現有便器沖水裝置節水性的理論分析

摘要：首先應用力學基本理論，結合大小便的特點及生活常識，分析大小便沖洗運動過程，探討節水沖洗途徑；然后運用分析結果，深入探究現有便器沖水裝置在節水方面存在的不足，最后指明新型科學節水便器沖洗裝置所應具備的特點。

關鍵詞：便器沖洗裝置；節水；理論分析

中國是世界13個嚴重缺水國家之一，人均擁有淡水量居世界第88位，人均水資源擁有量為2370m3，約為世界平均水平的1/4[1]。當前，全國600多座城市缺水，日缺水量達1600萬m3[2]，每年因缺水影響工業生產值2300億元[3]。隨著我國社會和經濟的發展，水的缺口越來越大，，嚴重缺水將是中國21世紀可持續發展的重大制約因素之一，節水勢在必行。

2006年全國用水消耗總量3042億m3，其中生活耗水占12.2%，城鎮生活耗水率（消耗量占用水量的百分比）為29%[4]。在生活用水量中，便器沖洗水量占30%-40%[5]，因此如果能在便器節水沖洗上能有突破，不僅能減少污水排放，而且還會創造巨大的經濟效益和社會效益。

1 大便沖洗時的受力及運動分析

大便沖洗時的特點是重量大，阻力大，所需的沖擊力大，附著面積通常較小。為了便于分析，將大便抽象為圖1所示方形重物。在大便由靜止運動至下水道過程中，水平方向受水的沖擊力F，便器壁面對大便的摩擦阻力f；垂直方向受大便自重G與便器壁面對大便的支撐力N。

整個沖洗過程分為如下四個階段：

⑴ 在沖水前，大便處于靜止狀態；⑵ 沖水過程中，大便由靜止開始運動，其摩擦力f由靜摩擦力變為動摩擦力，由于靜摩擦系數大于動摩擦系數[6]，阻力f由大變到小；⑶ 大便沖入下水道后，接下來水的作用主要是沖洗附著在壁面上的大便；⑷ 大便沖洗干凈后，沖水的最后作用是在下水道的彎頭上產生虹吸，吸走大便，并形成新的封水彎頭。

上述四個階段的“摩擦阻力f---時間t”的近似關系如下圖2所示：

由上圖可知，在沖水量相同的情況下，如果能縮短t1的時間，使大便盡快由靜止開始運動，同時如果能提高大便運動速度，就可縮短t2的時間，相應增長t3沖洗殘余時間，提高沖洗效果；相反如果要達到相同沖洗效果，縮短t1+t2+t3+t4，就能減少沖水量，節約用水；

生活中經常看到由于水壓不夠，沖擊力低而導致上圖中t1時間很長，間接導致t2、t3、t4時間過長，嚴重浪費水資源。

提高水的出水壓力就能提高水的沖擊力，達到節水和增強沖便效果。在相同的沖便效果下，最節水的沖便裝置是使水沖擊力順應上圖化的規律。

2 小便沖洗分析

除大便以外的臟物都等同于小便，其特點是重量輕，阻力小，所需的沖擊力也小，但是其附著面積大，沖洗時需掃過的面積大，相當于表面沖洗，沖洗分為三個階段，如圖3所示：

⑴ 在沖水前，臟物處于靜止狀態，附著面積最大；⑵ 沖水過程中，臟物面積隨水的掃過時，面積逐漸減少；⑶ 臟物沖入下水道后，剩余的水有一個作用，就是下水道的彎頭上產生虹吸，吸走臟物，并形成新的封水彎頭。

由上圖可知，如果提高水流速度，使水在較短的時間里掃過臟物的附著面積，縮短t1就可以節水；同時水的沖擊力大，有效的清除附著在壁面的臟物，增強沖洗效果。

3 現有便器沖洗機構節水性分析

綜合前面論述，提高水的沖擊速度，是節水的關鍵。要提高水的沖擊速度，就要提高水壓，很顯然不能盲目要求自來水廠提高其送水的壓力，送水的管網系統有其能承受的最大壓力，各種閥門接頭也有其承受的最大壓力，不能超過這一極限壓力。為達到節水和增強沖便效果的目的，應該充分利用水廠的供水壓力，提高水的沖擊力。

現有便器沖洗裝置有兩大類，一類是水箱式，另一類是閥門式。小便器只是公共場所男士們用，女士大便和非大便都共用一個便器。

3.1 水箱式沖洗裝置節水性分析

水箱式沖洗裝置如圖4所示。根據建設部發布的強制性條文規定，馬桶每次沖洗周期大便沖洗用水量不大于6升。當水壓為0.3Mpa時，大便沖洗用產品，一次沖水量為6升至8升，小便沖洗用產品一次沖水量2升至4升，這種沖水是利用水的自重所產生的沖擊力來沖便的，這種沖水并不真正節水，并不科學。

此類沖水裝置的“水壓力P-時間t”關系如下圖5所示：

AB段為儲水箱水滿后的壓力，其儲水高度低于自來水進入儲水箱所提供的壓力FG。

BC段為大便充水時的水壓變化，起點B時沖水閥開啟，水箱中水的壓力小于直接用自來水直接沖擊的壓力FG，沖擊力小，效果肯定變差；近C點時，水壓為0，此時的水完全是一種浪費，沒有起到任何沖洗效果。

BD段為小便沖水時的水壓變化，其沖水量小是因為閥門提前關閉，僅用了水箱中一半的水沖洗。其沖擊力肯定比用自來水壓力FG直接沖擊的力小，效果差。

CE、DE為沖便結束后由自來水進水時水箱中的水壓恢復曲線。

很顯然，為了節水和增強沖洗效果，應該充分利用自來水的壓力，而不是將其節流減壓后再沖便，節水箱并非真正節水。

3.2 閥門式沖洗裝置節水性分析

這幾種閥門共同點都是利用自來水廠所送水的自身壓力來進行沖便，充分利用了自來水壓，但存在如下問題：⑴ 受自來水自身的輸送壓影響較大，例如高樓層上因水壓不夠而導致大便沖不動，達不到沖便目的，更談不上好的沖洗效果了。⑵ 大便小便的沖水量完全相同，嚴重浪費水資源。大多數家庭或公共場所都只安裝圖用6所示沖便裝置，水資源浪費嚴重。⑶ 沖水時間是固定的，不能根據安裝點的水壓情況調節，相當一部分水壓高的安裝點沖洗時間過長，浪費水資源。

4新型節水便器沖水裝置的要求

便器沖洗裝置是人們生活所必須的，為簡化操作，都采用延時關閉技術，使用者只需按一下按鈕，剩余的沖洗關閉動作全自完成，該時間由最初的設計確定，使用者不能更改，用水量不能根據實際情況調節。

綜合上面的論述，新型節水便器沖水裝置應能滿足以下要求：4.1 在沖水之前應能充分利用自來水的已有水壓，局部提高水壓，增強水的沖擊力，實現節水目標，并且強化沖便效果，提高裝置的樓層適應性，即不同樓層、不同水壓情況均能用較少的水實現沖便效果。4.2 具備延時關閉功能，使用者只需做一次操作，剩余的沖洗關閉動作全自動完成，不能增加操作的難度。4.3 合并男士女士大小便沖洗裝置，使得臟物無論輕重，都能用不同的水量沖洗干凈，實現全面節水目標。4.4 能根據不同安裝點的水壓情況做一次預設置，以后再沖水時都能在最科學的狀況下沖水，實現最經濟的節水目標。

5結束語

本文基于生活常識，提高便器沖水壓力就能提高水的水擊力，進而增強沖洗效果，達到節約用水的目的，分析時從基本摩擦理論入手作了定性分析，實際數據還有待科學的實驗加以驗證，但可以做出合理推論，國家規定大便沖水量為6L，小便沖洗量為3L，3L可以形成虹吸并吸走污物，因此完全可以設計一種在3L以下沖洗所有大便小便的裝置，實現真正意義上的節約用水。

參考文獻

[1]黃仲杰，我國城市供水現狀、問題與對策[J].給水排水，1998，24(2):18~20.

[2]馬永平，衛生陶瓷將再次引爆“節水革命”[J].中國建材報，2004-5-7.

[3]王漢賢，水資源短缺與衛生潔具的改進[J].陶城報，2003-12-12.

[4]2006年中國水資源公報 中華人民共和國水利部 2007-09-27.