節水坐便器的設計與效果研究

王立勝，陳偉杰，朱書文，趙旭光

（韶關學院 土木工程學院，廣東 韶關512005）

水資源是一種不可替代的戰略性自然資源，我國是世界上水資源較為短缺的國家，加大節水技術與設備研究開發［1-2］，對提高水資源利用率，改善人類生存環境，實現經濟社會可持續發展具有重要的現實意義.

坐便器是普通的衛生潔具，由于使用時耗水量較大，國家于2011年7月1日起正式實施《坐便器用水效率限定值及用水效率等級》（GB25502-2010）強制性水效標準，禁止生產一次沖水量9 L以上的坐便器，將坐便器節水標準由6 L確定為5 L.欲使坐便器節水，只能購買新型的節水型坐便器，這對一般家庭而言，是一筆不小的開支，換裝施工也比較麻煩.

針對上述問題，作者以坐便器的節水為目的，對目前家庭衛生間的給排水系統進行了創新設計.新型給排水系統結構簡單，節水效果好，并可明顯降低家庭開支.

1 坐便器節水裝置的工作原理

本設計所采用的技術原理：在家中衛生間降板上設置一個污水箱，通過污水管和地漏用以收集洗手盆和洗澡的廢水.在污水箱的側壁高位設有溢流管，可使箱中多余的水可直排下水管.同時，在污水箱中安裝一個稱之為“雙水輪泵”的核心部件，雙水輪泵實質是水輪機和水泵的結合體，其工作原理是利用水輪機來獲取自來水的流體機械能，并通過水泵來泵送污水.因此，雙水輪泵共設有4個水口，分別是自來水的進水口和出水口（簡稱主動進水口和主動出水口），以及污水的進水口和出水口（簡稱被動進水口和被動出水口）.

在安裝時，將雙水輪泵的主動進水口一端聯接自來水管，主動出水口通過水管進入坐便器水箱中.被動進水口直接沉沒在污水箱的污水中，被動出水口通過水管進入坐便器的水箱中.

圖1 坐便器節水裝置原理圖

使用時，當坐便器水箱中的自來水閥門打開時，自來水將經過雙水輪泵的水輪機組件，進入到水箱中，同時帶動雙水輪泵中的水泵組件工作，使污水箱中的污水同步泵送至坐便器的水箱中，從而實現節水的目的.

2 新型雙水輪泵的設計與制備

從前述工作原理可知，如何充分利用自來水的機械能，提高雙水輪泵工作效率，亦即自來水與污水的流量比值，是提高本裝置節水率的關鍵，也是本設計的工作重點.

根據雙水輪泵的作用原理，在雙水輪泵內部設置了水輪機和水泵二個獨立腔室，分別安裝主動水輪和被動水輪，二個水輪安裝在一根轉軸上，并采用滑動軸承支承，以提高傳動效率.

水輪機和水泵的類型也是影響雙水輪泵工作效率的重要因素.目前，根據工作條件的差異，水輪機的結構有很多形式，包括反擊式和沖擊式.反擊式又可分為混流式、斜流式、軸流式和貫流式等；沖擊式可分為水斗式、斜擊式和雙擊式.水泵的結構亦有很多形式，包括離心泵、混流泵、軸流泵、旋水泵等.在本設計中，考慮到自來水的供水壓力較高且比較穩定（0.1～0.6 MPa），因此，主動水輪泵選用管道式，而被動水輪泵則選用離心式，這是因為該類泵結構簡單，壓頭小，輸液量大．還能輸送懸浮液，比較適合輸送家庭污水.雙水輪泵具體結構詳見圖2.

在雙水輪泵的制造方面，由于主動和被動水輪造型比較復雜，手工制造難度較大，因此，雙水輪泵的殼體和主動水輪選用高分子材料制作的市場銷售產品并加以改裝；傳動軸設計直徑4 mm，選用304不銹鋼材料；被動水輪（離心輪）設計為三葉式，直型葉片，尺寸38 mm×14.5 mm，選用304不銹鋼材料通過機加工、焊接制成；傳動軸支承采用黃銅質滑動軸承，提高了傳動效率.制作的雙水輪泵實物見圖3.

圖2 雙水輪泵的結構

圖3 雙水輪泵實物圖

3 雙水輪泵體的效能驗證實驗

為了檢驗雙水輪泵體的效能，在供水水壓（靜壓）為0.46 MPa、被動水輪在不同的進口直徑下，測量主動水輪的水流量和被動水輪的水流量，并以被動水輪的水流量與主動水輪的水流量之比反映雙水輪泵體的工作效能.亦即：

效能驗證實驗具體結果見表1.

根據本節水裝置的設計原理，其節水率可表達為：

表1 雙水輪泵體的效能實驗結果

節水率試驗結果同列于表1.

從上述驗證實驗結果可見，受制于離心泵的工作原理，被動水輪進水口直徑對雙水輪泵體的工作效能具有較大影響，適當增大被動水輪進水口直徑，有利于提高雙水輪泵體的工作效能.在本研究中，由于雙水輪泵體總體采用現有市售材料手工制作，加工安裝精度有限，特別是被動離心水輪與機殼之間的間隙較大（2 mm），水頭損失嚴重.此外，被動離心水輪質量較大，兩個水輪均為懸臂支撐，整個轉動部件的平衡性差，從而導致雙水輪泵體的工作效能最高只有43%.如果在規模生產時，主動水輪和被動水輪（離心輪）均選用高分子材料整體注塑成型，根據流體力學原理，優化葉片的形狀、尺寸和數量，提高整個雙水輪泵各部件的加工精度，預計雙水輪泵體的工作效能應能達到50%以上.如果將此雙水輪泵體應用于坐便器節水裝置，該裝置的節水率可達到35%左右.

4 結語

我國目前缺水十分嚴重，城市自來水水價更是逐年攀升.假設一戶家庭一家三口平均每人每天使用8次坐便器，一次沖水量5 L，則一年用水量近44噸.安裝本裝置節水率可達30%，一年可節約14.6噸水，按北京最低階梯水價5元/m3計算，不到半年的使用期，即可收回本節水裝置的全部成本.