自动喷水灭火系统设计中的水力计算

王新发，谢思桃，朱大维
（总后勤部建筑设计研究院，北京100036）

　　摘　要：水力计算是关系系统可靠性、合理性和经济性的一项重要设计内容。帕动喷水灭火系统设计规范》（GB 50084－2001）对水力计算的改动较大，结合新规范对符合其要求的计算方法进行了归纳总结。
　　关键词：消防；自动喷水灭火系统；水力计算
　　中图分类号：TU998．1；TU991．32
　　文献标识码:B
　　文章编号：1009－2455（2002）of－0052－03

　　《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084－200）（以下简称《喷规》）中水力计算改动较大，体现在：规定管道的直径应经水力计算确定；作用面积宜采用矩形；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，并对几种特殊情况下系统的设计流量作出了规定；管道内的流速宜采用经济流速；宜采用当量长度法计算局部水头损失；危险等级及设计参数作了重大调整，对轻、中及严重危险等级，以“快速启动系统、大强度小作用面积喷水控火”为设计思路。
　　现行的手册、教材及有关期刊文献中介绍的内容在设计参数、设计流量及其它诸多方面由于《喷规》的重大改变，已难以与之吻合和满足实际工程计算的需要。同时为了科学严谨地设计系统，有必要对满足《喷规》要求，经济、合理、可靠的管道水力计算方法进行探讨与总结，以利于《喷规》更好地指导实践，服务于工程。

1 现行的自动喷水灭火系统管道水力计算方法[1-3]

1．1 我国的两种水力计算方法
　　①作用面积法
　　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，且每个喷头的喷水量至少等于规定的喷水强度，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（在新的《喷规》中已不再推荐采用此方法）；对严重危险级，按喷头处的实际水压计算喷水量。
　　②“逐点法”
　　“逐点法”计算，从系统最不利点喷头开始，沿程计算各喷头的水压力、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；在此后的管段中流量不再增加，仅计算沿程和局部水头损失。
1．2 欧美自喷水力计算方法
　　①英国《自动喷水灭火系统安装规则加S5306－Part 2－1990规定的计算方法为：应由水力计算确定系统最不利点处作用面积的位置。此作用面积的形状应尽可能接近矩形，并以1根配水支管为长边，其长度应大于或等于作用面积平方根的1．2倍。
　　配水管计算应保证最不利点处作用面积内的最小喷水强度符合规定。当喷头按正方形、长方形或平行四边形布置时，喷水强度的计算，取上述四边形顶点上4个喷头的总喷水量除以4，再除以四边形的面积求得。
　　②美国《自动喷水灭火系统安装标准》NFPA－13（1996年版）规定：对于所有按水力计算要求确定的设计面积应是矩形面积，其长边应平行于配水支管，边长等于或大于作用面积平方根的1．2倍，喷头数若有小数就进位成整数。当配水支管的实际长度小于边长的计算值时，作用面积要扩展到该配水管邻近配水支管上的喷头。
　　作用面积内每只喷头在工作压力下的流量，应能保证不小于最小喷水强度与1个喷头保护面积的乘积。水力计算应从最不利处喷头开始，每个喷头开放时的工作压力不应小于该点的计算压力。
　　③德国《喷水装置规范》（1980年版）规定：首先确定作用面积的位置，要求出作用面积内的喷头数。要求各单独喷头的保护面积与作用面积所有喷头的平均保护面积的误差不超过20％。（相邻4个喷头之间的围合范围为1个喷头的保护面积）。

2 水力计算方法分析

　　“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仅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。
　　基于前文及以上分析，并结合《喷规》有关条文，不难看出，水力计算时，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的“矩形面积一逐点法”计算方法，符合火场实际，科学严谨，并与欧美等国接轨，是合理的、安全的，也是《喷规》的推荐作法。

3 “矩形面积--建点法”计算方法

3．1 矩形面积的确定
　　确定最不利作用面积在管网中位置（必要时可由水力计算确定），作用面积的形状为矩形，其长边平行于配水支管，其长度不小于作用面积平方根的1．2倍，喷头数若有小数就进位成整数。当配水支管的实际长度小于边长的计算值时，作用面积要扩展到该配水管邻近支管上的喷头。
　　仅在走道内设置单排喷头的闭式系统，其作用面积应按最大疏散距离所对应的作用面积确定。系统设计流量按中1级系统的有关规定计算。
　　干式系统的作用面积应按《喷规》表5.0.1规定值的1．3倍确定。雨淋系统中每个雨淋阀控制的喷水面积不宜大于《喷规》表5.0.1中的作用面积。
　　系统设计基本参数见《喷规》表5.0.1、表5.0.5．表5.0.6、表5.0.10。
3．2 系统设计流量计算
　　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——系统设计流量，L／S；
　　　 qi——最不利点处作用面积内各喷头节点的流量，L／min；
　　　 n——最不利点处作用面积内的喷头数；
　　　 Pi——矩形面积内喷头处水压，MPa；
　　　 K——喷头的流量系数。
　　系统设计流量计算中有关情况处理及要求，见《喷规》9.1.4－9.1.9条。
3．3 逐点法水力计算
　　轻、中、严重及仓库级危险级均按逐点法进行水力计算，即矩形面积内每个喷头喷水量按该喷头处的水压计算确定，具体方法如下：
　　①首先假定最不利点处水压，求该喷头的出水量，以此流量求喷头1－2之间管段的水头损失；最不利点水压一般为 0.1MPa，最小不应小于0．05MPa。（最低工作压力是针对屋顶水箱高度往往难以满足最不利喷头压力值而提出的，在消防泵、增压设施扬程计算时，不存在这个问题。在工程设计中，最不利喷头工作压力值以0.05MPa计算，使喷头出水量减小，为保证一定的喷水强度，需缩小喷头间距，增加了作用面积内动作喷头数量，增加了工程投资，而优点仅仅是选水泵时，可以减小约0．05MPa扬程。）
　　②以第一喷头处所假定的水压加喷头1－2之间管段的水头损失，作为第二喷头处的压力，以求第M个喷头的流量。此两个喷头流量之和作为2－3喷头之间管段的流量，以求该管段中的水头损失。以后依此类推。计算至作用面积内的所有喷头和管道的流量和压力。
　　③两管段交点处的计算水压不同时，应按式（3）对交汇点处水压的一侧的管段进行修正^[4]。

　　q₂=q₁(h₁/h₂)^0.5　　　　　　(3)

　　式中：q1——低水压侧管段的修正流量，L/s；
　　　　 q2——高水压侧管段的计算流量，L／s；
　　　　 h1——低水压侧管段的水压，kPa；
　　　　 h2——高水压测管段的水压，kPa。
3．4 经济流速和水头损失
　　①经济流速
　　自动喷水灭火系统管网内的水流速度宜采用经济流速。而对某些配水支管需用缩小管径增大沿程水头损失达到减压目的时，水流速度可以超过5m/s，但也不应大于10m／s。
　　经济流速是经济性、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的含义。结合工程算例分析和有关手册与文献介绍，配水干管和配水支管设计流速采用一般不宜超过3m/s，常用1.3-2.5m/s。
　　②管道沿程和局部的水头损失
　　每米管道的水头损失按式（4）计算：

　　i=0.0000107(V²/d_j^1.3)　　　　　　　(4)

　　式中：i——每米管道的水头损失，MPa／m；
　　　　 V——管道内水的平均流速，m／s；
　　　　 dj——管道的计算内径，m，取值应按管道的内径减1mm确定。
　　管道局部水头损失，采用当量长度法计算，也就是将水流经过弯管、丁字管的局部压力损耗相似于一定长度的直管（新规范推荐采用当量长度法，而对取管道沿程水头损失的20％做法未提及）。 实际计算中，将相应的局部当量加人管段长度，通过编制程序、利用EXCEL来计算，或者直接查水力计算表。
3．5 水泵扬程或系统入口的供水压力
　　水泵扬程或系统人口的供水压力计算如下式：

　　H=Σh+Po+Z （5）

　　式中：H——水泵扬程或系统人口的供水压力，MPa；
　　　　 Σh——管道沿程和局部的水头损失的累计值（MPa），湿式报警阀、水流指示器取值0.02MPa，雨淋阀取值0.07MPa；蝶型报警阀及马鞍型水流指标器的取值，由生产厂家提供；
　　　　 P0——最不利点处喷头的工作压力，Mpa；
　　　　 Z——最不利点处喷头与消防水池的最低水位或系统人口管水平中心线之间的高程差，当系统人口管或消防水池最低水位高于最不利点处喷头时，Z应取负值，MPa。
3．6 减压与减压措施
　　《喷规》第8.0.5条规定“……配水管道的布置，应使配水管人口的压力均衡。轻危险级、中危险级场所各配水管人口的压力均不宜大于0.04MPa”，而自动喷水灭火系统中，不但存在着低层管道系统中水压不平衡，即使在同层中，当保护面积较大时，由于设计是按最不利工作面积计算，同层中有利工作面积内喷头的水压也有剩余，所以习惯是对连接有利工作面积的配水管或配水干管予以减压，减压的方法可以采用设置减压阀、减压孔板、节流管以及缩小有利工作面配水支管的管径等方法增加沿途水头损失达到减压目的。
　　有关规定与计算见《喷规》9.3.1－9.3.5条。

4 结语

　　水力计算将决定系统投人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。经济技术的发展、计算机的大众化及经验的积累，使我们有条件在自动喷水灭火系统设计中科学严谨地进行水力计算，而不采用“估算法”确定设计流量，也不采取在轻、中危险级计算时，假定作用面积内每只喷头的喷水量均等于不利点喷头的喷水量的简化方法。

参考文献：

　　[1] 聂梅生，姜文源，周虎城，等．水工业设计手册-建筑和小区给水排水[M]．北京：中国建筑工业出版社，2000．
　　[2] 刘文镔，赵文田，葛金洪，等．给水排水工程快速设计手册-建筑给水排水工程［M］．北京：中国建筑工业出版社，1998．
　　[3] 陈方肃．高层建筑给水排水设计手册[M]．长沙：湖南科学技术出版社，2001．
　　[4] 刘振印，傅文华，张国柱，等．民用建筑给水排水设计技术措施［M］．北京：中国建筑工业出版社，1997．

　　作者简介：王新发（1952－），男，湖南回隆县人，高工，专业主任工程师。