節(jié)水節(jié)能的感應(yīng)水龍頭設(shè)計

王婧瑤 李浩明 夏宇

摘?要：目前感應(yīng)水龍頭技術(shù)很成熟且已廣泛推廣應(yīng)用。但是現(xiàn)有的感應(yīng)水龍頭電池用量大，處理不當(dāng)易引發(fā)環(huán)境問題?；诖耍覀儎?chuàng)新小組設(shè)計了一款通過水能實現(xiàn)自發(fā)電的充電式感應(yīng)水龍頭，它不僅更加節(jié)能節(jié)水，而且可減少電池的消耗及消除其引起的環(huán)境問題。下面針對這款節(jié)水節(jié)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(yīng)水龍頭的區(qū)別與優(yōu)勢，最后論述了這款水龍頭的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)水龍頭;節(jié)水節(jié)能;自發(fā)電;電池污染

感應(yīng)水龍頭出現(xiàn)于20世紀70年代的日本和歐美等發(fā)達國家，常應(yīng)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(jié)水功能和大量使用電池對環(huán)境的污染并沒有引起人們的重視。由于當(dāng)時的感應(yīng)水龍頭技術(shù)不夠成熟，在發(fā)展和普及過程中也并非一帆風(fēng)順。90年代后，因為電子技術(shù)迅猛發(fā)展，感應(yīng)水龍頭在技術(shù)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(yīng)用鋰電池，水閥結(jié)構(gòu)更為緊湊，節(jié)水效率得到提高。隨著工業(yè)化水平的提高，我國生產(chǎn)的感應(yīng)水龍頭成本大幅下降，開始走進了人們的日常生活。

感應(yīng)水龍頭是現(xiàn)在人們經(jīng)常能在公共場所看見的設(shè)施，以干凈衛(wèi)生，節(jié)水節(jié)電的優(yōu)點，得到使用者的好評。目前，感應(yīng)水龍頭已經(jīng)普遍應(yīng)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(wù)區(qū)、景區(qū)、醫(yī)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(shù)以億計客流量的交通設(shè)施中安裝使用。從某種程度上說，現(xiàn)有市場上的感應(yīng)水龍頭已經(jīng)深深的扎根于人們的生活之中。[1-3]然而，感應(yīng)水龍頭大范圍的應(yīng)用也帶來了環(huán)境問題。通過對售賣設(shè)備廠家的初步調(diào)查得知，每個水龍頭一次安裝四節(jié)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(shè)備每年消耗的電池數(shù)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(dāng)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(huán)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(shè)計一款使用壽命長且更加節(jié)水節(jié)能的感應(yīng)水龍頭。

一、節(jié)水節(jié)能感應(yīng)水龍頭的設(shè)計原理及工作原理

本產(chǎn)品的創(chuàng)新性設(shè)計主要是感應(yīng)水龍頭的供能蓄能方案和裝置，其余部分為現(xiàn)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(shè)計原理及工作原理，其余部分作簡單說明。

感應(yīng)水龍頭的設(shè)計原理如下：

感應(yīng)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(yīng)水閥通過紅外感應(yīng)裝置感應(yīng)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(yīng)水閥。結(jié)構(gòu)原理圖如下：

產(chǎn)品分為3部分，分別為感應(yīng)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(yīng)水龍頭：感應(yīng)水龍頭中帶有紅外感應(yīng)裝置，通過人體的遮擋與否將信號傳給電磁閥。

電磁閥：本產(chǎn)品使用2通電磁閥，感應(yīng)裝置被遮擋時，電磁閥開關(guān)打開，控制水流流出。

供電蓄電裝置：感應(yīng)水龍頭內(nèi)部采用直流冗余供電，內(nèi)置3.7V，2000mA，

H18650型鋰電池（內(nèi)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(lián)，在使用時優(yōu)先使用電壓高的電源。在水龍頭出水口端安裝水流發(fā)電機，水在水管中運動時沖擊水流發(fā)電機葉輪，葉輪帶動直流發(fā)電機產(chǎn)生5V電壓。發(fā)電機產(chǎn)生的電流經(jīng)過二極管（1N4007）給鋰電池充電。

經(jīng)測量感應(yīng)水龍頭所消耗的電流為0.47mA，開關(guān)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(fā)電機在工作時產(chǎn)生的電流約為10mA。按照水龍頭開關(guān)一次的間隔10s，鋰電池的電壓4.2V計算，每次發(fā)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(shè)計要求。圖4為測試時所測得電流：

二、節(jié)水節(jié)能感應(yīng)水龍頭的制作

如下圖所示，產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，制作步驟簡潔。所用的材料分別為帶有紅外感應(yīng)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(jīng)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(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)勢

市面上擁有很多品牌的感應(yīng)水龍頭，價格大小不一，而我們的設(shè)計品瞄準的是大范圍應(yīng)用于公共場所的感應(yīng)水龍頭，在這個市場上，需要的感應(yīng)水龍頭數(shù)量巨大，[1-3]感應(yīng)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(zé)，而這個工作環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題將可能導(dǎo)致水龍頭無法工作，如感應(yīng)器關(guān)機導(dǎo)致水龍頭無法使用，在電池弱電時感應(yīng)器不靈敏出現(xiàn)延遲，甚至可能出現(xiàn)水龍頭無法關(guān)閉的情況。當(dāng)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(huán)境的污染及對人體的傷害。我們的產(chǎn)品除了具有感應(yīng)水龍頭原有的干凈衛(wèi)生、快捷方便之外，還解決了上面所說的這些問題。具體優(yōu)勢如下：

（一）與原產(chǎn)品相比本產(chǎn)品節(jié)省了電池的消耗，節(jié)省了資源，減少了對環(huán)境的污染

我們的產(chǎn)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(xiàn)充電。這個方案減少了電池的消耗，節(jié)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(chǎn)1枚電池需要消耗資源，降低電池的消耗，就是一種節(jié)能的方式。此外，減少電池的使用還降低了它對環(huán)境的不利影響，電池廠家在進行生產(chǎn)時不可避免要產(chǎn)生工業(yè)廢氣、廢液。即使達到排放標準，也會對環(huán)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(huán)境造成嚴重污染。以我校校園公共區(qū)域感應(yīng)水龍頭為例，僅食堂區(qū)域就有40個感應(yīng)水龍頭，一年約需要160枚電池，全國范圍內(nèi)使用的電池數(shù)量就更為巨大，對環(huán)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(chǎn)品減少了水資源的浪費

現(xiàn)在市場上的感應(yīng)水龍頭存在著當(dāng)電池電量不夠時，感應(yīng)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(yīng)區(qū)，發(fā)現(xiàn)水龍頭沒有正常工作，當(dāng)手撤出時發(fā)現(xiàn)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(jié)束時，遲遲關(guān)不了水，導(dǎo)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(yīng)該能省則省，我們的產(chǎn)品使電池時刻處于較高電量的狀態(tài)，解決了這個問題，減少了水資源的浪費。

（三）我們的產(chǎn)品減少了人工的投入

一般情況下，現(xiàn)今市場上的感應(yīng)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(yè)因為感應(yīng)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(shù)量越多，耗費的人工就越多。例如，市面所售感應(yīng)水龍頭更換電池非常費力。我們買來一款市售感應(yīng)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(huán)節(jié)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(chǎn)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(jié)約了大量人工和時間，解決了人工投入的問題。

四、發(fā)展前景

本設(shè)計的水龍頭工藝簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，生產(chǎn)感應(yīng)水龍頭的技術(shù)非常成熟，只需改變設(shè)計理念，就可以生產(chǎn)。它的安裝非常簡便，現(xiàn)有的產(chǎn)品甚至可以自學(xué)安裝。而我們的產(chǎn)品安裝流程與現(xiàn)有產(chǎn)品沒有區(qū)別。可以說我們的產(chǎn)品只是改進了它不斷更換電池的缺點，讓這個設(shè)備更加好用，實現(xiàn)省時、省力、節(jié)能、環(huán)保。當(dāng)我們的新產(chǎn)品進行大量生產(chǎn)時，它的成本將和現(xiàn)在產(chǎn)品相差不大，而新型產(chǎn)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(shè)計的產(chǎn)品還可用作為一種節(jié)水節(jié)能設(shè)備給青少年灌輸節(jié)能減排思想，激發(fā)孩子們“保護環(huán)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(shè)計的節(jié)水節(jié)能感應(yīng)水龍頭不僅能夠?qū)崿F(xiàn)省時、省力，節(jié)能、環(huán)保，而且經(jīng)濟實用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]紅外感應(yīng)潔具專用紅外水龍頭.福州市新源電子技術(shù)研究所，2008.

[2]全自動感應(yīng)式淋浴噴頭.石家莊市盛園達節(jié)能科技有限公司，2009.

[3]溝槽式?jīng)_廁所節(jié)水器.新鄉(xiāng)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(fā)電式自感應(yīng)水閥的應(yīng)用與發(fā)展，2010.

[6]楊茜.西部高校建筑節(jié)水技術(shù)與策略研究，2010.