節(jié)水節(jié)能的感應(yīng)水龍頭設(shè)計(jì)

王婧瑤 李浩明 夏宇

摘?要：目前感應(yīng)水龍頭技術(shù)很成熟且已廣泛推廣應(yīng)用。但是現(xiàn)有的感應(yīng)水龍頭電池用量大，處理不當(dāng)易引發(fā)環(huán)境問(wèn)題。基于此，我們創(chuàng)新小組設(shè)計(jì)了一款通過(guò)水能實(shí)現(xiàn)自發(fā)電的充電式感應(yīng)水龍頭，它不僅更加節(jié)能節(jié)水，而且可減少電池的消耗及消除其引起的環(huán)境問(wèn)題。下面針對(duì)這款節(jié)水節(jié)能水龍頭，介紹了其工作原理、制作工藝，及其與市面常見感應(yīng)水龍頭的區(qū)別與優(yōu)勢(shì)，最后論述了這款水龍頭的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)水龍頭;節(jié)水節(jié)能;自發(fā)電;電池污染

感應(yīng)水龍頭出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代的日本和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，常應(yīng)用于公共場(chǎng)所，可防止洗手后的二次污染，避免疾病的感染，但其節(jié)水功能和大量使用電池對(duì)環(huán)境的污染并沒有引起人們的重視。由于當(dāng)時(shí)的感應(yīng)水龍頭技術(shù)不夠成熟，在發(fā)展和普及過(guò)程中也并非一帆風(fēng)順。90年代后，因?yàn)殡娮蛹夹g(shù)迅猛發(fā)展，感應(yīng)水龍頭在技術(shù)上進(jìn)行了一系列改進(jìn)，其中供電源由交流電改為直流電，電池也開始應(yīng)用鋰電池，水閥結(jié)構(gòu)更為緊湊，節(jié)水效率得到提高。隨著工業(yè)化水平的提高，我國(guó)生產(chǎn)的感應(yīng)水龍頭成本大幅下降，開始走進(jìn)了人們的日常生活。

感應(yīng)水龍頭是現(xiàn)在人們經(jīng)常能在公共場(chǎng)所看見的設(shè)施，以干凈衛(wèi)生，節(jié)水節(jié)電的優(yōu)點(diǎn)，得到使用者的好評(píng)。目前，感應(yīng)水龍頭已經(jīng)普遍應(yīng)用在各大公共場(chǎng)所，其中以人流量密集的火車站、汽車站、飛機(jī)場(chǎng)、高速公路服務(wù)區(qū)、景區(qū)、醫(yī)院等公共場(chǎng)所中使用最為廣泛，甚至在火車、高鐵、飛機(jī)這三種每天承載數(shù)以億計(jì)客流量的交通設(shè)施中安裝使用。從某種程度上說(shuō)，現(xiàn)有市場(chǎng)上的感應(yīng)水龍頭已經(jīng)深深的扎根于人們的生活之中。[1-3]然而，感應(yīng)水龍頭大范圍的應(yīng)用也帶來(lái)了環(huán)境問(wèn)題。通過(guò)對(duì)售賣設(shè)備廠家的初步調(diào)查得知，每個(gè)水龍頭一次安裝四節(jié)5號(hào)堿性干電池只能使用兩到三個(gè)月，可想而知如此大的推廣面積，這些設(shè)備每年消耗的電池?cái)?shù)量是非常大的。眾所周知，堿性干電池中含有重金屬，處理不當(dāng)不僅可以嚴(yán)重污染水體與土壤，通過(guò)作物的吸收與富集危及糧食安全、食品安全和環(huán)境安全，甚至重金屬通過(guò)食物鏈的傳遞危害人體健康。[4-5]為了解決這些問(wèn)題，擬設(shè)計(jì)一款使用壽命長(zhǎng)且更加節(jié)水節(jié)能的感應(yīng)水龍頭。

一、節(jié)水節(jié)能感應(yīng)水龍頭的設(shè)計(jì)原理及工作原理

本產(chǎn)品的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)主要是感應(yīng)水龍頭的供能蓄能方案和裝置，其余部分為現(xiàn)有市場(chǎng)上采集的零件安裝，所以下面主要介紹供電蓄電裝置部分的設(shè)計(jì)原理及工作原理，其余部分作簡(jiǎn)單說(shuō)明。

感應(yīng)水龍頭的設(shè)計(jì)原理如下：

感應(yīng)水龍頭利用水流通過(guò)葉輪帶動(dòng)電機(jī)給電源供電，并由電源支持自感應(yīng)水閥通過(guò)紅外感應(yīng)裝置感應(yīng)人體，作用于電磁閥來(lái)控制水流的通斷。整體裝置由4部分組成：葉輪、電機(jī)、蓄電裝置與紅外感應(yīng)水閥。結(jié)構(gòu)原理圖如下：

產(chǎn)品分為3部分，分別為感應(yīng)水龍頭、電磁閥和供電蓄電裝置。如圖所示：

各部件的工作原理如下：

感應(yīng)水龍頭：感應(yīng)水龍頭中帶有紅外感應(yīng)裝置，通過(guò)人體的遮擋與否將信號(hào)傳給電磁閥。

電磁閥：本產(chǎn)品使用2通電磁閥，感應(yīng)裝置被遮擋時(shí)，電磁閥開關(guān)打開，控制水流流出。

供電蓄電裝置：感應(yīng)水龍頭內(nèi)部采用直流冗余供電，內(nèi)置3.7V，2000mA，

H18650型鋰電池（內(nèi)置電源保護(hù)板）。鋰電池和干電池（選擇安裝）之間加裝1N4007二極管進(jìn)行并聯(lián)，在使用時(shí)優(yōu)先使用電壓高的電源。在水龍頭出水口端安裝水流發(fā)電機(jī)，水在水管中運(yùn)動(dòng)時(shí)沖擊水流發(fā)電機(jī)葉輪，葉輪帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生5V電壓。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流經(jīng)過(guò)二極管（1N4007）給鋰電池充電。

經(jīng)測(cè)量感應(yīng)水龍頭所消耗的電流為0.47mA，開關(guān)一次需要的時(shí)間約為1s。按照鋰電池的電壓4.2V計(jì)算，每次耗電功率為0.000548?mW。水流發(fā)電機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的電流約為10mA。按照水龍頭開關(guān)一次的間隔10s，鋰電池的電壓4.2V計(jì)算，每次發(fā)電功率為0.011667?mw，不考慮鋰電池本身的損耗和充電過(guò)程的消耗，水龍頭打開一次所儲(chǔ)存的能量能打開210次水龍頭，滿足設(shè)計(jì)要求。圖4為測(cè)試時(shí)所測(cè)得電流：

二、節(jié)水節(jié)能感應(yīng)水龍頭的制作

如下圖所示，產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作步驟簡(jiǎn)潔。所用的材料分別為帶有紅外感應(yīng)的水龍頭、電機(jī)、裝有可充電電池的鋰電池盒、2維2通脈沖電磁閥、水管所需零件都可以便捷的采購(gòu)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單組裝就可完成。下圖分別為工作電路圖（圖5）、電磁閥工作圖（圖6）。

三、現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)

市面上擁有很多品牌的感應(yīng)水龍頭，價(jià)格大小不一，而我們的設(shè)計(jì)品瞄準(zhǔn)的是大范圍應(yīng)用于公共場(chǎng)所的感應(yīng)水龍頭，在這個(gè)市場(chǎng)上，需要的感應(yīng)水龍頭數(shù)量巨大，[1-3]感應(yīng)水龍頭的價(jià)格較低，與之匹配的是這些水龍頭的后期投資較大，它需要定期的更換電池，這部分工作都是交給保潔人員負(fù)責(zé)，而這個(gè)工作環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題將可能導(dǎo)致水龍頭無(wú)法工作，如感應(yīng)器關(guān)機(jī)導(dǎo)致水龍頭無(wú)法使用，在電池弱電時(shí)感應(yīng)器不靈敏出現(xiàn)延遲，甚至可能出現(xiàn)水龍頭無(wú)法關(guān)閉的情況。當(dāng)每次換下的電池沒有妥善的回收和儲(chǔ)存時(shí)，易造成電池對(duì)環(huán)境的污染及對(duì)人體的傷害。我們的產(chǎn)品除了具有感應(yīng)水龍頭原有的干凈衛(wèi)生、快捷方便之外，還解決了上面所說(shuō)的這些問(wèn)題。具體優(yōu)勢(shì)如下：

（一）與原產(chǎn)品相比本產(chǎn)品節(jié)省了電池的消耗，節(jié)省了資源，減少了對(duì)環(huán)境的污染

我們的產(chǎn)品采用充電鋰電池，電池壽命大大延長(zhǎng)，且不需要外接電源，直接利用水流的動(dòng)能便可實(shí)現(xiàn)充電。這個(gè)方案減少了電池的消耗，節(jié)約了能源，同時(shí)還免去了處理大量廢舊電池造成的資源浪費(fèi)。生產(chǎn)1枚電池需要消耗資源，降低電池的消耗，就是一種節(jié)能的方式。此外，減少電池的使用還降低了它對(duì)環(huán)境的不利影響，電池廠家在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)不可避免要產(chǎn)生工業(yè)廢氣、廢液。即使達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，也會(huì)對(duì)環(huán)境容量造成壓力，何況還有不法廠家，甚至是極個(gè)別“合法”廠家，偷排廢液、廢氣，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。以我校校園公共區(qū)域感應(yīng)水龍頭為例，僅食堂區(qū)域就有40個(gè)感應(yīng)水龍頭，一年約需要160枚電池，全國(guó)范圍內(nèi)使用的電池?cái)?shù)量就更為巨大，對(duì)環(huán)境造成的影響不容小覷，我們的方案解決了這個(gè)問(wèn)題。

（二）我們的產(chǎn)品減少了水資源的浪費(fèi)

現(xiàn)在市場(chǎng)上的感應(yīng)水龍頭存在著當(dāng)電池電量不夠時(shí)，感應(yīng)不靈敏的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題很多人在實(shí)際生活中遇到過(guò)，手放在感應(yīng)區(qū)，發(fā)現(xiàn)水龍頭沒有正常工作，當(dāng)手撤出時(shí)發(fā)現(xiàn)有一點(diǎn)水流，但因?yàn)槭忠央x開，水流又停止了，這一前一后不僅浪費(fèi)時(shí)間，降低使用者的體驗(yàn)，還浪費(fèi)了水資源，在用水結(jié)束時(shí)，遲遲關(guān)不了水，導(dǎo)致水白白的流走。[5]我國(guó)屬于水資源匱乏的大國(guó)，人均持水量只有世界水平的三分之一，在洗手這種事情更應(yīng)該能省則省，我們的產(chǎn)品使電池時(shí)刻處于較高電量的狀態(tài)，解決了這個(gè)問(wèn)題，減少了水資源的浪費(fèi)。

（三）我們的產(chǎn)品減少了人工的投入

一般情況下，現(xiàn)今市場(chǎng)上的感應(yīng)水龍頭的電池使用時(shí)間為兩到三個(gè)月，也就是說(shuō)，最遲每三個(gè)月就需要人工更換電池，小型的公司、酒店、餐飲企業(yè)因?yàn)楦袘?yīng)水龍頭使用量小，對(duì)電池更換及維護(hù)較為容易，而火車站、機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)這些大量使用該裝置的場(chǎng)所更換電池就非常的費(fèi)力，數(shù)量越多，耗費(fèi)的人工就越多。例如，市面所售感應(yīng)水龍頭更換電池非常費(fèi)力。我們買來(lái)一款市售感應(yīng)水龍頭用做試驗(yàn)，這款水龍頭的電池放在電池盒中，電池盒上用四顆螺釘固定面板，拆裝時(shí)需要先拆下這四顆螺釘，更換完畢后還需擰回，如果需要進(jìn)行大量的電池更換，那么僅在在這個(gè)環(huán)節(jié)會(huì)耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。我們小組進(jìn)行了測(cè)試，以最快速度拆下這四個(gè)螺絲就用了近2分鐘，這些螺絲很細(xì)小易丟失，一拆一裝要消耗大量的時(shí)間。而我們的產(chǎn)品因其是可充電，電池使用周期長(zhǎng)，不用頻繁的更換電池，就節(jié)約了大量人工和時(shí)間，解決了人工投入的問(wèn)題。

四、發(fā)展前景

本設(shè)計(jì)的水龍頭工藝簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)感應(yīng)水龍頭的技術(shù)非常成熟，只需改變?cè)O(shè)計(jì)理念，就可以生產(chǎn)。它的安裝非常簡(jiǎn)便，現(xiàn)有的產(chǎn)品甚至可以自學(xué)安裝。而我們的產(chǎn)品安裝流程與現(xiàn)有產(chǎn)品沒有區(qū)別。可以說(shuō)我們的產(chǎn)品只是改進(jìn)了它不斷更換電池的缺點(diǎn)，讓這個(gè)設(shè)備更加好用，實(shí)現(xiàn)省時(shí)、省力、節(jié)能、環(huán)保。當(dāng)我們的新產(chǎn)品進(jìn)行大量生產(chǎn)時(shí)，它的成本將和現(xiàn)在產(chǎn)品相差不大，而新型產(chǎn)品又可以減少電池的使用和人工的消耗，使投資總成本降低。此外，我們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品還可用作為一種節(jié)水節(jié)能設(shè)備給青少年灌輸節(jié)能減排思想，激發(fā)孩子們“保護(hù)環(huán)境，從小做起，從我做起”的意識(shí)和行動(dòng)。[6]

綜上所述，我們小組設(shè)計(jì)的節(jié)水節(jié)能感應(yīng)水龍頭不僅能夠?qū)崿F(xiàn)省時(shí)、省力，節(jié)能、環(huán)保，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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[6]楊茜.西部高校建筑節(jié)水技術(shù)與策略研究，2010.