高校学生公寓公共区域水龙头节水器的设计与实现

刘 凯 刘胜厚 李贵鹏 刘桂山

(1.北京工业职业技术学院 后勤集团，北京100042；2.首都经济贸易大学密云分校，北京 101500)

0 引言

从我国2018和2019年的《国民经济和社会发展统计公报》中得知：“2018年全国水资源总量27 960 亿m3。全年总用水量6 110亿m3，比上年增长1.1%。其中，生活用水增长1.4%，人均用水量439 m3，比上年增长0.6%”“2019年全国水资源总量28 670 亿m3。全年总用水量5 991亿m3，比上年下降0.4%。其中，生活用水增长1.9%，人均用水量429 m3，比上年下降0.8%”。数据显示：生活用水呈增长趋势，其中，公共机构的生活用水占了很大比例。自2014年5月1日起，北京市居民用水实施新的阶梯水价政策,这一政策是基于紧缺的水资源情况而出台的(北京市人均水资源占有量191 m3，远远低于世界公认的严重缺水地区标准)。水资源的匮乏已严重影响了北京市的经济发展，随着不断调整用水结构，目前市生活用水已经达到了总用水量的49%。随着国家对节约水资源的不断重视，节水工作已提上日程，而高等学校作为公共机构的一部分，在生活用水方面也有很大的节约空间。本文以北京工业职业技术学院(以下简称北工职院)为例，探讨学生公寓水龙头节水器的设计与实现。

1 北工职院用水情况分析

2014—2017年，北工职院随着绿化面积的增加、新建筑的施工以及用水管网的老化，年用水量逐年递增；2017—2019年，随着施工的结束以及通过水平衡测试排查漏点，年用水量又呈逐年下降趋势，但学校生均用水量仍处于超标状态。北工职院2014—2019年用水量统计如图1所示。

图1 北工职院2014—2019年用水量统计图

面对北京市水资源匮乏的严重局面，节水工作势在必行。除在思想上加强节水意识的教育外，在技术上还需采取多种辅助手段，进一步减少用水量，而水龙头节水器就是其中一项辅助节水器材。

2 水龙头节水器的技术现状

目前传统水龙头节水方式有2种：一种是水龙头自身带节水功能。国家标准GB 25501—2010《水嘴用水效率限定值及用水效率等级》指出，满足“在(0.1+0.01)MPa动压和管径15 mm下，最大流量不大于7.5 L/min”的水嘴为节能水嘴[1]。虽然目前的水龙头基本满足该标准，但在实际用水过程中，因受地势高低、楼宇高低、用水管道远近等因素影响，实际水压会远远超过0.1 MPa，大部分水龙头在高压之下，会增加出水的最大流量，因而达不到节水的效果[2]。另一种是在水龙头的出水口增加节水器，通过限流的方式来达到单位时间内节水的效果[3]。但是目前节水器质量参差不齐，有的节水效果很好，但价格贵成本高；有的价格便宜，节水效果一般且质量较差。

另外，还有一些新型的水龙头，自身加上了控制装置，如红外感应控制等。新型水龙头的优点是使用者无需手动开、关，可以有效杜绝长流水现象，缺点是流量用户不可控，部分场景使用舒适度不高。

3 水龙头节水器的设计与实现

本文针对北工职院学生公寓公共区域水龙头的节水方法进行研究，在不更换新式水龙头的基础上，给现有传统水龙头增加节水器，在水压不变的情况下，通过改变管径大小的方式，限制相同时间流出的水量，以达到单位时间内节水的效果。

目前限流节水技术分为2种：动态节流节水技术和定孔节流节水技术。动态节流节水技术可以根据水压的大小调节水流通道的面积，使出水流量稳定在一个合理值附近，以达到节水的目的，但该结构较为复杂，加工条件较为苛刻,成本较高；定孔节流节水技术在固定水压下可以达到较好的节水效果，虽然在水压上下浮动时，节水效果会降低，但结构较为简单，便于加工[4]。考虑北工职院二次供水压力比较稳定，水龙头样式单一，因此选择定孔节流节水技术作为研究对象，使用元件称为节流塞。

3.1 限流位置的选择

节流塞放置位置如图2所示。设计初期将节流塞放置在水龙头的出水口(见图2(a))，实验发现：出水水流形成射流，喷射方向无法控制，必须加上滤网，才可以获得较为正常的水流，形成单位时间内的节水效果。后将节流塞的位置调整到水龙头的入水口(见图2(b))，实验发现：水射流进入水龙头内，水龙头的腔体部分起到一个缓冲的作用，在出水口形成较为正常的水流，提高了用水的舒适度。后续实验中发现，在其他条件不变的情况下，这2个位置的节水效果相近。

(a)节流塞放置出水口 (b)节流塞放置入水口

3.2 限流元件的设计

3.2.1 材料的选择

从安全、耐用、成本及便于加工等方面考虑，PVC、食品级塑料、铜合金及食品级不锈钢都是较好的材料选择[5]，制作工艺可以选择车床加工和模具加工等。各种材料参数对比如表1所示。

从安全性、成本及制作工艺方面考虑，本次实验优先选择了食品级塑料和模具加工方式。

3.2.2 元件的设计

元件示意图如图3所示。最初设计的元件与图3(c)类似，高度为2 cm。为了节约成本，对初始元件进行了减重设计，提出了图3中的3个方案，其中：元件1、元件2的高度均为2 cm，元件3的高度为1 cm。结合加工方式，本次实验选择了图3(a)的样式。如果采用车床加工，可以考虑图3(c)的样式。

(a)元件1 (b)元件2 (c)元件3

考虑小沙粒堵塞管径，可能会增加维修频次，因此在孔径入水口处设计了十字花痕，如图4所示。

(a)俯视图 (b)底视图 (c)轴测图

3.3 测试效果

本次测试选在北工职院第四学生公寓一层水房进行。在0.4 MPa压力、DN15管径下，更换下列规模孔径的节水器，并统计了1 min内的平均流量，得出实验结果，如表2所示。

表2 节水器实验结果

从表2可知，在没有节水器的情况下，水龙头平均出水量最大；安装不同孔径的节水器后，在相同压力条件下，节水效果随着孔径的增加而减少；当使用孔径为3.0 mm的节水器时，出水量已经超过了节能水嘴限定的最大流量7.5 L/min。

4 结论

本文对水龙头节水器在技术实现方向、材料与制作工艺的选择以及节水结构方面进行了改进，试用结果表明：带有节水器的水龙头比普通水龙头的节水效果显著,使用该水龙头节水器有助于缓解北工职院供水压力，降低用水成本，促进水资源的可持续发展。考虑不同区域的供水压力不尽相同，建议通过量产不同规格的节流塞，供用户选择使用。另外，该节流塞可以进一步深入研究，提炼出数学公式，也可以研究该节水器的可调节性，使其适用于更多的公共场所。