节水节能的感应水龙头设计

王婧瑶 李浩明 夏宇

摘 要：目前感应水龙头技术很成熟且已广泛推广应用。但是现有的感应水龙头电池用量大，处理不当易引发环境问题。基于此，我们创新小组设计了一款通过水能实现自发电的充电式感应水龙头，它不仅更加节能节水，而且可减少电池的消耗及消除其引起的环境问题。下面针对这款节水节能水龙头，介绍了其工作原理、制作工艺，及其与市面常见感应水龙头的区别与优势，最后论述了这款水龙头的发展前景。

关键词：感应水龙头;节水节能;自发电;电池污染

感应水龙头出现于20世纪70年代的日本和欧美等发达国家，常應用于公共场所，可防止洗手后的二次污染，避免疾病的感染，但其节水功能和大量使用电池对环境的污染并没有引起人们的重视。由于当时的感应水龙头技术不够成熟，在发展和普及过程中也并非一帆风顺。90年代后，因为电子技术迅猛发展，感应水龙头在技术上进行了一系列改进，其中供电源由交流电改为直流电，电池也开始应用锂电池，水阀结构更为紧凑，节水效率得到提高。随着工业化水平的提高，我国生产的感应水龙头成本大幅下降，开始走进了人们的日常生活。

感应水龙头是现在人们经常能在公共场所看见的设施，以干净卫生，节水节电的优点，得到使用者的好评。目前，感应水龙头已经普遍应用在各大公共场所，其中以人流量密集的火车站、汽车站、飞机场、高速公路服务区、景区、医院等公共场所中使用最为广泛，甚至在火车、高铁、飞机这三种每天承载数以亿计客流量的交通设施中安装使用。从某种程度上说，现有市场上的感应水龙头已经深深的扎根于人们的生活之中。[1-3]然而，感应水龙头大范围的应用也带来了环境问题。通过对售卖设备厂家的初步调查得知，每个水龙头一次安装四节5号碱性干电池只能使用两到三个月，可想而知如此大的推广面积，这些设备每年消耗的电池数量是非常大的。众所周知，碱性干电池中含有重金属，处理不当不仅可以严重污染水体与土壤，通过作物的吸收与富集危及粮食安全、食品安全和环境安全，甚至重金属通过食物链的传递危害人体健康。[4-5]为了解决这些问题，拟设计一款使用寿命长且更加节水节能的感应水龙头。

一、节水节能感应水龙头的设计原理及工作原理

本产品的创新性设计主要是感应水龙头的供能蓄能方案和装置，其余部分为现有市场上采集的零件安装，所以下面主要介绍供电蓄电装置部分的设计原理及工作原理，其余部分作简单说明。

感应水龙头的设计原理如下：

感应水龙头利用水流通过叶轮带动电机给电源供电，并由电源支持自感应水阀通过红外感应装置感应人体，作用于电磁阀来控制水流的通断。整体装置由4部分组成：叶轮、电机、蓄电装置与红外感应水阀。结构原理图如下：

产品分为3部分，分别为感应水龙头、电磁阀和供电蓄电装置。如图所示：

各部件的工作原理如下：

感应水龙头：感应水龙头中带有红外感应装置，通过人体的遮挡与否将信号传给电磁阀。

电磁阀：本产品使用2通电磁阀，感应装置被遮挡时，电磁阀开关打开，控制水流流出。

供电蓄电装置：感应水龙头内部采用直流冗余供电，内置3.7V，2000mA，

H18650型锂电池（内置电源保护板）。锂电池和干电池（选择安装）之间加装1N4007二极管进行并联，在使用时优先使用电压高的电源。在水龙头出水口端安装水流发电机，水在水管中运动时冲击水流发电机叶轮，叶轮带动直流发电机产生5V电压。发电机产生的电流经过二极管（1N4007）给锂电池充电。

经测量感应水龙头所消耗的电流为0.47mA，开关一次需要的时间约为1s。按照锂电池的电压4.2V计算，每次耗电功率为0.000548 mW。水流发电机在工作时产生的电流约为10mA。按照水龙头开关一次的间隔10s，锂电池的电压4.2V计算，每次发电功率为0.011667 mw，不考虑锂电池本身的损耗和充电过程的消耗，水龙头打开一次所储存的能量能打开210次水龙头，满足设计要求。图4为测试时所测得电流：

二、节水节能感应水龙头的制作

如下图所示，产品设计结构简单，制作步骤简洁。所用的材料分别为带有红外感应的水龙头、电机、装有可充电电池的锂电池盒、2维2通脉冲电磁阀、水管所需零件都可以便捷的采购，经过简单组装就可完成。下图分别为工作电路图（图5）、电磁阀工作图（图6）。

三、现有产品的优势

市面上拥有很多品牌的感应水龙头，价格大小不一，而我们的设计品瞄准的是大范围应用于公共场所的感应水龙头，在这个市场上，需要的感应水龙头数量巨大，[1-3]感应水龙头的价格较低，与之匹配的是这些水龙头的后期投资较大，它需要定期的更换电池，这部分工作都是交给保洁人员负责，而这个工作环节出现问题将可能导致水龙头无法工作，如感应器关机导致水龙头无法使用，在电池弱电时感应器不灵敏出现延迟，甚至可能出现水龙头无法关闭的情况。当每次换下的电池没有妥善的回收和储存时，易造成电池对环境的污染及对人体的伤害。我们的产品除了具有感应水龙头原有的干净卫生、快捷方便之外，还解决了上面所说的这些问题。具体优势如下：

（一）与原产品相比本产品节省了电池的消耗，节省了资源，减少了对环境的污染

我们的产品采用充电锂电池，电池寿命大大延长，且不需要外接电源，直接利用水流的动能便可实现充电。这个方案减少了电池的消耗，节约了能源，同时还免去了处理大量废旧电池造成的资源浪费。生产1枚电池需要消耗资源，降低电池的消耗，就是一种节能的方式。此外，减少电池的使用还降低了它对环境的不利影响，电池厂家在进行生产时不可避免要产生工业废气、废液。即使达到排放标准，也会对环境容量造成压力，何况还有不法厂家，甚至是极个别“合法”厂家，偷排废液、废气，对环境造成严重污染。以我校校园公共区域感应水龙头为例，仅食堂区域就有40个感应水龙头，一年约需要160枚电池，全国范围内使用的电池数量就更为巨大，对环境造成的影响不容小觑，我们的方案解决了这个问题。

（二）我们的产品减少了水资源的浪费

现在市场上的感应水龙头存在着当电池电量不够时，感应不灵敏的问题，这个问题很多人在实际生活中遇到过，手放在感应区，发现水龙头没有正常工作，当手撤出时发现有一点水流，但因为手已离开，水流又停止了，这一前一后不仅浪费时间，降低使用者的体验，还浪费了水资源，在用水结束时，迟迟关不了水，导致水白白的流走。[5]我国属于水资源匮乏的大国，人均持水量只有世界水平的三分之一，在洗手这种事情更应该能省则省，我们的产品使电池时刻处于较高电量的状态，解决了这个问题，减少了水资源的浪费。

（三）我们的产品减少了人工的投入

一般情况下，现今市场上的感应水龙头的电池使用时间为两到三个月，也就是说，最迟每三个月就需要人工更换电池，小型的公司、酒店、餐饮企业因为感应水龙头使用量小，对电池更换及维护较为容易，而火车站、机场、商场这些大量使用该装置的场所更换电池就非常的费力，数量越多，耗费的人工就越多。例如，市面所售感应水龙头更换电池非常费力。我们买来一款市售感应水龙头用做试验，这款水龙头的电池放在电池盒中，电池盒上用四颗螺钉固定面板，拆装时需要先拆下这四颗螺钉，更换完毕后还需拧回，如果需要进行大量的电池更换，那么仅在在这个环节会耗费很长时间。我们小组进行了测试，以最快速度拆下这四个螺丝就用了近2分钟，这些螺丝很细小易丢失，一拆一装要消耗大量的时间。而我们的产品因其是可充电，电池使用周期长，不用频繁的更换电池，就节约了大量人工和时间，解决了人工投入的问题。

四、发展前景

本设计的水龙头工艺简单，结构紧凑，生产感应水龙头的技术非常成熟，只需改变设计理念，就可以生产。它的安装非常简便，现有的产品甚至可以自学安装。而我们的产品安装流程与现有产品没有区别。可以说我们的产品只是改进了它不断更换电池的缺点，让这个设备更加好用，实现省时、省力、节能、环保。当我们的新产品进行大量生产时，它的成本将和现在产品相差不大，而新型产品又可以减少电池的使用和人工的消耗，使投资总成本降低。此外，我们设计的产品还可用作为一种节水节能设备给青少年灌输节能减排思想，激发孩子们“保护环境，从小做起，从我做起”的意识和行动。[6]

综上所述，我们小组设计的节水节能感应水龙头不仅能够实现省时、省力，节能、环保，而且经济实用，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]红外感应洁具专用红外水龙头.福州市新源电子技术研究所，2008.

[2]全自动感应式淋浴喷头.石家庄市盛园达节能科技有限公司，2009.

[3]沟槽式冲厕所节水器.新乡市三通电子有限公司，2007.

[4]孙明星.中国废旧电池回收路径与管理体系研究，2016.

[5]何宏彬.微型渦轮发电式自感应水阀的应用与发展，2010.

[6]杨茜.西部高校建筑节水技术与策略研究，2010.