基于負(fù)壓抽吸的節(jié)水馬桶

趙芮雪

摘 要：針對家用虹吸式或直沖式馬桶沖廁耗水量大、水資源浪費嚴(yán)重的問題，采用人力驅(qū)動的氣泵，利用負(fù)壓抽吸的原理完成馬桶排污，可節(jié)約沖廁用水。其主要運行原理是，通過人力驅(qū)動氣泵，在集便器形成小于大氣壓的負(fù)壓，利用壓差將污物吸入集便器，再排入下水道。使用者操作氣泵、壓力傳感器檢測集便器的壓力變化，控制系統(tǒng)閥門的開啟和關(guān)閉，完成排污過程。利用負(fù)壓抽吸可以有效減少馬桶用水，人力驅(qū)動可以降低能耗，采用自動控制可以簡化系統(tǒng)操作，將馬桶單次耗水量從6 L降低到1 L左右。

關(guān)鍵詞：負(fù)壓抽吸；節(jié)水馬桶；耗水量；自動控制

中圖分類號：TU824+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.092

我國人均水資源擁有量僅為世界平均水平的1/4，水資源匱乏成為制約城市發(fā)展的主要問題之一。而在城市用水中，居民用水量占總用水量的49%，其中，40%為馬桶耗水。

目前，市場上普遍使用的馬桶有2種，即直沖式和虹吸式。而這兩種馬桶單次耗水量一般都在6 L左右。以3/6 L的節(jié)水型抽水馬桶為例，每天一個三口之家使用抽水馬桶就要消耗54 L水，一個月以30 d計算，則要消耗1 620 L水。由此可見，抽水馬桶是“耗水元兇”。這僅是以節(jié)水型抽水馬桶為例，傳統(tǒng)型的抽水馬桶的耗水量更多。據(jù)統(tǒng)計，平均每人每天需要使用5次馬桶，全國抽水馬桶每年消耗9×109 m3的水，相當(dāng)于9個西湖、2個太湖的水量。

在排污效果方面，由于抽吸瞬間在管道中產(chǎn)生強大的抽力，引起強烈的紊流，對污物具有破碎作用，可有效降低排污管道堵塞的概率。采用電磁閥和水雙重密封的馬桶，其防臭效果也優(yōu)于傳統(tǒng)直沖式和虹吸式馬桶。

1 運行原理

基于負(fù)壓抽吸馬桶的具體運行過程是：用戶使用馬桶后，使用人力氣泵，集便器中的氣體被抽至下水道，壓力傳感器檢測到壓力變化，從水箱放入0.3 L水沖洗便池壁面。此時，吸污閥門和排污閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。繼續(xù)使用氣泵，在集便器空腔中形成小于0.6 atm的負(fù)壓，單片機(jī)根據(jù)壓力傳感器檢測的壓力信號控制吸污閥門，將其轉(zhuǎn)為開啟狀態(tài)。這時，便池與集便器之間的壓差使污物瞬間被吸入集便器。然后，打開排污閥門將污物放入下水道后，吸污閥門關(guān)閉，放入0.2 L水液封管道。這樣，馬桶就完成整個排污?；谪?fù)壓抽吸馬桶的組成如圖1所示。

2 電路控制

通過電路實現(xiàn)智能控制，在馬桶使用的過程中，只需要操作人力氣泵和排污閥門。吸污閥門和水箱閥門為電控閥門。單片機(jī)根據(jù)采集卡采集的壓力傳感器信號控制繼電器狀態(tài)，進(jìn)而控制電磁閥的開關(guān)。獎壓力傳感器安裝在集便器上部壓力檢測接口，需要檢測2個狀態(tài)點，它們分別是：①0.9 atm。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)壓小于0.9 atm時，水箱閥門打開，延時5 s。②0.6 atm。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)壓小于0.6 atm時，吸污閥門打開，延時5s 。吸污閥門關(guān)閉后，水箱閥門打開，延時5 s。

整個控制過程是：系統(tǒng)初始壓力為一個大氣壓，吸污閥門和排污閥門關(guān)閉。使用馬桶后驅(qū)動人力氣泵抽氣，使集便器內(nèi)形成真空狀態(tài)。當(dāng)壓力傳感器檢測到氣壓小于0.9 atm時，水箱閥門打開；當(dāng)檢測到集便器內(nèi)絕對壓力小于0.6 atm時，吸污閥門打開，集便器吸入污物。打開排污閥門將污物放入下水道后，吸污閥門關(guān)閉，集便器內(nèi)壓力為常壓，水箱閥門打開，放水液封管道，馬桶完成排污過程。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計主要指的是中間集便器。中間集便器罐體整體為圓柱形，共有4個接口：上方的2個接口分別連接氣體管路和測壓儀表，側(cè)方接口連接吸污閥門，下方接口連接排污閥門。靠近排污口處罐體加工成錐形，有利于污物的排出。罐體采用整體加工，各接口處均采用螺紋連接，并且使用生膠帶密封，以保證罐體的氣密性。

4 氣路設(shè)計

抽氣時，吸氣管路連接到集便器上端接口，排氣管路與下水道相連，集便器中氣體被抽出，排到下水道中，在集便器內(nèi)形成負(fù)壓。集便器內(nèi)堵塞時，切換四通換向閥，排氣管路連接到集便器上端接口，抽氣管路與下水道連接，氣體從下水道被抽到罐體中，在集便器內(nèi)形成正壓。

5 堵塞處理

該產(chǎn)品是利用負(fù)壓抽吸原理排污，減少了堵塞情況的發(fā)生，但是，其本仍保留處理堵塞問題的措施。如果集便器出口處發(fā)生堵塞，關(guān)閉常開閥門，轉(zhuǎn)換四通換向閥，使用人力氣泵，由從集便器內(nèi)抽氣變?yōu)橄蚣闫鲀?nèi)打氣，使集便器內(nèi)的壓力大于大氣壓。當(dāng)集便器內(nèi)的壓力達(dá)到一定程度后，打開排污閥門，利用集便器內(nèi)壓強與外界大氣壓的壓差將污物壓入下水道。

6 創(chuàng)新點與經(jīng)濟(jì)效益

6.1 創(chuàng)新點分析

6.1.1 負(fù)壓抽吸，減少馬桶用水

在系統(tǒng)運行時，瞬間產(chǎn)生強大抽力，將污物吸入中間集便器，再排入下水道，耗水量由6 L降為0.5 L。如果采用生活廢水回收系統(tǒng)，可實現(xiàn)新水零消耗。

6.1.2 人力驅(qū)動，降低運行能耗

將人力作為動力，腳踏抽氣2～3次即可達(dá)到所需真空度。生活廢水回收后，1 d只需手動上水一次，無需消耗其他能量。采用這種排污方式能夠降低生活成本，適合家用。

6.1.3 自動控制，簡化系統(tǒng)操作

采用壓力傳感器檢測壓力變化，單片機(jī)根據(jù)壓力信號自動控制閥門的開啟和關(guān)閉，自動放水、吸污，用戶只需開關(guān)排污閥門，方便用戶使用。

6.2 經(jīng)濟(jì)效益

該產(chǎn)品將馬桶的耗水量由6 L降低為0.5 L，使用它可使每人每天用于馬桶的水量由18 L降低為2.5 L，一年的節(jié)水量達(dá)5 600 L。如果全國25%的用戶使用本產(chǎn)品，則每年可以節(jié)水18.4×108 m3。參考北京居民用水分段水價，每年用水量小于180 m3，即每立方米收費5元計算，創(chuàng)造的直接經(jīng)濟(jì)效益是91.9億元人民幣。

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〔編輯：白潔〕