定時控流節水水龍頭的開發設計★

韓 航 劉晶茹 李 亮 王 偉 方鵬燕 國馨月 擺富蘭

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

0 引言

黨的十八大報告中提出：“全面促進資源節約。節約資源是保護生態環境的根本之策。要節約集約利用資源，推動利用方式根本轉變，加強全過程節約管理，大幅降低能源、水、土地消耗強度，提高利用效率和效益。加強用水總量管理，推進水循環利用，建設節水型社會[1]。”

1 研究背景

水是生命之源，而水資源問題是屬于全人類共生性問題[2]。自工業革命之后，其突出程度是隨著人口的爆發式增長、工業產業的不斷壯大而更加日益突出的問題。時至今日，其短缺問題在全球范圍內的不良影響急劇攀升，據專家估算：21世紀最短缺的資源不會是石油這樣的資源，而是淡水資源。

我國人口數處于世界之最，約占全球人口的20%，既是農業大國，也是工業大國。城市的發展，人民的生活離不開水，已然成為人類文明的生命線。在不久的將來，水資源無疑會嚴重影響我國生活生產的方方面面。已有研究表明在2040年，我國面臨的水資源短缺問題雖不及中東部分地區的極端嚴重，但也僅次于這些地區，與美國、印度等國家均處于水資源短缺的巨大壓力之下。

我國的“水”存在兩大主要問題：一是水資源短缺；二是水污染嚴重。有資料顯示，我國是一個干旱缺水嚴重的國家，每公頃耕地水資源量約為世界平均水平的1/2，約有39%的國土面積為干旱半干旱地區。人均淡水資源僅為世界平均水平的1/4、在世界上名列121位，被聯合國列入十三個貧水國家之一[3]。人均水資源量約2 100 m3，可利用水資源量僅為900 m3，并且分布極不均衡[4]。20世紀末，全國600多座城市中有400多個城市存在不同程度的缺水，其中比較嚴重的缺水城市達110個，全國城市每年的缺水總量達到500多億立方米[5]。

另一方面，我國水資源的利用效率不高，粗放、浪費用水問題普遍存在[6]。從工業看，我國萬元工業增加值用水量52.8 m3，是世界先進水平的2倍～3倍；從農業看，農田灌溉水有效利用系數只有0.542，遠低于0.7～0.8的世界先進水平，若能提高0.1，則可以省下300多億立方米的水，相當于三峽水庫庫容；從城鎮看，城鎮供水管漏損率高達20%，每年損失100多億立方米的自來水，相當于我國總缺水量的20%。據中國城鄉建設統計，2009年，全國城市的供水漏損量達60億m3，2017年時，已達到了78億m3[7]。

為緩解嚴峻的水形勢，必定要做到如下兩點：

1)節水優先；2)治污為本。

本水龍頭便是秉持節水優先的理念作為設計初衷，響應節水器具的推廣發展，創建節水型社會。在國家發展過程中，選擇適當的發展項目，建立“有多少水辦多少事”的理念，杜絕水資源浪費[7]。同時需要采用良好的管理和技術手段，提高水資源利用率。

目前市面上普通水龍頭產品存在的問題如下：

1)傳統型水龍頭僅用于水的收集利用，不對水質安全及節水進行處理；

2)對于停水時打開水龍頭，發現沒有水且忘記關掉的情況，會造成水資源的大量浪費；

3)自來水在管道內部停留的時間較長而導致水質變壞問題。

2 設計原理及功能

1)主要功能及附屬功能。

主要功能：

定時自鎖——針對水龍頭關不緊或對于停水未關造成的巨大浪費情況；

水量調節——對出水量大小及出水壓力進行調節以達到節水，提高水資源利用效率的目的。

附屬功能：過濾、消毒。

2)系統結構原理。

結構原理圖見圖1。

3)結構設計。

a.過濾段。

當自來水由管網接入，于水龍頭入口處通過第一段的活性炭吸附網段，將水中比較小的懸浮顆粒截留住，使其阻擋于管網當中；緊接著進入安裝有紫外線消毒燈的管段進行消毒殺菌,見圖1。

b.計時自鎖段。

經過過濾段之后，緊跟著的是進入計時自鎖段。

自鎖裝置初始狀為開啟模式，當手動開關旋起，擋在管路中間的電磁閥芯塞頭在沒有通電的條件下，恢復初始位置，從而接入被上一階段處理的水。手動開關旋起的同時，水龍頭殼體下方的計時裝置通電開始啟動，進入倒計時，當計時歸零，則電磁鐵通電，鐵質閥芯塞頭受力被向下吸引，完成自鎖。

工作原理：電磁鐵通電，在磁力的作用下水龍頭上壁面閥芯被壁面下方電磁鐵吸引，從而達到關閉水龍頭的目的。

計時裝置有三檔：

一檔——固定為20 s；

二檔——初始為1 min；

三檔——初始為3 min。

計時檔位的選擇，在檔位器上有相應的按鈕，根據集水目的進行檔位的選擇，集水時常檔位則由日常生活當中的常用器具進行設置。

c.水龍頭開關。

水龍頭把手往上轉動一定的距離，距離感應裝置啟動，接通檔位器，實現檔位器控時，時間達到設定值，實現裝置的自鎖。

對于自鎖后，把手不必彈回，直至下次使用再扳回即可。

d.水量轉換器。

當水即將流出出口時，進入流量調節轉換裝置。

其原理是通過第一層的按鈕來移動中間的小珠，使其堵住其一的出水孔。而出水孔分別堵住內環和外環，以調節出水量的大小。

該裝置分為三檔：

按鈕處于最左邊，出水最小，為中間一小束。此時第一層的封堵小珠堵住第二層的外出水孔，使得出水僅從內孔流出。

按鈕與此圓形殼相切，出水為中等，主要為外環出水，中間有一部分。此時的封堵小珠處于中間，可以堵住一半外孔和一半的內孔，使得內外孔都有出水，但都不大。

按鈕處于最右邊，出水僅為外環出水，出水量最大。此時封堵小珠堵住內孔，外環面積相當于內環的5倍，如圖2所示。

3 計算說明

3.1 紫外線燈消毒殺菌部分

計數結果以CFU/mL為單位，其殺滅菌率按如下的公式進行計算：

由文獻提供的數據可知，當進行時長為20 min的紫外線照射，可殺滅水中的大腸桿菌及其他菌類達到99.92%。而細菌的滋生總數由6.6 CFU/mL增長到29.2 CFU/mL,經過20 min完全可以殺滅。

3.2 出水裝置部分

由于存在三個檔位，整個被保護圈包裹的出水面積為：

外徑：D=4 cm；

總面積：S=π0.042；

內徑：d=1.5 cm；

內面積：S=π0.0152；

內外出水面積比：n=7.1。

即理論上最大檔位出水量是最小檔位出水量的7.1倍。

4 產品的創新設計

1)增加了過濾殺毒清潔裝置，對水進一步處理后供用戶使用，保證人體安全；

2)在原有水龍頭的出水端增設一個流量控制型節水裝置，提高了水的利用效率；

3)在水龍頭開關前部分設置自鎖裝置，配合檔位傳感器來使用，避免了生活當中大意的浪費；

4)將自動控制系統增加到整個裝置中，讓用戶使用更加方便。

5 應用前景

就當前市面上的水龍頭而言，對水的利用低效且功能單一，勢必在當下“創建節約型社會”的理念不相適應。而近幾年來的各類新型水龍頭也僅僅針對用水的功能性，而很少關注對水的利用效率。

所以，本產品兼顧上述問題，改進原有的水龍頭，使其成為安全、高效、合理的新型水龍頭，共同創建“節約型社會”。

在今后，還可以增加類似自動感應、加熱等功能，豐富其用戶的需求。