期间，生态岩棉蓄水模块中蓄存的水分会通过毛细力作用转移至干燥的土壤中，并且此过程减小了水分自身重力对其转移的反作用，提高了水分的转移效率；最终实现向基质层补充水分，维持植物生长，减少灌溉用水。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图；

图1为本发明一种实施例提供的可调控基质干湿的绿色屋顶系统的结构原理图；

图2为本发明一种实施例提供的可调控基质干湿的绿色屋顶系统工作流程图。

图中：

1为绿色屋顶装置；2为蓄水模块；3为植被层；4为基质层；5为土工布过滤层；6为排水层；7为湿度传感器；8为中央控制器；9为电渗透控制器；10为正电极；11为外侧壁；12为内侧壁；13为底板；14为盖板；15为负电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例公开了一种可调控基质干湿的绿色屋顶系统，目的在于解决解决在降雨集中期间基质层4蓄水能力恢复慢和在干旱期基质层4水分不足、植物生长受到抑制的问题。包括：基质层4、蓄水模块2、植被层3和电渗透系统；植被层3位于基质层4的顶部；蓄水模块2位于基质层4的侧面且与基质层4连通；电渗透系统包括正电极10、负电极15和电渗透控制器9；正电极10位于基质层4内，负电极15位于蓄水模块2内，电渗透控制器9与正电极10、负电极15电连接，使正电极10和负电极15之间产生电势梯度。

本发明是实施例基于电渗透脱水原理：在土壤多孔介质中植入电极，将电场作用于土壤颗粒间的毛细孔道内，形成的一系列低压脉冲电荷可电离化水分子，并且在正负极之间产生电势梯度使带电粒子定向移动和粘滞力带动孔隙水移动，从而对多孔介质内孔隙自由水中离子和扩散层中的可交换离子移动产生影响，加快土壤中自由水和孔隙水的脱除。

在一个实施例中，基质层4基质为本地自然田园土或添加草炭、腐殖质的改良土，厚度为10cm。

在一个实施例中，正电极10位于基质层4中轴线处，负电极15位于蓄水模块2内远离基质层4的一侧，保证电势梯度驱动带电粒子定向移动的距离并充满整个蓄水模块2。

在一个实施例中，正电极10和负电极15均至少设置一个，正电极10沿基质层4中轴线以固定间隔设置，负电极15以固定间隔布设在蓄水模块2内。

在一个实施例中，还包括土工布过滤层5和排水层6，排水层6用于将多余水分向外界排出。排水层6采用的是2cm厚的凹凸排水板。

本实施例中，基质层4侧面和底面均包覆有土工布过滤层5，土工布过滤层5采用密度250g/m²的透水土工布，沿排水层6上沿和装置内侧壁12布置，将基质层4土壤下底、两侧完全包裹，防止土壤流失，且避免直接接触生态岩棉对其造成污染和堵塞。

在一个实施例中，还包括中央控制器8和湿度传感器7；中央控制器8与湿度传感器7和电渗透控制器9电连接，湿度传感器7位于基质层4内，用于监测基质层4的水分含量；中央控制器8用于读取识别湿度传感器7采集的湿度信号，并对电渗透控制器9发送工作信号。

本实施例中，湿度传感器7设置有多个，均匀布置于基质层4中，用于监测各个位置的湿度信号，之后中央控制器8读取并计算基质层中的平均湿度信号，或者计算基质层4中不同分区中的平均湿度信号。

在一个实施例中，还包括绿色屋顶装置1壳体，绿色屋顶装置1壳体包括外侧壁11、内侧壁12、底板13、盖板14，均由PVC材料制成。

其中，外侧壁11包覆于蓄水模块2外侧面，内侧壁12位于基质层4和蓄水模块2之间，即蓄水模块2设置于外侧壁11、内侧壁12之间，位于基质层4两侧，且内侧壁12上具有供水渗透的孔洞，孔洞孔径为1cm，两孔间距3cm，满足蓄水模块2与基质层4之间水分的传递；

盖板14位于蓄水模块2的顶部，盖板14能够防止蓄水模块2内的水分蒸发。底板13位于排水层6的底部，底板13与外侧壁11围成半包围结构。

在一个实施例中，蓄水模块2采用生态岩棉，是一种具有较高强度和耐久性、吸水率高、孔隙率大、过滤性能好的生态环保型材料。

在一个实施例中，外侧壁11和底板13是一体的防渗壳体结构，相当于一个容器；盖板14与内侧壁12为可拆卸结构，便于向蓄水模块2中填装蓄水材料，如生态岩棉。

本实施例中，植被层3、基质层4、土工布过滤层5、排水层6由上至下依次设置在绿色屋顶装置的壳体中。

在一个实施例中，正电极10采用橡胶石墨电极，负电极15采用铜质电极。

在一个实施例中，植被层3种植的植物为佛甲草。

本发明的具体实现过程为：

在降雨集中、雨前干期短的降雨事件发生后，基质层4土壤湿度升高，而蓄水模块2的生态岩棉中水分含量低，通过基质层4中的湿度传感器7监测土壤湿度，并将湿度信号传递至中央控制器8，当土壤湿度高于某一值（如土壤湿度80%）时，中央控制器8向电渗透控制器9发送工作信号，在基质层4土壤和生态岩棉蓄水模块2间（正负电极间）的毛细孔道内产生一系列低压脉冲电荷电离化水分子，并形成电势梯度驱动带电粒子定向移动和粘滞力带动孔隙水移动，加快土壤中自由水和孔隙水的脱除；当土壤湿度低于某一值（如土壤湿度20%）时，中央控制器8向电渗透控制器9发送停止工作信号，基质层4和蓄水模块2之间电势梯度消失。通过此过程，可将基质层4土壤水分转移至生态岩棉蓄水模块2中，实现水分的蓄存和基质层4土壤的及时干燥，加快恢复基质层4滞蓄雨水的能力，有利于在下次降雨时维持绿色屋顶较高的雨水滞蓄能力。

在雨前干期较长的干旱期期间，由于生态岩棉蓄水模块2中蓄存了雨水，并且生态岩棉与基质层4土壤的接触范围大，当生态岩棉的水分含量高于基质层4土壤时，在自然的毛细力作用下，并减弱了水分子自身重力对其移动的影响，使得生态岩棉中的水分可以通过装置内侧壁12的圆孔，转递至基质层4。在此过程中，实现在干旱期补充基质水分，增加土壤湿度，维持植物生长，减少灌溉用水。

上述过程充分说明，本发明在雨前干期短的两次降雨事件之间，通过电渗透脱水技术实现基质层4土壤的快速干燥，提升下次降雨事件中绿色屋顶的雨水滞蓄效果；本发明设置的蓄水模块2位于基质层4的两侧，填充材料为吸水和保水能力强的生态岩棉，在雨前干期较长的干旱期期间，生态岩棉中蓄存的水分会通过毛细力作用转移至干燥的土壤中，向基质层4补充水分；通过上述过程，实现基质层4的干湿交替变化，以提高不同雨前干期降雨事件下绿色屋顶的雨水滞蓄能力，并保证了干旱期基质层4土壤的水分含量。

以上对本发明所提供的可调控基质干湿的绿色屋顶系统进行了详细介绍，本实施例中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本实施例中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本实施例所示的这些实施例，而是要符合与本实施例所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种可调控基质干湿的绿色屋顶系统，其特征在于，包括：基质层、蓄水模块、植被层和电渗透系统；其中，

所述植被层位于所述基质层的顶部；所述蓄水模块位于所述基质层的侧面且与所述基质层连通；

所述电渗透系统包括正电极、负电极和电渗透控制器；所述正电极位于所述基质层内，所述负电极位于所述蓄水模块内，所述电渗透控制器与所述正电极、负电极电连接，使正电极和负电极之间产生电势梯度；

所述正电极位于所述基质层中轴线处，所述负电极位于所述蓄水模块内远离所述基质层的一侧；

所述正电极和负电极均至少设置一个，所述正电极沿基质层中轴线以固定间隔设置，所述负电极以固定间隔布设在所述蓄水模块内；

还包括中央控制器和湿度传感器；所述中央控制器与所述湿度传感器和所述电渗透控制器电连接，所述湿度传感器位于所述基质层内，用于监测所述基质层的水分含量；所述中央控制器用于读取识别所述湿度传感器采集的湿度信号，并对所述电渗透控制器发送工作信号；

还包括绿色屋顶装置壳体，所述绿色屋顶装置壳体包括外侧壁和内侧壁；蓄水模块设置于外侧壁、内侧壁之间，位于基质层两侧，且内侧壁上具有供水渗透的孔洞，满足蓄水模块与基质层之间水分的传递；

所述蓄水模块采用生态岩棉。

2.根据权利要求1所述的可调控基质干湿的绿色屋顶系统，其特征在于，还包括土工布过滤层和排水层，所述基质层底部依次设置所述土工布过滤层和所述排水层。

3.根据权利要求2所述的可调控基质干湿的绿色屋顶系统，其特征在于，所述基质层侧面和底面均包覆有所述土工布过滤层。

4.根据权利要求2所述的可调控基质干湿的绿色屋顶系统，其特征在于，所述绿色屋顶装置壳体包括底板、外侧壁、内侧壁和盖板；所述外侧壁包覆于所述蓄水模块外侧面，所述内侧壁位于所述基质层和蓄水模块之间，所述盖板位于所述蓄水模块的顶部，用于蓄水模块的更换；所述底板位于排水层和蓄水模块的底部。

5.根据权利要求4所述的可调控基质干湿的绿色屋顶系统，其特征在于，所述盖板和内侧壁为可拆卸结构。

6.根据权利要求1所述的可调控基质干湿的绿色屋顶系统，其特征在于，所述正电极采用橡胶石墨电极，所述负电极采用铜质电极。

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