現(xiàn)有便器沖水裝置節(jié)水性的理論分析

摘要：首先應(yīng)用力學(xué)基本理論，結(jié)合大小便的特點(diǎn)及生活常識(shí)，分析大小便沖洗運(yùn)動(dòng)過程，探討節(jié)水沖洗途徑；然后運(yùn)用分析結(jié)果，深入探究現(xiàn)有便器沖水裝置在節(jié)水方面存在的不足，最后指明新型科學(xué)節(jié)水便器沖洗裝置所應(yīng)具備的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：便器沖洗裝置；節(jié)水；理論分析

中國(guó)是世界13個(gè)嚴(yán)重缺水國(guó)家之一，人均擁有淡水量居世界第88位，人均水資源擁有量為2370m3，約為世界平均水平的1/4[1]。當(dāng)前，全國(guó)600多座城市缺水，日缺水量達(dá)1600萬m3[2]，每年因缺水影響工業(yè)生產(chǎn)值2300億元[3]。隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水的缺口越來越大，，嚴(yán)重缺水將是中國(guó)21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大制約因素之一，節(jié)水勢(shì)在必行。

2006年全國(guó)用水消耗總量3042億m3，其中生活耗水占12.2%，城鎮(zhèn)生活耗水率（消耗量占用水量的百分比）為29%[4]。在生活用水量中，便器沖洗水量占30%-40%[5]，因此如果能在便器節(jié)水沖洗上能有突破，不僅能減少污水排放，而且還會(huì)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 大便沖洗時(shí)的受力及運(yùn)動(dòng)分析

大便沖洗時(shí)的特點(diǎn)是重量大，阻力大，所需的沖擊力大，附著面積通常較小。為了便于分析，將大便抽象為圖1所示方形重物。在大便由靜止運(yùn)動(dòng)至下水道過程中，水平方向受水的沖擊力F，便器壁面對(duì)大便的摩擦阻力f；垂直方向受大便自重G與便器壁面對(duì)大便的支撐力N。

整個(gè)沖洗過程分為如下四個(gè)階段：

⑴ 在沖水前，大便處于靜止?fàn)顟B(tài)；⑵ 沖水過程中，大便由靜止開始運(yùn)動(dòng)，其摩擦力f由靜摩擦力變?yōu)閯?dòng)摩擦力，由于靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)[6]，阻力f由大變到??；⑶ 大便沖入下水道后，接下來水的作用主要是沖洗附著在壁面上的大便；⑷ 大便沖洗干凈后，沖水的最后作用是在下水道的彎頭上產(chǎn)生虹吸，吸走大便，并形成新的封水彎頭。

上述四個(gè)階段的“摩擦阻力f---時(shí)間t”的近似關(guān)系如下圖2所示：

由上圖可知，在沖水量相同的情況下，如果能縮短t1的時(shí)間，使大便盡快由靜止開始運(yùn)動(dòng)，同時(shí)如果能提高大便運(yùn)動(dòng)速度，就可縮短t2的時(shí)間，相應(yīng)增長(zhǎng)t3沖洗殘余時(shí)間，提高沖洗效果；相反如果要達(dá)到相同沖洗效果，縮短t1+t2+t3+t4，就能減少?zèng)_水量，節(jié)約用水；

生活中經(jīng)?？吹接捎谒畨翰粔?，沖擊力低而導(dǎo)致上圖中t1時(shí)間很長(zhǎng)，間接導(dǎo)致t2、t3、t4時(shí)間過長(zhǎng)，嚴(yán)重浪費(fèi)水資源。

提高水的出水壓力就能提高水的沖擊力，達(dá)到節(jié)水和增強(qiáng)沖便效果。在相同的沖便效果下，最節(jié)水的沖便裝置是使水沖擊力順應(yīng)上圖化的規(guī)律。

2 小便沖洗分析

除大便以外的臟物都等同于小便，其特點(diǎn)是重量輕，阻力小，所需的沖擊力也小，但是其附著面積大，沖洗時(shí)需掃過的面積大，相當(dāng)于表面沖洗，沖洗分為三個(gè)階段，如圖3所示：

⑴ 在沖水前，臟物處于靜止?fàn)顟B(tài)，附著面積最大；⑵ 沖水過程中，臟物面積隨水的掃過時(shí)，面積逐漸減少；⑶ 臟物沖入下水道后，剩余的水有一個(gè)作用，就是下水道的彎頭上產(chǎn)生虹吸，吸走臟物，并形成新的封水彎頭。

由上圖可知，如果提高水流速度，使水在較短的時(shí)間里掃過臟物的附著面積，縮短t1就可以節(jié)水；同時(shí)水的沖擊力大，有效的清除附著在壁面的臟物，增強(qiáng)沖洗效果。

3 現(xiàn)有便器沖洗機(jī)構(gòu)節(jié)水性分析

綜合前面論述，提高水的沖擊速度，是節(jié)水的關(guān)鍵。要提高水的沖擊速度，就要提高水壓，很顯然不能盲目要求自來水廠提高其送水的壓力，送水的管網(wǎng)系統(tǒng)有其能承受的最大壓力，各種閥門接頭也有其承受的最大壓力，不能超過這一極限壓力。為達(dá)到節(jié)水和增強(qiáng)沖便效果的目的，應(yīng)該充分利用水廠的供水壓力，提高水的沖擊力。

現(xiàn)有便器沖洗裝置有兩大類，一類是水箱式，另一類是閥門式。小便器只是公共場(chǎng)所男士們用，女士大便和非大便都共用一個(gè)便器。

3.1 水箱式?jīng)_洗裝置節(jié)水性分析

水箱式?jīng)_洗裝置如圖4所示。根據(jù)建設(shè)部發(fā)布的強(qiáng)制性條文規(guī)定，馬桶每次沖洗周期大便沖洗用水量不大于6升。當(dāng)水壓為0.3Mpa時(shí)，大便沖洗用產(chǎn)品，一次沖水量為6升至8升，小便沖洗用產(chǎn)品一次沖水量2升至4升，這種沖水是利用水的自重所產(chǎn)生的沖擊力來沖便的，這種沖水并不真正節(jié)水，并不科學(xué)。

此類沖水裝置的“水壓力P-時(shí)間t”關(guān)系如下圖5所示：

AB段為儲(chǔ)水箱水滿后的壓力，其儲(chǔ)水高度低于自來水進(jìn)入儲(chǔ)水箱所提供的壓力FG。

BC段為大便充水時(shí)的水壓變化，起點(diǎn)B時(shí)沖水閥開啟，水箱中水的壓力小于直接用自來水直接沖擊的壓力FG，沖擊力小，效果肯定變差；近C點(diǎn)時(shí)，水壓為0，此時(shí)的水完全是一種浪費(fèi)，沒有起到任何沖洗效果。

BD段為小便沖水時(shí)的水壓變化，其沖水量小是因?yàn)殚y門提前關(guān)閉，僅用了水箱中一半的水沖洗。其沖擊力肯定比用自來水壓力FG直接沖擊的力小，效果差。

CE、DE為沖便結(jié)束后由自來水進(jìn)水時(shí)水箱中的水壓恢復(fù)曲線。

很顯然，為了節(jié)水和增強(qiáng)沖洗效果，應(yīng)該充分利用自來水的壓力，而不是將其節(jié)流減壓后再?zèng)_便，節(jié)水箱并非真正節(jié)水。

3.2 閥門式?jīng)_洗裝置節(jié)水性分析

這幾種閥門共同點(diǎn)都是利用自來水廠所送水的自身壓力來進(jìn)行沖便，充分利用了自來水壓，但存在如下問題：⑴ 受自來水自身的輸送壓影響較大，例如高樓層上因水壓不夠而導(dǎo)致大便沖不動(dòng)，達(dá)不到?jīng)_便目的，更談不上好的沖洗效果了。⑵ 大便小便的沖水量完全相同，嚴(yán)重浪費(fèi)水資源。大多數(shù)家庭或公共場(chǎng)所都只安裝圖用6所示沖便裝置，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。⑶ 沖水時(shí)間是固定的，不能根據(jù)安裝點(diǎn)的水壓情況調(diào)節(jié)，相當(dāng)一部分水壓高的安裝點(diǎn)沖洗時(shí)間過長(zhǎng)，浪費(fèi)水資源。

4新型節(jié)水便器沖水裝置的要求

便器沖洗裝置是人們生活所必須的，為簡(jiǎn)化操作，都采用延時(shí)關(guān)閉技術(shù)，使用者只需按一下按鈕，剩余的沖洗關(guān)閉動(dòng)作全自完成，該時(shí)間由最初的設(shè)計(jì)確定，使用者不能更改，用水量不能根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)。

綜合上面的論述，新型節(jié)水便器沖水裝置應(yīng)能滿足以下要求：4.1 在沖水之前應(yīng)能充分利用自來水的已有水壓，局部提高水壓，增強(qiáng)水的沖擊力，實(shí)現(xiàn)節(jié)水目標(biāo)，并且強(qiáng)化沖便效果，提高裝置的樓層適應(yīng)性，即不同樓層、不同水壓情況均能用較少的水實(shí)現(xiàn)沖便效果。4.2 具備延時(shí)關(guān)閉功能，使用者只需做一次操作，剩余的沖洗關(guān)閉動(dòng)作全自動(dòng)完成，不能增加操作的難度。4.3 合并男士女士大小便沖洗裝置，使得臟物無論輕重，都能用不同的水量沖洗干凈，實(shí)現(xiàn)全面節(jié)水目標(biāo)。4.4 能根據(jù)不同安裝點(diǎn)的水壓情況做一次預(yù)設(shè)置，以后再?zèng)_水時(shí)都能在最科學(xué)的狀況下沖水，實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)的節(jié)水目標(biāo)。

5結(jié)束語(yǔ)

本文基于生活常識(shí)，提高便器沖水壓力就能提高水的水擊力，進(jìn)而增強(qiáng)沖洗效果，達(dá)到節(jié)約用水的目的，分析時(shí)從基本摩擦理論入手作了定性分析，實(shí)際數(shù)據(jù)還有待科學(xué)的實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，但可以做出合理推論，國(guó)家規(guī)定大便沖水量為6L，小便沖洗量為3L，3L可以形成虹吸并吸走污物，因此完全可以設(shè)計(jì)一種在3L以下沖洗所有大便小便的裝置，實(shí)現(xiàn)真正意義上的節(jié)約用水。

參考文獻(xiàn)

[1]黃仲杰，我國(guó)城市供水現(xiàn)狀、問題與對(duì)策[J].給水排水，1998，24(2):18~20.

[2]馬永平，衛(wèi)生陶瓷將再次引爆“節(jié)水革命”[J].中國(guó)建材報(bào)，2004-5-7.

[3]王漢賢，水資源短缺與衛(wèi)生潔具的改進(jìn)[J].陶城報(bào)，2003-12-12.

[4]2006年中國(guó)水資源公報(bào) 中華人民共和國(guó)水利部 2007-09-27.