高校學生公寓公共區(qū)域水龍頭節(jié)水器的設(shè)計與實現(xiàn)

劉 凱 劉勝厚 李貴鵬 劉桂山

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 后勤集團，北京100042；2.首都經(jīng)濟貿(mào)易大學密云分校，北京 101500)

0 引言

從我國2018和2019年的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》中得知：“2018年全國水資源總量27 960 億m3。全年總用水量6 110億m3，比上年增長1.1%。其中，生活用水增長1.4%，人均用水量439 m3，比上年增長0.6%”“2019年全國水資源總量28 670 億m3。全年總用水量5 991億m3，比上年下降0.4%。其中，生活用水增長1.9%，人均用水量429 m3，比上年下降0.8%”。數(shù)據(jù)顯示：生活用水呈增長趨勢，其中，公共機構(gòu)的生活用水占了很大比例。自2014年5月1日起，北京市居民用水實施新的階梯水價政策,這一政策是基于緊缺的水資源情況而出臺的(北京市人均水資源占有量191 m3，遠遠低于世界公認的嚴重缺水地區(qū)標準)。水資源的匱乏已嚴重影響了北京市的經(jīng)濟發(fā)展，隨著不斷調(diào)整用水結(jié)構(gòu)，目前市生活用水已經(jīng)達到了總用水量的49%。隨著國家對節(jié)約水資源的不斷重視，節(jié)水工作已提上日程，而高等學校作為公共機構(gòu)的一部分，在生活用水方面也有很大的節(jié)約空間。本文以北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院(以下簡稱北工職院)為例，探討學生公寓水龍頭節(jié)水器的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 北工職院用水情況分析

2014—2017年，北工職院隨著綠化面積的增加、新建筑的施工以及用水管網(wǎng)的老化，年用水量逐年遞增；2017—2019年，隨著施工的結(jié)束以及通過水平衡測試排查漏點，年用水量又呈逐年下降趨勢，但學校生均用水量仍處于超標狀態(tài)。北工職院2014—2019年用水量統(tǒng)計如圖1所示。

圖1 北工職院2014—2019年用水量統(tǒng)計圖

面對北京市水資源匱乏的嚴重局面，節(jié)水工作勢在必行。除在思想上加強節(jié)水意識的教育外，在技術(shù)上還需采取多種輔助手段，進一步減少用水量，而水龍頭節(jié)水器就是其中一項輔助節(jié)水器材。

2 水龍頭節(jié)水器的技術(shù)現(xiàn)狀

目前傳統(tǒng)水龍頭節(jié)水方式有2種：一種是水龍頭自身帶節(jié)水功能。國家標準GB 25501—2010《水嘴用水效率限定值及用水效率等級》指出，滿足“在(0.1+0.01)MPa動壓和管徑15 mm下，最大流量不大于7.5 L/min”的水嘴為節(jié)能水嘴[1]。雖然目前的水龍頭基本滿足該標準，但在實際用水過程中，因受地勢高低、樓宇高低、用水管道遠近等因素影響，實際水壓會遠遠超過0.1 MPa，大部分水龍頭在高壓之下，會增加出水的最大流量，因而達不到節(jié)水的效果[2]。另一種是在水龍頭的出水口增加節(jié)水器，通過限流的方式來達到單位時間內(nèi)節(jié)水的效果[3]。但是目前節(jié)水器質(zhì)量參差不齊，有的節(jié)水效果很好，但價格貴成本高；有的價格便宜，節(jié)水效果一般且質(zhì)量較差。

另外，還有一些新型的水龍頭，自身加上了控制裝置，如紅外感應(yīng)控制等。新型水龍頭的優(yōu)點是使用者無需手動開、關(guān)，可以有效杜絕長流水現(xiàn)象，缺點是流量用戶不可控，部分場景使用舒適度不高。

3 水龍頭節(jié)水器的設(shè)計與實現(xiàn)

本文針對北工職院學生公寓公共區(qū)域水龍頭的節(jié)水方法進行研究，在不更換新式水龍頭的基礎(chǔ)上，給現(xiàn)有傳統(tǒng)水龍頭增加節(jié)水器，在水壓不變的情況下，通過改變管徑大小的方式，限制相同時間流出的水量，以達到單位時間內(nèi)節(jié)水的效果。

目前限流節(jié)水技術(shù)分為2種：動態(tài)節(jié)流節(jié)水技術(shù)和定孔節(jié)流節(jié)水技術(shù)。動態(tài)節(jié)流節(jié)水技術(shù)可以根據(jù)水壓的大小調(diào)節(jié)水流通道的面積，使出水流量穩(wěn)定在一個合理值附近，以達到節(jié)水的目的，但該結(jié)構(gòu)較為復雜，加工條件較為苛刻,成本較高；定孔節(jié)流節(jié)水技術(shù)在固定水壓下可以達到較好的節(jié)水效果，雖然在水壓上下浮動時，節(jié)水效果會降低，但結(jié)構(gòu)較為簡單，便于加工[4]?？紤]北工職院二次供水壓力比較穩(wěn)定，水龍頭樣式單一，因此選擇定孔節(jié)流節(jié)水技術(shù)作為研究對象，使用元件稱為節(jié)流塞。

3.1 限流位置的選擇

節(jié)流塞放置位置如圖2所示。設(shè)計初期將節(jié)流塞放置在水龍頭的出水口(見圖2(a))，實驗發(fā)現(xiàn)：出水水流形成射流，噴射方向無法控制，必須加上濾網(wǎng)，才可以獲得較為正常的水流，形成單位時間內(nèi)的節(jié)水效果。后將節(jié)流塞的位置調(diào)整到水龍頭的入水口(見圖2(b))，實驗發(fā)現(xiàn)：水射流進入水龍頭內(nèi)，水龍頭的腔體部分起到一個緩沖的作用，在出水口形成較為正常的水流，提高了用水的舒適度。后續(xù)實驗中發(fā)現(xiàn)，在其他條件不變的情況下，這2個位置的節(jié)水效果相近。

(a)節(jié)流塞放置出水口 (b)節(jié)流塞放置入水口

3.2 限流元件的設(shè)計

3.2.1 材料的選擇

從安全、耐用、成本及便于加工等方面考慮，PVC、食品級塑料、銅合金及食品級不銹鋼都是較好的材料選擇[5]，制作工藝可以選擇車床加工和模具加工等。各種材料參數(shù)對比如表1所示。

從安全性、成本及制作工藝方面考慮，本次實驗優(yōu)先選擇了食品級塑料和模具加工方式。

3.2.2 元件的設(shè)計

元件示意圖如圖3所示。最初設(shè)計的元件與圖3(c)類似，高度為2 cm。為了節(jié)約成本，對初始元件進行了減重設(shè)計，提出了圖3中的3個方案，其中：元件1、元件2的高度均為2 cm，元件3的高度為1 cm。結(jié)合加工方式，本次實驗選擇了圖3(a)的樣式。如果采用車床加工，可以考慮圖3(c)的樣式。

(a)元件1 (b)元件2 (c)元件3

考慮小沙粒堵塞管徑，可能會增加維修頻次，因此在孔徑入水口處設(shè)計了十字花痕，如圖4所示。

(a)俯視圖 (b)底視圖 (c)軸測圖

3.3 測試效果

本次測試選在北工職院第四學生公寓一層水房進行。在0.4 MPa壓力、DN15管徑下，更換下列規(guī)?？讖降墓?jié)水器，并統(tǒng)計了1 min內(nèi)的平均流量，得出實驗結(jié)果，如表2所示。

表2 節(jié)水器實驗結(jié)果

從表2可知，在沒有節(jié)水器的情況下，水龍頭平均出水量最大；安裝不同孔徑的節(jié)水器后，在相同壓力條件下，節(jié)水效果隨著孔徑的增加而減少；當使用孔徑為3.0 mm的節(jié)水器時，出水量已經(jīng)超過了節(jié)能水嘴限定的最大流量7.5 L/min。

4 結(jié)論

本文對水龍頭節(jié)水器在技術(shù)實現(xiàn)方向、材料與制作工藝的選擇以及節(jié)水結(jié)構(gòu)方面進行了改進，試用結(jié)果表明：帶有節(jié)水器的水龍頭比普通水龍頭的節(jié)水效果顯著,使用該水龍頭節(jié)水器有助于緩解北工職院供水壓力，降低用水成本，促進水資源的可持續(xù)發(fā)展?？紤]不同區(qū)域的供水壓力不盡相同，建議通過量產(chǎn)不同規(guī)格的節(jié)流塞，供用戶選擇使用。另外，該節(jié)流塞可以進一步深入研究，提煉出數(shù)學公式，也可以研究該節(jié)水器的可調(diào)節(jié)性，使其適用于更多的公共場所。