試論一種新型的機(jī)械式整體衛(wèi)浴設(shè)計(jì)

施建平

摘? 要：目前，我國水資源利用率低且浪費(fèi)較大，部分地區(qū)仍處于嚴(yán)重缺水狀態(tài)。基于現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出了一種能高效利用水資源、符合低碳理念的新型機(jī)械式整體衛(wèi)浴系統(tǒng)。這樣的機(jī)械式整體衛(wèi)浴設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)水資源的二次利用，并且全程無功耗、無污染。為此，文章就對(duì)該衛(wèi)浴設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、原理及Fluent仿真等進(jìn)行詳細(xì)的介紹，淺談該設(shè)計(jì)的可行性、實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：利用率;低碳;機(jī)械式;無功耗;無污染

中圖分類號(hào)：TU824? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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

全球水資源緊缺、人們對(duì)水資源利用率低已成為了嚴(yán)峻的事實(shí)，這迫使人們的生活方式向著低碳生活發(fā)展。低碳生活意味著在人們的日常生活里低耗能、低排放和低污染，新型的機(jī)械式整體衛(wèi)浴系統(tǒng)就是按照這樣的理念設(shè)計(jì)的。

1 整體衛(wèi)浴整體設(shè)計(jì)及原理

1.1 整體衛(wèi)浴結(jié)構(gòu)

新型的整體衛(wèi)浴系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：住宅入水管、浴室柜、淋浴噴頭、洗衣機(jī)、集水箱、座便器、壓縮水箱和手盆。

接下來簡單介紹各個(gè)部分（圖1）的作用：住宅入水管，顧名思義，也就是整體衛(wèi)浴的進(jìn)水口;浴室柜，非衛(wèi)浴系統(tǒng)必備結(jié)構(gòu)，但能擺放洗浴用品;淋浴噴頭和洗衣機(jī)都可以作為集水箱的水源;座便器與壓縮水箱連接，能加速水流動(dòng);壓縮水箱作為整個(gè)衛(wèi)浴系統(tǒng)的核心，主要用于儲(chǔ)存經(jīng)過簡單過濾后的水，并通過提高水位來沖洗座便器;集水箱能收集洗浴和洗衣服的水，有簡單的過濾作用，可打開頂蓋供清洗拖布和抹布;手盆作為日常洗漱用水的部位，連接著有過濾作用的集水箱。

1.2 整體衛(wèi)浴水系統(tǒng)原理

壓縮水箱儲(chǔ)水區(qū)的污水有三大來源：洗浴水、洗衣機(jī)排出的水和洗菜水。洗浴水和洗衣機(jī)排放的水最初都要經(jīng)過集水箱，并在集水箱里面進(jìn)行簡單的過濾，然后通過連接管道流向壓縮水箱的儲(chǔ)水區(qū)。在整個(gè)流動(dòng)過程中，完全依靠水的重力實(shí)現(xiàn)流動(dòng)及過濾，不需要外接用電設(shè)備。這樣的集水環(huán)節(jié)既回收利用了污水，又符合了低碳環(huán)保的發(fā)展。這樣的沖水方式設(shè)計(jì)利用了人的重力及彈簧的彈力，無需外接用電設(shè)備，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水的二次利用。

2 核心部分壓縮水箱的設(shè)計(jì)

2.1 壓縮水箱結(jié)構(gòu)

壓縮水箱作為整個(gè)機(jī)械式衛(wèi)浴系統(tǒng)的主要工作部分，由多種簡單的結(jié)構(gòu)組成，其中就包括有活塞板、傳動(dòng)桿、加壓水箱等結(jié)構(gòu)。

接下來對(duì)壓縮水箱的核心部分（圖2）進(jìn)行簡單的介紹：傳動(dòng)桿在水箱內(nèi)部連接著壓板與儲(chǔ)壓水箱的活塞板，并且能隨壓板自由運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)與水管接口相關(guān)活塞的開關(guān);加壓水箱，不僅有大小之分，而且功能不盡相同，另外大水箱內(nèi)部還連接著下水管道，并且能支撐壓板正常運(yùn)作;儲(chǔ)壓水箱，其儲(chǔ)水容積可以調(diào)節(jié)，能一定程度上緩沖來自大小加壓水箱的水流壓力;儲(chǔ)水區(qū)，雖然容量比不上集水區(qū)，但水質(zhì)在里面可以經(jīng)過再次過濾，儲(chǔ)存的水較干凈。

2.2 壓水箱工作原理

集水箱的污水經(jīng)過簡單過濾沉淀后流向壓水箱，同時(shí)壓水箱能對(duì)流經(jīng)的污水進(jìn)行再次過濾，然后處理過的污水會(huì)流向座便器兩側(cè)的儲(chǔ)水箱。儲(chǔ)水箱的水位達(dá)到頂部后，準(zhǔn)備流入儲(chǔ)水箱的污水將從另一個(gè)排水口緩慢流入座便器。當(dāng)有人需要使用座便器方便時(shí)，座便器就會(huì)受到人體帶來的壓力，促進(jìn)加壓水箱對(duì)污水的流動(dòng)循環(huán)。當(dāng)人方便完站立后，座便器里的彈簧會(huì)瞬間產(chǎn)生彈力，帶動(dòng)在壓水箱內(nèi)部的傳動(dòng)桿運(yùn)動(dòng)。也就是說，傳動(dòng)桿將帶動(dòng)活塞板的開啟，打開沖水閥門。在集水箱的污水就會(huì)順著管道流向座便器，實(shí)現(xiàn)沖水環(huán)節(jié)。

2.3 壓縮水箱主要參數(shù)設(shè)計(jì)

壓縮水箱的構(gòu)造設(shè)計(jì)需要充分地運(yùn)用各方面的測試數(shù)據(jù)來證明設(shè)計(jì)的可行性，其中最重要的測量數(shù)據(jù)莫過于就是壓水高度、壓水量和彈簧彈性參數(shù)。

從理論上說，是運(yùn)用物理上的公式得出數(shù)據(jù)的。首先就是壓水高度，集水箱的污水要想被壓進(jìn)高處的壓水箱，就要滿足P=pgh這類的物理公式，對(duì)水在管道的壓強(qiáng)準(zhǔn)確計(jì)算。為了減小誤差，在對(duì)進(jìn)水管的接口面積設(shè)計(jì)制造時(shí)要符合實(shí)際要求，不能過大也不能過小。經(jīng)過計(jì)算后，壓水高度是不會(huì)超過1米的。而壓水量作為壓縮水箱容積的大小，對(duì)日常生活中污水的再次利用率有著極大的影響作用。通過專業(yè)人員的計(jì)算，正常的壓水量為8.125L，由于考慮到實(shí)際的使用過程中會(huì)有誤差，所以8.125L的壓水量已經(jīng)可以滿足生活的需求了。彈簧作為整個(gè)衛(wèi)浴設(shè)計(jì)系統(tǒng)中要求最高的一部分，對(duì)各方面的數(shù)據(jù)指標(biāo)要求較多。在專業(yè)人員的多次實(shí)驗(yàn)計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)了一些重要的數(shù)據(jù)：彈簧的極限負(fù)荷為1437.5N、曲度系數(shù)在1.184左右、自由高度約等于70毫米等等。通過這些數(shù)據(jù)，專業(yè)人員能準(zhǔn)確地計(jì)算出彈簧線徑的大小，也就是制作合適的彈簧鋼絲直徑大小。這部分的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算是彈簧設(shè)計(jì)過程中不可忽略的部分，對(duì)整體衛(wèi)浴的服務(wù)質(zhì)量有著十分重要的作用。

3 按需設(shè)計(jì)在創(chuàng)新整體衛(wèi)浴中的應(yīng)用

現(xiàn)在的發(fā)展理念偏向于低碳環(huán)保，既符合了人們節(jié)約資源、提高重復(fù)利用率的要求，又能引領(lǐng)時(shí)代進(jìn)步。這樣的發(fā)展理念反映了人們對(duì)現(xiàn)實(shí)生活的需求，而新型的機(jī)械式整體衛(wèi)浴系統(tǒng)就是按照人們的實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的，以低成本、高質(zhì)量的優(yōu)勢走進(jìn)人們的視野。

在整個(gè)機(jī)械式衛(wèi)浴的設(shè)計(jì)中，壓水量的使用效果最為顯著。在一份調(diào)查報(bào)告中，指出市面上普通馬桶一次的沖水量為3到10升。這樣的沖水效果對(duì)水資源的浪費(fèi)比較嚴(yán)重，為此在新型的機(jī)械式整體衛(wèi)浴設(shè)計(jì)中，把大便與小便的沖水量分開考慮。經(jīng)過專業(yè)人員的測試，證明了小便沖水量為3升、大便沖水量為6升的沖水效果才是最好的。壓水量大小的設(shè)計(jì)從人們節(jié)約水資源的需求出發(fā)，滿足了人們充分利用水資源的期盼。正是因?yàn)檫@樣的衛(wèi)浴設(shè)計(jì)從人們的需求出發(fā)，也從時(shí)代發(fā)展的趨勢出發(fā)，才更能在未來占據(jù)市場優(yōu)勢。

4 Fluent仿真

4.1 網(wǎng)格的生成

網(wǎng)格的生成是進(jìn)行Fluent仿真的前提，對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證管道水氣分布的數(shù)值是否符合指標(biāo)有著關(guān)鍵性作用。雖然這個(gè)環(huán)節(jié)操作較為復(fù)雜，對(duì)專業(yè)人員的技術(shù)水平有不小的要求，但一旦生成了網(wǎng)格就能對(duì)衛(wèi)浴系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行理論上的驗(yàn)證了。第一步要做的就是使用Pro/E軟件對(duì)加壓水箱、壓縮水箱進(jìn)行三維建模，然后將建好的模型以.sat的格式保存。第二步是使用Tet/Hybrid網(wǎng)絡(luò)單元類型，在正確的位置運(yùn)用六面體、圓錐形的網(wǎng)格單元，對(duì)壓縮水箱及集水箱進(jìn)行網(wǎng)格的構(gòu)建。最后一步就是在合適的位置對(duì)網(wǎng)格上的進(jìn)水口及出水口進(jìn)行設(shè)置，并且對(duì)生成的網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)試，直到符合要求才進(jìn)行下一步操作。

4.2 Fluent數(shù)值分析

當(dāng)對(duì)生成的網(wǎng)格調(diào)試好后，接下來就是要將網(wǎng)格建模導(dǎo)入Fluent中。為了使Fluent得出的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，仿真計(jì)算采用了VOF多相流模型，以此排除壓力儲(chǔ)水箱水管中的空氣對(duì)仿真測驗(yàn)造成影響。同時(shí)進(jìn)行了初始化流場，設(shè)定中等松弛因子的殘差監(jiān)視器，挑選合適的時(shí)間步長、迭代次數(shù)，最后才進(jìn)行迭代運(yùn)算，得出準(zhǔn)確的數(shù)值。另外，在對(duì)Fluent數(shù)值進(jìn)行分析的時(shí)候，對(duì)壓縮水箱、集水箱實(shí)際的運(yùn)行效果、水流情況、數(shù)值變化進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)，并且發(fā)現(xiàn)迭代前后的流域水氣分布達(dá)到預(yù)期效果，穩(wěn)定在儲(chǔ)壓水箱里面。專業(yè)人員通過計(jì)算出來的數(shù)據(jù)，結(jié)合對(duì)衛(wèi)浴系統(tǒng)的管道水氣數(shù)值驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，從根本上確定了這種新型整體衛(wèi)浴設(shè)計(jì)的可行性。

5 結(jié)論

在理論數(shù)值的計(jì)算及Fluent仿真的調(diào)試下，水流在預(yù)期的流動(dòng)下經(jīng)過壓力水箱的處理，最終證明了新型的機(jī)械式整體衛(wèi)浴設(shè)計(jì)是可行的。這樣的衛(wèi)浴設(shè)計(jì)不僅滿足了人們節(jié)約水資源、提高水的利用率的需求，還符合了時(shí)代的發(fā)展趨勢，促進(jìn)了人們低碳生活方式的轉(zhuǎn)變。

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