省潅水自動化システム

トップ :: A 生活必需品 :: A01 農業;林業;畜産;狩猟;捕獲;漁業

【発明の名称】	省潅水自動化システム
【発明者】	【氏名】菊地功二【住所又は居所】東京都港区芝浦４丁目８番３３号株式会社関電工内【氏名】古部悟【住所又は居所】埼玉県川口市江戸袋２丁目１番２号日本地工株式会社内
【要約】	【課題】屋上等に設けられた緑化施設に対して、土壌中の含水率に応じて潅水し、さらに汎用部品を使用して安価でかつ精度の良い省潅水装置から成る省潅水自動化システムを提供する。【解決手段】土壌に植生された植物によって形成された緑化施設において、当該緑化施設の土壌中に、熱電対から成る水分センサー１を埋設し、当該水分センサー１にコンパレータ２を接続して水分センサー１の出力電圧がコンパレータ２で予め設定した土壌における含水率に相応する電圧のしきい値を超えた場合にコンパレータ２が出力し、これにより電磁弁１２を開いて上記緑化施設の植物に潅水する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
土壌に植生された植物によって形成された緑化施設において、
当該緑化施設の土壌中に、熱電対から成る水分センサーを埋設し、当該水分センサーにコンパレータを接続して水分センサーの出力電圧がコンパレータで予め設定した土壌における含水率に相応する電圧のしきい値を超えた場合にコンパレータが出力し、これにより電磁弁を開いて上記緑化施設の植物に潅水することを特徴とする、省潅水自動化システム。
【請求項２】
上記水分センサーを均一な粒径の粒子から成る土砂で被包して土壌中に埋設したことを特徴とする、上記請求項１に記載の省潅水自動化システム。
【請求項３】
上記水分センサーによる土壌の含水率の検知及び潅水は、２４時間タイマーによる設定時のみとしたことを特徴とする、上記請求項１又は２の何れかに記載の省潅水自動化システム。
【請求項４】
上記水分センサーは扁平形状であり、当該水分センサーを垂直に立設して土壌中に埋設したことを特徴とする、上記請求項１乃至３の何れかに記載の省潅水自動化システム。

【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
この発明は、都市環境の改善に有効と言われているビルや工場等の屋上等の緑化施設において、使用する水量を極力少なくした省潅水自動化システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
都市部のヒートアイランド現象などの都市環境の改善を目的として都市緑化、例えばビルなどの建築物の屋上緑化への要望が高まっているが、植物の生育維持のための潅水にかかる水道代のランニングコストが大きいことが普及を阻む原因の1つとされている。
【０００３】
特に屋上緑化を行う場合、リュウゼツランなどの多肉植物を除いては、土壌を厚くするか、又は土壌に潅水設備を加えて土壌を薄くするかの何れかの方法が必要となっている。そして土壌を厚くするとこれらの緑化施設を設けた屋上や屋根の耐荷重が問題となり、既存の建物では、その大部分が設置困難なことが多く、土壌を薄くして潅水設備を加えるのが一般的である。
【０００４】
この様な緑化施設の潅水設備の稼動に当っては、管理者等の省力化のためにタイマー等による自動潅水設備が採用されていることが多く、大量の水が無駄に使用されている。
出願人は東京都内で３００ｍ^２の緑化施設を設け、潅水設備の稼動状況の調査を行った。この調査結果によると昨年１年間で潅水のために散水バルブを開放したのは、十数回であり、この施設は実験を目的としていたため管理者が毎日土壌の湿潤状況を確認し、潅水が必要なときだけ散水バルブを開いた。
【０００５】
これに対して、一般的な自動潅水設備により散水を行った場合の使用水量の試算結果を示す。点滴式潅水パイプにより、冬期２ヶ月間を除き毎日３０分潅水を行った場合の１００ｍ^２当りの水量は、散水孔１個の噴出水量：２．３リットル／時間、１ｍ^２の散水孔の数：６．６６個（１００ｍ^２では６６６個）、年間水量＝２．３リットル×０．５時間×６６６個×３００日＝２２９，７７０リットルで約２３０トン、水道料金＝約２３０トン×＠５００円＝１１５，０００円／年、１０年では１１５万円となる。
【０００６】
緑化施設の工事コストを＠２０，０００円とすると１００ｍ^２では２００万円となり、イニシャルコスト１００％に対してランニングコストは年約６％、１０年では約６０％となる。この様に大量の水が殆ど無駄に潅水されている事が分かった。この様な緑化施設に管理者がいて毎日土壌の水分量をチェックし、潅水が必要な時だけ散水し、例えば使用水量を１／１０に抑えられるとしたら、イニシャルコスト１００％に対してランニングコストは年約０．６％、１０年では約６％となる。
【０００７】
また植物の生育において土壌から吸収できる水分の量は最も重要である。土壌の水分は、雨水又は潅水によって、土の隙間に水分の一部が貯えられ、植物は水分とともに栄養分などを根から吸収して成長しているが、土壌が乾燥し植物がしおれ始める時は、土壌への潅水が必要になる。よって出願人は、１９９９年東京都の降雨データを基に土壌のシミュレーションによる計算を行った。結果として、上記の通り、植物の生育に必要な土壌水分の管理ができていれば、年間の水道料はおよそ１／１０以下に抑えられることが分かった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の通り、一般の緑化施設における潅水設備の稼動に当っては、管理者等の省力化のために自動潅水設備を採用し、降雨の時も晴天の時も無関係に、或いは土壌の湿潤状態とは無関係にタイマー等により潅水されており、大量の水が無駄に潅水されている。またこの様な過剰な潅水は、植物自体の根腐れや緑化施設における苔の発生を促し、悪影響を招く。さらに植物の自力生長を促すためにも不必要な潅水は避けられなければならない。
【０００９】
一方、土壌の湿潤状態を測定する機器として、従来から土壌水分吸引力計（以下「ｐＦ計」という）があるが、これは、土壌から水分を引き離すのに必要な力を水柱の高さ（ｃｍ）の対数で表したもので、数値（以下「ｐＦ値」と言う）は０～７の範囲で０は飽和状態で、数字が大きくなるほど水分が少なくなる。このｐＦ計は高価であり、取り扱いに専門的な知識と経験を必要とし、また土壌中に設置するにも熟練した技術が求められる。さらにこのｐＦ計は、機器内に設けられた真空部の真空度によってメーターの表示が変わり、また機器内に設けられた管内に注水されている水を外部に排出する口が地表の青こけによって詰まり易く、詰まるとその都度洗浄する必要があった。また、上述の様に機器内に設けられた管内に外部から必要に応じて注水しなければならない。この様に従来のｐＦ計では、使用に際しての不都合が多々見られた。
【００１０】
そこでこの発明は、例えば屋上等に設けられた緑化施設に対して、土壌中の含水率に応じて潅水し、さらに汎用部品を使用して安価でかつ精度の良い省潅水装置から成る省潅水自動化システム（方法）を提供して上記課題を解決するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明は、土壌に植生された植物によって形成された緑化施設において、当該緑化施設の土壌中に、熱電対から成る水分センサーを埋設し、当該水分センサーにコンパレータを接続して水分センサーの出力電圧がコンパレータで予め設定した土壌における含水率に相応する電圧のしきい値を超えた場合にコンパレータが出力し、これにより電磁弁を開いて上記緑化施設の植物に潅水する省潅水自動化システムとした。
【００１２】
請求項２の発明は、上記水分センサーを均一な粒径の粒子から成る土砂で被包して土壌中に埋設した上記請求項１に記載の省潅水自動化システムとした。また請求項３の発明は、上記水分センサーによる土壌の含水率の検知及び潅水は、２４時間タイマーによる設定時のみとした上記請求項１又は２の何れかに記載の省潅水自動化システムとした。さらに請求項４の発明は、上記水分センサーは扁平形状であり、当該水分センサーを垂直に立設して土壌中に埋設した上記請求項１乃至３の何れかに記載の省潅水自動化システムとした。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１乃至３の各発明によれば、緑化施設の土壌中に、水分センサーを埋設して、当該土壌中の含水率を検知し、当該検知した土壌の含水率が予め設定したしきい値より大きければ、当該緑化施設の植物に潅水することとしたので、潅水を必要な時だけにして潅水量を従来のおよそ十分の一等にすることが出来、緑化施設の水道代を大きく下げることが出来る。また水分センサーとして、熱電対を使用し、さらにコンパレータにより当該水分センサーの検知条件を制御したので、精度の良い水分センサーを備えた省潅水装置が安価に出来る。その結果、緑化施設の普及に大きく貢献するものである。
【００１４】
請求項２の発明によれば、上記水分センサーを均一な粒径の粒子から成る土砂で被包して土壌中に埋設したので、この水分センサーを埋設する土壌の種類、粒径の違いにかかわらず、安定した信頼できる水分センサーの感知性能が確保され、水分センサー埋設時の熟練が不要となる。さらに請求項３の発明によれば、上記水分センサーによる土壌の含水率の検知及び潅水は、２４時間タイマーにより設定時のみ行われるものとし、また水分センサーの電源の動作時間を最小限にしたので、システムとしての消費電力を最低限のものに出来る。さらに請求項４の発明によれば、水分センサーを扁平形状にし、これを垂直に立設して土壌中に埋設したので、その上に被せた土壌からの重みや外傷を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
緑化施設の土壌中に、熱電対から成る水分センサーを埋設し、この水分センサーにコンパレータを接続して水分センサーの出力電圧がコンパレータで予め設定した土壌における含水率に相応する電圧のしきい値を超えた場合にコンパレータが出力し、これにより電磁弁を開いて上記緑化施設の植物に潅水する。
【００１６】
また上記水分センサーを均一な粒径の粒子から成る土砂で被包して土壌中に埋設し、上記水分センサーによる土壌の含水率の検知及び潅水は、２４時間タイマーにより設定時のみとし、さらに上記水分センサーを扁平形状にして、これを垂直に立設して土壌中に埋設した。
【実施例１】
【００１７】
以下、この発明の実施の形態例を図に基づいて説明する。
図１及び図２に示すのは、この実施例の省潅水自動化システムにおいて使用する省潅水装置Ａである。この省潅水装置Ａは、ほとんどを汎用部品より成し、概略、水分センサー１、コンパレータ２、電源３、２４時間ピン式設定タイマー４（以下、単に「２４時間タイマー」という）、リレースイッチ５、増幅器６によって構成される。
【００１８】
図３は、熱電対を応用した水分センサー１を示し、熱電対の一方の接続点Ｈ側にヒータ７を取り付けた回路であって水分センサー１の周りは媒質９で覆われている。ここでヒータ７に電流を流すと接続点Ｈ側は加熱され、その熱は媒質９に熱伝導される。媒質９が大気の場合では、図４に示す様に、熱が奪われにくいため一定出力となり、また媒質９が水では奪われる熱が多いため一定出力となり、図３で配置した電圧計に表れる。しかし、媒質９が土壌の場合は、図５に示す様に、大気と水の中間の出力となり、例えば土壌の水分量に応じた出力が得られる。そしてこの実施例では植物に必要な土壌の含水率の３０％以下の範囲で使用するため含水率の相違により電圧の変化が大きい。従って、含水率の相違が顕著に表れる。またヒータ７に電流を流さない状態では平衡が取れているため出力がないことから媒質温度の影響も少ない。
【００１９】
この様な水分センサー１は、図６に示す様に、１ｃｍ×３ｃｍのシート状とし、この周りに均一な粒径の粒子から成る検知用土で被包し、さらに被包を維持するためにネットなどを被せる（図示省略）。これにより異なる土壌中に水分センサー１を配置した場合の夫々の土壌の密着条件を均等にしたものであり、土壌の周りの土壌水分変化は微粒子の砂に染み込み、水分センサー１と密着し、土壌の異なる種類の異なった条件であっても影響されずに水分変化を即時測定可能となる。また水分センサー１は、緑化施設の一番乾燥が速い場所に埋設すれば緑化施設全体をカバーできる。水分センサー１の土壌中の埋設適正位置は、土壌への水の浸透、拡散状態の確認試験等から、ドリップホース（潅水用多孔式ホース、図示省略）との離隔は３０ｃｍ、植物の根からは、２～３ｃｍ離すのが最適である。
【００２０】
またこの水分センサー１の検知条件を上記コンパレータ２によって制御しており、このコンパレータ２からの出力値によってリレースイッチ５のｏｎ／ｏｆｆの信号を変換している。水分センサー１への加電開始時間は、２４時間タイマー４で制御され、加電される時間は、水分センサー１専用の３分間タイマー１０によって制御されて一定時間のみ加電されるようになっている。
【００２１】
この様な省潅水装置Ａの電源３は、用途や設置場所によって選択されればよいが、太陽光ソーラー＋蓄電池（ＤＣ１０～１２Ｖ）や、ＡＣ電源＋ＡＣ（１００Ｖ）～ＤＣコンバータ（ＤＣ１０～１２Ｖ）などを使用する。さらに上記コンパレータ２、２４時間タイマー４、リレースイッチ５は、２０ｃｍ×２０ｃｍ×１０ｃｍのサイズのケース１１内に収められている。このケース１１からは、水分センサー１が数メートルのコード１ａを伴って伸びており、また電源３及び電磁弁１２へ続くコードが伸びている。ここで潅水のための電磁弁１２としては、ＤＣ１０～１２Ｖで加電中オンタイプのものを使用している。
【００２２】
この様な省潅水装置Ａを屋上に設けた緑化施設に設置する。設置の際、図６に示す様に、この省潅水装置Ａの水分センサー１は、断面逆Ｔ字型のスタンド１３の垂直板１３ａに固定し、この状態で土壌中に差し入れて配置する。水分センサー１を垂直に差し入れるのは、水平に配置するとその上の土壌から重みや外傷を受け易いのを回避するためである。また水分センサー１を配置した位置に表示札などを立てておくと後に見つけ易く作業がはかどる。
【００２３】
土壌に設置された水分センサー１の検知動作開始間隔や潅水時間帯は、予め行われた２４時間タイマー４によるｏｎ／ｏｆｆ設定により行う。土壌や植物の種類による検知や潅水時間帯により複数位置の設定が可能である。この２４時間タイマー４がｏｎになると、ＤＣ１２ｖの電源３がｏｎになり、水分センサー１に３分間タイマー１０の設定時間だけ（ここでは２分間とする）加電され、水分センサー１のヒータ７に電流が流れる。水分センサー１のヒータ７に電流が２分間流れると水分センサー１の熱電対のゼーベック効果により、水分センサー１の周囲の土壌水分状態（土壌含水率）に応じた電圧が出力される。この水分センサー１から出力された電圧は、増幅器６によって増幅され、コンパレータ２へ送られる。
【００２４】
植物がしおれ始める土壌水分状態（土壌含水率）をしきい値として予め設定し、上記水分センサー１における出力電圧がコンパレータ２で設定したしきい値を超えると、リレースイッチ５が動作し電磁弁１２が開放され潅水が開始される。雨天や曇天等により土壌中に充分な水分が含まれている場合には、このしきい値を超えないので電磁弁１２は動作せず潅水はされない。この様に土壌含水率に相応するしきい値をコンパレータ２で任意に設定し制御する。また潅水時間帯としては、２４時間タイマー４のｏｎからｏｆｆの設定時間帯まで電磁弁１２が動作し、潅水が行われる。水分センサー１による検知動作開始間隔は、夏期は朝と夕方の２回とし、冬期は朝だけの１回とする。
【００２５】
次に、図７に示す様に、ビルの屋上にこの省潅水システムによる緑化施設Ｂを設置し、従来のタイマー等による自動潅水システム（以下、「従来潅水システム」と言う）によるによる緑化施設Ｄを設置し、比較実験を行った。
緑化施設Ｂ、Ｄの面積は、１ｍ^２、土壌は一般軽量土（天然人工団粒土壌）、土壌の厚さ１５ｃｍ、植栽植物は、ミント類で１区画２５ポット（種苗育成用小鉢）配置し、潅水方法は、滴下ホースを使用し、排出口は１区画７口設け、潅水時間は３０分間とした。
【００２６】
この比較実験における測定項目は、潅水回数、潅水量、天候（気象台データ）、大気温度、湿度、植生植物の生育状況（葉張り、草丈）、雑草の発生状況とした。
土壌別（黒土、倍土、一般軽量土）におけるしきい値を選定した。過去における植物がしおれ始める土壌の測定実績から、ｐＦ２．１付近がしおれ始まる数値であり、この時の含水比率は１３％である（図５における「点線円形状」参照）。このｐＦ値夫々の時の土壌含水率を水分センサーにより測定し、この時の発生電圧から、潅水開始点ｐＦ２．２のしきい値を設定した。
【００２７】
試験のための土壌の作成方法として、試験土壌を紙コップに入れ、この紙コップの土壌を乾燥させて絶乾状態とし、この時の重量を計測した。土壌の含水比１０％とは、絶乾状態の土壌の重さの１０％の重さの水を入れ、総重量は、１１０ｇとなる。この時のｐＦ値を測定する、含水比率１３％程度の時、ｐＦ値は２．１程度になっていた。
【００２８】
この比較試験の結果は、この実施例の省潅水システムの緑化施設Ｂの平成１５年夏期８月～９月までの潅水カウント回数は、２回であり、７月～９月の夏期で潅水回数は、月に１回程度であった。また潅水量は、従来潅水システムの緑化施設Ｄが土壌の湿潤状態とは無関係に７月～９月の３か月間毎日朝夕潅水したため２３リットルであったのに対し、この実施例の省潅水システムの緑化施設Ｂでは、１／１０の２．３リットルであった。そして植物の生育状況については、異常は無かった。従来潅水システムの緑化施設Ｄと比較し、徒長せず、雑草は少なかった。電源はソーラーで充分可能であった。この実施例の省潅水システムの緑化施設Ｂと従来潅水システムの緑化施設Ｄにおいて、植物の生育状況について差は見られなかった。
【００２９】
この実施例の省潅水システムの緑化施設Ｂによれば、消費電力を少なくするために、水分センサー１の電源３の動作時間を最小限に出来た。また省潅水装置Ａ及び水分センサー１の性能や機械強度を向上させ、水分センサー１のチャンネルを1個に出来た。さらに省潅水装置Ａを形成するのに汎用部品を多く使用した。その結果、２４時間ピン式設定タイマー４を使用したので、ユーザーがこの省潅水システムを使用し易くなった。水分センサー１を作動させる３分間タイマー１０にリレー・タイマーを使用し、かつ省潅水装置Ａのコンパレータ２からの出力値をリレースイッチ５のｏｎ／ｏｆｆに変換させて動作するようにしたので、システムとして簡単で安価、かつ耐久性を上げることが出来、メンテナンスを容易に出来、信頼性の向上につながった。
【００３０】
上記実施例において、水分センサー１は、熱伝対を応用し、検知条件をコンパレータ２によって制御しているが、水分センサー１は、これに限らず、例えばマイコン制御により、チャンネルも複数有するものとしても良い。さらに水分センサー１は、土壌中に1つしか設置していないが、水分センサー１を設置する個数は、緑化施設の規模に応じて適切なものとすればよい。また水分センサー１は、１ｃｍ×３ｃｍのシート状としているが、１ｃｍ×３ｃｍのシート状に限るものではない。さらにこの水分センサー１を土壌中に設置するのに断面逆Ｔ字型のスタンド１３に固定し、土壌中に垂直に差し入れて配置しているが、水分センサー１の設置の仕方はこれに限るものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施例の省潅水装置のブロック図である。
【図２】この発明の実施例の省潅水装置の実物の説明図である。
【図３】この発明の実施例の省潅水装置の水分センサーの動作原理を示す説明図である。
【図４】この発明の実施例の省潅水装置の水分センサーの動作原理を示す説明補助図である。
【図５】この発明の実施例の省潅水装置の水分センサーの動作原理を示す説明補助図である。
【図６】この発明の実施例の省潅水装置の水分センサーを逆Ｔ字型スタンドに固定した状態を示す説明図である。
【図７】ビルの屋上に設置されたこの発明の実施例の省潅水システムによる緑化施設と従来潅水システムによるによる緑化施設とを比較実験を行って入る様子を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
Ａ省潅水装置
１水分センサー２コンパレータ
３電源４２４時間タイマー
５リレースイッチ６増幅器
７ヒータ９熱電対における媒質
１０３分間タイマー１１ケース
１２電磁弁１３逆Ｔ字型のスタンド

【出願人】	【識別番号】０００１４１０６０【氏名又は名称】株式会社関電工【住所又は居所】東京都港区芝浦４丁目８番３３号【識別番号】３９００１４６４９【氏名又は名称】日本地工株式会社【住所又は居所】埼玉県川口市江戸袋２－１－２
【出願日】	平成１６年３月３１日（２００４．３．３１）
【代理人】	【識別番号】１０００７５４１０【弁理士】【氏名又は名称】藤沢則昭【識別番号】１０００６４３１１【弁理士】【氏名又は名称】藤沢正則
【公開番号】	特開２００５－２８７４０１（Ｐ２００５－２８７４０１Ａ）
【公開日】	平成１７年１０月２０日（２００５．１０．２０）
【出願番号】	特願２００４－１０７２６７（Ｐ２００４－１０７２６７）