自动喷水灭火系统设计中的几个重要问题-论文

1 / 16 自动喷水灭火系统设计中的几个重要问题（谢思桃 孙玉林 王新发 朱大维） 简介： 从设计的角度，给合自动喷水灭火系统设计规范 (GB50084-2001) 1 (以下简称喷规 )和工程实践对自动喷水灭火系统设计中的喷头布置、水力计算、消防水箱及水泵接合器等问题进行分析、探讨，供专家、同行批评、指正。 关键字：自动喷水 设计 喷头布置 水力计算 消防水箱 水泵接合器 1 喷头布置 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，三是和喷砂的布置位置有关 (结构柱网和各种障碍物的影响 )。喷规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。 1.1 喷头布置原则与要求 (1)满足作用面积内的喷水强度、喷水的均匀性及喷头的适时开放 (喷头的受热条件和开放时间 )； (2)喷头在喷水半径内灵活布置，不出现未被覆盖的空白，也不出现过多的重要覆盖面积； 2 / 16 (3)保证喷湿墙根及一定范围内的墙面； (4)喷间之间 不应互相影响； (5)按规范和实际处理障碍物的遮挡，并积极与相关专业协调； (6)应满足其它相关规范对喷头布置的要求； (7)考虑火灾时烟羽流对喷头动作的影响； (8)结合实际，全面分析相关规范，吃准吃深规范中的字眼，综合考虑。 1.2 喷水半径与喷头布置 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，也不出现过多的重要覆盖面积。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。具体见表 1：由于喷头的布置受其它因素影响较大，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，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，需要给二次装修留下有余地，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3 / 16 到规范要求的喷水强度和喷水的均匀性。 设计时必须根据工程实际情况，按设计选定的喷 水强度、喷头的流量系数、工作压力确定，并考虑喷头的受热条件和开放时间，在满足规范要求的喷头强度条件下，按喷头的实际工作压力，结合建筑分隔与结构柱网灵活布置。在布置中，喷头间距不应是个定数，应根据所在位置的条件来定，最终目的还是保证喷水强度和喷水的均匀性及适时开放。 1.3 不宜演绎集热板 喷规对集热板的要求，见 7.1.7 条，它是针对货架喷头布置而提出的，喷规称为集热档水板。当喷头上方有孔洞、缝隙，为防止喷头因热气流不停留或上部喷头淋水降温而不能启动时，规定应在喷头的上方设置集热板。另外，汽车库、修车 库、停车场设计防火规范 2中的 7.2.3.2条规定，对机械立体汽车库，复式汽车库按停车的托板位置分层布置的喷头，应在其上方设置集热板。而在工程实践中，集热板的使用场合远不止于此，已在较多场合得到了演绎，但这一种做法不但没有规范依据，而且也往往与设置的初衷背着而驰。根据美国 FM 公司的一 项研究结果表明，喷头动作所需 80%以上的热量都来自热对流，而传递给喷头的对流热量需要热空气流经喷头才能完成。若起火点不是正对着喷头，那么上升的热对流就不会在集像一个倒扣的盒子，遮挡了热气流铁水平流动，火灾时在喷头处形成空气流 动死角，4 / 16 而延误喷头响应时间。因而，对集热板的设置及其演，应慎重考虑，并应依据现行规范，结合实际情况，分析论证后确定。 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。根据对喷规的理解和大量相关资料及部分工程实例的分析，觉得水力计算应采用 矩形面积 -逐点法 ，也就是首先确定最不利作用面积在管网中的位置 (必要时可由水力计算确定 )，作用面积的形状宜为矩形，仅在作用面积内所包含的喷头计算其喷头量；之后选定最不利计算路线，采用节点流量法将最不利作用 面积内的每个喷头的压力值和出流是一一求出，当两个分支交汇时，根据两分支的压力差对压力较高的分支进行流量修正，然后将作用面积内经 过流量修正之后的所有喷头出流量的总和作为整个自动喷水灭火系统的设计流量，在此以后的管段流量不再增加，仅计算沿程和局部水头损失，一直算到管网起点。 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。 3。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更为合理，且矩形面 积在管道水力计算时也5 / 16 是最不利的。因而这种 矩形面积 -逐点法 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。 (1)矩形面积的确定：作用面积的形状宜为矩形，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。 (2)经济流速和最不利点处水压 经济流速： 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。采用经济流速是给水系统设计的基础要素，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为经济流速，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，电费却省，管径小一次投资省，但水头损失大，水泵扬程高，电费高。 喷规在管道水力计算 9.2.1 条也规定 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6 / 16 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支运行状态，故可以提高流速，减小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，其出水量必然过大，将过早地用完消防贮水 。因而管道流速宜采用较低值，管径小时尤宜采用低值。 同时，从上述分析中也不难看出，喷规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，并非能常意义上的经济流速 (但其条文及其说明中均未涉及 !)。结合工程算例分析有关手册与文献介绍 3-6，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，是比较安全、经济、合理的。 最不利 点处水压：最不利点水压一般为 0.1MPa，最小不应小于 0.05MPa。过去大家习惯认为 0.05MPa 是针对屋顶水箱高7 / 16 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，都得取 0.1MPa，但实际上情况并非如此，甚至可以说对于某种类型的自动喷水灭火系统，按现行规范，一般应取 0.05MPa，而非 0.1MPa。大家都知道，由于地下车库喷头布置，一是要按喷规中危险 级，二是应在停车位上方设置，三是受结构柱网限制和其它遮挡及其处 理的影响，使其喷头一般都得布置较密，此时而再按 0.1MPa 来计算，一是设计流量偏大，可达 40L/s(不包括防护冷却水幕用水量 )，二是损失过大，水泵扬程过大，相应的水箱高度也就越大。因此个人认为对于诸如地下车库这类喷头不得不布置过密的系统或场合，宜取 0.05MPa，且这样做能较好的满足现行规范的要求。 (3)系统设计流量计算及支管流量修正 系统的设计流量，应按最不利点处作面积内喷头同时喷水的总流量确定，其计算公式见喷规 9.1.3 条。不同的喷淋管网因喷头间距、管网规模、管道布置等不同，喷淋系统的总用 水量和喷水不均匀性可能有较大差别，且喷淋管网中实际存在的喷水不均匀性，喷淋系统的总用水量应当通过认真的水力计算确定，否则，所确定的喷淋泵型号很可能是不合适的，系统可靠性、合理性和经济性也不好保证。 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。 8 / 16 两管段交点处的计算水压不同时，应按式 (1)对交汇点处低水压的一侧的管段总流量进行修正 7。 式中， q1-低水压侧管段的修正流量 (L/s)； q2-低水压侧管段的修正流量 (L/s)； h1-低水压侧管段的水压 (KPa)； h2-高水压侧管段的水压 (KPa)。 (4)管道沿程和局部水头损失每米管道的水头损失计算式见喷规 9.2.2 条，管道局部水头损失，宜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。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 )。 (5)水泵扬程或系统入口的供水压力 水泵扬程或 系统入口的供水压力计算式见喷规 9.2.4条，这与原规范有所变化，且规定湿式报警阀、水流指示器取值为 0.02MPa(这比实际计算值大 !)。 (6)减压与减压措施 喷规第 8.0.5 条规定 配水管道的布置，应使配水管入口的压力均衡。轻危险级、中危险级场所所各配水管入口的压力均不宜大于 0.4MPa而自动喷水灭火系统中，9 / 16 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员失达到减压目的。 有关规定与计算见喷规 9.3.1-9.3.5 条。 消防水箱与水泵接合器 .1 消防水箱 供水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 ?quot;按建筑分类分别采用一级供电或二级供电加柴油机 ，临时高压给不系统应设消防水箱等规定。我国现行水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 8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，火势将以每秒几千瓦至十几千瓦的速率增长，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使火灾超出系统的控灭火能力 9。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10 / 16 第 10.3.1、 10.3.2 规定： 采用临时高压给水系统的自动喷水灭火系统，就设高位消防水箱，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温式系统、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 10min喷水的用水量，控制初期火军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头强度。 但单独设置稳压泵，仅能为系统稳压而不能提供灭火初11 / 16 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，其出水量应满足一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 5130 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 1.33120 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，这就给设计带来了难度的同进也有了一定的灵活性。 实际上， 0.05Mpa 应是动压而非静压。 0.05Mpa 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 ?quot;如果顶层最不利点处喷头的水压要求为 0.1Mpa，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。根据上述情况和参考国外有关规12 / 16 范，将最不利喷头的工作压力确定为 0.05Mpa。 (3)高位水箱的高度，建规 10规定设在建筑物的最高处 (建规送稿也有静压 0.07Mpa 的要求 )，高规要求保证顶层消火栓 0.07Mpa 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 0.05Mpa 动压要求，在动力可靠、管理到位的情况下，以 0.05Mpa 静压考虑也是可行的 。 (4)高位水箱的设置保证 0.05Mpa 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，加上管钱较长，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 7m(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，可以满足规范的要求。 (喷规按照相关的现行标准，规定湿式报警阀、水流指示吕局部水头损失取值为0.02MPa，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它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 规定的 5L/s、 10min 的消防贮量的13 / 16 气压给水设备，若采用隔膜式气压罐，由一般需 2 个立式或1 个卧式。立式的可选用 91SB3-132 中 SBQL16001.5 的两个就可以了。系统占地约 35m2，价格约 3.2 万元左右。部分人对此规定有此争议，但考虑到新规范比较强调火灾的初期灭火，强调系统能在尽量快的时间里出水，和火灾发生后人们习惯于断电的思维，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，同时，随着经济条件的不断提高 ，设施也会越来越有利于工程。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。 及 建规 送审稿等 8.7.9 条 消防水泵应保下在火警后自动启泵，并在火场断电时仍能正常运转 的规定，水罐的贮水是否可以根据建规按 5min 考虑，也值探讨。但个人认为，尽管水泵的启支时间可以很快，考虑到与相关规范的协调一致，以及喷水的不均匀性和其它因素，作为保障措施， 气压罐还是应贮存 10min 用水。 .2 水泵接合器 水泵接合器的主要用途是当室内消防泵发生故障或遇大火室内消防用水不足时，供消防车从室外消火栓取水，通过水泵接合器将水送到室内消防给水管网用于灭火。 (1)在自喷灭火系统中，因报警阀组均有止回阀，水泵拼命器设在阀后 (沿水流向 )水不会倒流，加上因水消防车到14 / 16 达现场通过水泵拼命器向室内自喷消防管网输水时，火灾为已知情况，不需再次启动压力继电器及水力警铃报警，也不必再次启以消防水泵等设施，水泵接合器可直接接在湿式报警阀后 11。但对于系统有两个或两个以上报警阀 组，还设在阀后那么其他阀将不能再公用此水泵接合器了，那就得每个报警阀后至少设一个水泵结合器。同时考虑到喷规10.1.4 条的规定 当自动喷水灭火系统中设有 2 个及以上报警阀组时，报警阀组前宜设环供水管道 ，对于 2 个及以上报警阀组的系统还是设在阀前为好，可以互为备用。另外水泵接合器位置应考虑连接消防车水泵的方便，且离水源不宜过远。 (2)喷规 10.4.2 条规定，当水泵接合器的供水能力不能满足最不利点处作用面积的流量和压力要求时，应采取增压措施。这一规定与高规 7.4.5.2 的规定 消防给水为竖向分区供水时 ，在消防车供水压力范围内的分区，应分别设置水泵接合器 相比，提高了水泵接合器的要求，已不再局限于 一步到位 ，这一规定是经验的总结，也是实际的需要，有利于提高系统的可靠性。