试论一种新型的机械式整体卫浴设计

施建平

摘  要：目前，我国水资源利用率低且浪费较大，部分地区仍处于严重缺水状态。基于现状，设计出了一种能高效利用水资源、符合低碳理念的新型机械式整体卫浴系统。这样的机械式整体卫浴设计将实现水资源的二次利用，并且全程无功耗、无污染。为此，文章就对该卫浴设计的结构、原理及Fluent仿真等进行详细的介绍，浅谈该设计的可行性、实用性。

关键词：利用率;低碳;机械式;无功耗;无污染

中图分类号：TU824        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）30-0095-02

Abstract： At present， the utilization rate of water resources in China is low and waste is large， and some areas are still in a state of serious water shortage. Based on the present situation， a new type of mechanical integral sanitary system which can make efficient use of water resources and accord with the concept of low carbon is designed. This kind of mechanical integral bathroom design will realize the secondary utilization of water resources， and there is no power consumption and no pollution in the whole process. For this reason， this paper introduces the structure， principle and Fluent simulation of the bathroom design in detail， and discusses the feasibility and practicability of the design.

Keywords： utilization rate; low carbon; mechanical; no power consumption; no pollution

引言

全球水资源紧缺、人们对水资源利用率低已成为了严峻的事实，这迫使人们的生活方式向着低碳生活发展。低碳生活意味着在人们的日常生活里低耗能、低排放和低污染，新型的机械式整体卫浴系统就是按照这样的理念设计的。

1 整体卫浴整体设计及原理

1.1 整体卫浴结构

新型的整体卫浴系统主要由以下几部分构成：住宅入水管、浴室柜、淋浴喷头、洗衣机、集水箱、座便器、压缩水箱和手盆。

接下来简单介绍各个部分（图1）的作用：住宅入水管，顾名思义，也就是整体卫浴的进水口;浴室柜，非卫浴系统必备结构，但能摆放洗浴用品;淋浴喷头和洗衣机都可以作为集水箱的水源;座便器与压缩水箱连接，能加速水流动;压缩水箱作为整个卫浴系统的核心，主要用于储存经过简单过滤后的水，并通过提高水位来冲洗座便器;集水箱能收集洗浴和洗衣服的水，有简单的过滤作用，可打开顶盖供清洗拖布和抹布;手盆作为日常洗漱用水的部位，连接着有过滤作用的集水箱。

1.2 整体卫浴水系统原理

压缩水箱储水区的污水有三大来源：洗浴水、洗衣机排出的水和洗菜水。洗浴水和洗衣机排放的水最初都要经过集水箱，并在集水箱里面进行简单的过滤，然后通过连接管道流向压缩水箱的储水区。在整个流动过程中，完全依靠水的重力实现流动及过滤，不需要外接用电设备。这样的集水环节既回收利用了污水，又符合了低碳环保的发展。这样的冲水方式设计利用了人的重力及弹簧的弹力，无需外接用电设备，同时实现了水的二次利用。

2 核心部分压缩水箱的设计

2.1 压缩水箱结构

压缩水箱作为整个机械式卫浴系统的主要工作部分，由多种简单的结构组成，其中就包括有活塞板、传动杆、加压水箱等结构。

接下来对压缩水箱的核心部分（图2）进行简单的介绍：传动杆在水箱内部连接著压板与储压水箱的活塞板，并且能随压板自由运动，带动与水管接口相关活塞的开关;加压水箱，不仅有大小之分，而且功能不尽相同，另外大水箱内部还连接着下水管道，并且能支撑压板正常运作;储压水箱，其储水容积可以调节，能一定程度上缓冲来自大小加压水箱的水流压力;储水区，虽然容量比不上集水区，但水质在里面可以经过再次过滤，储存的水较干净。

2.2 压水箱工作原理

集水箱的污水经过简单过滤沉淀后流向压水箱，同时压水箱能对流经的污水进行再次过滤，然后处理过的污水会流向座便器两侧的储水箱。储水箱的水位达到顶部后，准备流入储水箱的污水将从另一个排水口缓慢流入座便器。当有人需要使用座便器方便时，座便器就会受到人体带来的压力，促进加压水箱对污水的流动循环。当人方便完站立后，座便器里的弹簧会瞬间产生弹力，带动在压水箱内部的传动杆运动。也就是说，传动杆将带动活塞板的开启，打开冲水阀门。在集水箱的污水就会顺着管道流向座便器，实现冲水环节。

2.3 压缩水箱主要参数设计

压缩水箱的构造设计需要充分地运用各方面的测试数据来证明设计的可行性，其中最重要的测量数据莫过于就是压水高度、压水量和弹簧弹性参数。

从理论上说，是运用物理上的公式得出数据的。首先就是压水高度，集水箱的污水要想被压进高处的压水箱，就要满足P=pgh这类的物理公式，对水在管道的压强准确计算。为了减小误差，在对进水管的接口面积设计制造时要符合实际要求，不能过大也不能过小。经过计算后，压水高度是不会超过1米的。而压水量作为压缩水箱容积的大小，对日常生活中污水的再次利用率有着极大的影响作用。通过专业人员的计算，正常的压水量为8.125L，由于考虑到实际的使用过程中会有误差，所以8.125L的压水量已经可以满足生活的需求了。弹簧作为整个卫浴设计系统中要求最高的一部分，对各方面的数据指标要求较多。在专业人员的多次实验计算后，发现了一些重要的数据：弹簧的极限负荷为1437.5N、曲度系数在1.184左右、自由高度约等于70毫米等等。通过这些数据，专业人员能准确地计算出弹簧线径的大小，也就是制作合适的弹簧钢丝直径大小。这部分的实验与计算是弹簧设计过程中不可忽略的部分，对整体卫浴的服务质量有着十分重要的作用。

3 按需设计在创新整体卫浴中的应用

现在的发展理念偏向于低碳环保，既符合了人们节约资源、提高重复利用率的要求，又能引领时代进步。这样的发展理念反映了人们对现实生活的需求，而新型的机械式整体卫浴系统就是按照人们的实际需求进行设计的，以低成本、高质量的优势走进人们的视野。

在整个机械式卫浴的设计中，压水量的使用效果最为显著。在一份调查报告中，指出市面上普通马桶一次的冲水量为3到10升。这样的冲水效果对水资源的浪费比较严重，为此在新型的机械式整体卫浴设计中，把大便与小便的冲水量分开考虑。经过专业人员的测试，证明了小便冲水量为3升、大便冲水量为6升的冲水效果才是最好的。压水量大小的设计从人们节约水资源的需求出发，满足了人们充分利用水资源的期盼。正是因为这样的卫浴设计从人们的需求出发，也从时代发展的趋势出发，才更能在未来占据市场优势。

4 Fluent仿真

4.1 网格的生成

网格的生成是进行Fluent仿真的前提，对后续实验验证管道水气分布的数值是否符合指标有着关键性作用。虽然这个环节操作较为复杂，对专业人员的技术水平有不小的要求，但一旦生成了网格就能对卫浴系统的各个组成部分进行理论上的验证了。第一步要做的就是使用Pro/E软件对加压水箱、压缩水箱进行三维建模，然后将建好的模型以.sat的格式保存。第二步是使用Tet/Hybrid网络单元类型，在正确的位置运用六面体、圆锥形的网格单元，对压缩水箱及集水箱进行网格的构建。最后一步就是在合适的位置对网格上的进水口及出水口进行设置，并且对生成的网格进行调试，直到符合要求才进行下一步操作。

4.2 Fluent数值分析

当对生成的网格调试好后，接下来就是要将网格建模导入Fluent中。为了使Fluent得出的数据更准确，仿真计算采用了VOF多相流模型，以此排除压力储水箱水管中的空气对仿真测验造成影响。同时进行了初始化流场，设定中等松弛因子的残差监视器，挑选合适的时间步长、迭代次数，最后才进行迭代运算，得出准确的数值。另外，在对Fluent数值进行分析的时候，对压缩水箱、集水箱实际的运行效果、水流情況、数值变化进行了详细的统计，并且发现迭代前后的流域水气分布达到预期效果，稳定在储压水箱里面。专业人员通过计算出来的数据，结合对卫浴系统的管道水气数值验证实验，从根本上确定了这种新型整体卫浴设计的可行性。

5 结论

在理论数值的计算及Fluent仿真的调试下，水流在预期的流动下经过压力水箱的处理，最终证明了新型的机械式整体卫浴设计是可行的。这样的卫浴设计不仅满足了人们节约水资源、提高水的利用率的需求，还符合了时代的发展趋势，促进了人们低碳生活方式的转变。

参考文献：

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