高层建筑消火栓给水系统水力计算分析

2022-09-11

高层建筑室内消防设计以水作为灭火剂的主要有消火栓系统和自动喷水灭火系统。自动喷水灭火系统又分闭式系统, 雨淋系统, 水幕系统, 自动喷水-泡沫联用系统。其中闭式系统中的湿式自动喷水灭火系统最为常用。本文将重点讨论消火栓系统和自动喷水灭火系统水力计算的有关问题。

1 高层建筑消火栓给水系统水力计算

1.1 水力计算的目的

计算消防给水系统最不利配水点——消火栓口所需水压及实际流量;确定消防给水管网的管径;计算或校核高位水箱的设置高度;选择消防水泵等。

1.2 核心的水力因素

充实水柱长度 (Hm) ;水枪造成充实水柱长度所需水压 (Hq) ;水枪实际射流量 (qx) ;竖管流量 (Q) ;流速 (v) ;管径 (d) ;消火栓口所需水压 (Hxh) 。

充实水柱长度 (Hm) , 水枪造成充实水柱长度所需水压 (Hq) , 水枪实际射流量 (qx) , 三个水力因素跟水枪的工况有关, 三者之间有着密切的联系;竖管流量 (Q) , 流速 (v) , 管径 (d) , 三个水力因素跟管道 (网) 有关;其中最不利点消火栓口所需水压;消火栓口所需水压 (Hx h) 是选择升压设备的主要依据。

1.3 水枪工况水力计算

根据充实水柱长H m要求确定水枪造成充实水柱长度所需水压H q的计算采用下式:

式中:Hq为水枪造成充实水柱长度所需水压 (m) ;

af、为实验系数, 查表可得;

Hm为充实水柱长度 (m) 。

根据水枪造成充实水柱长度所需水压 (Hq) 确定水枪实际射流量 (qx) 的计算采用下式:

式中:qx为水枪实际射流量 (L/S) ;

B为水枪喷嘴出流特性系数, 与水枪喷口直径有关, 具体数值查表可得;

Hq为水枪造成充实水柱长度所需水压;

在得出Hq、qx后便可再求消火栓口所需水压Hx h, 计算用下式:

式中:Hx h为消火栓口所需水压 (k P a) ;Ad-水龙带比阻, 查表可得;

Ld为龙带长度 (m) ;qx为水枪实际射流量 (L/S) ;

Hq为水枪造成充实水柱长度所需水压;

B为水枪喷嘴出流特性系数。

1.4 高层建筑消火栓灭火系统压力分区的水力计算

某新建居住小区高层建筑为例阐述压力分区水力计算过程。

(1) 首先确定最不利点处消火栓栓口所需水压。

本工程中选用水带长度Ld为25m、水枪喷嘴直径为1 9 m m;将流量按5 L/S代入式 (3) 。计算得栓口所需水压为17.8m。经计算, 1 7.8 m栓口压力产生的充实水柱长度为11.3m, 符合“大于等于10m”的要求。

(2) 水泵扬程的确定。

H=标高差+管道总水头损失+最不利点消火栓栓口所需水压= (9 3.6+5.0) +1 0.8+17.8=127.2m。

选择上海熊猫机械公司生产的消防水泵XBD13/40-125L (扬程130m, 流量40L/s) 。

(3) 按所选水泵实际扬程, 则最不利点 (第30层消火栓, 栓口高度距±0.00为93.6m) 消火栓栓口压力值为20.6m, 21~30层这一范围高度为27m (每层层高3m) 。故将21~30层确定为一个给水分区, 此分区内最下面一个消火栓的栓口压力为2 0.6+2 7=4 7.6 (m) , 如此分区不仅能满足静压1.0 M P a的要求, 而且出水压力也小于等于0.5 0 M P a, 从而该区不用设减压装置。

2 高层建筑自动喷水灭火系统水力计算

自动喷水灭火系统是当前世界上广泛使用的固定式灭火系统。实践证明, 其灭火效率高, 工作性能稳定, 适用于一切可用水扑灭火灾的场所。自动喷水灭火系统在任何时候都处于准备工作状态, 且自动化程度高;一旦发生火灾, 就能及时自动喷水灭火。如此高效的灭火效果, 同时不需要专业消防人员的参与, 这是消火栓灭火系统所不能及的。甚至希望用自动喷水灭火系统取代消火栓灭火系统的呼声越来越多。此外, 再加上高层建筑的防火特点是“立足于自救”。因此, 为高层建筑设计安全可靠并且完善的自动喷水灭火系统, 意义十分重大。

2.1 自动喷水灭火系统水力计算的主要内容

自动喷水灭火系统水力计算的目的在于确定管径及选定设备。自动喷水灭火系统水力计算的主要内容有以下几个部分:系统设计流量;单个喷头的出水流量;管道流量计算;管道流速计算;水头损失计算;供水管或消防泵处压力计算。本文将讨论系统设计流量及管道流量的计算。

2.2 确定系统设计流量

自动喷水系统设计流量决定着系统升压水泵的流量, 也影响着消防水池容积的大小。现行《自动喷水灭火系统设计规范》对系统设计流量的规定为, “系统的设计流量, 应按最不利点处作用面积内喷头同时喷水的总流量确定。

式中Qs为系统设计流量 (L/S) ;

qi为最不利点处作用面积内的喷节点的流量 (L/min) ;

n为最不利点处作用面积内的喷头数。

当进行自动喷水灭火系统设计时, 不难发现, 很多建筑确定的系统流量都恰好是《自动喷水灭火系统设计规范》所规定的下限值, 也就是直接选取控制数作为设计参数了。比如中Ⅱ危险级取2 8 L/S。

2 8 L/s这一数值可按下面的计算过程得出。

取最不利作用面积1 6 0 m 2;喷水强度8L/min·m2, 并乘以1.3, 即:

在理想情况下, 并假定作用面积内每只喷头的喷水量均等于最不利点喷头的喷水量, 按前面提到的现行规范介绍的方法也可计算得出2 8 L/s的系统流量值。

仍用中Ⅱ危险级场所的系统设计流量为例, 假如在最小最不利作用面积1 6 0 m2的范围内, 按设计人员在理想状况下常用的正方形布置, 且喷头间距3.4 m, 则需要安装喷头约为16个;再按每个喷头出流量1.33L/s计, 此面积范围所需的流量为1.35L/s×16×1.3≈2 8 L/s。此时若将系统设计流量确定为2 8 L/s是可行的。

但是, 由于在实际布置喷头的过程中, 要考虑梁柱构造对其的影响, 为避免梁柱的遮档, 实际布置的喷头往往比较密。再加上事实上该作用面积内的绝大多数喷头的喷水量均大于最不利点喷头的喷水量, 如果实际最不利作用面积内的喷头一齐动作喷水的话, 2 8 L/s的设计流量就不够用了。

由此可见, 真正安全保险的系统流量计算方法是《自动喷水灭火系统设计规范》规定:系统的设计流量应按最不利点处作用面积内喷头同时喷水的总流量确定。

还是在上述高层小区自动喷水灭火系统设计流量的计算中, 按最不利点处作用面积内实际动作喷头总出水量确定为36L/s。

2.3 管道流量的计算

计算管道流量的目的在于将系统设计流量合理分配给作用面积内的喷头, 与此同时确定作用面积内管道的直径。合理与否的标准在于配水是否均匀, 管道水头损失是否足够小。

关于管道流量目前主要有两种计算方法:一种是作用面积法;一种是特性系数法。

(1) 特性系数法。

特性系数法 (或逐点计算法) 是一种较科学且符合实际情况的计算方法, 但计算工作量较大。它是从系统的最不利点喷头开始, 沿程逐个计算各喷头的压力、流量和管段的累计流量、水头损失, 直到管段累计流量达到设计流量为止。在此之后的管段、流量不再增加, 仅计算沿程和局部水头损失。

这种计算方法设计的系统安全性较高, 即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个喷头的平均喷水量均超过设计要求。因此在火灾危险性大、燃烧物热量大的场所的管道计算及开式雨淋、水幕系统的管道水力计算可采用这种方法。

(2) 作用面积法。

作用面积法的核心是假定在作用面积内, 每个喷头的喷水量均等于最不利点的喷水量, 各喷头节点的水压相等, 以此来简化计算。

该方法的计算过程简单, 其应用在轻危险级和中危险级系统的计算是较安全的。可行的主要原因是它考虑到实际火灾发生时, 一般只开启一个或几个喷头, 此时由于系统的出水量远未达到设计流量, 系统水头损失较小, 喷头处实际水压和流量必定会超过设计值。

(3) 现行规范与实践操作的对比。

《自动喷水灭火系统设计规范》规定:轻危险级、中危险级场所中配水支管、配水管控制的标准喷头数, 不应超过一定的数值, 并列表写出。规范限制各种直径管道控制的标准喷头数, 是为了保证系统的可靠性和均衡系统管道的水力性能。规范里的数字跟用作用面积法计算所得的结果相接近, 但跟特性系数法的计算结果有一定的差距。而特性系数法的计算结果更符合实际一些。同时, 规范里的数字仍然是控制数。虽然直接选取它们作为设计的依据没有违反规范要求, 但按控制数来确定配水管喷头个数, 并不能使喷头及管道体现良好的水力性能。

根据若干参考文献及一些计算实例的结果对于中危险级场所, 表1列出了比较合理的管道控制喷头数。在布置喷头的时候, 可按表1中的数字选择变径节点。

3 结语

本文在消火栓给水系统水力计算中着重强调了“控制数”这一概念, 认为只要选取控制数就是正确可行的方案是认识的误区。在自动喷水灭火系统的水力计算中, 同样对目前系统设计流量的新旧计算方法做了介绍与分析。指出2 8 L/S (中Ⅱ级) 虽然可通过新规范计算获得, 也可按老规范介绍的方法计算获得, 但事实上2 8 L/S (中Ⅱ级) 是不符合实际情况的。最后对中危险级场所配水支管、配水管控制的标准喷头数进行实践与规范对比, 为广大设计者提供参考。

摘要：本文通过对消火栓给水系统、自动喷水灭火系统水力计算, 提出了只要选取控制数就是正确可行的方案是认识的误区, 要着重强调多次的计算和验算, 并对规范与实践的控制数规定进行了对比分析, 提供了经多次计算得出的控制数给设计得以参考。

关键词：高层建筑,消火栓给水系统,自动喷水灭火系统,水力计算