[文章]：自动喷水灭火各级系统设计中的几个问题

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自动喷水灭火各级系统设计中的几个问题


    《自动喷水灭火系统设计规范》(GB50084-2001)(以下简称"喷规")力求引导设计遵循系统基本原理和技术特点，使系统发挥自动扑救初期火灾的作用[1]，将在我国以消火栓给水系统为主向以自动喷水灭火系统为主的过渡中以及在保护人身财产安全中发挥出无可比拟的作用。但也正是由于"喷规"的较大改动，使广大工程设计与相关人员存在对新规范进行学习与再认识的过程，同时，就目前工程设计人员的反映而言，"喷规"中也存在一些值得商榷的技术性观点与作法、不明确的规定以及难以在工程实践中贯彻的情况。现仅就我们对"喷规"的学习和理解，对经济流速、消防水箱及增压、喷头布置及水力计算等问题进行探讨。

1  经济流速问题
    自动喷水灭火系统最主要的组成部分是配水管道，而配水管道管径的确定，不仅影响到整个系统的造价，更关系到系统消防的安全性。在流量确定的条件下，流速是确定管径的重要参数。
    生产、生活给水管道的流速一般采用经济流速，以使管道的基建投资与经常性的运行能耗得到优化匹配。所谓经济流速是一次投资与经常费用之和最小时的流速，而相应的管径即为经济管径。所以选择输配水管管径的大小涉及投资与耗电的大小，管径大基建费用高，电费却较低；管径小一次投资省，但水头损失大，水泵扬程高，电费较高。
    "喷规"在9．2．1条规定"管道内的水流速度宜采用经济流速，必要时可超过5m／s，但不应大于10m／s"。然而，自喷给水管道只是在火灾时短时间运行，不同于生产、生活给水管道始终处于运行状态，故可以提高流速，减少管径以降低基建投资，这同样是经济的。但同时如果自喷系统管内水流速度较高，水头损失就较大，配水管支管管径往往就会偏小，造成在设计流量下，喷头实际保护面积可能满足不了规范有关作用面积的要求。此时尽管作用面积内喷头动作时，其平均喷水强度符合规范，但上下游喷头因压力不同而流量有差异，此外，由于管径小，管网水头损失大，消防水泵扬程高，喷头喷水极不均匀。因而管道流速宜采用较低值，管径小时尤宜采用低值。
    规范中提到的经济流速应是经济性、合理性、可靠性与安全性的统一，并非通常意义上的经济流速。结合工程算例分析(采用符合新规范的基于EXCEL的喷淋水力计算表)和有关手册与文献介绍[2～3]，配水干管和配水支管设计流速一般不宜超过3.5m／s，常用1.8～2.8m／s。这种做法能够较好地满足"喷规"表5．0．1，表5．0．5及9．1．4条的有关作用面积和喷水强度的规定，且配水管网水头损失较小，消防水泵的扬程较小，喷头出水不均匀性较小，消防贮水量可得到合理使用，是安全、经济、合理的。

2  消防水箱及增压问题
    供水的矛盾主要在动力源的可靠性，矛盾的暴露表现在水系统，但涉及面较宽。相关规范有"按建筑分类分别采用一级供电或二级供电加柴油机"，临时高压给水系统应设消防水箱等规定。我国现行消防技术规范对消防水箱的规定，存在顶层、远端等不利部位欠压的问题，使消防水箱对这些不利部位不能发挥应有的作用，而按"高规"规定设置的增压设施，由于水量偏小同样未能妥善解决这个问题。自动喷水灭火系统用于扑救初期火灾，在喷头动作的时间段，火势增长速率较快，此时开放喷头如不能按规定强度连续喷水，系统效能将显著降低，甚至给火灾进入迅猛燃烧阶段以可乘之机，其结果将导致灭火的难度增大或使火灾超出系统的控灭火能力。为保证喷头开放后连续喷水，并保证对不利部位火灾的及时有效扑救，"喷规"第10．3．1，10．3．2条规定："采用临时高压给水系统的自动喷水灭火系统，应设高位消防水箱，其储水量应符合现行有关国家标准的规定。消防水箱的供水，应满足系统最不利点处喷头的最低工作压力和喷水强度"，"建筑高度不超过24m并按轻危险级或中危险级场所设置湿式系统、干式系统或预作用系统时，如设置高位水箱确有困难，应采用5L／s流量的气压给水设备供给10min初期用水量。"对此可作如下考虑。
    (1)设置消防水箱(气压给水设备)的目的在于：一是利用位差为系统提供准工作状态下所需要的水压，达到使管道内的充水保持一定压力的目的；二是提供系统启动初期的用水量和水压，在供水泵因动力或机械故障不能正常投入运行的紧急情况下应急供水，确保喷头开放后立即喷水，并为首批开放的喷头扑救初期火灾，提供维持10 min喷水的用水量，控制初期火灾和为消防队增援灭火争取时间。
    (2)采用临时高压给水系统的自动喷水灭火系统，凡超过24m的高层建筑或其它严重危险级和仓库危险级的建筑均应设高位水箱，且不可用气压给水设备替代。由于位差的限制，消防水箱向建筑物的顶层或距离较远部位供水时会出现水压不足现象，使在消防水箱供水期间，系统的喷水强度不足，因此将削弱系统的控灭火能力。为此，要求消防水箱满足供水不利楼层和部位喷头的最低工作压力和喷水强度。但单独设置稳压泵，仅能为系统稳压而不能提供灭火初期的用水量。"高规"在条文说明里指出，设置增压设施的目的主要是在火灾初起时，消防水泵启动前、满足自动喷水灭火系统的水压要求。对增压水泵，其出水量应满足1个自动喷水灭火系统喷头的用水量。对气压罐其调节水容量为5个喷头30s的用水量，即5×1× 30=150L。现行国标图集--消防增压稳压设备选用与安装(98S176)是按"高规"编制的，其功能只是解决火灾初期时，即消防主泵启动前，确保具有足够消防压力的30s储水量进行初期火灾扑救，直至消防主泵全负荷启动运行。对于合用消防水箱的增压设施，450L容量也仅能在紧急情况下向3只喷头供给不足2min水量(3×1.33×120=479L)。可见以前的屋顶水箱和稳压设备联合工作方式已不能满足"喷规"的要求，而架高水箱在建筑设计中由于多种因素的影响又很难实现。为此"喷规"规定了最低工作压力0.05MPa的要求。但到底是动压还是静压，规范没有强制限定，这就给设计在带来难度的同时也有了一定的灵活性。实际上，0.05 MPa应是动压而非静压。0.05 MPa是指系统最不利点处喷头最低工作压力，同时规范在条文说明中指出"如果顶层最不利点处喷头的水压要求为0.1 MPa，则屋顶水箱必须比顶层喷头高出10m以上，将会给建筑造型和结构处理带来很大困难"。根据上述情况并参考国外有关规范，将最不利点喷头的工作压力确定为0.05 MPa。
    (3)高位水箱的高度，"建规"规定设在建筑物的最高处，"高规"要求保证顶层消火栓0.07 MPa的静水压力。若按建筑层高3m考虑，最不利消火栓上0.07MPa，对自喷静水压刚好在0.05MPa左右。为与相关规范达到协调一致，实际工程设计中，当水箱难以满足0.05 MPa动压要求，在动力可靠、管理到位的情况下，以0.05 MPa静压考虑也是可行的。
    (4)高位水箱的设置保证0.05 MPa动压，在不宜采用增压稳压装置的情况下，就得将水箱架高。由于水箱中的水要经报警阀、水流指示器后才到达最不利喷头，加上管线较长，即使火灾初期，自喷用水量很小，也是有一定的水头损失的，具体可详细计算后确定。但一般在高出7 m(这个高度在建筑上稍微处理一下是能满足的：跃层+电梯机房+水箱垫高)以上的话，就能满足规范的要求。"喷规"按照相关的现行标准，规定湿式报警阀、水流指示器局部水头损失取值为0.02 MPa，明显偏高，至少在校核水箱高度时要比这小得多。另外，可通过采用缩小喷头间距、增大管径减少损失等其他措施来满足最不利点喷头在最低工作压力(0.05MPa)下的喷水强度。
    (5)"喷规"10．3．2条规定的5L／s，10 min的消防贮量的气压给水设备，若采用隔膜式气压罐，则一般需2个立式或1个卧式。系统占地约35m2，价格约3.2万元左右。部分人对此规定有些争议，但考虑到新规范比较强调火灾的初期灭火，强调系统能在尽快的时间里出水，为增加安全性，减少部分使用面积，增加一些造价是合理的、值得的。相信随着经济条件的不断提高，安全问题会越来越得到重视。此外，考虑到"建规"第8．8．5条"消防水泵应在火警后5min内启动，并在火场断电时仍能正常运转"，水罐的贮水是否可以按5 min考虑，也值探讨。但个人认为，尽管水泵的启动时间可以很快，考虑到与相关规范的协调一致，以及喷水的不均匀性和其他因素(如火灾发生后，人们习惯于切断电源的思维定势)，作为保障措施，气压罐还是应贮存10min用水。


3  喷头布置问题
    合理布置喷头是自动喷水灭火系统设计安全与经济的关键。"喷规"比较强调的是作用面积内的喷水强度和喷水的均匀性及喷头的适时开放。对于每个喷头的半径，一是和生产厂家的产品及其技术参数有关，二是和喷头所在位置的水压有关，三是和喷头的布置位置有关(结构柱网和各种障碍物的影响)。规范规定的喷头间距只是一个"限"，目的是为了更好地保证喷水强度和喷水的均匀性及适时开放。由于喷头的布置受其他因素影响较大，实际上常常出现喷头不能按一个固定的距离来布置，别说同一建筑中往往不会按一个间距布置，就是同一层、同一防火分区也常常如此。此外，作为土建设计，不同于装修设计，需要给二次装修留有余地，喷头间距不宜按规范规定的最大距离要求设置，而且实际上这么做也不易达到规范要求的喷水强度和喷水的均匀性。
    喷水半径是喷头布置的主要依据，它代表一个经济数值，在喷头工作时不致出现未被覆盖的空白，也不出现过多的重复覆盖面积。它与危险等级的喷水强度、喷头特性和工作压力有关。工程设计中喷头布置视建筑平面在喷水半径范围内，可灵活采用正方形、矩形或平形四边形。喷水半径不同于喷头的计算半径，它是在计算半径的基础上，考虑喷水强度、喷水均匀性、喷头受热条件与适时开放，根据规范的规定而得出的数值，见表1。

喷水强度／L(min·m2)
喷水径／m
正方形布置的边长／m
矩形或平行四边形的长边边长／m
一只喷头的最大保护面积／m2
喷头与端墙的最大距离／m

4

6

8

12～20
3．1

2．5

2．4

2．1
4．4

3．6

3．4

3．0
4．5

4．0

3．6

3．6
20．0

12．5

11．5

9．0
2．2

1．8

1．7

1．5   


4  水力计算
    水力计算将决定系统投入灭火的水量及对灭火水量的分配，是关系系统可靠性、合理性和经济性的一项重要设计内容。
    作用面积法，首先选定最不利作用面积在管网中的位置，此作用面积的形状宜采用正方形或长方形，当采用长方形布置时，其长边应平行于配水支管，边长宜为作用面积平方根的1.2倍，仅在作用面积内的喷头才计算其喷水量，作用面积后的管段流量不再增加，仅计算管道的水头损失。对轻、中危险级，计算时可假定作用面积内每只喷头的喷水量相等；对严重危险级，按喷头处的实际水压确定。
    "逐点法"计算，从系统最不利点喷头开始，沿程计算各喷头的压力、流量和管段的累积流量、水头损失，直到管段累积流量达到设计流量为止；在此后的管段中流量不再增加，仅计算沿程和局部水头损失。
    "逐点法"计算中，每个喷头流量按特性系数法计算，其流量随喷头处压力变化而变化。此计算特点是在系统中除最不利点喷头以外的任一喷头的喷水量或任意4个相邻喷头的平均喷水量均超过设计要求，系统计算偏于安全。这种计算法严密细致，工作量大，但计算时按最不利点处喷头起逐个计算，不符合火灾发展的一般规律。实际火灾发生时，一般都是火源点呈辐射状向四周扩大蔓延，而只有失火区上方的喷头才会开启喷水。因此采用作用面积保护方法及仍在作用面积内的喷头才计算喷水量是合理的。同时由于火灾时对流及风的影响，作用面积的形状以呈矩形更为合理，且矩形面积在管道水力计算时也是最不利的。
    基于以上分析，并结合"喷规"有关条文，不难看出，水力计算时，应采用"矩形面积"保护方法以及仅在"矩形面积"内的喷头才计算喷水量来确定系统设计流量，通过"逐点法"计算矩形作用面积内所有喷头和管道的流量和压力，而作用面积后的管段中流量不再增加，仅计算沿程和局部水头损失。这种"矩形面积一逐点法"是合理的、是与国际接轨的，也是"喷规"的推荐作法。
    在采用"矩形面积一逐点法"计算过程中，当配水支管的实际长度小于边长计算值，作用面积要扩展到该配水管邻近配水支管上的喷头；系统设计流量按最不利点处作用面积内的喷头全部开放喷水时，所有喷头的流量之和确定；局部水头损失宜采用当量长度法(实际计算中，常采用管道比阻与流速系数的概念，将相应的局部当量加入相应管段的管段长度，利用EXCEL来完成支管的计算或系统的计算。因系统的计算涉及到流量修正，要编制相应的"宏"才能自动完成与输出，开始可采取手工进行调整修正工作)；低压方向管段的总流量应按式(1)修正。