基于负压抽吸的节水马桶

赵芮雪

摘 要：针对家用虹吸式或直冲式马桶冲厕耗水量大、水资源浪费严重的问题，采用人力驱动的气泵，利用负压抽吸的原理完成马桶排污，可节约冲厕用水。其主要运行原理是，通过人力驱动气泵，在集便器形成小于大气压的负压，利用压差将污物吸入集便器，再排入下水道。使用者操作气泵、压力传感器检测集便器的压力变化，控制系统阀门的开启和关闭，完成排污过程。利用负压抽吸可以有效减少马桶用水，人力驱动可以降低能耗，采用自动控制可以简化系统操作，将马桶单次耗水量从6 L降低到1 L左右。

关键词：负压抽吸；节水马桶；耗水量；自动控制

中图分类号：TU824+.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.092

我国人均水资源拥有量仅为世界平均水平的1/4，水资源匮乏成为制约城市发展的主要问题之一。而在城市用水中，居民用水量占总用水量的49%，其中，40%为马桶耗水。

目前，市场上普遍使用的马桶有2种，即直冲式和虹吸式。而这两种马桶单次耗水量一般都在6 L左右。以3/6 L的节水型抽水马桶为例，每天一个三口之家使用抽水马桶就要消耗54 L水，一个月以30 d计算，则要消耗1 620 L水。由此可见，抽水马桶是“耗水元凶”。这仅是以节水型抽水马桶为例，传统型的抽水马桶的耗水量更多。据统计，平均每人每天需要使用5次马桶，全国抽水马桶每年消耗9×109 m3的水，相当于9个西湖、2个太湖的水量。

在排污效果方面，由于抽吸瞬间在管道中产生强大的抽力，引起强烈的紊流，对污物具有破碎作用，可有效降低排污管道堵塞的概率。采用电磁阀和水双重密封的马桶，其防臭效果也优于传统直冲式和虹吸式马桶。

1 运行原理

基于负压抽吸马桶的具体运行过程是：用户使用马桶后，使用人力气泵，集便器中的气体被抽至下水道，壓力传感器检测到压力变化，从水箱放入0.3 L水冲洗便池壁面。此时，吸污阀门和排污阀门均处于关闭状态。继续使用气泵，在集便器空腔中形成小于0.6 atm的负压，单片机根据压力传感器检测的压力信号控制吸污阀门，将其转为开启状态。这时，便池与集便器之间的压差使污物瞬间被吸入集便器。然后，打开排污阀门将污物放入下水道后，吸污阀门关闭，放入0.2 L水液封管道。这样，马桶就完成整个排污。基于负压抽吸马桶的组成如图1所示。

2 电路控制

通过电路实现智能控制，在马桶使用的过程中，只需要操作人力气泵和排污阀门。吸污阀门和水箱阀门为电控阀门。单片机根据采集卡采集的压力传感器信号控制继电器状态，进而控制电磁阀的开关。奖压力传感器安装在集便器上部压力检测接口，需要检测2个状态点，它们分别是：①0.9 atm。当系统负压小于0.9 atm时，水箱阀门打开，延时5 s。②0.6 atm。当系统负压小于0.6 atm时，吸污阀门打开，延时5s 。吸污阀门关闭后，水箱阀门打开，延时5 s。

整个控制过程是：系统初始压力为一个大气压，吸污阀门和排污阀门关闭。使用马桶后驱动人力气泵抽气，使集便器内形成真空状态。当压力传感器检测到气压小于0.9 atm时，水箱阀门打开；当检测到集便器内绝对压力小于0.6 atm时，吸污阀门打开，集便器吸入污物。打开排污阀门将污物放入下水道后，吸污阀门关闭，集便器内压力为常压，水箱阀门打开，放水液封管道，马桶完成排污过程。

3 结构设计

结构设计主要指的是中间集便器。中间集便器罐体整体为圆柱形，共有4个接口：上方的2个接口分别连接气体管路和测压仪表，侧方接口连接吸污阀门，下方接口连接排污阀门。靠近排污口处罐体加工成锥形，有利于污物的排出。罐体采用整体加工，各接口处均采用螺纹连接，并且使用生胶带密封，以保证罐体的气密性。

4 气路设计

抽气时，吸气管路连接到集便器上端接口，排气管路与下水道相连，集便器中气体被抽出，排到下水道中，在集便器内形成负压。集便器内堵塞时，切换四通换向阀，排气管路连接到集便器上端接口，抽气管路与下水道连接，气体从下水道被抽到罐体中，在集便器内形成正压。

5 堵塞处理

该产品是利用负压抽吸原理排污，减少了堵塞情况的发生，但是，其本仍保留处理堵塞问题的措施。如果集便器出口处发生堵塞，关闭常开阀门，转换四通换向阀，使用人力气泵，由从集便器内抽气变为向集便器内打气，使集便器内的压力大于大气压。当集便器内的压力达到一定程度后，打开排污阀门，利用集便器内压强与外界大气压的压差将污物压入下水道。

6 创新点与经济效益

6.1 创新点分析

6.1.1 负压抽吸，减少马桶用水

在系统运行时，瞬间产生强大抽力，将污物吸入中间集便器，再排入下水道，耗水量由6 L降为0.5 L。如果采用生活废水回收系统，可实现新水零消耗。

6.1.2 人力驱动，降低运行能耗

将人力作为动力，脚踏抽气2～3次即可达到所需真空度。生活废水回收后，1 d只需手动上水一次，无需消耗其他能量。采用这种排污方式能够降低生活成本，适合家用。

6.1.3 自动控制，简化系统操作

采用压力传感器检测压力变化，单片机根据压力信号自动控制阀门的开启和关闭，自动放水、吸污，用户只需开关排污阀门，方便用户使用。

6.2 经济效益

该产品将马桶的耗水量由6 L降低为0.5 L，使用它可使每人每天用于马桶的水量由18 L降低为2.5 L，一年的节水量达5 600 L。如果全国25%的用户使用本产品，则每年可以节水18.4×108 m3。参考北京居民用水分段水价，每年用水量小于180 m3，即每立方米收费5元计算，创造的直接经济效益是91.9亿元人民币。

参考文献

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〔编辑：白洁〕