家庭智能節(jié)水系統(tǒng)的初步構(gòu)想

（西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610225）

在節(jié)約用水的大環(huán)境下，水資源的本身不足和水源的污染已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)制約因素。目前國(guó)內(nèi)市面上已經(jīng)存在的節(jié)水設(shè)備存在成本高，種類雜等問題。本文初步提出了更為簡(jiǎn)便、實(shí)用、可操作性強(qiáng)的家庭智能節(jié)水系統(tǒng)的初步構(gòu)想，通過簡(jiǎn)單的設(shè)備組裝，實(shí)現(xiàn)了分析水質(zhì)、中水回流等多重功能。產(chǎn)品操作方便，性價(jià)比高，能夠達(dá)到較好的節(jié)水目的，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)布局簡(jiǎn)介

家庭智能節(jié)水系統(tǒng)是一款實(shí)用經(jīng)濟(jì)型節(jié)水系統(tǒng)，由一套智能操作系統(tǒng)及其控制下的傳感器、過濾器以及儲(chǔ)水和抽水裝置構(gòu)成。安裝時(shí)，在樓房主體完工后或者在鋪設(shè)地基前，將中水回流系統(tǒng)安裝至衛(wèi)生間地板上或者地基位置。其中，水質(zhì)監(jiān)測(cè)以及分流示意圖、中水回流主要管道設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示。

圖1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)以及分流圖

圖2 中水回流主要管道設(shè)計(jì)示意圖

由圖可知，中水回用裝置的工作原理，由熱水器出來的冷水或日常的生活用水，通過洗手池的排水管道經(jīng)過感應(yīng)器A裝置，排水管道分為兩支，分別帶有開關(guān)K1和K2，經(jīng)過A傳感器的水質(zhì)監(jiān)測(cè)：

如果是不符合標(biāo)準(zhǔn)的水，K2自動(dòng)閉合，水會(huì)流入下水道；如果符合標(biāo)準(zhǔn)，K1閉合，水通過與K2相連的管道流入埋于地下的貯水箱。貯水箱配備水泵和水位監(jiān)測(cè)傳感器B，為馬桶水箱提供用水，當(dāng)貯水箱的水滿時(shí)，A裝置K2開關(guān)自動(dòng)閉合停止儲(chǔ)水，其余時(shí)刻K2處于自動(dòng)打開，自動(dòng)持續(xù)的儲(chǔ)水；儲(chǔ)水箱的水位在水泵吃水線上時(shí)，馬桶水箱處的進(jìn)水管道處的開關(guān)K3閉合；馬桶水箱處的水位監(jiān)測(cè)裝置C監(jiān)測(cè)到水箱水位不足時(shí)自動(dòng)抽水，貯水箱的水位下降到水泵吃水線下時(shí)，馬桶與自來水的水管通路K3將自動(dòng)打開，使馬桶水箱隨時(shí)有水可用。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是利用PLC設(shè)計(jì)的一個(gè)家庭用節(jié)水系統(tǒng)，相當(dāng)于簡(jiǎn)單的中水處理系統(tǒng)，能收集生活中洗衣機(jī)或浴缸排放的達(dá)標(biāo)的清潔水進(jìn)行二次利用。該系統(tǒng)的主要設(shè)備包括傳感器、過濾器、泵、電磁閥、推桿、按鈕、閥。軟件部分為：PLC和組態(tài)。

家庭智能節(jié)水系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)控制水流、分析水質(zhì)、中水回流等，是一款能夠做到全自動(dòng)的水質(zhì)檢測(cè)→分流→回收→利用的系統(tǒng)。

1.3 PLC簡(jiǎn)介

PLC是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用所設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存程序主要依賴于可編程的儲(chǔ)存器，可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)以及計(jì)算操作等一系列面向用戶的指令，并且可以通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。

PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)中的核心，應(yīng)完成多系統(tǒng)中所有輸入號(hào)的采集、所有輸出單元的控制以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換[1]。鑒于PLC的高執(zhí)行效率、較大的儲(chǔ)存空間、模塊可擴(kuò)展以及編程簡(jiǎn)單，PLC在該家庭智能節(jié)水系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)光電傳感器的判斷、液位傳感器的判斷、定時(shí)水刷等功能。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 光電傳感器簡(jiǎn)介

光電傳感器由光電元件、光源以及光學(xué)通路三個(gè)部分構(gòu)成，是一以光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。光電傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的功能，可以實(shí)現(xiàn)家庭智能節(jié)水系統(tǒng)中出水混濁程度的分辨，為后面的操作提供依據(jù)。

2.1.2 過濾器

過濾器通常用于輸送介質(zhì)管道上，可以阻擋流體介質(zhì)中的雜質(zhì)。當(dāng)流體進(jìn)過濾器時(shí)，其雜質(zhì)被攔截在濾網(wǎng)上，無雜質(zhì)的水可以從過濾器的出口流出，當(dāng)過濾器需要清洗時(shí)，將可拆卸的濾筒取出，處理口重新裝入即可，便于維護(hù)。

2.1.3 泵

水泵是用來運(yùn)送液體的工具。本項(xiàng)目通過泵將經(jīng)分辨和過濾后的水送到儲(chǔ)存水箱中。

2.1.4 電磁閥簡(jiǎn)介

電磁閥經(jīng)常作為執(zhí)行器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的工業(yè)過程，能夠根據(jù)電控信號(hào)自動(dòng)開啟或者關(guān)閉閥門，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭智能節(jié)水系統(tǒng)管道中的流體介質(zhì)實(shí)施通斷控制，達(dá)到控制系統(tǒng)溫度、流量、壓力等參數(shù)的目的。電磁閥可以配合不同的電路實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制，控制的精度和靈活性都能夠保證。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）PLC是控制整個(gè)家庭智能節(jié)水系統(tǒng)中的關(guān)鍵，可以實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)中的輸入信號(hào)，控制輸出單元和交換外部數(shù)據(jù)等功能。在選擇PLC時(shí)，應(yīng)考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通信接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力及編程軟件的方便與否等多方面的因素[2]。該家庭節(jié)水項(xiàng)目中，應(yīng)用PLC來實(shí)現(xiàn)光電傳感器的判斷、液位傳感器的判斷等功能。

（2）組態(tài)軟件又稱為組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是指數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，也是指在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境。這些軟件實(shí)際上也是一種通過靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能和通用層次的軟件工具。

3 產(chǎn)品原理

3.1 光電傳感器的原理及應(yīng)用

光電傳感器作為一種檢測(cè)裝置，由于其具有精度高、反應(yīng)快、非接觸、可測(cè)參數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，體積小，已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。

光電傳感器是一種小型電子設(shè)備，可以檢測(cè)其接收的光強(qiáng)的變化[3]。光電傳感器在家庭智能節(jié)水系統(tǒng)中可以通過識(shí)別光照強(qiáng)度的變化，反映檢系統(tǒng)出水的清潔程度，以便達(dá)到中水回用的目的。

3.2 液位傳感器及其工作原理

液位傳感器是一種液位的壓力傳感器，利用了液位靜壓與液體的深度成比例的原理。其中，液位計(jì)（靜壓投入式液位變松器）使用了國(guó)外先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，可以將靜壓轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。通過補(bǔ)償溫度和修正線性等方式，可以將一般電信號(hào)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。所測(cè)量的液位靜壓與該液體的深度成比例的原理為靜壓測(cè)量原理：當(dāng)液位變送器投入被測(cè)液體中某一深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓力公式如下：

式中：P——變送器迎液面所受壓力；ρ——被測(cè)液體密度；H——變送器投入液體的深度；g——當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋籔O——液面上大氣壓。

3.3 電磁閥的工作原理

電磁閥里設(shè)有密閉的腔，通孔位于腔的不同位置與電磁閥當(dāng)中的油管相連通，腔的中間稱為閥體，由兩塊電磁鐵圍繞在其兩面。當(dāng)電磁閥表面的電磁鐵的磁鐵線圈通電時(shí)，閥體會(huì)移動(dòng)，可以通過控制閥體的移動(dòng)遮擋腔體上的排油的通孔。由于進(jìn)油孔是常開的，液壓油會(huì)沿著不同位置處的通孔進(jìn)入對(duì)應(yīng)的各個(gè)的排油管里面，再通過油的壓力推動(dòng)油缸的活塞，帶動(dòng)活塞桿，進(jìn)而利用活塞桿帶動(dòng)機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)變通過控制電磁鐵的電流通斷得到控制。利用這種原理，家庭智能節(jié)水系統(tǒng)可以通過控制電磁鐵電流通斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作達(dá)到機(jī)械運(yùn)動(dòng)的功能。

4 蓄水箱工藝

蓄水箱（中水收集儲(chǔ)存模塊）主要分為家庭側(cè)衛(wèi)用和公共場(chǎng)所儲(chǔ)水兩類。兩類蓄水箱材質(zhì)均選用聚乙烯PE再生料，其抗壓強(qiáng)度通常為0.12～0.55 N/m2。該中水收集儲(chǔ)存模塊滿足家庭廁衛(wèi)節(jié)省空間和節(jié)水效果好的需求，又滿足公共場(chǎng)所對(duì)于儲(chǔ)水箱整體性好、儲(chǔ)水率高、施工簡(jiǎn)單和超強(qiáng)承壓的要求。綜合來說，該類型蓄水箱適用于家庭廁衛(wèi)的中水回用以及公共場(chǎng)所儲(chǔ)存和使用中水。

5 水質(zhì)判斷

檢驗(yàn)水質(zhì)時(shí)，主要以Ca、S、N三個(gè)元素的含量不同為主，水的渾濁度不同，運(yùn)用光電傳感器可在短時(shí)間內(nèi)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行判斷、分流，對(duì)達(dá)標(biāo)的中水進(jìn)行回收利用。

6 節(jié)水性能預(yù)測(cè)

智能節(jié)水系統(tǒng)的電磁閥具有減水壓的功能，使用本產(chǎn)品后，家庭用水不再需要限時(shí)供水、管理浴室用水量。在出水方式上，同以往洗澡等用水量完全一樣，但在中水循環(huán)系統(tǒng)中，水可循環(huán)利用，不會(huì)因停電而造成水費(fèi)損失。家庭節(jié)水預(yù)測(cè)如表1所示。

表1 家庭節(jié)水預(yù)測(cè)表

以成都為例，預(yù)計(jì)成都使用此產(chǎn)品用戶數(shù)量為550萬戶，其中有10%的實(shí)庭因新房裝修，可能使用此產(chǎn)品。使用智能節(jié)水系統(tǒng)后人均用水量節(jié)約了40%以上，使用節(jié)水系統(tǒng)以后，人均節(jié)水量提高為77 m3/（人·年），則每年全市凈節(jié)水量增加約為1 210 萬m3，家庭用水量統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 家庭用水量統(tǒng)計(jì)表

假定僅在成都市使用此節(jié)水系統(tǒng)的家庭數(shù)按每年3%的速率增長(zhǎng)（暫定3%，工廠和公共場(chǎng)所暫時(shí)未考慮），則未來5年使用住戶達(dá)647.78萬戶，節(jié)水量增加約14 251.44 萬m3，即1.43 億m3，足以提供成都市超過89萬的住戶的正常用水，占到了成都市人口的23%。從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度來看，用此產(chǎn)品后增加的節(jié)水量帶來的直接經(jīng)濟(jì)利益超過5.47億元。由此可見，節(jié)水帶來的經(jīng)濟(jì)利益十分可觀，推動(dòng)該智能節(jié)水器的使用切實(shí)可行。

7 結(jié)語

智能節(jié)水系統(tǒng)的效益體現(xiàn)在節(jié)約水費(fèi)，更多的是體現(xiàn)在水資源的合理利用及實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展等方面，是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇。