BRIEF卫生空间设计

作品摘要：公共卫生空间是一个对水消耗极大的地方，BRIEF卫生空间的出现就是为了解决这个问题，使卫生间在达到相同清洁程度的前提下，消耗最少的水资源。此卫生空间的设计采用了起泡冲刷、废水回用、自动控制、节能减排的设计理念，应用算法实现污水与净水的分配，自动判断冲水量和冲水时间，结合起泡器加大水的冲刷能力，改液封为泡沫封，规避了从前因为液封而存在最低用水量的情况，采用独立增压设备，避免因水压不足而产生水资源的浪费，将卫生间对水的消耗降到最低；收集洗手池废水及雨水，达到水的循环利用；一体化的管道设计，将洗手池、小便池与马桶联系起来，同时采用跨楼层调水，形成对水整体利用的系统；使用太阳能，减少对不可再生能源的使用，达到节水、节能的目的。BRIEF卫生空间设计需要克服的技术关键在于控制算法的改进，洗手池中废水的收集和过滤，泡沫冲厕所和跨楼层调水。主要技术指标包括单片机参数的确定和收集，起泡器的起泡量，废水储水箱的大小以及废水的过滤程度。

关键词：起泡冲刷；单片机程序；能源自给自足；调水系统；无人值守

一、作品简介

在公共洗手间，特别是人流量大的地方，比如说学校教学楼、公寓宿舍，水浪费是特别严重的问题。通过观察，我组人员认为用于洗手和洗衣服的洗手池是个浪费水的重灾区。另外现阶段的厕所的冲刷也是极度浪费水的，所以我们设计就是通过收集洗手池的水通过一定程度的过滤后收集起来，与纯净水通过一定的算法比例冲刷厕所，为了更大程度的省水，我们采用对水加气泡啊方法加强水的冲刷能力，起到节水的目的，同时考虑到出现某一时间内每层厕所和洗手池使用情况不均的现象。我们采用了多层调水的方法解决，如果一层没有中水储备那么整个系统则会从更高层的地方调水，这些个地方都没有水的时候系统才会选择使用全部的纯净水冲刷。

另外我们同时也也雨水进行了净化和储存。在某些情况下我们利用雨水进行冲刷厕所。我们在冲刷厕所的时候多水进行了起泡处理，一方面可以增强水得冲刷能力另一方面可以起润滑作用，减小摩擦，另一方面，改以前得液封为泡沫封，改变了以前因为液封而存在最低用水量得情况。项目得另一亮点是我们的控制系统及单片机程序的设计：做到了无人值守自动控制调水与冲刷，并且可以根据检测自动判断大，小便并且根据判断结果执行不同的冲刷程序以节省用水量；在调水方面可以自动根据水箱余水情况配合清水进行冲刷提高水的利用次数，进一步降低清水用量。在减排方面我们的整体卫生空间利用太阳能电池板基本做到了电的自给自足，在满足多余用电的情况下，依然可以产生余电为其他设施供电。所以在减排方面我们做到了比同类型的其他厕所更加的省电。总之我们的项目是一个整体化的卫生空间，通过空间内的各种设施间的协调和配合，达到最大的省水效果。

BRIEF 名称取自：

B	R	I	E	F
Bridging	Renewable Energy	Intelligent	Entirety	Foaming
桥接的	再生能源	智能的	整体的	起泡式的

二、创新成果

1.研制背景及意义

随着社会不断发展水资源短缺的问题日益严重，所以节约用水节能减排越来越成为社会发展过程中要面对的问题，既然要节约用水，我们首先想的地方是用水比较多的地方，厨房和卫生间，因为在家庭中自来水是有偿使用所以在家庭生活中浪费水并不是很明显于是我们想到了人流量较为密集的公共卫生间 ，我们利用空闲时间去观察了学校宿舍楼、商场、公园等公共场所的卫生间，通过观察发现：

1. 蹲便池冲水量过大但冲水效果不明显，受水压影响较大。
2. 洗手池冲洗后形成的污水对水质污染并不是很严重可以考虑回收再利用。
3. 在景区、公园、游乐园等公共厕所的一些独立单体公共厕所可以采用在屋顶铺设太阳能电池板收集太阳能转化为电能并储存供卫生间日常使用。
4. 在一些雨水较为充沛的地区可以采用在屋顶收集雨水经过简单处理后作为厕所用水。

我们的这一套设计方案讲公共卫生间的水联系起来，利用了公共卫生间用水量较大的特点，将洗手池产生的大量低污染生活用水，收集过滤净化处理以后，作为厕所清洁用水，大量减少了冲厕所所浪费的淡水资源，通过算法控制讲不同楼层收集净化的淡水按需要合理分配，实现了小范围内的跨区域调水，我们采用的气泡式冲厕所，改变了现有的冲厕所方式，又改良了现有的泡沫冲厕所中泡沫的冲刷强度，采用的独立加压系统，避免了自来水供压不足时冲水造成的浪费，对雨水的收集和太阳能供电的使用，最大限度提高了水资源的利用率和清洁资源的使用，真正做到了节能减排节水减排。

2.设计方案

2.1控制方式

2.1.1独立蹲便器的控制

每一个独立的蹲便器都配备了 “Brief智能箱”，它里面内置的传感器，可以通过单片机程序，自动控制操作。

独立单片机程序工作程序演示：

单片机的特设设计：

1. 无需人按压冲水，自动完成，杜绝脏坑
2. 可以根据时间，自动判断大便和小便
3. 10秒之内，单片机程序不执行任何操作，避免浪费
4. 根据压力感应，判断大便落点位置，调整冲刷角度，节省用水
5. 根据压力感应，判断水箱存水，中水利用
6. 一次冲刷任务未执行完成前，红外感应不会工作
7. 低故障率

2.1.2调水管理系统

调水管理系统，是整个 Intelligent 标签的亮点。运河的诞生，就是为了解决水资源布置不均匀的问题，同样，调水管理系统的诞生，也是为了解决二次用水的布置不均匀的问题。一般来说，公共场所低层往往是人流量大集中楼层，而顶层却有着丰富的雨水收集而来的水资源。所以，我们设计了这个调水管理系统：

整个调水系统，也是自动检测并工作的，无需人工的参与。系统会在低峰时段，自动进行调水处理。

调水管理系统工作程序演示：

调水管理系统的特设设计：

1. 无需耗能，通过重力，平衡各层水箱的水量
2. 自动实现从 高层往低层 的调水
3. 水箱满后，多余的水会排走
4. 水箱水量平衡，由程序按照一定的时间规律，自动进行调水

2.2管道布设

2.2.1单层管道布设

本层水箱，给本层供应；若本层水箱缺水，可以实现跨层调水或者直接使用清水冲刷。

2.2.2多层管道布设

多层调水，是通过贯穿于整个建筑的“调水中枢实现”，实现重力式的调水过程：

多层调水管道布置图：

2.3平面构造

现在的建筑，绝大部分都采用了框架结构，所以，水箱的位置被设计在了柱与柱之间的连线上。这样，水箱这个活荷载就可以直接通过梁传递给柱，柱再传递给基础，基础传递给地基，不会对楼板造成安全隐患。

紧凑型公共卫生空间假设平面图：

3.理论设计计算

根据《给水排水工程快速设计手册-3 建筑给排水工程》（中国建筑工业出版社1998年出版，刘文镔主编）中的数据，估算本项目拟建公厕用水情况，拟建公厕用水估算结果，数据和计算结果：

用水器具	用水指标	数量	用水量 (m³/d)
大便器（冲洗）	80L/h/蹲位	11蹲位	14.0
小便器（冲洗）	70L/h/蹲位	4蹲位	4.5
洗手盆（洗涤）	20L/h/个	5个	1.6
地面（冲洗）	6L/m²/天	80m²	0.5
			合计: 20.6m³/d

节水计算:

情况一：3L中水，0.15L清水，实际用水0.15L每小时5人  每小时实际用水量0.75L；

情况二：完全没有中水储备的情况下，经过计算，考虑到泡沫的封口和润滑作用，经过建模的可以省水30%；

根据大便池用水和洗手盆用水量为4:1的比例，可得用水量是之前的49%节水达到51%。

用电计算：

每平米电池板大概150w，根据光伏设计软件算出来的是最佳倾角35°的情况下每天接收辐射量在4kwh/m²。如果是高效电池片，150w那么效率在14.5%左右，每天电池板就能发电4×14.5%=0.58kwh，就是0.58度电。

根据设计图，厕所屋顶平面97m²左右，如夹角与屋面成35°，则太阳能板的面积为118.4m²，则每天可以产生电量68.68度电。

此套公共厕所设施较普通厕所多产生用电量为：

名称	功率	耗电
高功率瞬时增压器	1.2kw/台	44.0度/天
管道用水调度电机	1.5kw/台	36.0度/天
控制系统（单片机系统）	忽略不计	0
过滤系统用电	1.2kw	14.4度/天
		合计: 94.4度/天

总计：94.4度/天（每日只需投入 68.68-94.4 =-25.72度电）

结论：该设施一次投入后不会在后期得使用中显著增加用电成本，每天的产能与耗电实现动态平衡。

可行性：以上得用水量和节水量 得计算都是以冲干净厕所为前提。并且此系统是在基础用水量上根据是否冲刷干净判断是否需要再次冲刷得，所以此方案可行。

4.创新点及应用

1. 对厕所控制系统的改进：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）自动识别大小便，还是移动人群，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纯净水；（2）在冲刷过程中对纯净水进行气泡，起过泡的水冲刷厕所时会用更少的水起到最大的冲刷效果，在气泡过程中消耗的起泡液，是通过单片机检测及控制的，不应担心出现起泡液不足而出现的冲刷厕所不干净的问题；
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. 泡沫：泡沫是我们本次改造方案的一大亮点，我们将净化后的洗手池回收水，加入适量起泡剂，通过机械增压来冲刷厕所，使水中充满泡沫既加大了水的冲刷能力泡沫还起到了润滑的效果，大大提高了水的利用率，由于净化后的回收水水质达不到生活用水的标准,所以我们需要使用小部分清水进行二次冲刷起到干净卫生的目的，二次冲刷用水同样加入起泡剂，既增强冲刷效果又起到节水的目的；
4. 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，通过计算实现自给自足后还有电力剩余；
5. 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。不管是在学校这样的非盈利型机构，还是在商场这样的盈利型场所，BRIEF卫生空间都能为其带来很多益处，因此其推广应用完全可行。

5.推广

这就是我们的 Brief 卫生空间设计项目。一个通过程序自主控制的、能源自给自足的，起泡的，无人值守公共卫生空间。由于它不用改动现有的排水管道，水箱活荷载被放置在了柱间的主梁上，能够很好的解决活荷载对建筑物的影响。

不论是建筑承重，还是建筑给排水构造，都能够满足。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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