定时控流节水水龙头的开发设计★

韩 航 刘晶茹 李 亮 王 伟 方鹏燕 国馨月 摆富兰

(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)

0 引言

党的十八大报告中提出：“全面促进资源节约。节约资源是保护生态环境的根本之策。要节约集约利用资源，推动利用方式根本转变，加强全过程节约管理，大幅降低能源、水、土地消耗强度，提高利用效率和效益。加强用水总量管理，推进水循环利用，建设节水型社会[1]。”

1 研究背景

水是生命之源，而水资源问题是属于全人类共生性问题[2]。自工业革命之后，其突出程度是随着人口的爆发式增长、工业产业的不断壮大而更加日益突出的问题。时至今日，其短缺问题在全球范围内的不良影响急剧攀升，据专家估算：21世纪最短缺的资源不会是石油这样的资源，而是淡水资源。

我国人口数处于世界之最，约占全球人口的20%，既是农业大国，也是工业大国。城市的发展，人民的生活离不开水，已然成为人类文明的生命线。在不久的将来，水资源无疑会严重影响我国生活生产的方方面面。已有研究表明在2040年，我国面临的水资源短缺问题虽不及中东部分地区的极端严重，但也仅次于这些地区，与美国、印度等国家均处于水资源短缺的巨大压力之下。

我国的“水”存在两大主要问题：一是水资源短缺；二是水污染严重。有资料显示，我国是一个干旱缺水严重的国家，每公顷耕地水资源量约为世界平均水平的1/2，约有39%的国土面积为干旱半干旱地区。人均淡水资源仅为世界平均水平的1/4、在世界上名列121位，被联合国列入十三个贫水国家之一[3]。人均水资源量约2 100 m3，可利用水资源量仅为900 m3，并且分布极不均衡[4]。20世纪末，全国600多座城市中有400多个城市存在不同程度的缺水，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市每年的缺水总量达到500多亿立方米[5]。

另一方面，我国水资源的利用效率不高，粗放、浪费用水问题普遍存在[6]。从工业看，我国万元工业增加值用水量52.8 m3，是世界先进水平的2倍～3倍；从农业看，农田灌溉水有效利用系数只有0.542，远低于0.7～0.8的世界先进水平，若能提高0.1，则可以省下300多亿立方米的水，相当于三峡水库库容；从城镇看，城镇供水管漏损率高达20%，每年损失100多亿立方米的自来水，相当于我国总缺水量的20%。据中国城乡建设统计，2009年，全国城市的供水漏损量达60亿m3，2017年时，已达到了78亿m3[7]。

为缓解严峻的水形势，必定要做到如下两点：

1)节水优先；2)治污为本。

本水龙头便是秉持节水优先的理念作为设计初衷，响应节水器具的推广发展，创建节水型社会。在国家发展过程中，选择适当的发展项目，建立“有多少水办多少事”的理念，杜绝水资源浪费[7]。同时需要采用良好的管理和技术手段，提高水资源利用率。

目前市面上普通水龙头产品存在的问题如下：

1)传统型水龙头仅用于水的收集利用，不对水质安全及节水进行处理；

2)对于停水时打开水龙头，发现没有水且忘记关掉的情况，会造成水资源的大量浪费；

3)自来水在管道内部停留的时间较长而导致水质变坏问题。

2 设计原理及功能

1)主要功能及附属功能。

主要功能：

定时自锁——针对水龙头关不紧或对于停水未关造成的巨大浪费情况；

水量调节——对出水量大小及出水压力进行调节以达到节水，提高水资源利用效率的目的。

附属功能：过滤、消毒。

2)系统结构原理。

结构原理图见图1。

3)结构设计。

a.过滤段。

当自来水由管网接入，于水龙头入口处通过第一段的活性炭吸附网段，将水中比较小的悬浮颗粒截留住，使其阻挡于管网当中；紧接着进入安装有紫外线消毒灯的管段进行消毒杀菌,见图1。

b.计时自锁段。

经过过滤段之后，紧跟着的是进入计时自锁段。

自锁装置初始状为开启模式，当手动开关旋起，挡在管路中间的电磁阀芯塞头在没有通电的条件下，恢复初始位置，从而接入被上一阶段处理的水。手动开关旋起的同时，水龙头壳体下方的计时装置通电开始启动，进入倒计时，当计时归零，则电磁铁通电，铁质阀芯塞头受力被向下吸引，完成自锁。

工作原理：电磁铁通电，在磁力的作用下水龙头上壁面阀芯被壁面下方电磁铁吸引，从而达到关闭水龙头的目的。

计时装置有三档：

一档——固定为20 s；

二档——初始为1 min；

三档——初始为3 min。

计时档位的选择，在档位器上有相应的按钮，根据集水目的进行档位的选择，集水时常档位则由日常生活当中的常用器具进行设置。

c.水龙头开关。

水龙头把手往上转动一定的距离，距离感应装置启动，接通档位器，实现档位器控时，时间达到设定值，实现装置的自锁。

对于自锁后，把手不必弹回，直至下次使用再扳回即可。

d.水量转换器。

当水即将流出出口时，进入流量调节转换装置。

其原理是通过第一层的按钮来移动中间的小珠，使其堵住其一的出水孔。而出水孔分别堵住内环和外环，以调节出水量的大小。

该装置分为三档：

按钮处于最左边，出水最小，为中间一小束。此时第一层的封堵小珠堵住第二层的外出水孔，使得出水仅从内孔流出。

按钮与此圆形壳相切，出水为中等，主要为外环出水，中间有一部分。此时的封堵小珠处于中间，可以堵住一半外孔和一半的内孔，使得内外孔都有出水，但都不大。

按钮处于最右边，出水仅为外环出水，出水量最大。此时封堵小珠堵住内孔，外环面积相当于内环的5倍，如图2所示。

3 计算说明

3.1 紫外线灯消毒杀菌部分

计数结果以CFU/mL为单位，其杀灭菌率按如下的公式进行计算：

由文献提供的数据可知，当进行时长为20 min的紫外线照射，可杀灭水中的大肠杆菌及其他菌类达到99.92%。而细菌的滋生总数由6.6 CFU/mL增长到29.2 CFU/mL,经过20 min完全可以杀灭。

3.2 出水装置部分

由于存在三个档位，整个被保护圈包裹的出水面积为：

外径：D=4 cm；

总面积：S=π0.042；

内径：d=1.5 cm；

内面积：S=π0.0152；

内外出水面积比：n=7.1。

即理论上最大档位出水量是最小档位出水量的7.1倍。

4 产品的创新设计

1)增加了过滤杀毒清洁装置，对水进一步处理后供用户使用，保证人体安全；

2)在原有水龙头的出水端增设一个流量控制型节水装置，提高了水的利用效率；

3)在水龙头开关前部分设置自锁装置，配合档位传感器来使用，避免了生活当中大意的浪费；

4)将自动控制系统增加到整个装置中，让用户使用更加方便。

5 应用前景

就当前市面上的水龙头而言，对水的利用低效且功能单一，势必在当下“创建节约型社会”的理念不相适应。而近几年来的各类新型水龙头也仅仅针对用水的功能性，而很少关注对水的利用效率。

所以，本产品兼顾上述问题，改进原有的水龙头，使其成为安全、高效、合理的新型水龙头，共同创建“节约型社会”。

在今后，还可以增加类似自动感应、加热等功能，丰富其用户的需求。