節水節能的感應水龍頭設計

王婧瑤 李浩明 夏宇

摘?要：目前感應水龍頭技術很成熟且已廣泛推廣應用。但是現有的感應水龍頭電池用量大，處理不當易引發環境問題。基于此，我們創新小組設計了一款通過水能實現自發電的充電式感應水龍頭，它不僅更加節能節水，而且可減少電池的消耗及消除其引起的環境問題。下面針對這款節水節能水龍頭，介紹了其工作原理、制作工藝，及其與市面常見感應水龍頭的區別與優勢，最后論述了這款水龍頭的發展前景。

關鍵詞：感應水龍頭;節水節能;自發電;電池污染

感應水龍頭出現于20世紀70年代的日本和歐美等發達國家，常應用于公共場所，可防止洗手后的二次污染，避免疾病的感染，但其節水功能和大量使用電池對環境的污染并沒有引起人們的重視。由于當時的感應水龍頭技術不夠成熟，在發展和普及過程中也并非一帆風順。90年代后，因為電子技術迅猛發展，感應水龍頭在技術上進行了一系列改進，其中供電源由交流電改為直流電，電池也開始應用鋰電池，水閥結構更為緊湊，節水效率得到提高。隨著工業化水平的提高，我國生產的感應水龍頭成本大幅下降，開始走進了人們的日常生活。

感應水龍頭是現在人們經常能在公共場所看見的設施，以干凈衛生，節水節電的優點，得到使用者的好評。目前，感應水龍頭已經普遍應用在各大公共場所，其中以人流量密集的火車站、汽車站、飛機場、高速公路服務區、景區、醫院等公共場所中使用最為廣泛，甚至在火車、高鐵、飛機這三種每天承載數以億計客流量的交通設施中安裝使用。從某種程度上說，現有市場上的感應水龍頭已經深深的扎根于人們的生活之中。[1-3]然而，感應水龍頭大范圍的應用也帶來了環境問題。通過對售賣設備廠家的初步調查得知，每個水龍頭一次安裝四節5號堿性干電池只能使用兩到三個月，可想而知如此大的推廣面積，這些設備每年消耗的電池數量是非常大的。眾所周知，堿性干電池中含有重金屬，處理不當不僅可以嚴重污染水體與土壤，通過作物的吸收與富集危及糧食安全、食品安全和環境安全，甚至重金屬通過食物鏈的傳遞危害人體健康。[4-5]為了解決這些問題，擬設計一款使用壽命長且更加節水節能的感應水龍頭。

一、節水節能感應水龍頭的設計原理及工作原理

本產品的創新性設計主要是感應水龍頭的供能蓄能方案和裝置，其余部分為現有市場上采集的零件安裝，所以下面主要介紹供電蓄電裝置部分的設計原理及工作原理，其余部分作簡單說明。

感應水龍頭的設計原理如下：

感應水龍頭利用水流通過葉輪帶動電機給電源供電，并由電源支持自感應水閥通過紅外感應裝置感應人體，作用于電磁閥來控制水流的通斷。整體裝置由4部分組成：葉輪、電機、蓄電裝置與紅外感應水閥。結構原理圖如下：

產品分為3部分，分別為感應水龍頭、電磁閥和供電蓄電裝置。如圖所示：

各部件的工作原理如下：

感應水龍頭：感應水龍頭中帶有紅外感應裝置，通過人體的遮擋與否將信號傳給電磁閥。

電磁閥：本產品使用2通電磁閥，感應裝置被遮擋時，電磁閥開關打開，控制水流流出。

供電蓄電裝置：感應水龍頭內部采用直流冗余供電，內置3.7V，2000mA，

H18650型鋰電池（內置電源保護板）。鋰電池和干電池（選擇安裝）之間加裝1N4007二極管進行并聯，在使用時優先使用電壓高的電源。在水龍頭出水口端安裝水流發電機，水在水管中運動時沖擊水流發電機葉輪，葉輪帶動直流發電機產生5V電壓。發電機產生的電流經過二極管（1N4007）給鋰電池充電。

經測量感應水龍頭所消耗的電流為0.47mA，開關一次需要的時間約為1s。按照鋰電池的電壓4.2V計算，每次耗電功率為0.000548?mW。水流發電機在工作時產生的電流約為10mA。按照水龍頭開關一次的間隔10s，鋰電池的電壓4.2V計算，每次發電功率為0.011667?mw，不考慮鋰電池本身的損耗和充電過程的消耗，水龍頭打開一次所儲存的能量能打開210次水龍頭，滿足設計要求。圖4為測試時所測得電流：

二、節水節能感應水龍頭的制作

如下圖所示，產品設計結構簡單，制作步驟簡潔。所用的材料分別為帶有紅外感應的水龍頭、電機、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，經過簡單組裝就可完成。下圖分別為工作電路圖（圖5）、電磁閥工作圖（圖6）。

三、現有產品的優勢

市面上擁有很多品牌的感應水龍頭，價格大小不一，而我們的設計品瞄準的是大范圍應用于公共場所的感應水龍頭，在這個市場上，需要的感應水龍頭數量巨大，[1-3]感應水龍頭的價格較低，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責，而這個工作環節出現問題將可能導致水龍頭無法工作，如感應器關機導致水龍頭無法使用，在電池弱電時感應器不靈敏出現延遲，甚至可能出現水龍頭無法關閉的情況。當每次換下的電池沒有妥善的回收和儲存時，易造成電池對環境的污染及對人體的傷害。我們的產品除了具有感應水龍頭原有的干凈衛生、快捷方便之外，還解決了上面所說的這些問題。具體優勢如下：

（一）與原產品相比本產品節省了電池的消耗，節省了資源，減少了對環境的污染

我們的產品采用充電鋰電池，電池壽命大大延長，且不需要外接電源，直接利用水流的動能便可實現充電。這個方案減少了電池的消耗，節約了能源，同時還免去了處理大量廢舊電池造成的資源浪費。生產1枚電池需要消耗資源，降低電池的消耗，就是一種節能的方式。此外，減少電池的使用還降低了它對環境的不利影響，電池廠家在進行生產時不可避免要產生工業廢氣、廢液。即使達到排放標準，也會對環境容量造成壓力，何況還有不法廠家，甚至是極個別“合法”廠家，偷排廢液、廢氣，對環境造成嚴重污染。以我校校園公共區域感應水龍頭為例，僅食堂區域就有40個感應水龍頭，一年約需要160枚電池，全國范圍內使用的電池數量就更為巨大，對環境造成的影響不容小覷，我們的方案解決了這個問題。

（二）我們的產品減少了水資源的浪費

現在市場上的感應水龍頭存在著當電池電量不夠時，感應不靈敏的問題，這個問題很多人在實際生活中遇到過，手放在感應區，發現水龍頭沒有正常工作，當手撤出時發現有一點水流，但因為手已離開，水流又停止了，這一前一后不僅浪費時間，降低使用者的體驗，還浪費了水資源，在用水結束時，遲遲關不了水，導致水白白的流走。[5]我國屬于水資源匱乏的大國，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該能省則省，我們的產品使電池時刻處于較高電量的狀態，解決了這個問題，減少了水資源的浪費。

（三）我們的產品減少了人工的投入

一般情況下，現今市場上的感應水龍頭的電池使用時間為兩到三個月，也就是說，最遲每三個月就需要人工更換電池，小型的公司、酒店、餐飲企業因為感應水龍頭使用量小，對電池更換及維護較為容易，而火車站、機場、商場這些大量使用該裝置的場所更換電池就非常的費力，數量越多，耗費的人工就越多。例如，市面所售感應水龍頭更換電池非常費力。我們買來一款市售感應水龍頭用做試驗，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，拆裝時需要先拆下這四顆螺釘，更換完畢后還需擰回，如果需要進行大量的電池更換，那么僅在在這個環節會耗費很長時間。我們小組進行了測試，以最快速度拆下這四個螺絲就用了近2分鐘，這些螺絲很細小易丟失，一拆一裝要消耗大量的時間。而我們的產品因其是可充電，電池使用周期長，不用頻繁的更換電池，就節約了大量人工和時間，解決了人工投入的問題。

四、發展前景

本設計的水龍頭工藝簡單，結構緊湊，生產感應水龍頭的技術非常成熟，只需改變設計理念，就可以生產。它的安裝非常簡便，現有的產品甚至可以自學安裝。而我們的產品安裝流程與現有產品沒有區別。可以說我們的產品只是改進了它不斷更換電池的缺點，讓這個設備更加好用，實現省時、省力、節能、環保。當我們的新產品進行大量生產時，它的成本將和現在產品相差不大，而新型產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，我們設計的產品還可用作為一種節水節能設備給青少年灌輸節能減排思想，激發孩子們“保護環境，從小做起，從我做起”的意識和行動。[6]

綜上所述，我們小組設計的節水節能感應水龍頭不僅能夠實現省時、省力，節能、環保，而且經濟實用，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]紅外感應潔具專用紅外水龍頭.福州市新源電子技術研究所，2008.

[2]全自動感應式淋浴噴頭.石家莊市盛園達節能科技有限公司，2009.

[3]溝槽式沖廁所節水器.新鄉市三通電子有限公司，2007.

[4]孫明星.中國廢舊電池回收路徑與管理體系研究，2016.

[5]何宏彬.微型渦輪發電式自感應水閥的應用與發展，2010.

[6]楊茜.西部高校建筑節水技術與策略研究，2010.