BRIEF卫生空间设计(国赛)

组 员：	宋钊、吴昊宁、洪艺博、张荣博、柳昕、冯鹏博、王帮建
指导教师：	鱼海涛
发 行：	论文报刊亭
相关学科：	给排水、土木工程、机械设计、计算机技术
比赛时间：	2017年05月中旬 – 2017年06月底

前言：2017年5月上旬，经过不断的努力、改进、完善我们的作品，终于在5月中旬提交完成。并在2017年6月19日得知 BRIEF卫生空间设计 获得2017年第十届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛三等奖。

以下是作品拓展链接：

摘要：在“节能减排”的宗旨下，对于节约能源、减少碳排放，BRIEF团队有着自己的想法。针对每个人都需要使用的卫生间，尤其是公共洗手间，水资源没得到很好地利用而导致水资源的浪费现象严重，自然留有相当大的改造发展空间，BRIEF团队开发设计了BRIEF卫生空间设计项目。本项目致力于实现公共卫生间的水资源的多重利用，同时使用更少的电能，从而构成BRIEF团队“节能减排”理念。本项目充分利用人们使用卫生间洗手池的废水，设计将其综合处理后作为厕所的冲刷用水。为了满足这一要求，此项目中设置过滤器和水箱用于过滤净化废水和收集处理后可用于冲厕用水。紧接水处理收集工作的是设计实现废水的多情境利用，为此我们引进单片机技术为本项目提供支持。综合利用单片机技术和传感器，从而实现处理废水水箱水位监测、废水和自来水的组合使用，以及按使用卫生间的时间来自动判断卫生间使用情况以排放相应模式的水量等相关问题。同时，单片机的使用对电量要求较小，进一步体现我们对节能减排理念的理解。此外，设计利用卫生间屋顶空间，设置太阳能电池板和跨层调水补充系统，以此满足公共卫生间的电能需求以及雨水的利用，实现卫生空间设计一体化独立系统的节能减排的目标。

关键词：起泡冲刷；单片机；中水利用；调水系统；无人值守；短信通知

一、作品简介

BRIEF一分钟：

创新点及应用：

1. 卫生场所的综合改造：以水资源主导的改造利用，从开源节流两个方向出发，充分处理利用废水减少水的浪费此为节流，开发利用雨水调水系统此为开源。借助单片机、传感器及感应器的辅助功能，得以设计预期功能，完成对整体卫生空间的设计改造。
2. 循环：我们此次设计不是改造某个单体而是整体改造公共卫生间的的全部设施，在以往的公共卫生间中洗手池产生的污水跟小便池马桶产生的污水是分开排走的，但是我们认为洗手池排出的水并没有对水质产生较大的污染，现在公共卫生间普遍采用清水冲厕所，我们认为这是对水资源的一种浪费，所以我们的方案是将洗手池产生的污水经过简单的净化处理以后，用来替代清水冲厕所，这样就将整个卫生间水整体联系起来，而且我们在每一层的卫生间都设有独立的水箱来储存净化后的洗手池回收水，每一层的水箱有管道相连如果低楼层的水箱水量不足可以有微电脑控制从高楼层向低楼层调水，这实现了整栋建筑卫生间用水的整体联系。
3. 绿色：经过改造的厕所使用了太阳能电池板，经过合理的安排和布置实现了厕所电力的自给自足，形成独立完整空间系统。
4. 应用：无论在什么地方，公共卫生空间巨大的人流量对水产生的浪费都是不容忽视的，BRIEF卫生空间的设计以冲干净厕所为前提,做到了对水电的极大节省，符合当今社会节能减排的主题。

二、设计方案

1.控制方式

应用改进的单片机装置对高层调水，洗手池的调水以及厕所的冲刷进行控制，对单片机的节水改进有：

1. 通过传感器识别使用者使用时长等因素,以此判断卫生间的使用情况，并根据识别出来的结果判断应用多少的水进行冲刷，在使用的水里面有多少是回收的中水有多少是清水；
2. 通过水位传感器检测水箱内的水位，从而确定是正常水位时回收的水与清水共同工作模式还是低水位时清水独立供应冲刷模式。

2.管道布设

3.理论计算

3.1冲水比例

附属式公共厕所：排水管径d=150mm；水封深度h=50mm；虹吸管内水量V=1.8L。大便一次冲水量为6L，清水最小使用量为，刚好使虹吸管内的存水全为清水，则每次冲洗大便用脏水4.2L，清水1.8L；小便一次冲水量为2L，则全部用清水。

3.2水位检测数据

水箱规格:3×1×1.2m，使水箱存脏水量可供一个大便器冲一次水的水量为4.2L，此时水箱中水的高度为0.0042÷3=0.0014m=1.4mm，水箱底部压强P=14Pa。即，当水位检测小于14Pa的时候，停止使用脏水，全部用清水冲厕所。

3.3省水量

根据调查，每人每年大约去厕所2500次，平均每天去厕所7次，中国有13.3亿人，其中大约50％的城镇人口每天有一半以上的时间处于公共场所，即平均一天要在公共卫生间上四次厕所，按三次小便、一次大便计算。节水型水龙头最大流量Q=0.15L/s，洗手时间为4s，一次洗手水量为0.6L，每天所有公共卫生间最少可以收集洗手水量V=0.6×4×13.3亿×50％=16亿L。传统卫生间每天需冲自来水的水量V=6×4×13.3亿×50％=160亿L，Brief新型公共卫生间每天需冲自来水量V=(6×1+2×3)×13.3亿×50％-16亿=63.8亿L，较原来省水160-63.8=96.2亿L=9620吨。再加上收集的卫生间拖地的水，每天可省水超过10000吨。

3.4成本

BRIEF新型公共卫生间比传统公共卫生间多出来的成本(对一个卫生间)：3×1×1.8m水箱约500元，10m水管约1.65×10=16.5元，一个2kw加压泵约1150元，(最大冲水压强为0.3MPa,则需一个能提供30m扬程的泵，其功率约为2Kw)，81个电磁阀约22×81=1782元，一个稳压阀约28元。合计，共500+16.5+1150+1782+28=3476.5元。

3.5产能

卫生间屋顶平面约97㎡，如成35°角，则太阳能板面积为118.4㎡，每天可产电68.68KW·h。

用电情况：加压泵，2KW×10=20KW·h，控制系统（单片机系统）用电忽略不计，每个屋顶的太阳能产电量可供给最少3个Brief新型公共卫生间。若为室外独立公共卫生间，则产电有剩余，可供给卫生间内其他用电设备。

三、单片机

1.单片机工作原理及性能分析

STC12C5A60S2单片机的运用实现了水箱水位的监测，结合红外模块可进行人使用卫生间不同模式判别，再通过传感器，控制废水清水按比例冲刷卫生间。值得详细的说是，对人使用卫生间模式，项目结合实际的使用情境，将其划分为无人模式、开门不使用模式、小便低水量模式和大便高水量模式。

本项目借助单片机、传感器及红外模块等强有力的辅助设备，实现卫生空间系统独立自动的运作。STC12C5A60S2单片机的运用实现了水箱水位的监测，结合红外模块可进行人使用卫生间不同模式的判别，再通过传感器，实现废水清水按比例冲刷卫生间。值得详细的说是，对人使用卫生间模式，项目结合了实际的使用情境，将其划分为无人模式、开门不使用模式、小便低水量模式和大便高水量模式。

本项目中性能分析主要参考几个指标：红外模块识别模式的精准性、压力感应器监测水位的时效性、控制排放水的灵敏度以及排放处理后的废水的水压强度。经过对实物的模拟测试，单片机、传感器及红外模块的稳定性、灵敏性情况十分良好，经过严密的理论的计算，得到的水压强度能够达到冲厕要求。

2.单片机演示模型

采用HC6800-ES型单片机：

3.单片机部分功能代码

• 排水时间控制：点击查看
• 短信通知：点击查看

4.单片机演示视频

四、垂直跨层调水系统

垂直跨层调水系统可以根据每一层水箱的存水量和消耗量，来自动计算最佳水箱调水方案，做到极致利用。此外，调水系统完全依靠重力进行调水，无需额外耗能，噪音小。只需预先安装调水中枢即可进行调水，与现有的给水、排水管道不冲突。低故障率，如遇故障，还能自动报警，及时维修。

五、建筑结构校核计算

水箱荷载被布置在柱与柱之间的梁上，有效的将荷载传递到：梁-柱-基础-地基；根据强柱弱梁的设计经验，水箱自重荷载对于按照符合国家标准规范设计的建筑，能满足承载力，对于建筑是安全的。

六、推广范围

在人们的日常生活中，卫生空间扮演着重要不容忽视的角色，无论在什么地方，公共卫生空间巨大的人流量对水产生的浪费都是不容忽视的，BRIEF卫生空间的设计以冲干净厕所为前提,做到了对水电的极大节省，符合当今社会节能减排的主题。对原有的卫生空间加以一定改造，实现水资源的多重利用和电能的节约，并且能够到达比原来更佳的使用效果以及大大降低维护成本，由此可见本项目的中期及长期回报相当乐观。它可以推广到所有的公共场所的卫生间、公园、游乐园以及学校教学楼、公寓宿舍。

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