一種多功能自助踏壓式儲水管路的設(shè)計

一種多功能自助踏壓式儲水管路的設(shè)計

洗手是維護個人衛(wèi)生和健康的本能活動，是每個人日常生活中常見的行為。一般而言,具有良好生活習慣的人,每天洗手次數(shù)平均在10次左右。其中,除去早晚洗漱需要同時清潔面部、頭部、口部,需要水量較大難以控制以外,其他諸如一日三餐前、上衛(wèi)生間后、進行相關(guān)活動后等,進行的洗手活動多為單純性手部清潔。尤其在各種公共環(huán)境中,人們的洗手需求多為此種類型。(圖1)然而,常規(guī)的洗手方式需水量大,水資源浪費率很高;此外,在諸如大型公共活動現(xiàn)場、緊急救災(zāi)場所等環(huán)境中,直接水源供應(yīng)無法保證,節(jié)水型洗手方案顯得更為重要。對于上述問題,是否可以通過創(chuàng)新設(shè)計,實現(xiàn)近身的、便捷有效的洗手解決方案呢?本文就是通過洗手行為的研究,提出改變洗手時水與手的接觸形態(tài),以實現(xiàn)水的高效利用;在實驗基礎(chǔ)上,經(jīng)過可行性分析,提出一種超節(jié)水的洗手解決方案。經(jīng)驗證此方案實現(xiàn)節(jié)水高達90%,可以很好地滿足無直接供水的公共場所中公眾的單純性洗手需求。一、常規(guī)萃取過程水的測定為了完成上述的超節(jié)水設(shè)計方案,首先需要通過調(diào)研弄清常規(guī)洗手方式所需的水量,同時通過對單純性洗手行為進行分析,掌握洗手時水的動態(tài)變化過程,以便找出節(jié)水的關(guān)鍵節(jié)點并探尋相應(yīng)的節(jié)水措施。1.廢水收集實驗數(shù)據(jù)洗手需水量調(diào)研活動在天津大學(xué)校園內(nèi)進行,為使數(shù)據(jù)更為全面,選取三種不同環(huán)境各收集了10個人的洗手廢水,相關(guān)實驗數(shù)據(jù)見表1。從表中可以看出,30人的洗手廢液平均值為1196ml,考慮損耗因素,人均洗手用水量基本上超過1.2L。2.u3000利用互聯(lián)網(wǎng)進行沖洗對洗手過程中的動作進行分解可以幫助我們弄清水的動態(tài)變化過程。一般而言,洗手基本過程包括以下6個連續(xù)性動作:打開龍頭—將手淋濕—取洗手液—搓洗雙手—手部沖洗—關(guān)閉龍頭。具有較高節(jié)水意識的人會盡量縮短各個步驟之間的間隔,同時會在取洗手液之前關(guān)閉龍頭,待完成搓洗之后再打開龍頭進行沖洗,這樣就從習慣和意識層面最大程度地做到了節(jié)約用水。通過對洗手動態(tài)過程的分解可以看出,將手淋濕和手部沖洗兩個動作的耗水量最大,這也是實現(xiàn)節(jié)水解決方案所要研究的重點。傳統(tǒng)的洗手方式中,水是以水柱狀流體形態(tài)與手接觸,直接接觸面很小,靠手面的水流擴散或者輔助性手部動作完成水的充分覆蓋。這種形式的有效接觸不夠充分,容易形成大股的水流,進而造成水的無效流失,所以水量需求很大。(圖2)此外,洗手的過程對水量的要求并不是相同的:首先只需要少量的水浸潤一下手;接著使用洗手液,而這一階段基本是不需要用水的;最后才需要大量的水進行沖洗。1所以,針對將手淋濕和手部沖洗兩個動作合理地分配水量的同時,使水以更高效的形式與手接觸是實現(xiàn)高效節(jié)水的有效途徑,改變水的流體形態(tài),減少水的無效流失成為解決問題的關(guān)鍵。二、水霧形態(tài)的限制通過對單純性洗手行為的研究,解決問題的關(guān)鍵被引向改變水的形態(tài),增加水與手的有效接觸面積上。水霧或小水滴形態(tài)在同等水量情況下可以極大地增加水的覆蓋面積,相關(guān)的水霧化技術(shù)為設(shè)計噴霧型超節(jié)水洗手器提供了解決辦法。(圖3)1.噴射角度設(shè)計所謂液體的霧化是指在外加能量的作用下,液體在氣體環(huán)境中變成液霧或其他小液滴的物理過程。2借助不同形式的噴頭,將水流分解為細小的水滴,形成水霧流,霧化效果可以有效增大水與手的接觸面積,極好地實現(xiàn)將手“淋濕”的效果,減少柱狀水流造成的浪費。此外,水霧流具有一定方向性和速度,可以在手部快速聚結(jié)成水珠進而形成水流,快速地流過手部表面,起到“沖洗”的效果。在這兩個過程中,水都是以遠小于1mm的水滴形態(tài)從噴嘴噴出,水量需求極少,起到很好的節(jié)水效果。條件霧化角或噴射角作為噴嘴的一項重要參數(shù)(圖4),適當?shù)慕嵌戎导饶茏畲笙薅鹊乇ＷC水霧與手的直接接觸面積,又能避免水的無效流失,對于洗手器的節(jié)水性而言非常重要。經(jīng)測算,一般人在洗手時雙手捧合起來的面積在200cm2-300cm2之間,洗手時手面與噴頭的距離一般在10cm左右,所以依圖5中的三角關(guān)系計算,可得噴頭噴射角度γ以80°至90°最佳。此外,噴嘴的性能參數(shù)還有霧滴粒徑、霧滴分布均勻度、霧滴速度等3,這幾項參數(shù)與水壓或組合氣壓有很強的相關(guān)性,優(yōu)化參數(shù)需要通過相關(guān)數(shù)學(xué)模擬軟件進行仿真分析,本文暫不做討論。2.壓力發(fā)生裝置設(shè)計在了解了水霧化技術(shù)原理之后,對于需要在公共場所使用的噴霧型節(jié)水洗手器而言,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)包含氣壓發(fā)生裝置、霧化噴頭、凈水儲水桶、污水回收桶四個基本單元,以及相應(yīng)的導(dǎo)水管、導(dǎo)氣管等。工作原理簡圖如圖5。在具體的產(chǎn)品模型中,壓力發(fā)生裝置選用專門設(shè)計的腳踏氣泵,霧化噴嘴采用帶調(diào)壓閥的氣、水雙通道噴嘴,配合相應(yīng)的控制開關(guān)。洗手者以腳動自助加壓的方式為凈水桶和噴嘴加壓,噴嘴即可噴出水霧供洗手用;即使忘記關(guān)閉開關(guān),儲水容器也會很快失壓,水就無法噴出,避免誤操作造成水的流失。而且氣、水雙通道噴嘴還能通過將水流與氣流混合,實現(xiàn)不同程度增加氣霧流的流速,改變霧滴粒徑等效果,滿足使用者對速度和舒適度的不同需求。三、洗手器原型實驗1.體驗評價及結(jié)果根據(jù)前述洗手器結(jié)構(gòu)原理模型,制作了產(chǎn)品原型樣機,并通過實際的洗手實驗進行了節(jié)水效能及用戶體驗指數(shù)等方面的調(diào)研與數(shù)據(jù)分析工作。(圖6)實驗過程中隨機選取了15名被訪者,分別進行使用皂液和不使用皂液兩種情況下的洗手試驗,并請受訪者對洗手體驗進行評價打分,滿意度由低到高對應(yīng)分值1-5。實驗數(shù)據(jù)顯示,在使用氣壓式噴霧洗手器洗手實驗中,使用皂液時,最大和最小的用水量分別為154ml和110ml,15名實驗對象的平均用水量為126ml;而不使用皂液時,平均用水量僅為54ml。此外,15名實驗對象中有12人的體驗指數(shù)為4或5,說明感覺良好;體驗分值低于3的僅有一人。對于該洗手器在一些公共場所設(shè)置的必要性一項調(diào)查中,有13人表示贊同,占比達87%。2.節(jié)水明顯效果通過對實驗數(shù)據(jù)的分析,可以看出,54ml-126ml的平均用水量與傳統(tǒng)洗手方式1.2L用水量的實驗數(shù)據(jù)相比,實現(xiàn)節(jié)水超過90%,節(jié)水效果明顯。同時,平均4.3的體驗指數(shù)說明了被訪者的體驗感受整體良好;87%的設(shè)置必要性認可度,說明該產(chǎn)品確實很好地滿足了公共場所中人們對洗手的需求,是一種切實可行的解決方案。四、產(chǎn)品的生產(chǎn)成本1.產(chǎn)品尺寸及結(jié)構(gòu)的確定本產(chǎn)品主要作為一種在缺乏直接水源供應(yīng)的公共場所使用,需要定期補充水源,所以內(nèi)置儲水容器的大小,以及單次補水能夠供多少人次使用是產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵。從更換及維護的便捷性、可操作性以及一般人對重物的承受程度方面考量,根據(jù)不同場合需要,綜合考慮產(chǎn)品體量,進而確定凈水桶的容量以5-10L為宜。這是因為:首先,按照平均100ml每人次的用水量來算,每臺洗手器每次補水可以滿足50-100人次的需求,在一般場所中,基本可以滿足1-2天以上的需求;其次,一般人在承受10kg以下的重物時不會有很強負重感,便于補充水源等維護性工作,可操作性強。產(chǎn)品基本尺度和體量方面,參考一般柱型洗手盆的高度和體量。高度應(yīng)設(shè)在80cm左右,考慮兒童需求,兒童型設(shè)施可適當降低高度;體量上,考慮場所需要,在滿足內(nèi)部容器體積及相關(guān)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,結(jié)合人機工學(xué)及美學(xué)原則,綜合確定產(chǎn)品尺度關(guān)系。在產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)方面,基于前述技術(shù)原理,包含以下內(nèi)容:腳踏氣泵、噴頭、洗手盆、凈水儲水瓶、臟水回收容器(室外型產(chǎn)品可選配)、防濺水護罩、導(dǎo)管、機身外殼等。(圖7)2.產(chǎn)品多樣化設(shè)計基于不同場所、環(huán)境和人群的需要的不同,以及室內(nèi)、室外的不同特點,在產(chǎn)品形態(tài)與形式上可以進行多樣化的設(shè)計處理,以滿足人們的不同需要。以下為天津大學(xué)工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生對于該產(chǎn)品所做的多樣化的產(chǎn)品設(shè)計方案的效果圖,其中有滿足室內(nèi)外臨時設(shè)置使用的通用型,有滿足室內(nèi)特定環(huán)境需要的可移動型,以及適宜廣場或公園環(huán)境需要的單體雙用型等。(圖8)節(jié)省了資金來源綜合來看,噴霧式節(jié)水洗手器根據(jù)人們在公共場所的活動需要,創(chuàng)新性的使用霧