一種循環(huán)式節(jié)水節(jié)電的速熱電熱水器

本期點評專家

譚迪熬? 中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

一、提出問題

水是生命之源，水資源對人類非常重要。

沐浴用水在家庭生活用水中占比較大，我想，能不能充分利用沐浴廢水，避免水資源的浪費？沐浴之后的水還有一定的溫度，再次經(jīng)過熱水器時，只需要耗費少量的電就能達到沐浴所需的溫度，可節(jié)約電能。

于是，我決定對熱水器循環(huán)用水的節(jié)水、節(jié)電問題進行探究，研制一種循環(huán)式節(jié)水節(jié)電的速熱電熱水器。

二、基本思路

一種循環(huán)式節(jié)水節(jié)電的速熱電熱水器中的廢水收集器被放置在浴室內(nèi)，沐浴廢水被收集到廢水收集器中，通過自吸增壓泵增壓自吸，由前置過濾器經(jīng)增壓泵到主過濾器進行過濾變成凈水。凈水從電熱水器的進水口進入電熱水器，經(jīng)恒溫速熱電熱水器加熱，由花灑灑出沐浴后再次回收至廢水收集器。

三、市場調(diào)查與分析

我了解了市面上的水過濾設備與技術，通過對石英砂過濾器、活性炭過濾器、軟化罐、不銹鋼濾網(wǎng)、陶瓷濾芯、超濾機和RO膜等進行對比分析，發(fā)現(xiàn)石英砂過濾器、活性炭過濾器、不銹鋼濾網(wǎng)和陶瓷濾芯的過濾精度不高，適合做前置過濾器，超濾膜和RO膜適合做過濾器的主要部分。

在實際運用中，超濾膜和RO膜能否作為主要過濾部件用于熱水器沐浴廢水循環(huán)過濾，我需要通過實驗來驗證。

四、實驗驗證

（一）超濾膜對沐浴廢水的過濾實驗

實驗步驟：

1.用3分PE管和快速接頭將自吸過濾頭（帶不銹鋼隔網(wǎng)和麥飯石顆粒）、增壓泵、自來水過濾器（裝有超濾膜）按順序連接，組裝成超濾膜過濾系統(tǒng)。

2.將自吸過濾頭沉入裝有沐浴廢水的儲水桶內(nèi)，將自來水過濾器的出水口放入備用儲水桶中。

3.打開增壓泵電源，啟動超濾膜過濾系統(tǒng)，讓其過濾2分鐘。記錄觀察結果。

4.重復實驗三次，排除干擾項。

5.分析觀察結果，得出結論。

實驗結論：相比沐浴廢水，備用儲水桶中的水變清了，但有洗滌劑泡沫浮在水面。這說明，超濾膜能夠過濾沐浴廢水中的大顆粒雜物、懸浮物等，但不能過濾洗滌劑。因此，超濾膜不適合作為一種循環(huán)式節(jié)水節(jié)電的速熱電熱水器的主要過濾部件。

（二） RO膜對沐浴廢水的過濾實驗

實驗步驟：

1.用2分PE管、3分PE管和轉接頭連接RO膜組件（由多支RO膜并聯(lián)而成）、增壓泵、不銹鋼反沖洗前置過濾器和廢水收集器（用水桶代替）等，組裝出RO膜反滲透系統(tǒng)。

2.用管道將RO膜反滲透系統(tǒng)中的RO膜凈水出水口與電熱水器進水口連接。

3.往廢水收集器（用水桶代替）中倒入5～8升自來水，往水中加入適量的洗發(fā)水、沐浴露，攪拌均勻，可以看到水中有泡沫出現(xiàn)。

4.打開增壓泵電源，啟動RO膜反滲透系統(tǒng)。再打開電熱水器開關。

5.15分鐘后，記錄觀察結果。

實驗結論：洗發(fā)水和沐浴露的混合污水經(jīng)RO膜過濾后非常清澈，沒有泡沫?？梢?，RO膜過濾洗滌劑的效果非常好，適合循環(huán)過濾沐浴廢水。

五、設計裝置

（一）裝置結構

一種循環(huán)式節(jié)水節(jié)電的速熱電熱水器由智能廢水電磁閥、廢水收集器、RO膜組件、自吸增壓泵、前置過濾器、智能恒溫電熱水器和花灑等組成。

（二）裝置原理

啟動自吸增壓泵，然后啟動智能恒溫電熱水器，裝置開始循環(huán)工作。

沐浴廢水經(jīng)廢水收集器進入前置過濾器，經(jīng)過自吸增壓泵和RO膜進水口，被RO膜過濾后分流為凈水和廢水（不能過濾的洗發(fā)水、沐浴露）。凈水進入智能恒溫電熱水器，被加熱后可用來沐浴。沐浴后的水又被回收到廢水收集器。而廢水經(jīng)過智能廢水電磁閥進入廢水收集器。

前置過濾器的廢水出水口定時打開，分流出的廢水會經(jīng)過智能廢水電磁閥進入廢水收集器。前置過濾器可過濾沐浴廢水中的泥沙等粗顆粒雜質(zhì)。

（三）難點突破

在制作過程中，我遇到了以下問題：

1.一個RO膜組件過濾效率低，凈水出水量過少，過濾時間過長；

2.前置過濾器中的廢水不易排出；

3.如果廢水的排出量很大，原有水量會越來越少。

在老師的指導下，我很好地解決了問題。解決方案如下：

1.根據(jù)智能恒溫電熱水器出水量的大小，適當增加RO膜組件數(shù)量，將RO膜組件多路并聯(lián)，并分別將凈水出水口、廢水出水口并聯(lián)，提高過濾效率。同時，根據(jù)RO膜組件的數(shù)量相應地調(diào)整RO膜組件的安裝位置，以方便為宜。

2.在前置過濾器前端加一個單向閥，并定時對前置過濾器進行沖洗。在前置過濾器自吸頭前端安裝濾網(wǎng)，可進行一次過濾，將顆粒大的污物隔離在廢水收集器內(nèi)。

3.將前置過濾器和RO膜分流出的廢水排到廢水收集器內(nèi)，實現(xiàn)水循環(huán)。

六、測量電功率

（一）對比實驗

將裝置中智能恒溫電熱水器的進水管和花灑分別置于不同的水桶內(nèi)，放置進水口的水桶裝滿水，電源插頭插入數(shù)顯功率計量插座，啟動智能恒溫電熱水器。智能恒溫電熱水器的設定溫度為38 ℃。待顯示的功率數(shù)值穩(wěn)定，記錄數(shù)值并拍照。計時10分鐘，記錄總功率數(shù)值。

裝置正常使用，確?；⒊鏊?、智能廢水電磁閥出水可回收至廢水收集器，水循環(huán)流動。電源插頭插入數(shù)顯功率計量插座，啟動裝置。智能恒溫電熱水器的設定溫度為38 ℃。待顯示的功率數(shù)值穩(wěn)定，記錄數(shù)值并拍照。計時10分鐘，記錄總功率數(shù)值。

（二）結論

當不使用裝置時，啟動智能恒溫電熱水器，電功率為2200 ～3000 W。當使用裝置，循環(huán)用水時，啟動智能恒溫電熱水器，電功率為220 ～300 W。通過數(shù)據(jù)對比，可以得出結論：與不使用裝置時的電功率相比，使用裝置時的電功率大大降低，驗證了裝置具有節(jié)約電能的功能。

七、創(chuàng)新點

裝置收集沐浴廢水，通過前置過濾器和RO膜多次過濾得到凈水，凈水經(jīng)過智能恒溫電熱水器被加熱使用，實現(xiàn)水循環(huán)利用，達到節(jié)水的目的。第一次沐浴后，在個人沐浴習慣和時間長短不變的情況下，經(jīng)測試，使用裝置沐浴的用水量是使用普通智能恒溫電熱水器沐浴的用水量的1/10至1/15 。

沐浴后產(chǎn)生的污水還具有一定的溫度，被過濾后經(jīng)過智能恒溫電熱水器時，只需要耗費極少的電能就能達到設定的沐浴用水溫度，可節(jié)約電能。

RO膜清洗方便，能節(jié)約更換RO膜的成本。只需把RO膜進水口和廢水出水口常開，把RO膜清洗劑按照一定的比例倒入廢水收集器中，打開智能恒溫電熱水器，設定溫度為40 ℃，水循環(huán)20至30分鐘，便能完成RO膜的清洗。

應用廣泛，裝置可裝在宿舍、房車、民宿、臨建房等場所。（指導老師：張才友）

專家點評

楊竣軼同學的一種循環(huán)式節(jié)水節(jié)電的速熱電熱水器是一件改進型發(fā)明作品，即屬于選題源于日常生活，能夠為社會經(jīng)濟發(fā)展或社會生活帶來便利的B類項目。這項發(fā)明的產(chǎn)生主要體現(xiàn)了：其一，楊竣軼同學具有節(jié)約水資源的環(huán)保理念與創(chuàng)新意識。普通電熱水器的一些毛病，許多同學都感受到了，唯獨楊竣軼能提出這個節(jié)水、節(jié)能的發(fā)明課題并將其物化。其二，楊竣軼同學具有較強的技術學習與運用能力。雖然學?？萍祭蠋煹妮o導能力強，但作為一名初中生，要把相關的科學原理、器件功能融入自己的設計中并完成好，達到項目要求，實屬不易。其三，楊竣軼同學已具備良好的科研潛質(zhì)。從選題到難點的突破，再到作品的完善與知識產(chǎn)權保護等，其研究過程步步遞進、條理清晰，實驗設計合理，數(shù)據(jù)真實可信。希望楊竣軼同學在進入高中階段后，在創(chuàng)新成長的道路上邁出更堅定的步伐。