家庭阳台绿化自动浇灌装置研究★

李颀 于林平* 刘祁华 卢鹏超 吕 荣 杨归任

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁大连 116023)

1 研究背景

我国的淡水总量丰富，位于世界第六位。但是由于人口基数和耕地面积基数较大，人均占有量相对很少。我国人均占有水资源量为2 300 m3，仅相当于世界人均占有量的1/4，美国的1/6，排在世界的第121 位［1］。由于受到季风的影响及水土资源组合的不平衡，导致了我国的水资源时间分布不平衡，空间分布不平均。农业缺水、城市缺水及生态环境缺水是我国水资源短缺的三大问题。调查数据表明，目前我国人均可利用水资源量仅约为900 m3，已有300 多个城市缺水，水资源短缺已经成为制约经济与社会发展的严重障碍。针对水资源短缺的状况联合国曾发出警告:人类在石油危机之后，下一个危机就是水。因此，增强水的危机意识，保护水资源，珍惜水、节约水刻不容缓。另外，不合理利用等导致的水资源浪费也成为主要问题，合理利用水资源成了解决当下问题的主要途径之一。其中，据初步测算我国平均每个家庭一天要消耗大约16 L 水来淘米、洗菜，一年则需要5 840 L，这些可回收利用水源每年大量流失造成了水资源的浪费，因此家庭废水的合理有效利用不可忽视［2-4］。与此同时，随着经济社会发展，家庭绿化对于环境的净化作用受到重视，人们希望通过家庭绿化美化环境、改善家庭环境质量并享受绿色生活，但是由于生活节奏加快，在生活中总会有无暇照顾花草的时候，从而影响家庭花卉生长，因此，实现家庭绿化的自动化浇灌可以满足人们享受绿色生活的需要。

2 家庭阳台绿化自动浇灌装置设计

基于家庭厨房废水回收利用中存在的不足，研究并设计一种结构简单，能够将家用废水集中收集并用于自动浇灌的家庭集水再利用装置。

2.1 装置的模块设计

基于集水与自动浇灌的需要，本装置的设计主要由集水装置、自动浇灌系统两部分组成。1)集水装置:家庭厨房中淘米、洗菜水等可回收利用的水源通过管道经过滤后进入集水装置(集水箱)。集水箱基于便于拆卸与清洁而设计，结构合理。2)家庭绿化自动浇灌系统:由供水浇灌装置和水位监测装置两部分构成。供水浇灌装置采用土壤湿度感应原理，通过湿度感应器自动控制电磁阀及水泵的工作状态，实现自动控制浇灌，为净化及美化室内环境提供保障。水位监测装置由电控制模块及水位监测探头组成，通过集水箱内水面位置高低监测箱内水量，当水量不足时，可以接通家庭供水管路提供水源，保证自动浇灌用水量，达到合理用水的目的。其供电部分采用双重保障，即屋顶安装太阳能板，为电路模块提供电能，节能环保;当太阳能板能量不足时，转换为家庭用电系统继续提供电能。集水装置(集水箱)上部设计成小型家庭阳台花坛，其中栽种绿化盆栽等增加了装置的使用功能同时满足家庭绿化需要，装置模型如图1 所示。

图1 家庭阳台绿化自动浇灌装置模型

2.2 自动浇灌系统工作电路设计

自动浇灌系统是本装置的主体，其工作电路由继电器、电磁阀、水泵及相应供水管路构成，由湿度感应器控制电路通过传输相应的电信号来控制其工作状态。当土壤中湿度充足时，土壤湿度感应器部分电路闭合，水泵停止工作，不进行供水。当土壤湿度低于土壤湿度感应器设定值时，检测探头得到信号，感应器指示灯亮起，传出电信号，继而控制工作电路工作。土壤湿度感应器工作原理如图2 所示。自动浇灌系统通过传感器检测植物生长的土壤湿度，本装置依据植物特点分别对相应的湿度感应器设计土壤湿度设计值，进行土壤湿度调控，实现不同植物的自动浇灌，合理科学用水。实验证明，通常植物以土壤水分占土壤持水量的60%～80%时生长最好，快速准确地测定土壤水分对于探明植物生长发育期内土壤水分盈亏以便适时作出灌溉施肥决策或排水措施等具有重要的意义。

图2 湿度传感器的原理

3 装置的特点

针对目前家庭厨房中所产生的大量可利用废水直接排入下水系统造成的水资源浪费的问题，设计具有自动浇灌功能的家庭集水装置，能够收集淘米、洗菜过程中所产生的废水，同时利用湿度感应原理对家庭绿化植物的土壤的湿度进行自动检测，并根据检测结果进行土壤浇灌。装置的结构简单，设计巧妙，布局合理，为家庭废水的回收再利用提出了新的思路。装置具有以下特点:

第一，利用集水装置(集水箱)实现家庭废水(淘米、洗菜水等)可二次利用水资源的收集;第二，自动浇灌系统通过土壤湿度感应原理调节土壤湿度，并依据植物特点分别对相应的湿度感应器设计土壤湿度设计值，实现不同植物的自动浇灌，使自动化家居走入人们的生活，节约了人力、物力;第三，阳台自动浇花系统供水管路和电控线路均可拆卸，便于故障排查，同时集水过滤部分也各自独立可拆卸，便于清洁及检修;第四，装置具备集水、自动浇灌与家庭绿化功能于一体，有效利用家庭阳台绿化区域，美化了居住环境。

［1］王晓昌.中国水资源现状评价和供需发展趋势分析［M］.北京:中国水利水电出版社，2001.

［2］卢亚雄，罗卫东，刘晶茹，等.利用同层排水卫生间地面下结构贮水系统的研究［J］.山西建筑，2014，40(23):164-165.

［3］余海静.建筑内生活废水的再利用［J］.建筑技术开发，2004(11):97.

［4］王 巍.浅谈城镇居民用水二次利用［J］.黑龙江环境通报，2004(4):94-95.