無能耗獨立蹲位節(jié)水沖廁裝置的研究

劉浩，朱未，白忠誠

(長春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130012)

主要研究水文與水資源工程。

摘要：由于生活習(xí)慣、節(jié)水意識等原因，大學(xué)生生活用水浪費現(xiàn)象嚴(yán)重，人均用水量遠(yuǎn)超過國家制定的學(xué)生宿舍用水定額。針對此問題提出了一種適用于獨立蹲位廁所的節(jié)水沖廁設(shè)備——無能耗獨立蹲位節(jié)水沖廁裝置。詳述了該節(jié)水裝置的工作原理、設(shè)備構(gòu)成及整套設(shè)備的安裝。本裝置試運行階段節(jié)水率達(dá)到50%，不僅經(jīng)濟(jì)實用、安裝便捷，而且節(jié)水效果顯著。

關(guān)鍵詞：水資源；優(yōu)質(zhì)雜排水；節(jié)水；無能耗沖廁

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.014

收稿日期：2015-07-21

基金項目：長春科技計劃項目(09SF16)

作者簡介：劉浩(1990-)，男(漢)，河北，碩士

中圖分類號：TV824獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，幾乎80%的高校都存在浪費水資源的現(xiàn)象。學(xué)校大部分用水源于學(xué)生的日常生活用水，其中存在極其嚴(yán)重的浪費現(xiàn)象。通過部分高校的實地調(diào)研，學(xué)生人均生活用水量為200～300 L/d，約是居民生活用水量的2倍[1]。學(xué)生的用水類型單一，污染程度低，無需經(jīng)過必要的處理即可用于中水回用。因此，在高校實行中水回用是可行的，也是非常必要的。中水回用既可減少對環(huán)境的污染，又可提高水資源利用的效率，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。綜合以上分析，筆者認(rèn)為開發(fā)設(shè)計中水回用設(shè)備是一種可行且必行的解決水資源短缺和提高水資源利用率的有效方法。

1研究背景

水資源是人類社會生存和發(fā)展不可替代的自然資源，水資源短缺是全球所關(guān)注的熱點問題之一。在我國660座城市中有400多座缺水，110座嚴(yán)重缺水。隨著水資源的日益短缺，人類的用水危機逐漸凸顯，水資源問題已經(jīng)到了迫在眉睫、非解決不可的地步。越來越多的人意識到節(jié)約用水的重要性，同時，國家也采取了相應(yīng)措施來減少水資源的浪費[2]。保護(hù)水源、治理污染、合理開發(fā)利用水資源、節(jié)約用水，提高水資源的重復(fù)利用率，中水回用以及改革生產(chǎn)設(shè)備以降低單位產(chǎn)品用水量等，都是實現(xiàn)我國社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。其中，中水回用是一種行之有效的方法。近年來，隨著高校辦學(xué)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，學(xué)生用水量增加，其中80%的高校都存在水資源嚴(yán)重浪費的現(xiàn)象，絕大部分院校還沒有形成有效的節(jié)水和中水回用體制。在高校實行中水回收利用是可行的，也是非常必要的。

2無能耗獨立蹲位節(jié)水沖廁裝置

2.1　設(shè)計目的

通過對高等院校學(xué)生日常生活用水的過濾和收集來實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)雜排水的二次利用，提高水資源的利用率，對現(xiàn)有獨立蹲位沖廁設(shè)備進(jìn)行改造，從而達(dá)到節(jié)約水資源、緩解城市排水壓力的目的。

2.2　設(shè)計原理

根據(jù)水文測量設(shè)備——虹吸式自記雨量計的工作原理，通過分流水箱收集上層樓的生活污水(主要為洗漱用水)，收集到的污水經(jīng)溢流管較為均勻地分流到多個集水箱中。一方面，無需額外添加外界動力，通過自動控制結(jié)構(gòu)，利用負(fù)壓和虹吸原理將集水箱中的水吸出產(chǎn)生的瞬時沖力進(jìn)行沖廁；另一方面，通過原有延時閥控制沖廁，以達(dá)到?jīng)_洗蹲位的目的。

2.3　設(shè)備結(jié)構(gòu)及作用

本套設(shè)備主要由過濾裝置、輸水管、分流水箱、分流管、集水箱、出水管等組成。

2.3.1過濾裝置

主要作用是對毛發(fā)、長直性物體和大體積物體進(jìn)行攔截，同時具有防臭的作用。該過濾裝置是對原有過濾器進(jìn)行改進(jìn)，在其基礎(chǔ)上增加一個直徑為50 mm的PVC三通，如圖1所示，同時設(shè)置多層過濾裝置(如圖2)對雜排水進(jìn)行多次過濾。改進(jìn)后的過濾器安裝圖如圖3所示，可有效避免水流產(chǎn)生的漩渦將長直性物體帶入輸水管道中。

圖1　改進(jìn)的PVC三通

圖2　多層過濾裝置

圖3　改進(jìn)后的過濾裝置安裝圖

2.3.2輸水管

由直徑為60 mm的PVC管制成，其主要作用是將過濾后的生活用水進(jìn)行引導(dǎo)輸送。輸水管出水口應(yīng)位于分流水箱內(nèi)溢流管口的下方，使水流能夠較為均勻地溢流至各個集水箱。

2.3.3分流水箱

將建筑物上樓層的優(yōu)質(zhì)雜排水較為均勻地分流到各個集水箱中。如圖4所示。

圖4　分流水箱縱剖面圖

2.3.4分流管

由PVC管制成，其主要作用是將過濾后的優(yōu)質(zhì)雜排水進(jìn)行引導(dǎo)輸送。分流管出水口必須位于翻水斗轉(zhuǎn)軸的正上方，保證水流流出時擊打在翻水斗的轉(zhuǎn)軸線上，避免翻水斗不能正常翻轉(zhuǎn)。

2.3.5集水箱

主要由翻水斗、蓋板、立柱和虹吸管組成，有效容積為16.2 L，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　集水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1)翻水斗：為了避免水箱中的水產(chǎn)生自流而不能沖廁，在整套設(shè)備中設(shè)計了翻水斗，如圖6所示。其能夠使水箱液面瞬間淹沒虹吸管，進(jìn)而產(chǎn)生巨大的虹吸作用。該翻水斗由PVC塑料板焊接而成，其有效容積約為3.4 L。翻水斗上安有不銹鋼轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸安放在U形槽中。當(dāng)翻水斗中的水達(dá)到臨界水面時，重心偏移會使翻水斗翻轉(zhuǎn)，水倒完之后，由于翻水斗自身重力作用使翻水斗翻轉(zhuǎn)回初始時的水平狀態(tài)。

圖6　翻水斗

欲使翻水斗實現(xiàn)自動翻轉(zhuǎn)倒水，需計算翻水斗整體的質(zhì)心隨著水位上升的關(guān)系，即推求質(zhì)心的路徑。如圖7所示的梯形，假設(shè)其上底長為b，下底長為a，高為h，則其質(zhì)心可用積分公式求出：

(1)

(2)

圖7　梯形截面圖

求出不同水深時系統(tǒng)質(zhì)心的位置變化軌跡，如圖8所示，圓形區(qū)域為轉(zhuǎn)軸的理論位置。應(yīng)把轉(zhuǎn)軸固定在圓形區(qū)域中，隨著系統(tǒng)質(zhì)心的轉(zhuǎn)移，水滿時質(zhì)心位于轉(zhuǎn)軸的右側(cè)，則會在重力的作用下產(chǎn)生一個順時針力矩，使翻水斗自動翻轉(zhuǎn)倒水。待翻水斗中的水倒入水箱后，系統(tǒng)的質(zhì)心再次回到轉(zhuǎn)軸的左側(cè)，同時產(chǎn)生一個逆時針力矩，使翻水斗恢復(fù)到水平位置，如此往復(fù)循環(huán)。整個過程無需任何外力，完全利用質(zhì)心的變化控制，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖8　翻水斗正視圖

2)立柱：位于蓋板上邊緣，其作用是防止翻水斗在翻轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生過度傾斜，而不能回到初始位置。

3)蓋板：由PVC塑料板經(jīng)焊接、固定、密封而成，其中央有一個圓形排水孔，及時疏導(dǎo)蓋板上的積水進(jìn)而保持蓋板清潔，從而保證水箱正常運行。

4)虹吸管：在被淹沒時瞬間產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，把水箱中的水吸入出水管并以足夠的沖力排出，對廁所進(jìn)行沖洗。

2.3.6沖水管

沖水管為PVC管材制作而成，直徑為50 mm，沖洗效果達(dá)到最佳[3]。

2.4　裝置整體安裝

本設(shè)備安裝效果如圖9所示，根據(jù)不同的給排水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備安裝，除頂層的水箱需使用自來水外，其余各樓層均利用該裝置來實現(xiàn)對生活用水的回收利用。各樓層具體安裝效果如圖10所示。過濾裝置安裝在上層樓洗漱池排水管下方，主要是對毛發(fā)、長直性物體和大體積物體進(jìn)行攔截；分流水箱固定在靠近蹲位的墻壁上，并且盡可能安裝得高一些，來水管將過濾后的水流輸送到分流水箱中，進(jìn)而通過分流管將其較為均勻地分流到各個集水箱中；集水箱并排安裝固定在分流水箱下方15 cm處。輸水管上端銜接集水箱中虹吸管，下端由斜三通連接原有沖廁水管。

圖9　設(shè)備安裝效果示意圖

圖10　具體安裝示意圖

3工作流程

3.1　集水箱自動沖廁

上層樓面的生活污水通過過濾裝置進(jìn)行過濾后，再經(jīng)輸水管引入翻水斗中。隨著翻水斗中水位不斷上升，翻水斗的重心逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)移。當(dāng)翻水斗裝滿水時，自行翻轉(zhuǎn)將水倒入水箱中。隨水箱中水量的增加，虹吸管進(jìn)水口端逐漸接觸到水面如圖11(a)所示。隨水量的繼續(xù)增加，虹吸管中水位隨之上升，如圖11(b)所示。在翻水斗進(jìn)行4次翻轉(zhuǎn)后，水位到達(dá)虹吸管頂部下邊緣如圖11(c)所示。在第5次翻轉(zhuǎn)完成時水位線瞬間淹沒虹吸管上邊緣，如圖11(d)所示。瞬間淹沒導(dǎo)致虹吸管內(nèi)形成高負(fù)壓水頭，在大氣壓強作用下產(chǎn)生巨大的虹吸作用，將水箱中的水全部抽入便槽進(jìn)行沖廁。

(a)　　 　　(b)　　　　　(c)　　　　　(d) 圖11　集水箱自動沖廁示意圖

3.2　延時閥手動沖廁

在上層樓沒有雜排水時，需手動控制延時閥進(jìn)行沖廁。按下延時閥，自來水管道出水沖廁。與此同時在斜三通連接的管道中會產(chǎn)生負(fù)壓，將集水箱中的存水吸出沖走。

4設(shè)備應(yīng)用

本設(shè)備采用PVC材料，經(jīng)過切割、壓制、焊接而成，具有經(jīng)濟(jì)合理、管理便捷等優(yōu)點，且水箱安裝在蹲位上方位置，不額外占用有效空間。主要適用于高等院校衛(wèi)浴集中場所，其特征表現(xiàn)為：用水結(jié)構(gòu)單一，有節(jié)水需求，但沒有節(jié)水設(shè)備，政府及有關(guān)部門給予支持，提倡節(jié)能減排。目前該裝置已經(jīng)在吉林省部分高等院校如長春工程學(xué)院、長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校、吉林建筑大學(xué)等進(jìn)行了試運行。根據(jù)反饋信息，統(tǒng)計計算其節(jié)水率在50%左右，節(jié)水效果明顯。

5結(jié)語

針對本設(shè)備研發(fā)制作以及實際運行過程中發(fā)現(xiàn)的問題，不斷地進(jìn)行改進(jìn)和完善，使其達(dá)到更加良好的使用性能，加之節(jié)水量大、維修便捷，設(shè)備性價比極高。在同等投資的情況下，該設(shè)備能夠給使用者帶來更大的效益。本設(shè)備的優(yōu)越性很高，也非常符合當(dāng)前國情的需要，為節(jié)約能源做出了實質(zhì)性的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 劉昌明.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.

[3] 李甲亮,王琳,吳水波.青島高校用水與節(jié)水現(xiàn)狀調(diào)查與模式研究[J].水資源保護(hù),2007(2):88-90.

A study on water saving device suitable to separate toilet without energy consumption

LIU Hao，et al.

(SchoolofWaterConservancy&EnvironmentEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,

Changchun130012,China)

Abstract：Based on the habits and the consciousness of water conservation, the phenomena of college students waste potable water are serious, per capita water consumption far exceeds the national student dormitory water quota. In this paper, a water saving device suitable to separate toilet without energy consumption is put forward. The article describes its operational principle, machinery structure and how to install it. This device has been tried to use, and the water saving efficiency achieves around 50%, It is not only economic and practical, easy to install, but also has good water saving effect, easy to market.

Key words：water resource; good reclaimed water; water conservation; flushing toilet without energy consumption