抽水马桶冲水的节水设计方案探讨.doc

抽水马桶冲水的节水设计方案探讨摘要：建筑中水回用技术是解决当前某些缺水城市水资源危机的重要途径，也是协调城市水资源与水环境的根本出路。本文主要对抽水马桶冲水如何节水进行冲水方法的设计，实现节水目的。关键词：抽水马捅；中水；原理；顺序冲水；节水 鉴于城市水资源匮乏的客观事实，利用中水或家庭微污染水冲洗马桶是最具有发展前途的卫生间节水方法，但是，中水一般浊度较高，如果将其处理至达到感官要求的程度，则投资与运行管理费用会很高；如不经处理直接利用，则冲水完毕后残存在马桶内的水封依然是浑浊的，视觉感官不佳，并存在潜在的卫生风险。如何解决上述问题，笔者设计了一种采用中水自动顺序冲水的马桶，先用中水冲洗、再用清水冲洗，既可以冲走污物，同时又不会影响人们的视觉感官，有效实现了中水的安全回用，达到了节水的目的。1 自动顺序冲水设计为了实现抽水马桶先中水后清水冲洗的自动联动过程，需要在通用水箱中附加简单的装置。用隔板将通用型马桶的水箱分成两格，即中水箱和清水箱，隔板要牢固不透水。中水箱和清水箱的容积可根据实际情况而定，通常为了节约水资源，中水箱容积可较大，清水箱容积可较小。中水箱和清水箱内部构件均采用通用型水箱内部构件，进、出水原理同通用水箱。但启动手柄位于中水箱一侧，在中水箱和清水箱中间的隔板上方安装一个滑轮，滑轮一端通过拉线连接中水箱浮球，另一端通过拉线连接清水箱排水控制橡皮塞。 2 装置的工作原理该顺序冲水装置实质是利用杠杆原理实现中水箱和清水箱之间的联动工作，即滑轮是一种等臂杠杆，滑轮两端需要的力是等值的；当清水箱容积较大时，中水箱浮球拉动清水箱排水控制橡皮塞所需的力较大，此时可根据一种省力的杠杆原理，通过增大力臂来加大提起清水箱排水控制橡皮塞的力。装置的扳动位于中水箱一侧的启动手柄，则中水箱内的排水控制橡皮塞被提起，中水箱开始排水；当中水箱内的浮球下落到设定高度时(此时中水箱的水即将放完)，滑轮拉线被拉紧，拉动清水箱内的排水控制橡皮塞并使之被提起，清水箱开始排水，同时中水箱进水控制阀开启，中水箱开始进水；当中水箱排水结束时，其排水控制橡皮塞回落，水位上升，当浮球升至设定位置，则中水进水控制阀关闭，停止进水；当清水箱开始冲水时，其浮球下降，进水控制阀开启，清水箱开始进水；当清水箱排水结束时，其排水控制橡皮塞回落，水位上升，当浮球升至设定位置，则清水进水控制阀关闭，停止进水，恢复到使用前的初始状态。由此完成一次完整的自动顺序冲水过程。3 装置可操作性检验 为了检验中水箱浮球在下沉过程中能否拉动清水箱排水控制橡皮塞，从而启动自动顺序冲水过程，特做如下分析。 采用6L水进行冲洗，设中水箱长、宽、高分别为200、140、200mm，清水箱长、宽、高分别为100、140、200mm，中水箱和清水箱的水位高均为150mm，则冲水量分别为4L和2L；中水箱的浮球半径为35mm，清水箱中的排水控制橡皮塞直径为20mm；当中水箱的水位为150mm时，中水箱内浮球球心与其球柄铰接处的距离为120mm，与隔板的距离为50mm；浮球浮起时，其外边缘距隔板的水平距离为15mm ,滑轮距浮球中心的垂直距离为25mm。 设中水箱内的浮球球心下落到距箱底50 mm时，缠绕在滑轮上的拉线被拉紧，清水箱中的橡皮塞处于被拉动状态。此时，中水箱内的浮球受到重力G、拉线的拉力T1和浮球柄的拉力T2的作用；忽略清水箱内排水控制橡皮塞的质量，则清水箱中的橡皮塞只受到静水压力F和拉线的拉力T的作用。当清水箱水位为150mm时，计算得到其排水控制橡皮塞受到的静水压力F为0.462N，此时，清水箱内排水控制橡皮塞受到竖直向上的拉力T=F=0.462N。根据定滑轮传动原理，中水箱中浮球受到拉线拉力T1T=0.462N。 当中水箱中的浮球带动缠绕在滑轮上的拉线下落时，浮球所受重力应大于或等于浮球柄和拉线提供的竖直向上的合力。经计算，中水箱浮球所受到的拉线拉力T1在竖直方向的分力为0.356N，所受到的浮球柄拉力T2在竖直方向的分力为0.445N，则中水箱浮球受到的竖直方向的合力为0.801N。因此，只要G0.801N，就能保证当其下落至设定位置时使拉线将清水箱中的排水控制橡皮塞提起，达到自动顺序冲水的目的。 在设计中，当中水箱水位到达设计水位时，必须保证浮球能浮起以关闭进水控制阀。经计算，在设计水位当半个球体在水面以下时，直径为70mm的浮球受到的浮力为0.880N，由此可知，当中水箱浮球所受重力为0.801N时，浮球在设计水位时能够浮起。由于中水箱和清水箱的排水口均与抽水马桶的冲水腔相连，中水箱排水时会带走一部分清水箱排水管内的空气，使其形成负压，但清水箱内的清水溢水管使清水箱的排水口与大气相通，因而消除了负压影响，不会影响中水箱和清水箱联动排水的启动。 在建有中水系统的小区内，中水箱的进水管和中水供给管道连接，但是为了防止出现中水供给不足时无法冲洗马桶的问题，中水箱的进水管可做成三通，分别连接中水进水管、自来水管和中水箱进水管，当中水供给不足时及时补给自来水。在未建中水系统的小区，可用家庭洗手池水、浴池水或其他微污染水作为中水箱的水源。4 采用中水自动顺序冲水马桶的意义4.1 有利于节约水资源 居民使用中水首先考虑的是用水的安全性，虽然中水回用具有很大的潜力，但由于我国的中水回用工程起步较晚，中水系统运行不稳定，出水水质、水量得不到保障，居民难以放心使用。如果仅仅使用中水冲洗马桶，残留在马桶内的水封仍然是浑浊的，视觉感官不佳，且水中含有大量的病原微生物，卫生风险较大。而采用自动顺序冲水马桶，若中水和清水的冲水量为2:1，则可节约2/3的清水用量，并且在感官及卫生方面也可达到与完全清水冲洗一样的效果，同时可以保持水封用水为清洁水，消除了人们对再生水使用过程中安全性的顾虑，有助于再生水资源的推广应用。4.2有利于经济效益、生态效益的增长 据有关部门统计，若上海老城区60万用户把9L的抽水马桶改造成6L的，则每年可节约水为876104m3，节约投资超过1450万元。若把6L清水的一半改成中水，则又可多节约876104m3的水，即便考虑中水的不稳定，换1/3的清水为中水，也可多节约584104m3的水。可想而知，若把通用的清水冲洗马桶改成这种采用中水自动顺序冲水的马桶，则可在更大程度上减少对自来水的消耗。 对采用6L的自动顺序冲水装置(中水箱冲水量为4 L，清水箱冲水量为2 L)，进行经济效益分析。例如目前某城市居民用水的综合水价为3.7元/m3，中水综合水价为1元/m3，若采用完全清水冲洗，则一次冲洗的水费为0.0222元，而采用自动顺序冲水装置冲洗一次的水费为0.0114元，可节省48.65%的水费。但是，此自动顺序冲水装置需要增加中水管道系统，并增加一套冲水装置。目前，我国正在大力推广分质排水，对小区优质杂排水进行回用，很多住宅小区内都修建了中水供水系统，因此增加的中水管道投资为一次性投资。一份关于英国家庭灰水系统的研究显示，灰水回用系统的投资回收期长短主要取决于灰水系统所服务的家庭数量，单个家庭灰水系统投资回收期为92年，而5个家庭的灰水回用系统投资回收期则为18年，鉴于这种规模效应，只有大规模的灰水回用系统才能达到最优的经济效益，随着分质排水的普及，这种装置易于大规模普及且市场效益巨大，因此在建有中水系统的生活小区内，可以不考虑管道系统费用的增加。此外，此类浮球阀的市场售价约为25元，若假设阀门的增加费用为25元，则使用2315次可收回增加费用的投资，按每个家庭有3人、每人每天平均使用4次抽水马桶计算，投资回收期为193d，此后便可享受节水带来的经济效益。4.3 有利于节水卫生器具的推广 与先进国家节水型坐便器的使用率(70 %)相比，我国节水型坐便器的使用率还存在很大差距，主要原因有：节水型坐便器的价格普遍较高；旧房更换节水型坐便器施工不便。而这种自动顺序冲水马桶结构简单，易于制作和工业化生产，且生产成本较低，有利于实现节水坐便器的大范围普及；另外，这种装置也可以通过改造旧的抽水马桶来实现，且改造工艺较为简单。 采用中水自动顺序冲水马桶的用户，通过一次操作即可达到先中水、后清水冲洗马桶的效果，有效利用了中水，并消除了中水利用的卫生风险，节约了水资源。当采用6L的自动顺序冲水装置且中水和清水冲水水量比为2:1时，可比单一清水冲洗节约48.65%的水费，且增加费用的投资回收期短。该装置操作简单，易于实现节水卫生洁具的普及。5 结束语中水回用具有极高的社会效益和环境效益，它一方面可以减少环境排污量，减少环境污染；另一方面它又能减少对水资源的开采，对我国长远的国民经济发展具有深刻的意义。开发和应用投资省、见效快、运行成本低的中水回用处理技术已经成为确保社会经济可持续发展的重大课题，所以我们