无能耗独立蹲位节水冲厕装置的研究

无能耗独立蹲位节水冲厕装置的研究

刘浩，朱未，白忠诚

(长春工程学院水利与环境工程学院，长春 130012)

主要研究水文与水资源工程。

摘要：由于生活习惯、节水意识等原因，大学生生活用水浪费现象严重，人均用水量远超过国家制定的学生宿舍用水定额。针对此问题提出了一种适用于独立蹲位厕所的节水冲厕设备——无能耗独立蹲位节水冲厕装置。详述了该节水装置的工作原理、设备构成及整套设备的安装。本装置试运行阶段节水率达到50%，不仅经济实用、安装便捷，而且节水效果显著。

关键词：水资源；优质杂排水；节水；无能耗冲厕

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.014

收稿日期：2015-07-21

基金项目：长春科技计划项目(09SF16)

作者简介：刘浩(1990-)，男(汉)，河北，硕士

中图分类号：TV824献标志码：A

0引言

通过调研发现，几乎80%的高校都存在浪费水资源的现象。学校大部分用水源于学生的日常生活用水，其中存在极其严重的浪费现象。通过部分高校的实地调研，学生人均生活用水量为200～300 L/d，约是居民生活用水量的2倍[1]。学生的用水类型单一，污染程度低，无需经过必要的处理即可用于中水回用。因此，在高校实行中水回用是可行的，也是非常必要的。中水回用既可减少对环境的污染，又可提高水资源利用的效率，具有明显的经济效益、社会效益和环境效益。综合以上分析，笔者认为开发设计中水回用设备是一种可行且必行的解决水资源短缺和提高水资源利用率的有效方法。

1研究背景

水资源是人类社会生存和发展不可替代的自然资源，水资源短缺是全球所关注的热点问题之一。在我国660座城市中有400多座缺水，110座严重缺水。随着水资源的日益短缺，人类的用水危机逐渐凸显，水资源问题已经到了迫在眉睫、非解决不可的地步。越来越多的人意识到节约用水的重要性，同时，国家也采取了相应措施来减少水资源的浪费[2]。保护水源、治理污染、合理开发利用水资源、节约用水，提高水资源的重复利用率，中水回用以及改革生产设备以降低单位产品用水量等，都是实现我国社会经济可持续发展的重要措施。其中，中水回用是一种行之有效的方法。近年来，随着高校办学规模的不断扩大，学生用水量增加，其中80%的高校都存在水资源严重浪费的现象，绝大部分院校还没有形成有效的节水和中水回用体制。在高校实行中水回收利用是可行的，也是非常必要的。

2无能耗独立蹲位节水冲厕装置

2.1　设计目的

通过对高等院校学生日常生活用水的过滤和收集来实现优质杂排水的二次利用，提高水资源的利用率，对现有独立蹲位冲厕设备进行改造，从而达到节约水资源、缓解城市排水压力的目的。

2.2　设计原理

根据水文测量设备——虹吸式自记雨量计的工作原理，通过分流水箱收集上层楼的生活污水(主要为洗漱用水)，收集到的污水经溢流管较为均匀地分流到多个集水箱中。一方面，无需额外添加外界动力，通过自动控制结构，利用负压和虹吸原理将集水箱中的水吸出产生的瞬时冲力进行冲厕；另一方面，通过原有延时阀控制冲厕，以达到冲洗蹲位的目的。

2.3　设备结构及作用

本套设备主要由过滤装置、输水管、分流水箱、分流管、集水箱、出水管等组成。

2.3.1过滤装置

主要作用是对毛发、长直性物体和大体积物体进行拦截，同时具有防臭的作用。该过滤装置是对原有过滤器进行改进，在其基础上增加一个直径为50 mm的PVC三通，如图1所示，同时设置多层过滤装置(如图2)对杂排水进行多次过滤。改进后的过滤器安装图如图3所示，可有效避免水流产生的漩涡将长直性物体带入输水管道中。

图1　改进的PVC三通

图2　多层过滤装置

图3　改进后的过滤装置安装图

2.3.2输水管

由直径为60 mm的PVC管制成，其主要作用是将过滤后的生活用水进行引导输送。输水管出水口应位于分流水箱内溢流管口的下方，使水流能够较为均匀地溢流至各个集水箱。

2.3.3分流水箱

将建筑物上楼层的优质杂排水较为均匀地分流到各个集水箱中。如图4所示。

图4　分流水箱纵剖面图

2.3.4分流管

由PVC管制成，其主要作用是将过滤后的优质杂排水进行引导输送。分流管出水口必须位于翻水斗转轴的正上方，保证水流流出时击打在翻水斗的转轴线上，避免翻水斗不能正常翻转。

2.3.5集水箱

主要由翻水斗、盖板、立柱和虹吸管组成，有效容积为16.2 L，其结构如图5所示。

图5　集水箱内部结构图

1)翻水斗：为了避免水箱中的水产生自流而不能冲厕，在整套设备中设计了翻水斗，如图6所示。其能够使水箱液面瞬间淹没虹吸管，进而产生巨大的虹吸作用。该翻水斗由PVC塑料板焊接而成，其有效容积约为3.4 L。翻水斗上安有不锈钢转轴，转轴安放在U形槽中。当翻水斗中的水达到临界水面时，重心偏移会使翻水斗翻转，水倒完之后，由于翻水斗自身重力作用使翻水斗翻转回初始时的水平状态。

图6　翻水斗

欲使翻水斗实现自动翻转倒水，需计算翻水斗整体的质心随着水位上升的关系，即推求质心的路径。如图7所示的梯形，假设其上底长为b，下底长为a，高为h，则其质心可用积分公式求出：

(1)

(2)

图7　梯形截面图

求出不同水深时系统质心的位置变化轨迹，如图8所示，圆形区域为转轴的理论位置。应把转轴固定在圆形区域中，随着系统质心的转移，水满时质心位于转轴的右侧，则会在重力的作用下产生一个顺时针力矩，使翻水斗自动翻转倒水。待翻水斗中的水倒入水箱后，系统的质心再次回到转轴的左侧，同时产生一个逆时针力矩，使翻水斗恢复到水平位置，如此往复循环。整个过程无需任何外力，完全利用质心的变化控制，达到节能的目的。

图8　翻水斗正视图

2)立柱：位于盖板上边缘，其作用是防止翻水斗在翻转过程中产生过度倾斜，而不能回到初始位置。

3)盖板：由PVC塑料板经焊接、固定、密封而成，其中央有一个圆形排水孔，及时疏导盖板上的积水进而保持盖板清洁，从而保证水箱正常运行。

4)虹吸管：在被淹没时瞬间产生虹吸现象，把水箱中的水吸入出水管并以足够的冲力排出，对厕所进行冲洗。

2.3.6冲水管

冲水管为PVC管材制作而成，直径为50 mm，冲洗效果达到最佳[3]。

2.4　装置整体安装

本设备安装效果如图9所示，根据不同的给排水系统进行设备安装，除顶层的水箱需使用自来水外，其余各楼层均利用该装置来实现对生活用水的回收利用。各楼层具体安装效果如图10所示。过滤装置安装在上层楼洗漱池排水管下方，主要是对毛发、长直性物体和大体积物体进行拦截；分流水箱固定在靠近蹲位的墙壁上，并且尽可能安装得高一些，来水管将过滤后的水流输送到分流水箱中，进而通过分流管将其较为均匀地分流到各个集水箱中；集水箱并排安装固定在分流水箱下方15 cm处。输水管上端衔接集水箱中虹吸管，下端由斜三通连接原有冲厕水管。

图9　设备安装效果示意图

图10　具体安装示意图

3工作流程

3.1　集水箱自动冲厕

上层楼面的生活污水通过过滤装置进行过滤后，再经输水管引入翻水斗中。随着翻水斗中水位不断上升，翻水斗的重心逐渐发生转移。当翻水斗装满水时，自行翻转将水倒入水箱中。随水箱中水量的增加，虹吸管进水口端逐渐接触到水面如图11(a)所示。随水量的继续增加，虹吸管中水位随之上升，如图11(b)所示。在翻水斗进行4次翻转后，水位到达虹吸管顶部下边缘如图11(c)所示。在第5次翻转完成时水位线瞬间淹没虹吸管上边缘，如图11(d)所示。瞬间淹没导致虹吸管内形成高负压水头，在大气压强作用下产生巨大的虹吸作用，将水箱中的水全部抽入便槽进行冲厕。

(a)　　 　　(b)　　　　　(c)　　　　　(d) 图11　集水箱自动冲厕示意图

3.2　延时阀手动冲厕

在上层楼没有杂排水时，需手动控制延时阀进行冲厕。按下延时阀，自来水管道出水冲厕。与此同时在斜三通连接的管道中会产生负压，将集水箱中的存水吸出冲走。

4设备应用

本设备采用PVC材料，经过切割、压制、焊接而成，具有经济合理、管理便捷等优点，且水箱安装在蹲位上方位置，不额外占用有效空间。主要适用于高等院校卫浴集中场所，其特征表现为：用水结构单一，有节水需求，但没有节水设备，政府及有关部门给予支持，提倡节能减排。目前该装置已经在吉林省部分高等院校如长春工程学院、长春汽车工业高等专科学校、吉林建筑大学等进行了试运行。根据反馈信息，统计计算其节水率在50%左右，节水效果明显。

5结语

针对本设备研发制作以及实际运行过程中发现的问题，不断地进行改进和完善，使其达到更加良好的使用性能，加之节水量大、维修便捷，设备性价比极高。在同等投资的情况下，该设备能够给使用者带来更大的效益。本设备的优越性很高，也非常符合当前国情的需要，为节约能源做出了实质性的贡献。

参考文献

[1] 陶炳芳.高校节水措施探析[J].低温建筑技术,2011(11)：114-116.

[2] 刘昌明.中国水资源现状评价和供需发展趋势分析[M].北京：中国水利水电出版社，2001.

[3] 李甲亮,王琳,吴水波.青岛高校用水与节水现状调查与模式研究[J].水资源保护,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