北方城市屋顶绿化太阳能节水自动灌溉技术应用研究

王恒玺

（山东省临沂市城市管理综合服务中心 276001）

随着我国城市化进程的加快，城市人口急剧增长，城区建设日新月异也拥挤不堪，大量的园林绿地被破坏和占用，人均绿地占有面积一直处于合格的边缘线。近年来，屋顶绿化得到了重视和推广，似乎是目前能解决这一矛盾的有效途径。

众所周知，屋顶绿化除了可以增加城市绿地面积和美化环境外，还可以带来一定的生态效益，例如：吸收有害气体、降尘减噪、滞留和净化水源等，所以，发展屋顶绿化日趋重要。但是，屋顶绿化大力推广的同时缺乏行业的有效规范和指导，例如：工程要求、施工流程、土壤和植物的选择和管理要求等方面，尤其在建设完成后的管理期，水源的供给几乎是靠天吃饭，屋顶绿化效果差。

本研究主要是解决屋顶绿化后期管理上浇水灌溉问题，根据不同的屋顶绿化模式和植物配置，选择灌溉浇水模式，利用太阳能提供动力，结合其他配套系统实现自动化灌溉浇水，同时，建设雨水蓄留池，对雨水进行沉降、过滤再次利用，节能的同时又节约水源。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本试验尝试使用土壤湿度感应器和控制器来自动启停进行节水灌溉[2]。灌溉动力采用太阳能发电、蓄电池供电，市电供给作为备用电源。建设雨水蓄留池，沉降、过滤后，优先使用收集的雨水。

1.2 试验地状况

试验地设在临沂市园林处原办公楼楼顶绿化工程，位于山东省东南部，属暖温带季风区大陆性气候，年平均温度13.3℃，年降水量793.9mm，年日照时数2314h。试验地面积约600m2，种植植物为佛甲草等浅根性植被，栽植成型时间约3 年，长势良好。

1.3 试验内容

分析本试验地的气候情况：一般春夏秋相应的灌溉需水量稍大，尤其春季干旱返青期和秋季干燥少雨期需水量增加，夏季雨水充沛，需水量一般，特殊天气情况除外，冬季在入冬后一次性浇足越冬水即可，需水量较少。具体情况如图1。

1.3.1 太阳能供电单元。①通过测量绿地面积的大小和需水量的多少，确定太阳能供电部分为2 片功率为50W 的光伏板、电池蓄电量大小为65AH 和灌溉组合形式[3]。②利用土壤湿度感应器发射湿度数字信号到太阳能电源的单片机，达到设定值时（最大值和最小值），土壤湿度控制器智能启停喷灌系统[4]。

1.3.2 绿地自动灌溉单元。本试验中太阳能节水自动灌溉单元主要由自动启停控制模块、土壤湿度感应器、电磁阀、单片机、电磁阀驱动电路等组成，系统应用模糊控制算法实现自动灌溉控制[5]。

工作原理是通过土壤湿度值发送至模糊控制器——单片机中，判断是否需要对绿地实施灌溉。然后通过单片机控制电磁阀启动，当全部的土壤感应器数值达到湿度传感器上限时[6]，启停控制模块自动驱动开关动作，关闭灌溉系统。

图1 2010～2017 年度月均降水量

雨季时通过渗虑和径流多余的雨水回收到蓄水池，通过沉降净化保存以备灌溉使用[7]。灌溉系统会在蓄水池水量满足条件下优先启动水泵从蓄水池中取水（加过滤装置）；当蓄水池水位过低，会发出报警信号并自动切换至城市供水系统。

1.4 方法与步骤

将试验设置成2 个对比组，A 组是将系统的过欠载保护电路输入端接入朝南36°摆放的太阳能光伏板，输出端接入泵阀；B 组是将带光线跟踪装置的太阳能光伏板接入供电单元主回路的输入端，水泵接入主回路中12V 供电端，工作过程中，利用控制器对其控制。通过测量2 组太阳能电池板输出端的输出电压、电流，对两者的太阳能光伏板实时输出功率进行对比。通过抽水量流量计算，每30min 测量计算1 次，对光伏板工作性能进行对比分析。

1.4.1 组装连接。把A、B 组太阳能光伏板（A 组太阳能电池板朝南36°摆放，B 组带光线跟踪装置）与电流表、电压表（万用表）和2 台同型号负载水泵分别进行连接，为试验需要暂时不接入蓄电池（65AH）模块。

1.4.2 准备水桶。试验需要将2 组水泵的进水端和出水端分别放入试验用水桶中，共需要8 个刻度水桶，水桶容量为350L，将其中4 个水桶装满水，水位相等，作为A、B 组中水泵的水源。另外还需4 个水桶用于替换水泵出水口水桶。

1.4.3 启用。接通电源，系统工作，记录电流、电压和每隔30min 测量2 个出水端水桶的水量，计算平均每分钟流量，根据现场情况及时给予水桶补水，使试验顺利进行。试验时间在每天8：00～17：00，6～8 月份每月试验测试3 天。

2 结果分析

2.1 输出功率与水流量

本试验选择3 个月中天气变化较大的1 天的试验数据作为分析对象，将2 组的测量数据进行处理，对比分析2 组工作系统的性能，并列出输出功率、流量—时间曲线，2 组试验的计算结果如图2、图3 所示。

图2 2 组输出功率—时间曲线图

图3 2 组流量—时间柱状图

输出功率—时间曲线图反映了太阳能电池板在工作过程中实际输出功率能力。从图2 中可以看出，B 组的输出功率明显大于A 组的输出功率。2 组曲线在10：00 之前呈上升趋势（天气晴朗），10：00～12：30 之间波动较大（天气多云），12：30～14：00 两试验组无输出功率（天气下雨），14：00～14：30 之间上升趋势（天气转晴），14：30～17：00 两组均有所下降（太阳西落）。由于太阳能辐照下降，导致A 组在16：30 点之后下降趋势明显，但B 组因不断调整入射角，导致太阳能电池输出效率下降趋势稍缓慢，在17：00 之后A 组输出功率已经很小了。

2.2 屋顶绿化太阳能自动灌溉应用前景[8]

经过近2 年的试验，该自动灌溉系统完全满足使用要求，故障率很低，光伏发电基本满足电力需求，从而实现屋顶绿化管理自动化节水灌溉的目的。

该自动灌溉系统能充分利用雨水蓄虑与太阳能发电，可减少绿化管理的投入，特别适用于较大面积的屋顶花园、高层楼房屋顶绿化和花卉蔬菜大棚温室等。如加工改良形成配套产品，可根据不同实地情况作出相应的组装调整，使产品具有很强适应性，这将存在极大的经济效益和市场前景。

3 讨论

在光伏发电系统中，尤其是光照强度变化较大的情况下（冬季、早春、晚秋），难以持续充电，通过对比发现，本系统中太阳能电源不具备光源自动跟踪装置，实际能量利用有些浪费。因此，今后将全部加装太阳光线自动跟踪装置，同时引入可快速充电的锂电池对充电系统进行进一步改进，充分提高太阳能的利用率，提高工作效率。

综上，该系统基本满足屋顶绿化自动灌溉的要求，实现利用太阳能作为动力与屋顶绿化养护相结合的全自动节水灌溉，很大程度上节省了劳动力、电力和水资源，为今后城市园林绿化建设养护和新能源发展相结合提供了理论和技术支持。