韓 航 劉晶茹 李 亮 王 偉 方鵬燕 國(guó)馨月 擺富蘭

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

0 引言

黨的十八大報(bào)告中提出：“全面促進(jìn)資源節(jié)約。節(jié)約資源是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的根本之策。要節(jié)約集約利用資源，推動(dòng)利用方式根本轉(zhuǎn)變，加強(qiáng)全過(guò)程節(jié)約管理，大幅降低能源、水、土地消耗強(qiáng)度，提高利用效率和效益。加強(qiáng)用水總量管理，推進(jìn)水循環(huán)利用，建設(shè)節(jié)水型社會(huì)[1]?！?/p>

1 研究背景

水是生命之源，而水資源問(wèn)題是屬于全人類共生性問(wèn)題[2]。自工業(yè)革命之后，其突出程度是隨著人口的爆發(fā)式增長(zhǎng)、工業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷壯大而更加日益突出的問(wèn)題。時(shí)至今日，其短缺問(wèn)題在全球范圍內(nèi)的不良影響急劇攀升，據(jù)專家估算：21世紀(jì)最短缺的資源不會(huì)是石油這樣的資源，而是淡水資源。

我國(guó)人口數(shù)處于世界之最，約占全球人口的20%，既是農(nóng)業(yè)大國(guó)，也是工業(yè)大國(guó)。城市的發(fā)展，人民的生活離不開(kāi)水，已然成為人類文明的生命線。在不久的將來(lái)，水資源無(wú)疑會(huì)嚴(yán)重影響我國(guó)生活生產(chǎn)的方方面面。已有研究表明在2040年，我國(guó)面臨的水資源短缺問(wèn)題雖不及中東部分地區(qū)的極端嚴(yán)重，但也僅次于這些地區(qū)，與美國(guó)、印度等國(guó)家均處于水資源短缺的巨大壓力之下。

我國(guó)的“水”存在兩大主要問(wèn)題：一是水資源短缺；二是水污染嚴(yán)重。有資料顯示，我國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家，每公頃耕地水資源量約為世界平均水平的1/2，約有39%的國(guó)土面積為干旱半干旱地區(qū)。人均淡水資源僅為世界平均水平的1/4、在世界上名列121位，被聯(lián)合國(guó)列入十三個(gè)貧水國(guó)家之一[3]。人均水資源量約2 100 m3，可利用水資源量?jī)H為900 m3，并且分布極不均衡[4]。20世紀(jì)末，全國(guó)600多座城市中有400多個(gè)城市存在不同程度的缺水，其中比較嚴(yán)重的缺水城市達(dá)110個(gè)，全國(guó)城市每年的缺水總量達(dá)到500多億立方米[5]。

另一方面，我國(guó)水資源的利用效率不高，粗放、浪費(fèi)用水問(wèn)題普遍存在[6]。從工業(yè)看，我國(guó)萬(wàn)元工業(yè)增加值用水量52.8 m3，是世界先進(jìn)水平的2倍～3倍；從農(nóng)業(yè)看，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)只有0.542，遠(yuǎn)低于0.7～0.8的世界先進(jìn)水平，若能提高0.1，則可以省下300多億立方米的水，相當(dāng)于三峽水庫(kù)庫(kù)容；從城鎮(zhèn)看，城鎮(zhèn)供水管漏損率高達(dá)20%，每年損失100多億立方米的自來(lái)水，相當(dāng)于我國(guó)總?cè)彼康?0%。據(jù)中國(guó)城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)，2009年，全國(guó)城市的供水漏損量達(dá)60億m3，2017年時(shí)，已達(dá)到了78億m3[7]。

為緩解嚴(yán)峻的水形勢(shì)，必定要做到如下兩點(diǎn)：

1)節(jié)水優(yōu)先；2)治污為本。

本水龍頭便是秉持節(jié)水優(yōu)先的理念作為設(shè)計(jì)初衷，響應(yīng)節(jié)水器具的推廣發(fā)展，創(chuàng)建節(jié)水型社會(huì)。在國(guó)家發(fā)展過(guò)程中，選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)展項(xiàng)目，建立“有多少水辦多少事”的理念，杜絕水資源浪費(fèi)[7]。同時(shí)需要采用良好的管理和技術(shù)手段，提高水資源利用率。

目前市面上普通水龍頭產(chǎn)品存在的問(wèn)題如下：

1)傳統(tǒng)型水龍頭僅用于水的收集利用，不對(duì)水質(zhì)安全及節(jié)水進(jìn)行處理；

2)對(duì)于停水時(shí)打開(kāi)水龍頭，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有水且忘記關(guān)掉的情況，會(huì)造成水資源的大量浪費(fèi)；

3)自來(lái)水在管道內(nèi)部停留的時(shí)間較長(zhǎng)而導(dǎo)致水質(zhì)變壞問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)原理及功能

1)主要功能及附屬功能。

主要功能：

定時(shí)自鎖——針對(duì)水龍頭關(guān)不緊或?qū)τ谕Ｋ搓P(guān)造成的巨大浪費(fèi)情況；

水量調(diào)節(jié)——對(duì)出水量大小及出水壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到節(jié)水，提高水資源利用效率的目的。

附屬功能：過(guò)濾、消毒。

2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理。

結(jié)構(gòu)原理圖見(jiàn)圖1。

3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

a.過(guò)濾段。

當(dāng)自來(lái)水由管網(wǎng)接入，于水龍頭入口處通過(guò)第一段的活性炭吸附網(wǎng)段，將水中比較小的懸浮顆粒截留住，使其阻擋于管網(wǎng)當(dāng)中；緊接著進(jìn)入安裝有紫外線消毒燈的管段進(jìn)行消毒殺菌,見(jiàn)圖1。

b.計(jì)時(shí)自鎖段。

經(jīng)過(guò)過(guò)濾段之后，緊跟著的是進(jìn)入計(jì)時(shí)自鎖段。

自鎖裝置初始狀為開(kāi)啟模式，當(dāng)手動(dòng)開(kāi)關(guān)旋起，擋在管路中間的電磁閥芯塞頭在沒(méi)有通電的條件下，恢復(fù)初始位置，從而接入被上一階段處理的水。手動(dòng)開(kāi)關(guān)旋起的同時(shí)，水龍頭殼體下方的計(jì)時(shí)裝置通電開(kāi)始啟動(dòng)，進(jìn)入倒計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)歸零，則電磁鐵通電，鐵質(zhì)閥芯塞頭受力被向下吸引，完成自鎖。

工作原理：電磁鐵通電，在磁力的作用下水龍頭上壁面閥芯被壁面下方電磁鐵吸引，從而達(dá)到關(guān)閉水龍頭的目的。

計(jì)時(shí)裝置有三檔：

一檔——固定為20 s；

二檔——初始為1 min；

三檔——初始為3 min。

計(jì)時(shí)檔位的選擇，在檔位器上有相應(yīng)的按鈕，根據(jù)集水目的進(jìn)行檔位的選擇，集水時(shí)常檔位則由日常生活當(dāng)中的常用器具進(jìn)行設(shè)置。

c.水龍頭開(kāi)關(guān)。

水龍頭把手往上轉(zhuǎn)動(dòng)一定的距離，距離感應(yīng)裝置啟動(dòng)，接通檔位器，實(shí)現(xiàn)檔位器控時(shí)，時(shí)間達(dá)到設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)裝置的自鎖。

對(duì)于自鎖后，把手不必彈回，直至下次使用再扳回即可。

d.水量轉(zhuǎn)換器。

當(dāng)水即將流出出口時(shí)，進(jìn)入流量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換裝置。

其原理是通過(guò)第一層的按鈕來(lái)移動(dòng)中間的小珠，使其堵住其一的出水孔。而出水孔分別堵住內(nèi)環(huán)和外環(huán)，以調(diào)節(jié)出水量的大小。

該裝置分為三檔：

按鈕處于最左邊，出水最小，為中間一小束。此時(shí)第一層的封堵小珠堵住第二層的外出水孔，使得出水僅從內(nèi)孔流出。

按鈕與此圓形殼相切，出水為中等，主要為外環(huán)出水，中間有一部分。此時(shí)的封堵小珠處于中間，可以堵住一半外孔和一半的內(nèi)孔，使得內(nèi)外孔都有出水，但都不大。

按鈕處于最右邊，出水僅為外環(huán)出水，出水量最大。此時(shí)封堵小珠堵住內(nèi)孔，外環(huán)面積相當(dāng)于內(nèi)環(huán)的5倍，如圖2所示。

3 計(jì)算說(shuō)明

3.1 紫外線燈消毒殺菌部分

計(jì)數(shù)結(jié)果以CFU/mL為單位，其殺滅菌率按如下的公式進(jìn)行計(jì)算：

由文獻(xiàn)提供的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為20 min的紫外線照射，可殺滅水中的大腸桿菌及其他菌類達(dá)到99.92%。而細(xì)菌的滋生總數(shù)由6.6 CFU/mL增長(zhǎng)到29.2 CFU/mL,經(jīng)過(guò)20 min完全可以殺滅。

3.2 出水裝置部分

由于存在三個(gè)檔位，整個(gè)被保護(hù)圈包裹的出水面積為：

外徑：D=4 cm；

總面積：S=π0.042；

內(nèi)徑：d=1.5 cm；

內(nèi)面積：S=π0.0152；

內(nèi)外出水面積比：n=7.1。

即理論上最大檔位出水量是最小檔位出水量的7.1倍。

4 產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1)增加了過(guò)濾殺毒清潔裝置，對(duì)水進(jìn)一步處理后供用戶使用，保證人體安全；

2)在原有水龍頭的出水端增設(shè)一個(gè)流量控制型節(jié)水裝置，提高了水的利用效率；

3)在水龍頭開(kāi)關(guān)前部分設(shè)置自鎖裝置，配合檔位傳感器來(lái)使用，避免了生活當(dāng)中大意的浪費(fèi)；

4)將自動(dòng)控制系統(tǒng)增加到整個(gè)裝置中，讓用戶使用更加方便。

5 應(yīng)用前景

就當(dāng)前市面上的水龍頭而言，對(duì)水的利用低效且功能單一，勢(shì)必在當(dāng)下“創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)”的理念不相適應(yīng)。而近幾年來(lái)的各類新型水龍頭也僅僅針對(duì)用水的功能性，而很少關(guān)注對(duì)水的利用效率。

所以，本產(chǎn)品兼顧上述問(wèn)題，改進(jìn)原有的水龍頭，使其成為安全、高效、合理的新型水龍頭，共同創(chuàng)建“節(jié)約型社會(huì)”。

在今后，還可以增加類似自動(dòng)感應(yīng)、加熱等功能，豐富其用戶的需求。