挑战杯获奖作品名称

作品名称:家庭节水系统设计方案作品票数:49

作品内容:

一、设计背景

2011年7月8日至9日，在北京举行的中央水利工作会议上透露的数据显示，我国人均水资源占有量2100立方米，仅为世界平均水平的28%，列世界第125位，全国2/3的城市不同程度缺水。

党中央以及各级政府都在大力推行可持续发展这一兴邦战略思想，作为重要资源之一的水资源是我们应该关注的重点。我们都知道每个城市家庭每天的用水量都很大，大部分的水都是用过后直接流到了下水道，但有些水是可以重复使用的，要很好的做到这一点首先要将水收集起来，同时又要做到方便、省力并节省资源。因此，我们提出了家庭节水系统这一构想。

二、设计原理

整个节水系统由以下几个部分构成：水箱1、水箱2、双出口洗碗盆、洗漱台、浴盆、抽水马桶（请见图1）。

家庭废水分为两类，一类为水较为浑浊的洗碗水；一类为较为干净的淘米水、洗菜水、洗脸水、洗澡水、洗衣服水。本节水方案是将部分第一类水用来冲洗马桶，第二类水用来拖地、浇花以及冲洗马桶。考虑到废水的污染程度以及用途不一样，将两类废水分别贮存到两个水箱中加以使用。

1、收集废水

通过水管将洗碗盆、洗漱盆、浴盆与水箱连接起来形成一个连通器。利用洗碗盆、洗漱盆、浴盆与水箱之间的高度差，在大气压强的作用下将废水排到水箱中贮存起来。其中双出口洗碗盆里的废水流到水箱1中贮存起来；洗漱台、浴盆的废水流到水箱2中贮存起来。

2、废水再次利用

在普通马桶上增加一根和水箱1、2相连的进水水管Q，进水口阀门同时控制着两根进水水管，增加的水管管径是自来水进水水管的四倍，管径大的水管出水量多，这样会优先使用水箱1、2中的水。

当按下马桶水箱的排水按钮后，水箱中的水排出，并冲洗马桶，同时马桶水箱的进水阀门打开，水箱和抽水马桶之间的高度差产生的压强，将水箱1和水箱2中的废水排到抽水马桶水箱中用于下次冲洗马桶。

打开水箱2上的阀门D2，将水盆接的水用来拖地和浇花。

图1 家庭节水系统整体结构图

3、多余的废水

当水箱1、2被注满水后，再次从洗碗盆、浴盆等处注入的废水会通过水箱1的B1出水口和水箱2的B2出水口流到下水道里排出。

这种家庭节水系统，可以将家庭里洗漱、洗澡、洗菜时每天产生的大量废水利用起来，能够节约很多水资源，此外还具有结构简单、容易制造和使用方便等优点，特别适合城市家庭使用。

三、结构设计与功能

1、双排水口洗碗盆（请见图2）

在普通洗碗盆排水口A0 的基础上增加一个排水口B0。排水口A0 相连的排水管直接连接到下水道。排水口B0相连的排水管连接到水箱1的进水管K上。排水口垂直高度为70cm。

出口A0为普通出水口，如果水很脏的话，可以选择从这个口排出废水。出口B0为水箱1的废水收集进口。出口B0出水水管连接到水箱1的进水管K上，形成连通器。因为洗碗盆和水箱1存在高度差，在大气压强的作用下，废水会排放到水箱1中存起来。出口B0设置过滤筛网来过滤赃物

图2 洗碗盆结构图

2、水箱1（请见图3）

水箱1是立体拼装式水箱，它由多个子水箱拼接而成，在第一个子水箱上有一个进水口A1，在最末的子水箱上有高位出水口B1，低位出水口C1。C1 出口水管连接到抽水马桶进水水管Q上。B1出口水管Z1连接到下水道。水箱总体高度为65cm，子水箱规格为20cm*30cm*40cm=28000cm3=28L。子水箱底架高为25cm。

洗碗盆废水从进水口A1流进来后会在各个子水箱存储起来。当抽水马桶水箱需要充水时，水箱1的存水会从低位出水口C1 排出，通过C1 出口水管Q排到抽水马桶水箱。当水箱1存满水后，还有洗碗盆废水排入时，水箱1中的废水会从高位出水口B1 排出，通过出口水管Z1排放到下水道。

图3 水箱1结构图

3、洗漱盆（请见图4）

洗漱盆出水水管连接到水箱2的进水管P上。在出水口安装过滤筛网来过滤赃物。排水口垂直高度为70cm。

同样根据高度差，在大气压强的作用下，洗漱盆的废水排到水箱2中贮存起来。

图4 洗漱盆

4、浴盆（请见图5）

E2 出水口的出水水管2连接到水箱2的进水管P上。洗浴完后先打开排水口E2 ，让水流入水箱2中，等水面低于E2 时再打开E1 让其余的水通过水管Z3排放到下水道中。浴盆规格为75cm*105cm*70cm。出水口E2高度为70cm（底座高35cm），浴盆内部规格为70cm*100cm*70cm。在出水口安装过滤筛网来过滤赃物。

利用高度差将浴盆里高于水箱的水排到水箱2中贮存起来。底座略高于普通的浴盆，浴盆内部的底部为人体弧形设计，在达到浸泡全身的效果下，减少洗浴注水量，节约水资源。

（淋浴：可在普通淋浴房的基础上适当增加底部高度，让淋浴后的水能够排到水箱2中贮存起来。）

图5 浴盆结构图

5、水箱2（请见图6）

立体拼装式，由多个子水箱拼接而成，在第一个子水箱上一个进水口A2，在最末的子水箱上高位出水口B2，低位出水口C2，阀门D2。C2 出口水管和水箱1的出水管相连后连接到抽水马桶进水水管Q上。B2出口水管Z2连接到下水道。子水箱规格为20cm*30cm*50cm=30000cm3=30L。底架高为15cm。

根据与水箱1同样的原理，洗漱盆和浴盆里部分的水排到水箱2中贮存起来，当抽水马桶需要用水时，水箱2中的水会流入马桶水箱。

打开用水箱2上的阀门D2，用水盆接水后，用来拖地和浇花。

图6 水箱2结构图

6、抽水马桶（请见图7）

在普通马桶上，增加一个进水水管Q，进水水管Q管径要远远大于自来水进水水管R。因为进水口阀门同时控制着进水水管Q与进水水管R，管径大出水量多，这样会优先使用水箱1、2中的水。

当如厕完后需要冲水时，按下进水口阀门后，马桶水箱中的水冲洗马桶，同时水箱1和水箱2中的水会通过进水管Q进入到马桶水箱。进水口高度为25cm。

图7 抽水马桶结构图

图8 抽水马桶水箱结构图

四、成本与效益

1、成本

在现有家庭用具及排水系统上额外增加费用。

A、水箱费用：30*N1（N1为子水箱个数）

B、增加的水管费用17*N2（17元/米，N2为水管总长度）

2、效益：

一个家庭可利用的废水类别：洗漱水、洗菜水、淘米水、洗碗水、盆浴水。

一天内用水量（按生活经验进行估算）如下：

洗漱水：3人*2次*2.5L=15L

洗菜水：3次*6L=18 L（脸盆容积一般为8L左右，菜洗3次）

淘米水：2次*2L=4 L

洗碗水：3次*8L=24 L（洗1次，清洗2次）

盆浴水：3人*1/3次*175L=175 L (出水口上部的用水量70cm*100cm*25cm=175L)

冲厕用水：3人*2次*6L=36 L（国家标准：马桶冲水量不高于6L）

拖地用水：1次*20L=20L

浇花：按种花数量计算，考虑到有些家庭没有养花，因此浇花用水没具体计算

（注：按每个家庭3人次计算，每人每天平均如厕2回，洗漱2回，洗碗1回，淘米1回，洗菜1回，每人3天洗澡一回。）

可以贮存的水量为：15+18+4+24+175=236 L（子水箱大小为28L，需子水箱个数9个）

可重复利用的水量：36+20=56L<236L（56L水量需子水箱个数2个）

从以上推算得知，每天一个城市家庭至少可以节约56L水，那每年可以节约56L*365天=20440L=20吨，全国城镇人口接近7亿，按2亿家庭计算，一年节水40亿吨，按每吨3元计算，可节约水费120亿元。如果此项节水系统能够在全国推广，不仅节约了水资源，而且节约了经济支出。

五、作品创新点

1、能自动贮存废水，减少存水搬运工作，多余水箱总容积的废水会自动排出。

2、无动力设计，不需要水泵来提高水位，降低该系统构建成本，以及节省电能。

3、水箱为拼接式，可根据家庭厕所面积大小来安装水箱，减少占地面积，并且水箱顶板可以放置物品。

4、抽水马桶设两根进水管，其中直径大的一根连接到装废水的水箱上，使得其出水速度大于出自来水的水管，达到优先使用废水的目的。

六、不足

因为此节水系统适用目标为城市普通家庭，房子一般都是套间，并且该系统为无动力系统，主要依靠高度差将水存到水箱，因此，洗衣机用水无法直接存到水箱中，如果将洗衣机垫高，又造成了使用洗衣机的不方便。如果是别墅住户，就可以利用楼层的高度差很好的解决这个问题。

七、总结

适用目标为新购住房，在水电改造时可安装该节水系统，成本较低，现有家庭改造的话，要付出一定的改造成本，但是从家庭长远来看，以及带来的社会效益来说还是值得的。同时，此节水系统也可以运用在公共厕所。

当然，此节水系统的推广需要多方面的合作，一是政府给予根据该设计生产产品厂家一定的税收优惠，提高其改进的积极性，二是厂家愿意对自身产品进行改进，三是居民要提高节水意识，愿意安装或者改造节水系统，四是媒体要宣传该节水系统的好处。

家庭节水的潜力非常巨大。如果这种节水器能够在社会上得到推广，必将获得巨大的社会效益和经济效益。