一种利用空气蓄能辅助冲刷的高效节水型纯平无水箱马桶

2023年12月18日发(作者：苍石)

（卫生陶瓷）2020年12月陶瓷

Ceramics51

•一种利用空气蓄能辅助冲刷的

高效节水型纯平无水箱马桶*吴爱民

黄炳兴

张东生

郭介山

李惜平（厦门优胜卫厨科技有限公司福建厦门361000）摘要笔者介绍了涉及一种高效节水型纯平无水箱虹吸马桶，其动力源来自于一种利用空气蓄能辅助，这款马桶的优

势是在用水量达到国标一级水效的要求下，实现低冲刷噪音及强劲高效的冲刷功能。关键词纯平无水箱虹吸马桶高效节水空气蓄能辅助冲刷系统低噪音中图分类号:TQ174.76

+

9

文献标识码：A

文章编号=

1002

—

2872（2020）

12

—

0051

—06前言随着经济的发展，人民生活水平的提高及城市化

1

市场主流产品的方案简述马桶行业经过几十年的发展，其主流产品是带有

水箱的喷射虹吸马桶。另一种相对比较小众的压力蓄

的不断进行，由于使用时的舒适与卫生，抽水马桶已经

是我国人民卫生间必配的洁具。当然，抽水马桶在给

能冲刷马桶，利用管道中的压力水直接对马桶污物进

行冲刷或者通过蓄能机构（如压缩弹簧或者压缩空气）

人们带来方便的同时，也消费了大量的水资源。据统

计,抽水马桶的用水量占到了城市家庭用水的一半以

把管道能量蓄起来，再通过机构在启动排水时把能量

释放出来推动污物。上。在许多城市，供水日益紧张，节约用水已经提上了

重要日程。国家发改委也针对马桶的节水推出了《GB

25502

—

2017马桶水效限定值及水效等级》规定马桶

现在参照以下说明书附图，来说明市面上主流马

桶的原理及局限。16用水量分级标准及马桶耗水量认证标准。鼓励尽量采

用新技术降低马桶耗水量。为了防止马桶生产商一味

为了省水而忽略马桶冲刷性能，国家又要求马桶符合

GB/T

6952

—

2015《卫生陶瓷》及

GB/T

31436

—

2015

《节水型卫生洁具》等相关效能国家标准。目前市面上

普遍使用的马桶为6

L马桶（三级水效节水马桶），如

果我们能设计出用水量低于4

L的马桶，以一个家庭

每天使用马桶全排10次计算，每天可以节约用水量

20L以上，一年可以节约7.4

t水。以中国有1亿个马

桶计算，每年可以节约7.4亿t水资源。同时，现在市

场上的马桶大多带有一个水箱，这个水箱一般质量5

kg以上，不但需要耗费材料，在马桶的烧成过程也要

消耗较多的能源。并且，由于水箱的存在，对市场上越

来越流行的马桶简约型设计也造成了极大的设计障

11坐便器12洗净面刷洗孔13洗净水路14喷射水路15排水阀16溢流管17喷射口碍。因此，研发高效能的节水型纯平马桶，在节约马桶

瓷料及用水具有非常重要的现实意义。图1市场上常见坐便器结构图作者简介：吴爱民（1975—）,本科，高级工程师；主要从事坐便器冲刷系统为主的卫浴产品研发设计工作。

•

52

•陶瓷

Ceramics(卫生陶瓷)

2020年12月为解决现有技术中存在的问题，本设计综合考虑

了上述马桶的优点与局限，提供了一种高效节水型纯

市面上主流的喷射虹吸马桶其结构如图1所示,

当马桶排水阀15开启时，储存在马桶水箱里的水在重

力作用下从排水阀出水口流出后分成2部分，一部分

平无水箱虹吸马桶的综合解决方案。新设计产品为了实现对市场上主流产品的替换,

水流经洗净水路13对马桶本体11的洗净面进行刷

洗；另一部分水流经喷射水路14从喷射口

17喷出对

马桶本体11的底部承污部的污物进行冲洗，并辅助S

需达到以下设计目标：(1)

在保证强劲冲刷功能的基础上，用水量有明显

型虹吸管道快速充满水形成虹吸效应把马桶承污部里

面的污物抽出马桶本体。这种马桶总体来说水箱里水

的势能比较有限，在要求用水量及高冲刷性能的匹配

上比较难以统一。尤其近十年来市场马桶的流行趋势

是往低水箱甚至是无水箱方向发展，马桶水箱存水势

能更低，对马桶污物的冲刷力也就也弱。同时市场对

节水的要求也越来越高，这种喷射虹吸马桶在用水量,

冲刷性能及外观上难以统一的缺陷就更加突出。图2市场上的空气蓄能包坐便器结构图图2是市场上近年来出现的一种空气蓄能包马

桶，马桶设有水箱，水箱里放置了个压力包，进水时供

水管道的压力水进入压力包后压缩包里空气蓄能并存

水，使用时开启压力包的排水阀，蓄能水从压力包喷出

后对马桶承污面的污物进行冲洗，把污物推出马桶。

这种马桶用水量为6

L或者4.8L。由于其冲刷系统

利用了压缩空气进行冲刷，冲刷力度强，但其有两个较

大的技术限制：①压力包体积较大，而且需要一个更大

体积的陶瓷水箱来容纳压力包，马桶难以做到纯平外

观。②压力包里的压缩空气积蓄能量在排水时瞬间释

放，相配套的马桶也属于冲落马桶范畴，冲落马桶的技

术本身也不容易消除冲刷水流形成的噪音，因此整个

系统冲刷噪音较大。2

本课题的设计目标的减少；(2)

能适用市场流行的无水箱马桶外观设计要求；(3)

生产方便，工艺简单，性能可靠。3

本设计的具体解决方案针对以上3个要求，本设计的总体思路是马桶既

有虹吸马桶的低噪音的优点，又要利用蓄能马桶的强

劲冲力，并优化马桶虹吸管道，使之与小水量的蓄能冲

刷水相匹配，实现纯平马桶在低用水量下的低噪音高

效冲刷。下面通过具体实施方式来对本设计的技术方案进

行详细阐述。图3纯平无水箱马桶如图3所示，本设计为一种应用空气蓄能辅助冲

刷系统的纯平无水箱马桶，其基本思路是把储水蓄能

水箱分成两个小水箱分置在马桶排污管两侧使之实现

纯平无水箱设计。图4为空气蓄能辅助冲刷系统储水

水箱1的结构示意图。储水水箱1在使用时，第一水

箱11作为水室、第二水箱12的上部作为气室、第二水

箱12的下部作为水室，以及连通件13会储有少量空

气。在储水结构1进水时，水流先进入第一水箱11,

第一水箱11储水并将第一水箱11内部的空气挤压上

（卫生陶瓷）2020年12月升，大部分空气通过连通件13在第二水箱12内压缩,

陶瓷

Ceramics•

53

•桶排污管干涉无法装在纯平无水箱马桶上的弊端，同

少部分空气停留在连通件13的上部；第一水箱11满

水后水流通过连通件13进入第二水箱12,第二水箱

12储水并将第二水箱12内部的空气进一步压缩并上

时第一水箱11和第二水箱12互相独立安装，装配更

加灵活，也降低了压力包安装在纯平无水箱马桶的工

艺难度。参考图4和图5所示，笔者所述的空气蓄能辅助

冲刷系统除了包括储水水箱1以外，其还包括组合阀

2、排水阀3、开启阀4。上述第一水箱11形成有第一

升，使空气在第二水箱12的上部储压；在冲刷系统1

排水时，第一水箱11的水迅速排出，同时连通件13泄

压、第二水箱12上部的空气推动其下部的水，使第二

水箱12下部的水输送至第一水箱11并排出（见图5）。进水口

111和排水口

112,排水阀3与排水口

112相

对设置，组合阀2与第一进水口

111相对设置以实现

5图5水箱结构三维图上述设计解决了现有压力水箱占据空间大、与马

第一水箱11和排水阀3的独立进水，开启阀4控制排

水阀3的泄压或储压以实现排水阀3的活塞31开启

或封闭排水口

112,从而实现本冲刷系统的正常的储

水与排水功能。市场上现有的压力冲刷马桶配置铱科公司的

ECOflush压力包及sloan公司的压力包，其用水量4.

8

L或者6

L,不但压力包体积较大，并且其压力包里

受压缩的蓄能空气在排水阀打开时是瞬间排放的，就

像是气球被戳破一样发出较大的噪音，其喷出到马桶

排污管的压力水速度极快，快速流动的水流形成了文

丘里效应，把马桶洗净面周围的空气吸到水里，从而使

充满排污管的水流充满了很多空气泡，这些空气炮的

存在破坏了排污管的真空度，使排污管无法形成虹吸

效应把马桶里的污物里（尤其是密度较小的轻质漂浮

物）完全带走。同时空气泡的最终破裂也使马桶冲刷

过程噪音较大。笔者所述的马桶搭配的空气蓄能辅助

冲刷系统，基本思路就是蓄能压力包的压力水排放要

“削峰填谷”，使之减慢速度排放，如此既可以延长压力

包排水时间，使之更加匹配虹吸马桶管道的要求（马桶

虹吸发生时间3

s以上性能较好），并且蓄能包里的受

压空气缓慢释放，也降低了马桶的冲刷噪音。同时，配

上相适应的虹吸马桶管道，产生了较长时间的虹吸效

应，增强了对马桶承污面漂浮物的抽吸作用，使漂浮物

排出更彻底。由于现在市政供水管道压力一般可以达

到1.5〜3 kg,所以蓄能空气推出的压力水理论上也可

以达到1.5kgf/cm2。即使压力缓慢释放，经测试也可

达到0.5

kgf/cm2以上，换算成水箱等效高度有5

m水

箱高度，已经远远超出市场上高水箱马桶的水箱等效

高度（一般马桶水箱高度小于0.3

m）。所以笔者所述

搭配空气蓄能辅助冲刷系统的虹吸马桶，在马桶用水

量降到4

L的情况下，就可以超过6

L用水量0.3

m水

箱水高的等效冲刷效果。

54

•陶瓷

Ceramicsill5图6水箱进水图7水箱排水参考图6和图7,在第二水箱12内还设置有排气

控制阀7,用于控制本冲刷系统蓄能空气及水流的按（卫生陶瓷）

2020年12月需排放。37112721712/

71/

>74

7117212厂■725721113图8水箱进水图9水箱排水如图8和图9所示，上述排气控制阀7包括将第

二水箱12分隔成水室和气室的水气隔板71,以及排

气调节组件72。上述水气隔板71设置有连通第二水

箱12的水室和气室的排气口

7111,排气调节组件72

与排气口

7111相对设置并活动调节排气口

7111的截

面大小从而控制蓄能空气的排放速度，也即控制了压

力水的排放速度，从而使空气蓄能辅助冲刷系统能适

应虹吸马桶的管道需求。针对笔者所述的低用水量高能量的空气蓄能辅助

冲刷系统的特点，本设计也提供了与之相匹配的马桶

虹吸管道。如图10所示，市场上虹吸马桶用水量一般为6

L,

马桶虹吸管道的虹吸喉一般设置在B处，以加大水箱

与虹吸喉的高度差来增强虹吸力，但这样产生虹吸前

充满虹吸管的用水量需要较多。笔者所述的马桶，其

(卫生陶瓷)2020年12月配置的空气蓄能冲刷系统，其用水量设计为4L,用水

陶瓷

Ceramics-55

•4

马桶功能测试及认证一般马桶依据GB/6952

—

2015及UPC标准

ASME_A112[1].19.2-2015

要求:量较少，但其水流能量远比水箱式马桶大。针对这个特点，配备的马桶虹吸管道的虹吸喉设置在A处，这

样发生虹吸时充填虹吸管道的水量更少(见图11填充

线)，可以尽量延长虹吸时间，使虹吸对马桶承污面的

污物排出效果更明显。(1)

洗净面墨线残留单段12.5

mm以下，全部洗

净面残留墨线总和50

mm以下；(2)

冲刷2500个小颗粒残留125个以下；(3)

冲100个PP球平均管道输送12

m以上；(4)

冲20个海绵块+

8张牛皮纸的混合介质测

试，一次性通过22个以上的介质，其余第二次冲刷能

够冲出。本设计的纯平无水箱马桶功能经过美国的UPC

认证中心检测，功能如下：(1)

洗净面墨线无残留；(2)

2

500个小颗粒残留平均5个；图10虹吸马桶(3)

100个PP小球全部冲出18

m管道；(4)

20个海绵块+

8张牛皮纸混合介质的测试一

次性通过。以上检测已经证明本设计马桶在4L用水量的标

准下功能已经远远超过国标及美国UPC标准要求,

也超过大多数马桶在6

L用水量下的排污功能，达到

设计要求的高效省水功能。UPC认证中心检测报告

如图12所示。另外中国节水马桶认证正在进行中(见

图12)笔者所述的马桶噪音测试有委托专业的测试公司

图11马桶斜线填充进行检测。结果为L50噪音为40.3分贝°L10为

58.4分贝。结果远远小于国家规定数值。报告如图

13所示。AXENTW331-04PrimusTankless

ToiletWitftrCcriMTvfcrt11gpi/4删HKcrrmendodReasueRang:70-108psCdErWINeAXENTtwlfName：

Primus

Tankkss

ToilotModd

Number

W331

04Made

inChinaTrinCokx-SiverRcaxnmcndodPressure商砂

20

rOftpsiWater

Consumpbon：

1.1opl/4.l6lpfGKsWe^tnOtskArulactirrqDtfe31H[uESiAXENT

Corporation

Ltd.唇MadeinCtina图12

UPC认证报告

•

56

•陶瓷

Ceramics（卫生陶瓷）

2020年12月JYT4b-353-L健研检测集团有限公司I

：b

I",

i

z

-60

网M

wwxmabt

com

>41.

;,；:|O592）2273072

电于邮科iMkb^xmahr

com~传衣（0592）2273700卫生陶瓷检测报告报告编号：JYTAB-R07-2000003

第2页共5页序号项目名称条款技术要求L»C55dB»检验结果L50=40.

3dB,判定1坐便器冲水嗓声6.3SW65dBL10=58.

4dBp图13检验报告国家标准管理委员会.GB

25502

—

2017马桶水效限定值及水效

5

马桶生产成本及便利性笔者所述的马桶冲刷系统，零件基本为塑料材质,

等级[S].北京：国家标准出版社，2017.[]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国

国家标准管理委员会.GB/T

6952

—

2015卫生陶瓷[S].北京：国

家标准出版社，2015.[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国

避免了弹簧包冲刷系统的高强力弹簧及高精度的不锈

钢件。其生产简便，成本低。并且其既可以用电磁阀

国家标准管理委员会.GB/T3

1436

—

201

5节水型卫生洁具[S].

北京：国家标准出版社，2015.[]

A

SME

A1

12. 19.2

—

2018

CSA

B，15.

1

—

18

Ceramic

开启以实配市场上流行的智能马桶。也可以无电用按

钮冲刷，用在低成本的普通马桶，因此其用途广泛。参考文献Plumbing

Fixturcs[S].[5]李飞宇，李才有.压力式冲水系统改良结构：中国专

利,CN200420014

708[P].2017

—07

—08.[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国

心国廉眞關XC!冒《陶瓷》杂志主要包括建筑卫生陶瓷、工业陶瓷'

日用陶瓷、先进陶瓷'

电子陶瓷及陶瓷机械等无机非金属材料的新技术、新工艺、新产品'

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K

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