家庭陽臺綠化自動澆灌裝置研究★

李頎 于林平* 劉祁華 盧鵬超 呂 榮 楊歸任

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧大連 116023)

1 研究背景

我國的淡水總量豐富，位于世界第六位。但是由于人口基數(shù)和耕地面積基數(shù)較大，人均占有量相對很少。我國人均占有水資源量為2 300 m3，僅相當于世界人均占有量的1/4，美國的1/6，排在世界的第121 位［1］。由于受到季風的影響及水土資源組合的不平衡，導致了我國的水資源時間分布不平衡，空間分布不平均。農業(yè)缺水、城市缺水及生態(tài)環(huán)境缺水是我國水資源短缺的三大問題。調查數(shù)據(jù)表明，目前我國人均可利用水資源量僅約為900 m3，已有300 多個城市缺水，水資源短缺已經(jīng)成為制約經(jīng)濟與社會發(fā)展的嚴重障礙。針對水資源短缺的狀況聯(lián)合國曾發(fā)出警告:人類在石油危機之后，下一個危機就是水。因此，增強水的危機意識，保護水資源，珍惜水、節(jié)約水刻不容緩。另外，不合理利用等導致的水資源浪費也成為主要問題，合理利用水資源成了解決當下問題的主要途徑之一。其中，據(jù)初步測算我國平均每個家庭一天要消耗大約16 L 水來淘米、洗菜，一年則需要5 840 L，這些可回收利用水源每年大量流失造成了水資源的浪費，因此家庭廢水的合理有效利用不可忽視［2-4］。與此同時，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，家庭綠化對于環(huán)境的凈化作用受到重視，人們希望通過家庭綠化美化環(huán)境、改善家庭環(huán)境質量并享受綠色生活，但是由于生活節(jié)奏加快，在生活中總會有無暇照顧花草的時候，從而影響家庭花卉生長，因此，實現(xiàn)家庭綠化的自動化澆灌可以滿足人們享受綠色生活的需要。

2 家庭陽臺綠化自動澆灌裝置設計

基于家庭廚房廢水回收利用中存在的不足，研究并設計一種結構簡單，能夠將家用廢水集中收集并用于自動澆灌的家庭集水再利用裝置。

2.1 裝置的模塊設計

基于集水與自動澆灌的需要，本裝置的設計主要由集水裝置、自動澆灌系統(tǒng)兩部分組成。1)集水裝置:家庭廚房中淘米、洗菜水等可回收利用的水源通過管道經(jīng)過濾后進入集水裝置(集水箱)。集水箱基于便于拆卸與清潔而設計，結構合理。2)家庭綠化自動澆灌系統(tǒng):由供水澆灌裝置和水位監(jiān)測裝置兩部分構成。供水澆灌裝置采用土壤濕度感應原理，通過濕度感應器自動控制電磁閥及水泵的工作狀態(tài)，實現(xiàn)自動控制澆灌，為凈化及美化室內環(huán)境提供保障。水位監(jiān)測裝置由電控制模塊及水位監(jiān)測探頭組成，通過集水箱內水面位置高低監(jiān)測箱內水量，當水量不足時，可以接通家庭供水管路提供水源，保證自動澆灌用水量，達到合理用水的目的。其供電部分采用雙重保障，即屋頂安裝太陽能板，為電路模塊提供電能，節(jié)能環(huán)保;當太陽能板能量不足時，轉換為家庭用電系統(tǒng)繼續(xù)提供電能。集水裝置(集水箱)上部設計成小型家庭陽臺花壇，其中栽種綠化盆栽等增加了裝置的使用功能同時滿足家庭綠化需要，裝置模型如圖1 所示。

圖1 家庭陽臺綠化自動澆灌裝置模型

2.2 自動澆灌系統(tǒng)工作電路設計

自動澆灌系統(tǒng)是本裝置的主體，其工作電路由繼電器、電磁閥、水泵及相應供水管路構成，由濕度感應器控制電路通過傳輸相應的電信號來控制其工作狀態(tài)。當土壤中濕度充足時，土壤濕度感應器部分電路閉合，水泵停止工作，不進行供水。當土壤濕度低于土壤濕度感應器設定值時，檢測探頭得到信號，感應器指示燈亮起，傳出電信號，繼而控制工作電路工作。土壤濕度感應器工作原理如圖2 所示。自動澆灌系統(tǒng)通過傳感器檢測植物生長的土壤濕度，本裝置依據(jù)植物特點分別對相應的濕度感應器設計土壤濕度設計值，進行土壤濕度調控，實現(xiàn)不同植物的自動澆灌，合理科學用水。實驗證明，通常植物以土壤水分占土壤持水量的60%～80%時生長最好，快速準確地測定土壤水分對于探明植物生長發(fā)育期內土壤水分盈虧以便適時作出灌溉施肥決策或排水措施等具有重要的意義。

圖2 濕度傳感器的原理

3 裝置的特點

針對目前家庭廚房中所產(chǎn)生的大量可利用廢水直接排入下水系統(tǒng)造成的水資源浪費的問題，設計具有自動澆灌功能的家庭集水裝置，能夠收集淘米、洗菜過程中所產(chǎn)生的廢水，同時利用濕度感應原理對家庭綠化植物的土壤的濕度進行自動檢測，并根據(jù)檢測結果進行土壤澆灌。裝置的結構簡單，設計巧妙，布局合理，為家庭廢水的回收再利用提出了新的思路。裝置具有以下特點:

第一，利用集水裝置(集水箱)實現(xiàn)家庭廢水(淘米、洗菜水等)可二次利用水資源的收集;第二，自動澆灌系統(tǒng)通過土壤濕度感應原理調節(jié)土壤濕度，并依據(jù)植物特點分別對相應的濕度感應器設計土壤濕度設計值，實現(xiàn)不同植物的自動澆灌，使自動化家居走入人們的生活，節(jié)約了人力、物力;第三，陽臺自動澆花系統(tǒng)供水管路和電控線路均可拆卸，便于故障排查，同時集水過濾部分也各自獨立可拆卸，便于清潔及檢修;第四，裝置具備集水、自動澆灌與家庭綠化功能于一體，有效利用家庭陽臺綠化區(qū)域，美化了居住環(huán)境。

［1］王曉昌.中國水資源現(xiàn)狀評價和供需發(fā)展趨勢分析［M］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［2］盧亞雄，羅衛(wèi)東，劉晶茹，等.利用同層排水衛(wèi)生間地面下結構貯水系統(tǒng)的研究［J］.山西建筑，2014，40(23):164-165.

［3］余海靜.建筑內生活廢水的再利用［J］.建筑技術開發(fā)，2004(11):97.

［4］王 巍.淺談城鎮(zhèn)居民用水二次利用［J］.黑龍江環(huán)境通報，2004(4):94-95.