滴水不舍：150元改造燃气热水器的成功之道

一粥一饭，当思来之不易；半丝半缕，恒念物力维艰。

——[清]朱柏庐《朱子家训》

水是生命之源，其重要性无可比拟。大而言之，充足的液态水及其固、液、气三相变化，是地球上生命存在和发展的重要条件，以至于人类在探索地外宜居星球的时候，通常将寻找水作为首要目标。小而言之，水可饮用、可灌溉、可行船、可防御、可游赏，人类或沿河湖而居，或逐水草而居，孕育了灿烂的人类文明。地球表面三分陆地、七分海洋，但真正能被人类利用的淡水资源非常有限。自工业革命以来，巨大的人口压力和发展压力，使全球各地水资源短缺和水环境恶化现象越来越严重。

“智者乐水，仁者乐山”，山水总相依。2005年8月15日，在浙江安吉余村，习近平首次提出“绿水青山就是金山银山”的科学论断，这也是习近平生态文明思想之滥觞。2017年1月10日，《国务院关于印发国家教育事业发展“十三五”规划的通知》（国发〔2017〕4号）明确提出“增强学生生态文明素养”，“强化生态文明教育，将生态文明理念融入教育全过程”。由此可见，生态文明建设需要每个人身体力行，基础教育更是责无旁贷，而且也大有可为。山水林田湖草是一个生命共同体，这个理念是促进生态文明教育落地的指导思想和突破口。从地理环境的整体性而言，水是这个生命共同体的核心，解决水的问题，是维系生态系统良性运行的关键。

研究案例：燃气热水器初出冷水循环加热系统

作者：王映月

指导教师：李九彬　周迎春

一、研究过程

1.发现问题

水是生命之源泉。国家提出了节水型社会建设的目标，要求全社会共同努力将水资源利用效率和效益大幅度提高，用水方式得到切实转变，用水结构进一步优化。但生活中浪费水资源的现象依然存在。我观察到目前绝大多数家庭使用的燃气热水器流出热水前都有一大段冷水。2011年12月，我对居住地重庆市合川区白鹿山社区进行了采访调查，91%的居民选择将这段冷水放掉，只有9%的人们将这段冷水用盆子等容器储存起来进行再次利用。如此造成了大量的水资源浪费。为解决这个问题，我决定制作一个改变冷水流失的系统。

2.设计思路成形并确定制作方法

2012年，我通过网络查询以及对热水器的生产商、销售者、消费者当面采访等形式，了解到绝大多数节水型热水器是太阳能热水器，不能满足大多数人家所安装的燃气热水器的节水需求。于是，我咨询了物理老师如何能把这段冷水利用起来，经过多次分析研究得出，通过把这段水回流到燃气热水器中重新进行加热的方法可以达到目的。

在三四个月的时间里，我精心绘制了数张制作草图，终于和老师讨论出了一个大家都认同的设计方案：使用一个水泵以及温控开关，将燃气热水器出水管中无法加热的冷水通过回流管道进行重新加热。

3.购买材料及工具

为了完成研究，我根据方案选购了所需材料，其数量和价格如表3-1所示。经计算，150元即可完成对传统燃气热水器的改造。

4.制作样品并初次实验

制作完成后，我在家里进行了初次实验。

5.反复试验并撰写申报材料

针对试验中发现的不足，我对系统进行了多次改进，并进行了反复实验。为参加各种比赛撰写了申报材料。

6.推广及使用

进一步研究后，可将此系统附加在燃气热水器上，在我所生活的重庆市合川区白鹿山社区进行推广以及免费试用，调查分析节水的量、系统的适用性等，然后根据反馈情况进行改进。

表3-1　装置选购材料成本

二、关键问题及解决办法

（1）如何能把这段冷水回流到燃气热水器中重新进行加热，让用户一打开燃气热水器就会有源源不断的热水流出，而不造成这一大段冷水的浪费呢？

解决办法：在热水器出水管旁设置一条冷水回流管道，中间经过循环水泵，冷水在水泵作用下能够回流入热水器，进行重新加热，从而达到节水的目的。

（2）系统在工作时，燃气热水器流出热水前的一大段冷水在水泵的作用下不能通过三通接头回流入热水器，原水管（自来水管水压达到0.14 Mpa）水压下的水在50 W水泵工作的情况下依然不受影响。

解决办法：此时连入系统工作所使用的水泵为50 W，电功率过小，而原水管中的水是0.14 Mpa水压。用100 W的水泵代替50 W的水泵，即可解决问题。

（3）水泵需要电源的带动，如何能做到通过水泵的作用把燃气热水器中一段无法加热的冷水重新回流到热水器中，并适时切断电路断掉电源？

解决办法：合理运用温控开关。热水器出水管和回流管中为冷水时，温控开关处于闭合状态，整个电路连通，循环水泵工作，将出水管中的冷水抽回热水器中加热。出水管中的冷水被全部回流加热成热水时，流经出水龙头三通处的水流就为热水了，温控开关自动断开，切断循环水泵的电流，系统停止工作。此时用户打开水龙头，出来的就是源源不断的热水了。

三、发明介绍

（一）科学原理及方法

本系统由水流循环系统和电路控制系统两部分组成。(www.xing528.com)

1.水流循环系统

在热水器进水管和出水龙头处各设一个三通接头，并在热水器出水管旁设置一条冷水回流管道，一端与热水器进水管三通接头相连，另一端与出水龙头处三通接头相连，中间经过循环水泵，在水泵压力作用下，系统工作时冷水能够回流入热水器，如图3-1所示。

图3-1　热水器工作原理示意图

2.电路控制系统

一个可调式温控开关和一个系统总开关串联，共同控制循环水泵的工作。用户要用热水时，先闭合总开关，系统工作。由于此时热水器出水管和回流管中均为冷水，温控开关处于闭合状态，整个电路连通，循环水泵工作，将出水管中的冷水抽回热水器中加热。（此时用户不要打开水龙头，此过程二三秒钟即可完成）

当出水管中的冷水全部回流并被加热成热水时，流经出水龙头三通接头处的水流就为热水了，此处的温控探头将温度信号传至温控开关，则温控开关自动断开，切断循环水泵的电流，系统停止工作。此时用户打开水龙头，出来的就是源源不断的热水了。如图3-2所示。

图3-2　热水器电路控制系统示意图

（二）重要贡献

1.节约了大量水资源

本发明实现了将原有燃气热水器出水管中无法加热的冷水重新加热。我对西大附中322间水房进行了调查研究和数据分析：

①普通燃气热水器流出热水前约有持续15秒的冷水流走；

②每人每天洗漱、洗澡、洗衣，至少有90秒冷水流走；

③实验表明平均15秒流出1630毫升水；

④每人每天用水时流走的冷水量为：90÷15×1630＝9780毫升；

⑤西大附中的住读学生总人数为2379人；

⑥西大附中每天住读学生浪费的水量为：9780×2379=23266620=23.26662吨；

⑦西大附中每年住读学生浪费的水量为：23.26662×365=8492.3163吨；

⑧北碚水价为每吨3.5元，则一年浪费的水费为：8492.3163×3.5≈29723.1元。

2.推广前景好

可将此系统附加在燃气热水器上，开发出新一代更加环保、更加节能的热水器，以彻底解决此种水资源的浪费问题。它操作方便、实用性强，制作材料便宜易得，避免用户重复安装的麻烦。

体验：科技创新促成长

这次研究发明是我学习生活中的一次重要经历，对我而言意义巨大。首先，我可以将自己所学的知识应用于实际的发明设计中，在实践中将所学的知识进行了巩固，解决问题的能力也得到了锻炼。其次，本次实习开阔了我的视野，使我对理论知识在现实中的运用有所了解。在这次研究中，我发现我们在学校所学到的理论知识要成功应用在实践中需要认真思考和多次探索：我反反复复画了很多张设计图，和指导老师讨论了数次，在脑海中进行了多次模拟实验，原本以为实验很容易就成功了。但是初次实验时未能成功，我和指导老师分析原因后进行了改进。原来是在设计过程中出现了很多漏洞，在我们的坚持与努力下，实验终于成功了。

热水器初出冷水循环加热系统的研发，也让我增强了社会责任感与使命感。学习知识就是为了更好地服务社会，知识是提高生活质量的保障。“两耳不闻窗外事，一心只读圣贤书”只是古代读书人的美好意愿，它已经不符合现代高中生的追求。我要用我所学过的知识经世致用，造福社会。

（雏鹰计划学员 王映月）

实践：家乡水情小调查

围绕所在地区的水资源保护、水环境现状及公众水环境意识等内容开展实践调查，通过科学的调查实践及分析，了解当地水环境问题、水治理成果及公众水环境意识现状，并从青少年的视角向相关部门、媒体、周边公众提出积极可行的合理化建议、倡议。

图3-3　一个水池的自述（作者：马璇，指导教师：李九彬）

探究：用科技改变生活

立足于工程技术、自然科学、社会科学领域，结合自己家乡、社区的实际情况，就如何改善水环境质量，加强水资源管理，提高废水污水处理能力，推动水经济产业多样化发展，促进水资源节约和水生态环境保护等内容开展发明创新活动，以帮助当地居民增强水资源、水环境保护意识，提高家乡居民的生活质量。

立身：我是一名小河长

围绕本地区、国家或全球范围内如何提高水环境质量，加强水资源管理，以及有关的社会宣传及公众参与等内容开展创意宣传活动。通过公众易于接受的形式（绘画、视频、动画、歌曲、舞台剧、摄影、创意DIY制作等）向公众宣传节水、护水的理念，积极推动公众参与环保。