李長(zhǎng)星 于林平 張 輝 苗世玉 董俊伯 鄧文浩

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

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·綠色環(huán)保·建筑節(jié)能·

以家庭清潔為目標(biāo)的廢水智能化利用系統(tǒng)研究★

李長(zhǎng)星 于林平*張 輝 苗世玉 董俊伯 鄧文浩

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

通過(guò)調(diào)研家庭廢水回收利用的現(xiàn)狀，對(duì)家庭中廢水回用的可行性進(jìn)行了分析，并通過(guò)模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套家庭廢水收集及智能化利用系統(tǒng)，簡(jiǎn)述了該系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)與工作流程，指出家庭廢水回收與智能化利用系統(tǒng)是以實(shí)用性及簡(jiǎn)易性為研究前提進(jìn)行的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了水資源的高效循環(huán)利用，體現(xiàn)了節(jié)能減排的設(shè)計(jì)理念。

家庭廢水，回收利用，集水處理，機(jī)械裝置，智能控制

1 研究背景

全球現(xiàn)有12億人面臨中度到高度缺水的壓力，80個(gè)國(guó)家水源不足，20億人的飲水得不到保證。預(yù)計(jì)到2025年，形勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步惡化，缺水人口將達(dá)到28億～33億。世界銀行的官員預(yù)測(cè)，在未來(lái)的5年內(nèi)“水將像石油一樣在全世界運(yùn)轉(zhuǎn)”。

我國(guó)已被列入全世界人均水資源13個(gè)貧水國(guó)家之一,人均淡水資源僅為世界人均量的1/4，居世界第109位。目前，我國(guó)600多個(gè)城市中有一半以上城市不同程度缺水，沿海城市更為嚴(yán)重。

統(tǒng)計(jì)資料表明，我國(guó)家庭用水中如衛(wèi)生間、廚房用水等，有相當(dāng)部分的廢水資源可以回收、處理，用于家庭清潔和綠化等方面。因此，以家庭為單元充分利用可回收廢水不僅有利于減少家庭生活成本，而且有利于整個(gè)社會(huì)有效節(jié)約水資源，真正實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水，環(huán)保節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，所以家庭廢水的有效利用不可忽視。

2 家庭廢水回收與智能化利用系統(tǒng)的研究

基于高效節(jié)水、環(huán)保節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展理念，以家庭清潔為目的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析家庭廢水的主要成分并加以分類(lèi)，對(duì)其中可再回收利用的廢水資源進(jìn)行回收、處理以及智能化利用。

2.1 智能化利用系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容

研究?jī)?nèi)容以設(shè)計(jì)家庭可利用水資源的回收利用系統(tǒng)為支撐，以智能化家居的理念實(shí)現(xiàn)家庭廢水再利用，保障以家庭為單元的水資源的高效使用，使基于實(shí)用性、可操作性為目標(biāo)研制的家庭廢水回收再利用系統(tǒng)真正的走進(jìn)家庭。

1)家庭廢水的主要成分分析與分類(lèi)；2)可再利用廢水的回收與處理系統(tǒng)的研究；3)基于智能化家居理念，將可再回收利用的廢水用于家庭清潔的研究。

2.2 智能化利用系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 集水及水處理模塊

集水及水處理模塊分為三部分：即集水區(qū)，凈水處理及貯水區(qū)，配水區(qū)(見(jiàn)圖1)。

1)集水區(qū)：可利用污水通過(guò)水管進(jìn)水口1進(jìn)入集水區(qū)，集水區(qū)下部設(shè)置一定坡度，并設(shè)置排污管，中下部設(shè)置細(xì)網(wǎng)罩，沉淀過(guò)濾排除進(jìn)水雜質(zhì)。集水區(qū)上部設(shè)置溢水口連接排水立管，和凈水處理及貯水區(qū)的進(jìn)水口2。要求進(jìn)水口2高度低于溢水口并且進(jìn)水口2設(shè)置浮球閥，當(dāng)凈水區(qū)滿(mǎn)載后，進(jìn)水口2關(guān)閉，使多余的水通過(guò)溢水口排出。

2)凈水處理及貯水區(qū)：整個(gè)區(qū)域分為三部分，上部有浮球設(shè)施，控制水位。中塊添加盛有凈化材料的承托容器，容器下端開(kāi)圓孔經(jīng)行水流動(dòng)，中部設(shè)有多層濾紙防止凈化材料的滲漏。主要凈化材料為濾料和活性炭，濾料布置按直徑由大到小進(jìn)行布置吸附雜質(zhì)，活性炭進(jìn)行深度吸附。下部在兩側(cè)設(shè)置兩排紫外消毒燈和出水口(紫外消毒燈的布置避免由于長(zhǎng)時(shí)間的貯水導(dǎo)致細(xì)菌滋生)。

3)配水區(qū)：凈水區(qū)出水口連接到該區(qū)，經(jīng)水泵裝置配水到家庭各個(gè)循環(huán)利用點(diǎn)。

2.2.2 機(jī)械裝置模塊

在節(jié)約、高效利用水資源的前提下，進(jìn)行利用機(jī)械設(shè)備和智能設(shè)備相結(jié)合擦拭家庭室外玻璃窗特別是高層建筑家庭室外玻璃窗的研究與探索(見(jiàn)圖2)。

1)裝置的組成。

主體裝置由上下兩部分組成，上部是接受電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的齒輪組合，帶動(dòng)整個(gè)裝置的運(yùn)行。齒輪規(guī)格為直徑20 cm，將兩個(gè)齒輪放在與玻璃同一豎直面內(nèi)的正上方進(jìn)行水平相互咬合，每個(gè)齒輪通過(guò)傳動(dòng)裝置分別控制清潔玻璃的范圍為玻璃的1/2，兩個(gè)齒輪結(jié)合完成了整個(gè)玻璃的清潔工作。下部為清潔玻璃部分，兩個(gè)清潔玻璃的刷子，分別置于玻璃的上邊緣和下邊緣，通過(guò)桿件與兩個(gè)齒輪相連接，利用電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)齒輪、連接桿件等進(jìn)行力的傳導(dǎo)，使得整個(gè)裝置運(yùn)動(dòng)起來(lái)，達(dá)到清潔目的。

2)驅(qū)動(dòng)部分。

整個(gè)裝置驅(qū)動(dòng)部分由三部分組成：動(dòng)力產(chǎn)生部分，動(dòng)力傳導(dǎo)部分和工作部分。 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，利用桿件帶動(dòng)齒輪進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。固定在玻璃上邊緣的刷子，在一個(gè)齒輪的最高點(diǎn)設(shè)置一個(gè)連接點(diǎn)，利用桿件與刷子相連接，當(dāng)連接點(diǎn)隨著齒輪運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，刷子在桿件的作用下運(yùn)動(dòng)到玻璃的中間部分。固定于玻璃下邊緣的刷子，在另一個(gè)齒輪的最低點(diǎn)設(shè)置一個(gè)連接點(diǎn)，利用桿件與刷子相連接，當(dāng)連接點(diǎn)隨著齒輪運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，刷子在桿件的作用下運(yùn)動(dòng)到玻璃的中間部分。考慮到桿件與齒輪的連接點(diǎn)要隨著齒輪做圓周運(yùn)動(dòng)，過(guò)程中會(huì)有一個(gè)大的角度變化，在桿件的中點(diǎn)設(shè)置一個(gè)軸點(diǎn)，并且在玻璃上邊緣接觸地方設(shè)置一個(gè)固定點(diǎn)，以削弱桿件過(guò)大的角度變化。

3)工作部分。

兩把刷子分別固定于玻璃的上邊緣和下邊緣。每把刷子由一個(gè)齒輪控制，在提供動(dòng)力的情況下，兩把刷子同時(shí)向中間運(yùn)動(dòng)。由于齒輪的圓周運(yùn)動(dòng)，刷子也會(huì)隨之上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)玻璃清潔。刷子是由空心管咬合海綿或棉布等材料組成(材料要求：具有一定的摩擦性和一定的滲水性)，一方面增加與玻璃之間的摩擦力，另一方面有利于水的傳送(水從管內(nèi)向外滲出)。刷子固定在玻璃豎直邊緣的鋁合金凹槽內(nèi)，使其與玻璃緊密接觸。更好的達(dá)到清潔玻璃的目的。

4)水的傳送。

運(yùn)用直徑較小，且柔軟度相對(duì)較高的水管。初始端與水泵連接，經(jīng)過(guò)玻璃的兩側(cè)空心邊框，終端與刷子的空心管相連接，經(jīng)水泵運(yùn)水將海綿或棉布潤(rùn)濕，同時(shí)刷子隨著驅(qū)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)，使其與玻璃之間發(fā)生摩擦，達(dá)到清潔玻璃的目的。

2.2.3 智能控制模塊

在清潔窗戶(hù)的機(jī)械裝置與電源之間安裝一個(gè)智能開(kāi)關(guān)裝置，通過(guò)智能手機(jī)遠(yuǎn)距離遙控開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)家庭室外玻璃的自動(dòng)化清潔。

1)智能開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)。

內(nèi)部的電路主要是無(wú)線模塊和開(kāi)關(guān)電源，通過(guò)繼電器控制智能開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)閉。使用了220 V交流轉(zhuǎn)5 V直流的開(kāi)關(guān)電源模塊，最大電流10 A，而且使用AMS1117產(chǎn)生3.3 V的無(wú)線模塊工作電壓。智能開(kāi)關(guān)最核心的無(wú)線連接方案采用了TI的SimpleLink Wi-Fi處理方案，通過(guò)TI的CC3000MOD和MCUMSP430F5309構(gòu)成了一個(gè)非常精簡(jiǎn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。CC3000MOD支持IEEE 802.11 b/g 協(xié)議同時(shí)內(nèi)置了IPv4 TCP/IP協(xié)議棧，能夠與低速、低成本和低功耗的MCU(比如MSP430系列)組成非常理想的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處理。

2)智能開(kāi)關(guān)工作原理及流程(見(jiàn)圖3)。

手機(jī)打開(kāi)開(kāi)關(guān)按鈕，模塊收到合上指令，PC8端口輸出高電平，Q1導(dǎo)通，繼電器的線圈有電流流過(guò)，繼電器的觸點(diǎn)L-IN和觸點(diǎn)L-OUT吸合，開(kāi)關(guān)閉合;手機(jī)關(guān)閉開(kāi)關(guān)按鈕，模塊收到斷開(kāi)指令，PC8端口輸出低電平，Q1截止，繼電器的線圈沒(méi)有電流，繼電器的觸點(diǎn)L-IN和觸點(diǎn)L-OUT斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

3)APP方面。

利用APP實(shí)現(xiàn)云服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)給家里的設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。這個(gè)過(guò)程是APP→網(wǎng)絡(luò)→云服務(wù)器→網(wǎng)絡(luò)→智能開(kāi)關(guān)。

利用智能提醒APP的按時(shí)提醒報(bào)警功能幫助人們有規(guī)律的周期化清潔家庭室外玻璃，并通過(guò)APP計(jì)算接水量，更進(jìn)一步精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水。

3 廢水智能化利用系統(tǒng)的特色

本系統(tǒng)功能合理、設(shè)計(jì)巧妙，為家庭廢水的回收再利用提出了新的思路。

具有以下特點(diǎn)：

1)以家庭為單位，實(shí)現(xiàn)廢水資源的回收再利用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)水理念的創(chuàng)新。

2)可再利用廢水的回收與處理系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了家庭廢水收集，處理與儲(chǔ)存方式的創(chuàng)新。

3)可利用廢水用于家庭清潔數(shù)字智能化利用系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了家居生活方式的創(chuàng)新。

[1] 王曉昌.中國(guó)水資源現(xiàn)狀評(píng)價(jià)和供需發(fā)展趨勢(shì)分析[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2001.

[2] 盧亞雄.利用同層排水衛(wèi)生間地面下結(jié)構(gòu)儲(chǔ)水系統(tǒng)的研究[J].山西建筑,2014，40(23)：164-165.

[3] 余海靜.建筑內(nèi)生活廢水的再利用[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā),2004(11):97.

Research on wastewater intelligent utilization system taking household cleaning as the goal★

Li Changxing Yu Linping*Zhang Hui Miao Shiyu Dong Junbo Deng Wenhao

(Ocean and Civil Engineering School, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China)

Through the research on the status of household wastewater recycling utilization, this paper analyzed the feasibility of household wastewater recycling utilization, and through the model test, designed a set of household wastewater collection and intelligent utilization system, elaborated the module design and work flow of the system, pointed out that the household wastewater recycling and intelligent utilization system was designed to research the premise on the practicality and simplicity, realized the efficient circulation utilization of water resource, embodied the design concept of energy saving and emission reduction.

household wastewater, recycling utilization, set water treatment, mechanical device, intelligent control

1009-6825(2016)34-0188-02

2016-09-26★：遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：201610158000017)

李長(zhǎng)星(1994- )，男，在讀本科生

于林平(1964- )，女，碩士，碩士生導(dǎo)師，副教授

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