商用自動感應翻式節水公廁

曾祥安 李藝炫 孫冰瑞 俞璇 王嘉怡 蔡小華

摘? 要：根據目前公共場所蹲便器使用的市場分析及用水環保分析，現有的蹲便器存在蓄水需求大，容易使地板潮濕;開放式設計空間污漬易外濺，且會使雜物進入容器導致下水道堵塞等問題。因此，對統的蹲便器進行創新設計，將產生顯著的經濟效益和社會效益。為解決以上問題，本項目以人群密集的大型購物商城為推廣方向，力求在拓展蹲便器的市場占有率的同時，打破傳統蹲便器在空間利用率的局限，消除噪音，消除潮濕，優化循環用水功能，提高大型商城公廁的使用效率，改變民眾對蹲便器的固定認知，著重解決人群密集場所如廁排隊，如廁衛生臟亂差的問題。本團隊針對性研發商用自動感應翻式節水公廁。項目重點如下：回收處理人體尿液、收集回用雨水及生活污水，從根源上節省沖廁用水量;運用霧化噴頭預處理及感應器自動感應實現糞便自重力排污;隱藏式地下沖水結構設計實現無視覺化沖廁，隔絕異味，解決便池污漬外濺問題。

關鍵詞：新型蹲便器;節能減排;翻轉式蹲便器

公廁是商城建設的基礎設施，是人們解決基本生理需求的必要場所，是體現了一個城市的文明程度的重要指標。而國內大部分場所，尤其在人群密集的商城、地鐵、景區，公共廁所的建設仍存諸多不合理的問題。臟、亂、差，如廁難于上“青天”等詞語成為一些場所公廁的代名詞。加之傳統公廁蹲便器效率低下，排水過度浪費，不僅影響了全民的健康，而且造成極大的水資源浪費。

從排水方式來說，傳統的蹲便器分為前排式和后排式。前排式蹲便器排水孔在前面，小便尿液直接進入排水孔，其缺點是糞便離排污孔距離遠， 用水量大， 且臭味較大。后排式蹲便器排水孔在后面，糞便可以落在排水孔或其附近，沖刷的水流從前向后，但用水仍然較多，且污漬容易外濺。同時，無論是哪一種蹲便器，都存在用戶易滑倒、易卡腳等安全隱患。

為解決現有問題和推進廁所的改革創新，中共中央、國務院，決定將實施“廁所革命”、推進廁所糞污無害化處理和資源化利用作為鄉村振興和美麗鄉村戰略的重要實施策略[1]，其重要意義在于不僅促使了基礎設施和環境衛生的改善，還改變了百姓舊有的觀念，因為觀念和意識是使廁所成為我們基礎設施段短板的關鍵問題。為響應國家政策號召，滿足人們需求，本團隊提出一種商用自動感應翻式節水公廁，結構原理簡單，便利高效，充分利用生活無水及清潔能源，節約大量水資源，具有重要的節能減排意義和推廣價值。

技術路線

本團隊研發的商用自動感應翻式節水公廁主要應用于人群密集的大型購物商城等場所，其主要由新型翻式蹲便器、雨水收集回用設施、尿液凈化回收系統、生活污水凈化回收系統組成。由于在大型購物商城中，人們對如廁的需求大大增加，隨之產生的用水量增大，針對傳統蹲廁水資源浪費問題，本團隊使用電動機驅動翻轉板，利用糞便自重力排污，減少沖廁用水的同時，降低平均如廁時間，更加適應人流量多的場所。并根據商城建屋頂面積大的建筑特點，將其制成集雨面，制成“天然漏斗”，可高效的收集雨水，并利用男廁小便池收集到的尿液具有無需尿液分離處理，凈化成本低的特點，回收利用雨水、人體的尿液和生活污水，用于日常沖廁當中，使資源利用達到最大化。相較與傳統商城的廁所而言，公廁巧妙利用建筑特性和新概念翻轉沖廁方式，適應了用戶在該環境下的需求，使公廁的利用效率推向一個新的高度，為大型商城的公廁建設提出新的概念，向社會推廣綠色，環保，資源節約等理念。

設計方案--新型無水隱形公廁

新型翻式蹲便器

新型翻式蹲便器由蹲便器外殼、翻轉板、霧狀噴頭、高壓射流噴頭，滾動軸承、紅外感應器、翻轉電機組成，如圖所示。

1.蹲便器外殼

蹲便器外殼由陶瓷高溫燒制而成，采用多層納米易潔釉面，不易掛污更潔凈。前后均打通孔，用于安裝滾動軸承，下側做成具有一定斜度的導糞腔，使落下的糞便在使用少量水源的情況下便沿著斜壁集中落入到排糞管。

2.翻轉模塊

蹲便器翻轉板由翻轉板、滾動軸承、反轉電機組成。

（1）外形結構

翻轉板的形狀與內壁形狀相同，尺寸略小于內壁。外形結構形似葫蘆，設計符合用戶使用習慣。翻轉板的前后為圓柱形連桿，伸出蹲便器外殼之外，連桿的一側與電機相連，且前后兩側均與軸承配合。為保證蹲便器的密閉性，翻轉板的四周有凹槽可布置密封圈，使翻轉板在反轉過程種始終貼合陶瓷內壁。且翻轉板旋轉到水平位置時，翻轉板與內壁形成較為緊密的配合，同時保證翻轉板在承受各方向上的力時不會發生強制翻轉和傾斜。

（2）材料

特制的翻轉板采用特氟龍涂層，這種涂層是不粘涂料的鼻祖，具有耐熱性、化學惰性和優異的絕緣穩定性及低摩擦性，是一種獨一無二的工業涂料。通過添加特氟龍涂層，可使蹲便器表面光滑不粘，在如廁的時候，即可利用糞便尿液的重力特性，基本上完成自身清潔，并可以很大程度的減少糞便在翻轉板上的殘留量，同時該用料成本，對用戶使用習慣、便器安裝方法等要求較低，可大量的生產和應用。

（3）模塊功能

由翻轉板、滾動軸承、反轉電機組成的蹲便器翻轉板塊實現了高效率的使用性。兩側均可暫存糞便的翻轉板設計搭配滾動軸承可使翻轉板翻轉難度縮小，耗能降低。在一人使用后，翻轉立刻可供下一人的使用，極大的縮減了如廁時間，解決了如今上廁排隊的現象，且沖廁環節均在地下進行，無視覺沖水，低噪音運行。同時還解決了常見蹲便器常出現的水流射出蹲便器形成污漬問題，保證了地面的干燥、干凈和整潔。

同時為保證用戶使用安全，電機觸發感應裝置與紅外感應器相聯，用戶如廁完成打開廁所門離開以后，電機才會感應觸發，帶動翻轉板翻轉。

3.霧化噴頭

蹲便器四周有三個隱藏式出水口，內嵌可調銅質高壓霧化噴嘴。使用水源均為二次回收水并混合一定植物提取液。

其工作流程與作用如下，開關電路與紅外感應器相連，當感應器感應到用戶進入廁所時，系統執行預處理命令。增壓泵開始運轉，在吸水井中抽取凈化后的水源，混入植物提取液除臭劑，并對霧化噴嘴施加一定的壓力，利用壓力差將植物混合液從噴口壓出，液滴均被霧化，均勻噴灑在翻轉板和蹲便器內壁。

預處理的意義在于：一，預處理可使翻轉板和蹲便器內壁處于濕潤但不積水的狀態，配合翻轉板所采用的特氟龍涂料，方便后期翻轉后板上糞便自然掉落，進一步減少糞便在翻轉板上的殘余量。二，植物提取液可通過吸附、催化氧化等反應達到除臭的作用[2]，給與用戶更改好的如廁環境。

4.高壓射流噴頭

高壓射流噴頭位于導糞腔前后兩側。紅外線感應人完成如廁后，翻轉板翻轉，糞便因自重而掉落到位于蹲便器主體下方的導糞腔。同時，高壓射流噴頭獲得清洗命令。開始工作。增壓泵再次運轉，在水庫中抽出已處理水資源，將高壓力低流速的水轉換為高壓力高流速扇形射流，連續不斷地作用在被清洗表面使殘留垢物脫落。

雨水收集回用設施

雨水是寶貴的自然資源，且相對于中水而言，水質更佳，處理工藝更為簡單，因此被看作是最有利用價值的水資源。以長沙為例。長沙屬于亞熱帶季風氣候，地處中緯度地區，位于湘江下游和長沙盆地邊緣，氣候溫和、降雨充沛、四季分明。根據統計數值，長沙市年平均降水量為1403.7mm，夏初雨水較多。雨水是豐富的水資源。經小組調查，大部分商城都沒有設置雨水收集系統，而是利用多年前建造的排水系統，直接將雨水排至地面或市政排水管網內，無論是內排水系統還是外排水系統，都造成嚴重的水資源浪費，還增加了水泥地面低洼積水的可能性，加大了市政排水管道的壓力。

大型商城建筑特點是樓層較低，屋頂面積系數大，是作為收集雨水設施的不二之選，本團隊針對該特點設計了配套的雨水收集設施，通過將屋頂制作成集雨面收集雨水來增加降水的使用價值。由于收集的水資源主要應用于各樓層廁所的沖洗，且自然降水落到建筑上方時會帶有各種雜物和垃圾，因此必須對收集的水資源進行凈化、沉淀。

雨水收集設施主要由棄流井、處理井、沉沙井、雨水收集區、吸水井組成。為了保證收集到優質雨水資源，雨水經管道后先流至位于雨水出戶位置的棄流井，進行初步的棄流截污，用戶通過棄流井中自帶的流量計調節棄流量，從而可以過濾前期收集到較為渾濁的雨水。初次過濾的雨水流至處理井，處理井中安裝有簡單的過濾器和鼓風機，過濾掉容易堵塞管道的落葉等雜物，并檢測處理后的水資是否達到雨水回用的的標準，決定是否回流重新處理。最后得到較為清潔的雨水順著管道到達地底下沉沙井，過濾徑流中的顆粒物質，最后存儲于雨水集水區。

雨水收集區安裝有消毒器和浮球閥門，在較為干旱，雨水收集不足的季節時，自動調節使用自來水補給吸水井，在多雨的季節，則將存儲的雨水流至吸水井，保證做到優先使用雨水資源，再使用自來水來供應廁所沖洗。最后通過不同類型的水泵，供各樓層的廁所沖水使用。當浮球位置高于所設定的值時，系統將會啟動閑時自動清洗模式。即時沒有用戶如廁，蹲便器下放的高壓射流噴頭也會持續工作，不斷清洗殘留在導糞腔上的糞便。

該雨水收集回用設施可以大量減少自來水的使用量，更有效的減少向排水系統的排放量，在降水量多的地區還能起到防洪減災的作用，從沖廁用水的根源上解決傳統如廁浪費自來水的問題。

尿液凈化回收系統

尿液污水主要分為3種，以尿液為主的黃水;含糞便的棕水;糞便和尿液混合的黑水。棕水和黑水中有較多的病源微生物，且水分含量不高、回收效率低，故不考慮棕水、黑水的回收。黃水在污水中的占比最大，水分含量高，考慮到收集和分離的難易程度、投入成本以及處理難度，我們僅回收男廁小便池中的尿液。

目前我國常用的尿液處理方法有物理法、化學法、生物法，由于常用的處理手段會引入有局限性且會引入新的污染物，因此不考慮。通過對比得知，電化學法[3]處理尿液，可以將相關物質很好地沉淀，且分離出的水分接近于二次用水的標準可以被廁所循環利用，剩余的物質可以進行進一步處理城農業綠色肥料。以鈦微孔管做陽極，不銹鋼壁做陰極，通過外加電壓使污水中發生電化學反應，將電解裝置與鎂源反應器組合聯用，生成磷酸銨鎂等沉淀，通過濾網附著在濾網上（或沉淀于沉淀池內），經收集處理后，進行相應的使用[4]，此裝置水分回收率為70%，如10所示。

長沙國金中心位于湖南省長沙市五一商圈黃興路與解放路交會處是超高層大型城市綜合體，雙子塔樓相鄰而建，建筑特點鮮明，功能分區運行。我們將雙子塔樓簡化成如圖11所示的兩個平面模型，尿液由男士每層男廁的男士小便池中引出收集，最終匯集到處理池中以待處理。圖中尿液（黃水）分離出的水分應該更改為在商場內部循環，利用輸送泵將分離出的水送入廁所的沖水系統，僅分離出的固體運送出去因此蒸餾結晶處理過程應該在商場建筑中進行。

生活污水凈化回收系統

生活污水即人們日常生活中所產生的用水，包括日常洗漱、淋浴、清洗、餐飲等所排出的水。生活污水雖然已經不是純凈的水資源，但城市生活污水中不含危害性物質，簡單處理之后即可作為非飲用水再次進行循環利用。生活污水處理工藝較為成熟，處理方式及過程較為簡單，處理成本低、效率高，是緩解城市污水處理壓力、治理城市污水的重要方式。

以長沙國際金融中心為例，其作為集大型購物商場、高端寫字樓、酒店于一體的超高層城市綜合體，其中的生活污水主要來源于辦公區和酒店部分的餐飲廢水和洗浴廢水。我們通過生活污水分散回收利用，建立污水回收通道，對建筑物內產生的污水進行收集和集中處理，然后利用處理后的非飲用水進行建筑沖廁，可以實現國際金融中心內的污水再利用，提高水資源利用率。

生活污水處理設備主要包括雜物沉淀池、化學反應池和填料流動池。生活污水經收集后進入雜物沉淀池，污水中的懸浮顆粒物經過物理沉淀沉淀至底部去除。之后再經過化學反應池，污水中的化學物質與絮凝劑發生絮凝反應，絮凝物經沉淀后即可與水體分離。填料流動池中含微生物，可以利用微生物的各種生命活動將污水中對生活污水中含的各種難處理物質分解，最終實現污水凈化[4]。

可行性計算分析

（一）雨水棄水量和集水量的計算

根據《民用建筑節水標準》中5.2.4條規定雨水設計徑流總量的公式，長沙年平均降水量h為1403.7mm，超過800mm，則適宜優先采用屋面雨水收集回用方式。從建筑物屋面收集到的雨水因降塵會含部分固體顆粒，需要經過雨水棄流裝置棄流截污，除去初期污染嚴重的雨水。初期棄流雨水每年按65.3mm計算。屋面雨量徑流系數 取0.6，長沙國際金融中心占地面積為7.44萬平方米，計算取屋面匯水面積F為占地面積，為7.44萬平方米。則

（二）尿液回收利用量計算

考慮到回收和分離的難易程度和成本，我們主要回收男士小便池的尿液，不考慮其他蹲便器的尿液。

根據統計數據，人類的排尿量約為A=0.3L/次每人。男性小便池沖水量約為B=1.3L/次，經過調查，長沙國金中心全年平均每日人流量為R=62700人次，假設有50%的人使用商場廁所，而男女廁所的人流量比可以達到1：2，所以使用男廁的人數比例為2/3，那么男士小便池的概率達到3/4，回收裝置的回收率為預計為?=0.70[5]，

（三）生活污水回收可行性計算

長沙國金中心為例的建筑用水量計算主要包括商業部分用水、辦公樓部分用水和酒店部分用水。其中商業部分用水主要用于廁所沖水，近似作為傳統廁所用水量進行分析，所以在生活污水收集部分不作計算。生活污水回收量主要包括計算辦公區用水和酒店部分用水。

辦公區回收量計算

根據《民用建筑節水設計標準》，辦公有效面積按辦公建筑面積的60%進行計算，人均有效面積取6m2，辦公節水定額Q1取33L/（人·天）。長沙國金中心辦公建筑面積S為258000平方米，預計辦公區生活污水回收量按70%計算，年用水天數n1取260天。計算辦公區年用水量：

根據《民用建筑節水設計標準》，酒店中（員工及旅客）節水用水定額為290～400L/（人·天），在長沙國金中心計算中取用水定額Q2為290L/（人·天），酒店部分生活污水回收量按70%計算，酒店面積約為417500平方米，有效空間比取60%，人均有效面積取40m2，營業天數n2為365天。酒店部分年用水量為：

（四）可行性分析

1. 新型蹲便器用水量對比

市面上常見便器沖洗耗水量對比如下圖所示，對于常規便器而言，1000人如廁的沖洗水量就已經達到了60000L/天，耗水量大、資源浪費嚴重。

新型翻轉蹲便器采用霧化噴頭預處理并配有高壓射流噴頭進行深入清潔，主要耗水量便在這兩處。霧化噴頭每次預處理用水量約為0.16L/min，霧化時間為兩秒，共有三個;高壓射流噴頭沖水量約為2.9L/min，噴射時間為10秒，共有四個，對于1000人如廁所需的沖洗水量為：

1000×（0.16×3÷60×2+2.9×4÷60×10）=1949.33L

對照柱狀圖知，新型翻轉便器耗水量遠遠小于市面上常見便器，大大節約了水資源和資金投入，更加清潔環保高效。

1000人如廁每天新型翻轉蹲便器比常規便器節省的費用：

（60000-1949.33）×8.15÷1000=473.11元/天

2. 沖廁用水來源效益介紹

由于尿液的回收價值更高，所以優先使用尿液作為沖廁用水。如果沖廁用水由尿液回收的二次用水完全代替，將節約很多水資源和資金投入，假設收集的二次用水被沖廁用水完全消耗，而商業用水價格為8.15元/t，每年可節省水費為：

6407.94*8.15=5.22萬元

雨水和生活污水節約水的成本計算同上。

綜上所述，二次用水的來源主要為尿液、雨水、生活污水三個方面，流量以及節省費用如下表所示。比較可知，二次回收水已經能夠完全覆蓋傳統廁所用水量。

3. 效益總結

經濟效益方面，尿液、雨水和生活污水三個方面的二次收集水一年的收集量大約為1089328.54m3，節約的成本總計能夠達到887.79萬元;新型翻轉蹲便器的用水量顯著小于傳統常規便器的用水量，相同條件下比傳統常規便器能夠節約473.11元/天。這些方面能夠顯著降低長沙共國金中心用水方面的成本資金投入，實現高效、綠色、創新、環保。

社會效益方面，新型翻轉蹲便器解決了傳統廁所衛生臟亂差、商場廁所排隊時間長的問題，改善了如廁環境，對促進美麗公測建設、美麗生態文明建設起到了重要作用。新型翻轉蹲便器還配備了較為完善的尿液回收及生活污水回收系統，優化了循環用水功能，循環利用水資源，改善了目前城市廁所耗水量大，城市水資源利用效率低的現狀，緩解了城市污水處理壓力，在治理城市污水方面做出了一定貢獻。同時，巧妙地將翻轉板與蹲便器相結合，加入了尿液回收利用的新型處理方式，為廁所廢物處理方式提供了新思路，為行業發展開辟了新方向。

創新特色

商用自動感應翻式節水公廁在傳統公廁的基礎上進行創新，相較于傳統公廁具有科學性和先進性。產品優點如下：

（1）新型污水隱形蹲便器巧妙借助糞便的重力，以機械翻轉的方式，從結構上減少沖廁用水，節水效果更好，節能效率更高，對用戶端產生極大的經濟節約作用。

（2）隱匿式地下沖水結構，解決污漬外濺問題，并在旋轉處增加密封條，有效避免尿液及糞便等異味溢出，降低蚊蠅生蛆引發感染傳染病的風險，將潔污過程做到無視覺清潔，讓如廁環境更加干凈、舒適。

（3）自動感應裝置避免了因為技術操作問題而導致的客戶使用障礙，實現了各年齡段的普適化，同時在保證高效排便的情況下，節省人力，使商城如廁排隊的現象得以解決，讓方便更加方便，提升了用戶的幸福指數。

（4） 利用商場特點，建立雨水收集回用裝置以及生活污水收集裝置對雨水和生活廢水進行回收，并且采用尿液回收裝置對尿液進行回收。將收集到的二次利用水作為沖廁用水再次利用，做到節水節能，環保高效，提高了水資源回收率與利用率。

結語

我們的團隊產品解決了目前市場上傳統公廁的噪音，潮濕，用水量大等問題。在一定程度上。翻轉節水公廁可用更少的生活用水滿足更大的使用需求，提高了大型公廁的使用效率，節約使用成本。翻轉節水型公廁的創新研發將產生顯著的經濟效益和社會效益。當今，全球水資源緊缺，水資源匱乏已成為制約我國經濟發展的重要因素。產品設計從節水出發，保證清潔質量的同時實現水資源的重復利用。通過技術創新，降低生活污染，增加能源利用的多樣性實現了環境保護。產品創新思路符合我國可持續發展理念，達到節水減排的目的，緩解用水壓力，使現有供水系統可以供給更多用戶的用水，節約了建設資金和運行費用，為改善公廁環境，實現節水環保型社會提供了新思路。但是，目前產品未來發展研究仍存在技術難題。未來我們的產品研究致力于實現干旱缺水地區家庭化使用。產品設計將實現太陽能供電設想，和微型化家庭水資源回收利用系統。這需要整個系統的重新設計和布局。可以作為更加干旱缺水地區廁所的研究方向。

參考文獻：

[1]沈崢，劉洪波，張亞雷.中國“廁所革命”的現狀、問題及其對策思考;2018，10（02），45-48

[2]張穎，靳少培，姬亞芹，王秀艷.污水除臭技術的應用及研究現狀[J].環境污染與防治，2013，35（01）：81-85+99.

[3]郝燕宇.源分離尿液的電化學處理回用系統集成裝置及應用研究[D].大連交通大學，2018.

[4]李亮.村鎮生活污水常用處理工藝簡介與對比[J].水資源開發與管理，2017（06）：23-26.DOI：10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.06.006.

[5]郝燕宇.源分離尿液的電化學處理回用系統集成裝置及應用研究[D].大連交通大學，2018.

通訊作者：蔡小華，1965.04，男，副教授，從事機械設計方法與理論、機械電子等研究。

基金項目：省教改項目，湘教通〔2021〕189號 工程訓練融入工程圖學系列課程的探索與實踐（HNJG-2021-0335 ）。