基于源分离技术的比例可调环保厕所设计

第24卷第5期2017年10月
东莞理工学院学报
J O U R N A L O F D O N G G U A N U N I V E R S I T Y O F T E C H N O L O G Y
Vol.24 No. 5
Oct. 2017
基于源分离技术的比例可调环保厕所设计
杨良就1黄晓忠2&谢贝旭1莫冲3郭晓娟1
(1.东莞理工学院化学工程与能源技术学院，广东东莞523808;
2.东莞理工学院电子工程与智能化学院，广东东莞523808;
3.东莞理工学院机械工程学院，广东东莞523808)
摘要：采用90C52单片机为核心搭建新型厕所的管理系统，智能管理厕所资源和通过厕所门上的指示灯等指示使用情况。

还通过移动onenet物联网平台搭建物联网平台，可通过网页进行监管，通过控制门开关来
调整男女两部分的蹲位数，提高公共厕所的使用效率，可大限度提高用户体验。

同时通过物联网进行数据分
析、处理，可以在洗浴废水余热回收过程中进行动态调节，使得运行效率在较高的状态，回收热量效率高，节能效果好。

最后，利用管理系统控制智能冲水实现了马桶精准的冲水，减少水资源消耗。

新设计的源分离
便器能实现男女大小便源分离，可减轻污水处理难度，降低污水处理量及成本，从而减少污水排放量。

关键词：节水；节能；智能；源分离
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1009 -0312(2017)05 -0055 -07
1研制背景及意义
在如厕问题上，男女并不平等。

女性使用所的时间远远超过男性，而且女性如厕更多的是需要蹲 坑，而男性往往是通过小便池来如厕，男女厕所需要的大小规模也就不同，导致在公共场合，女厕门口 经常排起长龙，男厕则闲置。

设计一种男女混用厕所能适应社会情况，使资源分配更加合理，并且避免 男女一雛队引起的尴。

另一方面，淋浴是现代人普遍采用的洗浴方式，其快捷方働特点深受现代人喜爱。

但洗浴后的废水往往直接排放，未经任何利用，造成资源的浪费，本着节能减排的理念，该作 品设计了一个结构简单、便于安装使用废水及其余热回收装置。

此外，随着水资源的短缺，大家的节 水意识也越来越强，但是大家基本都忽略了耗水大户％马桶。

据统计，马桶的耗水量可以占到一个家庭 用水的40b，传统的马桶冲洗10b的排泄物需要90b的干净水源，耗水量大，极不符合我国水资源短 缺的现状。

而且，目前的便器都是采取尿便混合排放的方式[1]，对水体污染严重，同时为后续的污水 处理制造难度，卫生条件特别差[2]。

而现在兴起的源分离技术需要定期倒旱厕[3]，装置复杂、成本 高[4]等弊端，更有一些分离式便器需要套大小便袋进行分离[5]，不符合现有的卫生观点。

因此，本团 队自主研制的符合人们卫生观念的尿便源分离的便器来应对这两大问题，对节约资源和保护环境有着重 要的意义。

2设计方案
2.1整体外观设计（如图1 ~4)
2.2整体电路设计（如图5、图6)
收稿日期：2017 -06 -09
基金项目：本项目由大学生创新创业训练计划支持（201611819098)。

作者简介：杨良就（1994-)，男，广东湛江人，主要从事节能环保研究。

&通讯作者：黄晓忠（1994-)，男，广东揭阳人，主要从事节能环保研究。

56东莞理工学院学报2017 年2.3整体工作过程与使用方法
图1新型厕所效果图图2中试阶段厕所图
2. 3. 1厕所部分
根据图5电路图，电路采用90C52单片机为核心，并以继电器、小灯泡、电磁锁等元器件构建电 路。

其中，单片机直连小灯泡是为了简化，在实际实用可以通过先接继电器变压再接小灯泡。

而90C52 芯片具体连接情况如下：
—女厕黄灯，P0.3—
—男厕绿灯，P0.2—
—女厕绿灯，
—男厕黄灯，P0.1—
P0在本电路是输出作用，P0.0—
—女厕继电器1端，P0.7—
—厕所冲水继电器。

P0. 4留着后续可能使用。

—男厕继电器1端，P0.5—
P0.6—
—厕所内开门开关，P1. 4—人体红外感
—男厕开关，P1. 3—
—女厕开关，P1.1—
P1在本电路是输入作用，P1.0—
—大便模式开关，其他端口留着后续可能使用。

应器，P1.5—
其中，继电器低电平触发，小灯泡高电平触发，人体红外感应器感应输出低电平。

具体工作过程，1"初始状态，2个黄灯亮，2扇门锁，表示厕所空闲；2"有人按按钮，相应门黄 灯灭，亮绿灯，并打开门和厕所自动冲少量水湿润厕所，另一边门只亮黄灯，门锁着，表示相应侧不可 进入3"人进入里面，人体感应器感应到后，2扇门上锁，2个黄灯和2个绿灯都亮，表示厕所有人; L人小便后，按门内按钮3 u相应侧门打开；b)人按大便模式按钮，便器挡板掀开，大便后，按门
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图5厕所管理电路原理图
内按钮3 u相应侧门打开；4)门打开后，对应大小便模式冲适量水，人体感应器感应到人离开3 u 后，厕所回到初始模式。

根据图B电路图，厕所物联网部分的电路采用—9650进行物联网平台搭建，利用相应传感器
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收集信息，并与9Q Q物联网平台["]进行数据交换。

达到信息反馈的目的，并以此为依据，后台进行 控制厕所门开关、热回收器功率控制等操作。

2.3.2洗浴废水废热回收部分
该部分以：压缩机、蒸发器、节流阀和冷凝器这四个部件组成一个制热循环系统，利用热泵原理，实现把浴水废热回收来重新加热水的目的。

当自来水流经冷凝器的时，会吸收冷凝器内高温高压制冷剂 的热量，从而使冷凝器温度降低，自来水温度升高并流向热水器，以此减少热水器的做功能耗，达到节 能的效果，降低洗浴的成本，与此同时，热水器工作加热水，供人们洗浴。

洗浴过程产生的热温水经过 过滤网，流向蒸发器，蒸发器内制冷器蒸发过程吸收的洗浴废热水的热量，一方面使洗浴水温度降低，提高了蒸发器内制冷剂的温度，使凝器和蒸发器这两者实现了对应的热量转换，又减少压缩机的工作 量，进一步降低制冷循环的功耗，使整一个制冷循环的做功输人量降低。

另一方面，洗浴废水流出可用 于冲马桶。

同时我们采用移动9Q Q物联网平台采集温度数据进行分析处理，可对其进行调控、改进。

2.3.3源分离便器部分
新设计的源分离便器如图3和图4所示，一个孔是小便孔，使用和平时相同；另一个是大便孔，平 时由挡板盖住，起到一定阻挡异味的目的，大便模式使用时，通过按按钮打开挡板再方便，结束时，电路控制适量冲水后，挡板盖下并利用气压把污水污物压走，达到比虹吸冲水法更节水的目的。

3理论计算与性能分析
3. 1厕所部分
近年，城市建设新发布标准中将女性厕位与男性厕位的比例提高到3 "2[9]，人流量较大地区为 2 "1，并于2016年12月1日起实施。

这标准能一定程度上缓解女性如厕难题，也带来一些问题：增 加厕所建造成本以及建设面积，不能够很好的调整厕所数量造成资源浪费。

图7长方形厕所排布图8螺旋状新型厕所排布图9圆形布局新型厕所
表1新型厕所与传统厕所对比
厕所类型男厕/个女厕/个长/m宽/m可调厕所数量调节比例（男：女）
传统厕所202015. 8901:1
新型厕所102014.58.510 1 :1~1 :3新型厕所按照公共厕所设计要点设计[1〇]，设计之后数据填人表1。

从表1可知，新型厕所优势有几 方面：1)在男厕空余情况下，通过男女共用，女厕相当于有30个，效率更高；2)在实现更高效率的 同时，减少了占地面积。

以表1数据为例，原建设40个厕所用地，可节省：
(15. 8 - 14.5) x (9 -8.5) " 0.65 g2。

以第三期目标新建0.9万座即可节约用地：0.65 x0N9x 10 000 " 292. 5 k2。

在寸土寸金的公共场
所，这就节约了几百万的开支。

而且，应对具体地方还可以采用不同的布局方式，如图7、8、9,来更 节约用地，提升效率。

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3.2洗浴废水废热回收部分
在人们生活中，洗浴热水的温度一般为40 °C〜45 S，但在洗浴过程中排放的废水温度仍有30 °C 〜35 °C，不仅造成能源的浪费，也造成了环境的热污染，所以我们利用洗浴废水废热回收装置，把废 水降到7 C，回收了 23 C〜28 C因排放而浪费的热量，这温差相当于每吨水可提取27 k w •Y的热能，传统制热122N [标准煤能产电％k w •Y，这电能能获得4 k w •Y热量，所以一吨水就可以节约122. 8 x 27
" 828. 9 [煤。

而我国洗浴废水排量达464亿立方米，那可节约煤炭资源，828. 9 x464 x 100 000 000 "38 460 960(〇 $所以洗浴废水废热回收是有必要的。

在比较蒸发温度和冷凝温度对制冷效率影响时，基本的公式％逆卡诺循环效率公式，以定性地研究 提高制冷效率的方向。

逆卡诺循环的制冷系数：
式中逆卡诺循环制冷系数#制冷剂的蒸发温度，K;%,制冷剂的冷凝温度，K。

为了确定蒸发温度和冷凝温度对.的影响，可以将.对％'%分别取它们的偏导数
).^ (% -%)-%(-1)"%
)%_ (% - %"2_ (% - %"2 ’
)._0 - %" _ %(3)
= (% - %)2(% — %)2，
式⑶中的负号表示，当冷凝温度上升时，效率是下降的。

因此采取对冷凝器通过冷水进行冷却，通 过采取热泵或者空调的冷凝端为冷水加热制取热水不会降低机组的制冷性能，反而对机组的制冷条件有 利，理论可行。

接着我们对洗浴废水余热回收系统进行模拟如表2所示。

表2模拟热泵运行时间和C O P变化
热水箱体积热泵运行时间/Y C O P变化
51.495.18-5.16
72.555.18-5.11
93.255.18-5.08
11 4.005.18-5.04
C O P值（制冷效率）实际就是热泵系统所能实现的制冷量（制热量）和输入功率的比值[11]，C O P 稳定在5附近，说明制热效果比较好，在付出了消耗了1单位的能量，可以回收到4单位的热量，经济 性能较好。

如图10,由于余热回收系统的功率较小，温度升较慢，在3月4日早上9点开始测试，到11点14 分结束，温度从25 C升高到40 C。

去除大范围的数据波动，总的数据是上升的，说明系统的制热温度 可以达到可以直接制热水的温度，方案是可行的。

3.3源分离便器部分
用fluent模拟现有的马桶的虹吸原理如图11、图12、图14所示：
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图（开始冲水图128秒后发生虹吸图13虹吸3秒结束
现有的马桶排污依靠虹吸原理，由模拟结果可知，在虹吸引发的前段时间占整个排污工作时长的 80b，这种依靠不断冲水达到-定水位来排污的方法是很浪费水资源的。

而我们研发的便器是靠气压 法，在冲少量水后靠正气压把水跟污物压走，从而节约引发虹吸的用水。

源分离技术常发生一些化学反应，容易造成管路堵塞等状况，我们需要了解其结垢机理，也便于为 源分离后续资源回收处理[1!]。

以下为尿液分离发生的化学反应：
尿液产生臭味原理
(N H2"2C O+ 2H20#N H3 + N H4+ + H C03-
尿粪石沉淀
N H: +M g2+ +P〇3? +6H20#M g N H4P04 • 6H20-
无定形磷酸钙沉淀
3C a2+ +2P04?#C a3(P04)2 -
表3为我国建筑给排水设计规范。

[13]根据模拟情况，马桶引发虹吸的难易程度与地漏水封高度有 关，而风力驱动排污亦需要知道确切的水封高度以便合理设置。

表3建筑给排水设计规范_G B50015 -2010
序号卫生器具名称排水流量/ (L •U1)当量排水管径力
1淋浴器0. 150.4550
2大便器（冲洗水箱） 1.50 4.50100
3大便器（自闭式冲洗阀） 1.20 3.60100
4小便器（自闭式冲洗阀）0. 100.3040 ?50
5小便器（感应式冲水阀）0. 100.3040 ?50
以上的地漏、水封高度不得少于50 m m
下面以存水弯存水#0 r n m，排水管径100 m m进行计算。

根据伯努力方程：P +/D = f/2" c，
式中分别为流体的压强、密度和速度；D为铅垂高度；g为重力加速度；c为常量，g取 9.8m/s2。

取 20〇C饱和空气密度/=1. 195 (k g/m3)20〇C水的密度/=998.206 (kg/m3)，賴空气速度^过大，不合理。

因此需要采取压缩气体排污，压缩气体的参数为P=492.1 P a。

由于压力492.1 P a即可以实现排污，设计合理可行。

表4采取不同便器的耗水量以及排污量对比L
项目类型大便/次小便/8耗水量排污量
源分离便器<=2810< =10
大便器d小便器6 3 &82430
大便器6 4 &83838L
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由表4可知，采取綱源分離器，可以减少家庭2/3以上的耗水量以及污水排放量。

据不完全统 计，全国冲水马桶每年冲走90亿K的水量，相当于九个西湖、两个太湖的水量[14]!换算成水费来算，马桶一年冲走261. 98亿人民币！那么采用本作品每年可以节省下来261. 98 = 174.62 (亿元），少排60亿m3的污水。

据文献揭示：在65%的尿液分离報况下，污水中的氮、磷负荷可分别降低55%和33%;尿液完 全分离后，污水处理厂出水氮浓度可降低80b ~ 85%，磷浓度可降低50%[16]#尿液分离率40b ~ 50%，污水处理厂臓效果便提高，出水T N从19 m[L降至10 m g/L[17]。

本源分离器达到70%以上的 分离效果，对我国的生态环境有着非常重要的保护意义。

4创新点及应用
1)厕所改綱扇门，男女可共用厕所，但又避免了混合排队的尴尬。

能在实现更高效率的同时，减少了占地面积。

该部分可用于公厕、学校、商场、旅游景点等场所。

2)洗浴废水废热回收部分可以用于宾馆、宿舍[16]等，回收洗澡废水以及废热，减少能源浪费，缓 解水资源短缺现状。

3)源分离便器部分新增了小便孔、挡板，使用气压冲水，电路智能控制冲水，有卓越节水性能的 同时大大降低城市生活用水的处理成本。

可以用于公共厕所、每家每户，由政府补贴鼓励使用，更可以 用于医院尿便分离，取纯净的尿液进行尿激酶提細于医疗。

4)上述三部分可以分别实现应用，亦可综合使用，综合使用的效果最理想。

并且这三部分都可在 现有设施上做些许改造实现，兼容新高，可以实现资源利用最大化。

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(下转第114页）
114东莞理工学院学报2017 年Consideration on the Teaching and Its Practice of
Sketch Course for Industrisil Design Major：
Taking Dongguan University of Technology
As An Example
ZHANG Bailu
(School of Machanical Engineering,Dongguang University of Technology,Dongguang523808 ,China)
A b s t r a c t Industrial design course is part of modern design education, and the sketch is the basic course of tlie university student major in art design. Technological universities enjoy their own engineering advantages and their subject ’ s characteristics. Therefore, the s tudents of those universities should pay more attentions to grasping the structure, the perspective analysis and the recognition of space. The purpose is for the students to lay solid foundation for their further study. Just because there is a short peri­od of modern design education in technological universities, the teaching technique and teaching models are still at an exploratory stage. Therefore, in order to get well teaching result, it is totally necessary for us to pay more attention to making a furtlier research on the nature of the industrial design course, the situation of students who learn this course and the general situation of this course, etc.
K e y w o r d s sketch；industrial design；technolog & engineering subject；design
(上接第61页）
Design of Adjustable Environmental Protection
Toilets Based on the Proportion of
Source Separation Technology
YANG Liangjiu1HUANG Xiaozhong2XIE Beixu1MO Chong3GUO Xiaojuan1
(1.School of Chemical Engineering and Energy Technolog,Dongguan University of Technolog,Dongguan523808,China；
2.School of Electrical Engineering& Intelligentization,Dongguan University of Technolog,Dongguan523808,China；
3.School of Mechanical Engineering,Dongguan University of Technology,Dongguan523808 ,China)
A b s t r a c t This article introduces a new type of toilet management system withi 90C52 single-chip microcomputer, the intelli­gent management toilet resource and the indicator light on the bathiroom door, the design concept of which is from some topics of real life, such as water saving, energy saving, emission reduction, and intelligence. This new type toilet can be monitored by the web of Mobile Onenet Internet of things platform and adjust hole number for men and women respectively by controlling the door switch so as to improve greatly the efficiency of the use of public toilets. Meanwhile, we analyze and process data via the Internet of things and carry out dynamic regulation in the waste heat recovery process of bathi waste^vater to make the operation Oficiency in high state, re­covery of high heat efficiency and good energy saving effect, as well as to achieve the precise flush of thie toilet and reduce water con­sumption by using the management system to control the intelligent flushing water. On the other hand, the newly designed source separation urinal can reduce the difficulty of wastewater treatment, decreasing the amount of sewage treatment and the cost, thus lessening the discharge of sewage.
K e y w o r d s water saving; energy saving; intelligence; source。