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消火栓给水系统动态模拟 摘要 建筑消防是建筑给排水设计中最重要的一部分内容，目前，室内消火栓给 水系统又是建筑消防中采用的最基本、最普遍的一种灭火方式。长期以来，在 工程实践中我们习惯了环状管网按枝状管网计算，造成了计算结果有一定的人 为误差。 本文在介绍消火栓系统的组成、特点的基础上，总结了消火栓系统常用的 给水方式，并讨论了每种给水方式的性能，在实际工程中可根据建筑物结构的 不同进行组合和扩展。此外，本文还分析了滴火栓给水系统超压产生的原因，。 并提出了预防消火栓给水系统超压的有效措施。 讨论了在消防过程中，消火栓系统管网中水流的真实状态。认为某一点着 火后，不仅是传统的计算管路有水流通过，其他的管路也有水流通过。在此基 础上，根据消火栓系统出水的的特点，应用环状管网的计算方法，利用有限元 建立数学模型。该方法在计算水头损失、管段流量、消火栓节点压力等方面比 传统方法要更加准确，也可被借鉴用于室外给水管网的计算。编制了计算程序， 为工程设计提供了一种计算准确、使用方便的计算软件。 通过对工程实例的计算结果分析表明，在按规范要求最小管径计算时，管 道中水流的实际流速小于最佳流速，因此消火栓系统管径有进步缩小的空间。 关键词：消火栓消火栓给水系统给水方式超压水力计算 t h ed y n a m i cs i m u l a t i o ni nh y d r a n tr i n g e d w a t e rs u p p l y a b s t r a c t f i r ep r o t e c t i o no fb u i l d i n g si st h em o s ti m p o r t a n to fb u i l d i n g sw a t e rs u p p l y a n dd r a i n a g ee n g i n e e r i n gd e s i g n n o w , f i r eh y d r a n ts y s t e mi st h eb a s i ca n d e x t e n s i v e l ya d o p t e dt e c h n i q u eo fb u i l d i n g sf i r ep r o t e c t i o n w eh a v eb e e nu s e dt o c a l c u l a t et h ed i a m e t e ro fr i n g e dp i p i n ga c c o r d i n gt or a m i f o r mp i p i n gi np r o j e c t p r a c t i c e ，t h e ni tr e s u l tf a c t i t i o u se r r o r t h i sp a p e rs t u d i e da n ds u m m a r i z e dt h ew a t e rs u p p l ym o d eb a s e do nt h e r e s e a r c ho fc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n s t i t u t i o no ff i r eh y d r a n ts y s t e m ，a n di ta l s od i s c u s s t h ep e r f o r m a n c eo fe v e r ym o d e t h em o d e sc a nb ee x p a n d e da n df i tt o g e t h e ri nt h e p r a c t i c eo fe n g i n e e r i n ga c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eo fb u i l d i n g s c o n s t r u c t i o n b e s i d e s ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ec a u s eo ft h eo v e r p r e s s u r ep r o b l e m so ff i r e f i g h t i n g w a t e rs u p p l y i n g s y s t e m ，a n de f f e c t u a l m e a s u r e s p r e v e n t e d t h eo v e r p r e s s u r e p r o b l e m sw e r ep r o p o s e da c c o r d i n gt oe x p e r i e n c e s t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h er e a lm o d a l i t yo fh y d r a n tr i n g e dw a t e rs u p p l yi nt h e p r o c e d u r eo ff i r ef i g h t i n g i tf i g u r e do u tt h a tt h e r ew a sf l o wo fw a t e rn o to n l yi nt h e c a l c u l a t e dp i p e l i n eb u ta l s oi no t h e rp i p e l i n e s o nt h i sb a s e ，t h ep a p e r g a v eaw a y o f h y d r a u l i cc a l c u l a t i o na c c o r d i n gt ot h et i n g e dh y d r a n tp i p i n gc h a r a c t e r i s t i c t h i s m e t h o du s e df e mt ob u i l dm a t h e m a t i cm o d e i ti sm o r ea c c u r a t et h a nt r a d i t i o n a i m e t h o da tt h ea s p e c to fc a l c u l a t i n gh e a dl o s s ，p i p ef l o wa n d n o d ep r e s s u r eo f h y d r a n t t h i sm a t h e m a t i cm o d e lc a na l s ob e u s e di nt h ei ns i d ea n do u t s i d eo fw a t e r s u p p l yp i p i n gc a l c u l a t i o n ac a l c u l a t i o np r o g r a mi sm a d ea n da na c c u r a t e c o n v e n i e n ts o f t w a r ei so f f e r e dt oe n g i n e e r i n gd e s i g n a n a l y z e dt h eo u t c o m eo fa ne n g i n e e r i n gp r a c t i c ec a l c u l a t i o n ，t h er e a lv e l o c i t y o ff l o wi nt h ei e a s td i a m e t e r so fm a n u a l i sl e s st h a nt h eb e s tv e l o c i t yo ff l o w s ot h e d i a m e t e r sv a l u e sc a nb em i n i s h e d k e yw o r d s ：h y d r a n t ，h y d r a n tw a t e rs u p p l ys y s t e m ，t y p eo fw a t e rs u p p l y ， o v e r p r e s s u r e ，h y d r a u l i cc a l c u l a t i o n 插图清单 图1 1 室内火灾温度一时间曲线图2 图2 1 消防水泵与室内消防环装管连接方法1 0 图2 2 不分区供水方式图1 l 图2 3 并联分区室内消防给水系统1 2 图2 4 串联水泵供水方式1 5 图2 5 串联水箱供水方式1 6 图2 6 重力水箱供水方式1 7 图2 7 消火栓布置间距1 9 图4 1 简化的系统管网3 0 图4 2 传统假设3 0 图4 3 实际情况3 1 图4 4 消火栓系统管网水力计算程序框图3 7 图5 1 消火栓系统图3 9 表格清单 表2 1 各类建筑所要求的水枪充实水柱长度1 7 表2 2 系数。值：2 1 表2 3 系数口，值，2 1 表2 4 水流特性系数b 值z 2 表2 5 水龙带的比阻丘值2 2 表2 6 最不利点计算流量分配2 3 表2 7 当量长度2 4 表3 1 消火栓减压孔板比阻s 2 8 表3 2 减压孔板的局部阻力系数2 8 表3 36 5 r a m 消火栓减压孔板的水头损失2 8 表3 4 减压稳压式消火栓的技术参数l ”2 9 表5 一i 要求输入的管段数据4 0 表5 2 要求输入的节点数据4 1 表5 3 按照有限元方法计算出的结果4 3 表5 4 按照传统水力计算方法的计算结果4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期：凶伊从月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金挺王些太兰有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 盒胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 导师签名： 签字日期：& 岬年从月7 日签字日期：7 年，嵋，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话：，jgf 9 口三7 乡 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先要感谢合肥工业大学的领导和老师给我这个再次学 习的机会，特别要感谢的是我的导师沈致和教授两年半来对我的悉心指导和无 限的关怀，借此机会向沈老师表示衷心的感谢! 在研究生的学习和论文的写作过程中，沈老师倾注了大量的心血，从论文 的选题、方案的实施、写作过程到论文的修改与定稿，无不凝聚了沈老师辛勤 的汗水。沈老师严谨的治学态度、兢兢业业的工作精神和平易近人的作风，使 我无论是在学业上还是生活上都获益良多、受益匪浅，成为我学习的榜样。 在研究生学习阶段和论文的写作过程中，我还得到了土建学院徐得潜教授、 王军教授等众多领导和老师的关怀与帮助，对他们表示诚挚的感谢! 在课题的研究和论文的写作工程中，我还得到了同学和朋友的帮助。我们 在学习上互相帮助，在生活上互相关心，两年半的时间里我觉得生活充实而且 开心。感谢同学们与我一起走过这段学习的历程，祝愿他们拥有更加灿烂的明 天。 最后，我要感谢我的父母和女友，是他们在生活上给我无微不至的关怀， 精神上给我不断前进的动力，是亲情的力量给了我克服一切困难的勇气。借此 机会我向他们表达我由衷的感激之情，辛苦了，我的父母! 作者：张金 2 0 0 7 年1 1 月 第一章绪论 1 1 引言 火，给人类带来文明、光明和温暖，但是失去控制的火，也常常给人类带 来灾难p j 。人类使用火的历史与同火灾作斗争的历史相伴而生。据统计，火灾 是仅次于干旱和洪涝位列第三大灾难，而火灾发生的频率却位居各种灾难的榜 首。 目前，随着我国经济的快速发展，城市化进展迅猛，人与建筑的关系也越 来越密切，人们工作、生活的更多时间是在建筑物内度过的，人们赋予建筑的 功能也更加复杂和综合。城市中各种功能的大型建筑、高层建筑的不断涌现， 使火灾的危险性和危害性大大增加，也使火灾所造成的损失越来越严重。如何 及时的发现并控制火势的发展，甚至在火灾初起阶段就能够有效的将火灾扑灭， 已经成为人们普遍关心和深入研究的主题。 1 2 火灾的定义及分类f 卸 火灾是一种违反人们意志，在时间和空间上失去控制，并给人类带来巨大 灾害的燃烧现象。根据可燃物的燃烧特性，通常将火灾分为a 、b 、c 、d 四类。 a 类火灾：是指固体物质火灾。这种物质往往具有有机物性质，一般在燃 烧时能够产生灼热的余烬，如木材、棉、毛、麻、纸张等引起的火灾。 b 类火灾：是指液体火灾和可熔化的固体物质火灾，如汽油、原油、甲醇、 乙醇、沥青、石蜡等一起的火灾。 c 类火灾：是指气体火灾，如煤气、天然气、甲烷、氢气等一起的火灾。 d 类火灾；是指金属火灾，如钾、钠、铝镁合金等引起的火灾。 此外，随着社会和经济的发展，现代科学技术被广泛应用，带电火灾发生 的频率也越来越高，这引起人们的普遍重视，目前我国部分消防技术规范对此 类火灾的控制和扑灭也作了相应的要求。 1 3 建筑火灾的发展和蔓延 火灾的发生、发展的整个过程是非常复杂的，影响因素也很多，但是通过 对燃烧理论的研究发现，热量传播伴随火灾发生、发展的整个过程，是影响火 灾发展的决定性因素，且热量传播的传导、对流和辐射这三种途径在火灾发展 的各个阶段起的作用也各不相同。 1 3 1 建筑室内火灾的发展 室内火灾的发展过程可以用室内烟气的平均温度随时间的变化来描述，如 图l 一1 所示。根据室内火灾温度随时间的变化特点，可以将火灾发展过程分为 三个阶段，即火灾初起阶段( o a 段) 、火灾全面发展阶段( a c 段) 、火灾熄灭 阶段( c 点以后) 。 l 、初起阶段 室内发生火灾后，最初只是起火部位及其周围可燃物着火燃烧，火灾燃烧 范围不大；起火点处局部的温度较高，室内各点的温度极不平衡；由于受可燃 物燃烧性能、分布、通风、散热等条件影响，火势发展不稳定；初起阶段持续 时间不确定。 蜊 赠 霹 牛 昱 删 0 图1 1 室内火灾温度一时间曲线图 根据初起阶段的特点可见，该阶段是灭火的最佳时机，也是人员安全疏散 的最有利的时段。因此，应设法尽早发现火灾，把火灾及时控制、扑灭在起火 点。 2 、全面发展阶段 当火灾温度达到一定值时，聚积在房间内的可燃气体突然起火，整个房间 都充满了火焰，燃烧很猛烈，温度升高很快。房间内局部燃烧向全室性燃烧过 渡的这种现象通常称为轰燃。轰燃是室内火灾最显著的特征之一，也是火灾全 面发展阶段开始的标志。轰燃发生后，所有可燃物都猛烈燃烧，放热速度很快， 房间内温度升高很快，并出现持续高温，最高温度可达1 1 0 0o c 左右。这一阶段 的火灾对于人和建筑物的威胁最大。 3 、熄灭阶段 熄灭阶段是火灾发展的后期，随着室内可燃物的挥发物质不断减少以及可 燃物数量的减少，火灾燃烧速度递减，温度逐渐降低。当室内平均温度降到温 度最高值的8 0 时，则一般认为火灾进入了熄灭阶段。根据实践证明，该阶段 2 前期，燃烧仍十分猛烈，而且长时间的高温作用和灭火射水的冷却作用，使建 筑物破坏严重，该阶段建筑物倒塌的危险最大。 1 3 2 建筑室内火灾的蔓延 4 1 建筑物内某一房间发生火灾，当发展到轰燃之后，火势猛烈，就会突破该 房间的限制，向建筑物的其他空间蔓延。 1 、火灾在水平方向的蔓延 ( 1 ) 未设防火分区 对于主体是耐火结构的建筑物来说，造成水平蔓延的主要原因之一就是建 筑物内未设水平防火分区，没有防火墙及相应的防火门等形成控制火灾的区域。 ( 2 ) 洞口分隔不完善 对于耐火结构建筑物来说，造成火灾水平蔓延的另一个主要途径是洞口处 的分隔处理不完善。例如户门为可燃木质门；普通防火卷帘没有水幕保护，卷 帘被火灾烧熔化等等。 ( 3 ) 火灾在吊顶内部空问蔓延 目前，有些框架结构的高层建筑物竣工时是个大的通间，在出售或出租给 用户后，由用户自行分隔、装修。有不少装设吊顶的高层建筑，其房间与房间、 房间与走廊之间的分隔墙只做到吊项底部，吊顶的上部空间仍可以连通，一旦 火灾发生极易在吊顶内部蔓延，且难以及时发现，导致火情扩大蔓延。 ( 4 ) 火灾通过可燃的隔墙、吊顶和地毯等蔓延 可燃构件和装饰物在火灾时直接成为火灾荷载，由于它们的燃烧而导致火 灾蔓延的例子很多。 2 、火灾在竖直方向的蔓延 ( 1 ) 火灾通过楼梯间蔓延 高层建筑的楼梯间，如果在设计和施工阶段未按规范要求达到防火、防烟 要求，则在火灾发生时楼梯间犹如烟囱一般，使火灾迅速向起火点以上楼层蔓 延。 ( 2 ) 火灾通过电梯井蔓延 电梯间未设防烟前室及防烟前室没有用防火门与走廊分隔，同样也会起到 烟囱效应，导致火灾迅速在竖向蔓延。 ( 3 ) 火灾在其他竖井蔓延 建筑物中的通风竖井、管道井、电缆井、垃圾井也是高层建筑火灾蔓延的 主要途径。 3 、火灾通过空调系统管道蔓延 通风管道使火灾蔓延一般有两种方式，第一种方式为通风管道本身起火并 向连通的水平和竖向空间蔓延，第二种方式为通风管道吸进火灾房间的烟气。 并在远离火场的其他空间在喷冒出来，引起其他空间新的火灾发生。后一种蔓 延方式更加危险，所以在通风管道穿越防火分区处，一定要设置具有自动关闭 功能的防火阀门。 4 、火灾由窗口蔓延 在建筑物中，由起火房间窗口喷出的火焰，往往会烧毁上层窗口，引燃上 层房间内的可燃物，使火灾蔓延到上部楼层。 1 4 国内外消火栓系统应用的发展现状 1 4 1 我国消防工作的现状 中华人民共和国消防条例规定，我国的消防工作方针是“预防为主， 防消结合。”消防工作主要涉及防和消两个方面，这两个方面存在三种模式。0 1 1 预防为主，防消结合。这种模式强调以防为主，以消为辅。防与消相比， 防处于主导地位。根据这种意思，建筑物之间应有足够的防火间距，建筑构件 的燃烧性能和耐火极限有明确要求；同时，严格进行防火分区，并限定分区面 积；设置疏散设施；而消降为次要地位，灭火强调以外救为主。在这个指导方 针指导下，会促进防火技术的快速发展，相对抑制灭火技术的发展。 2 防消结合，以消为主。这种模式以消为主，以防为辅。在这种模式下， 建筑物之间由于条件所限，往往没有足够的防火间距，防火分区的概念相对淡 化。消防工作的重点着眼于灭火技术上。这样，防消结合，以消为主这种消防 模式能够促进灭火技术的发展，但以消为主在某种程度上会将用于防的投入转 到消的方面来，减少在防火技术上的投资，从而削弱建筑物本身的防火能力。 我们在较长时间内推崇灭火效果相对稍差的消火栓灭火系统而忽视既具有很好 的防火功能又具有灭火功能的自动喷水灭火系统，除了经济因素外，与以消为 主的方针有密切关系。 3 防消结合，防消并重。这是防消关系的第三种模式，这种防消并重的模 式，两者都不偏废，强调平时能防则防，但在防的方面有欠缺时，就在消的方 面予以加强。在这种方针的指导下，新型建筑模式的设计、建造，新型材料的 研制、开发和应用与新型灭火系统的使用和实践同步发展，都会取得技术的进 步。 1 4 2 我国消火栓系统的地位 我国的综合消防体系由建筑防火分区系统、火灾自动报警系统、消火栓系 统、自动喷水灭火系统组成，此外国家工程建设消防技术规范规定的建筑防火 技术还有建筑物的耐火等级、防火间距、装修材料控制、安区疏散、防排烟设 4 施等。消火栓灭火系统是目前我国基本的建筑灭火手段之一， 规范 1 1 规定 高层建筑必须设室内、室外消火栓给水系统。尽管我国将逐步建立以自动喷水 灭火系统为主的消防结构体系，自喷系统在火灾初期，从探测到喷头动作储水 灭火，有着发现早、速度快、自动化程度高的优势，但在火灾后期，特别在火 灾- - d , 时后，未能扑灭火灾的情况下，由于建筑内部受到的的破坏，自喷系统 将自行失去灭火功能，该系统被关闭，要保证消火栓系统继续工作。消火栓系 统仍将是不可取代的主要消防手段。消火栓系统按位置区分，分为室外和室内 消火栓给水系统。 1 4 3 国外发展现状 消防系统的水平决定于国家的工业水平，而我国所处地球经纬度又与美国 非常相似，既有高纬度地区又有低纬度地区，因此本文主要以美国的消防系统 作比较。发达国家以自动喷水灭火系统为室内主要灭火手段，在消火栓系统的 设计上与我国有很多不同。 1 n f p a l 4 【9 l 把消火栓分为5 个系统：全自动干式系统、全自动湿式系统、半 自动干式系统、手动干式系统、手动湿式系统。国内对消火栓提出常高压系统 和临时高压系统。 2 对于临时高压给水系统，我国规范要求必须设屋顶水箱。发达国家则是 在电源、设备元件、自动控制技术上提高供水的安全可靠性，这主要依赖于电 器设备生产水平，但能够节省建筑面积并节省一定的工程投资。 3 美国由于以自喷系统为主，对消火栓系统的要求没有我国的严格。当栓 口静水压力超过1 2 1 m p a 时应设减压装置，国内要求消火栓栓口的静水压力不应 大于0 8 m p a ：消火栓的间距，水龙带的最大长度为3 根2 5 m 的带子；设有自动喷 水系统的建筑内部消火栓系统的设计水量相比我国大为减小。 4 美国对消火栓栓口的压力要求严格。d n 6 5 消火栓口处最大最小剩余压力 为0 6 9 m p a ，d n 4 5 ，d n 2 5 消火栓的最大最小剩余压力为0 4 5 m p a ，消火栓的栓口压 力为恒定值，通常使用减压稳压消火栓。 5 美国对消防系统的要求比较具体。例如规定要求系统任何一点的压力在 任何时间不能超过2 4 1 m p a ：对消防泵的性能规定水泵出水量为选定工作点的流 量的1 5 0 时，其扬程不小于选定的工作点的扬程6 5 等。而我国对这些没有规定。 1 5 本文研究内容 建筑内部消火栓系统设计目的是满足室内消火栓消防用水量和水压，保证 系统的安全运行。工程设计的任务是用最少的材料、最经济的成本完成具体工 程的功能需求。本课题是对室内消火栓给水系统设计优化进行研究，以求得设 计的安全性和经济性。内容包括讨论可能的室内消火栓管网给水型式的性能和 可行性，给水管网的水力计算，以及给水设施的设计、计算、选型的优化。其 中给水设施包括临时供水设施，如水泵结合器；自动供水设施，如消防水箱、 气压给水设施：辅助供水设施，如增压泵、稳压泵：减压装置，如比例式、定压 式减压阀等。 我国高层民用建筑设计防火规范规定高层建筑必须设置室内、室外 消火栓系统，室内消防给水应采用高压或临时高压给水系统。消火栓系统的设 计中包括给水方式的选择、给水分区的选择，水泵、水箱、水池及管网的计算。 工程中主要采用近似计算。 目前国内外文献中对于消火栓给水管网的水力计算，只提供了一些基本的 公式，如消火栓口压力、水头损失。对于消火栓给水管网作为环状管网计算的 研究还不是很详尽。本课题就是针对目前此状况进行研究，将消火栓给水管网 作为环状网进行计算研究，并将计算结果与传统的计算结果进行对比，以进行 相对详细地论述。 本课题对建筑室内消火栓给水系统进行优化设计，使给水方式经济安全更 加合理，同时使管网水力计算准确快速。最后对此计算优化过程进行电脑编程， 生成实用的应用软件。 6 第二章消火栓系统综述 以水为灭火剂的消防给水系统，按灭火设旅可分为消火栓灭火系统和自动 喷水灭火系统。消火栓灭火系统按建筑物外墙为界，又可分为室外消火栓灭火 系统和室内消火栓灭火系统，又称为室外消火栓给水系统和室内消火栓给水系 统。嗍在民用建筑中，消火栓灭火系统作为一种简便、有效的灭火方法，得到 了广泛的应用。 2 1 消火栓给水系统的分类 根据消火栓给水系统服务对象的不同分为：城市消火栓给水系统、建筑室 外消火栓给水系统和建筑室内消火栓给水系统。根据消火栓给水系统加压方式 的不同分为：常高压消火栓给水系统、临时高压消火栓给水系统和低压消火栓 给水系统。根据生活、生产和消防是否合用又分为：生活、生产和消火栓合用 系统，生活、生产和消火栓分开系统。综上所述，消火栓给水系统的分类如下： 消火栓给水系统 城市消火栓给水系统一一生活、生产和消火栓共用系统 焉妻妄雾套：；搿 建筑室外消火栓给水系统 耋霎：耋；翥雾炎墓葬霁萋萎 一焉主! i i i | l 骚 建筑室内清火栓给水系统 耋雾：耋喜翥藉炎蓉葬霁柔篓 害筹警翟薯萎；：；：紧纛 2 2 室内消火栓给水系统的组成 室内消火栓给水系统一般由水枪、水带、消火栓、消防卷盘、消防管道、 消防水池、消防水箱、水泵结合器、增压水泵及远距离启动消防水泵的设备等 组成。 2 2 1 水枪、水带和消火栓 室内一般采用支流式水枪，喷嘴口径有1 3 r a m 、1 6 m m 、1 9 m m 三种。喷嘴口径 1 3 m m 的水枪配5 0 m 水带，1 6 m m 的水枪配5 0 m 或6 5 m 水带，1 9 m m 的水枪配6 5 m 的水带。 室内消防水带口径有5 0 m m 、6 5 m m 两种，水带长度一般为1 5 咖、2 0 m m 、2 5 r a m 、 3 0 m m 四种；水带材质有麻织和化纤两种，有衬胶与不衬胶之分，其中衬胶水流 阻力小。水带长度应根据水利计算确定。 消火栓均为内扣式接口的球形阀式龙头，进水口端与消防立管相连接，出 7 水口端与水带连接。消火栓按其出口形式分为单出口和双出口两大类。双出口 消火栓直径为6 5 r a m ，单出口消火栓直径有5 0 r a m 和6 5 m m 两种。当消防水枪最小 射流量小于5 l s 时，应采用5 0 m m 消火栓；当消防水枪最小流量大于等于5 l s 时，应采用6 5 m m 消火栓。 2 2 2 消防卷盘 室内消火栓给水系统中，有时因喷水压力和消防流量较大，对没有经过消 防训练的普通人员来说，难以操作，影响扑灭初期火灾的效果。因此，在一些 重要的建筑物内，消火栓给水系统可加设消防卷盘( 又称为消防水喉) ，供没有 经过消防训练的普通人员扑救初期火灾使用。消防卷盘由2 5 m m 或3 2 m m 小口径 室内消火栓、内径不小于1 9 m m 的输水胶管、喷嘴口径为6 8 m m 或9 m m 的小口经 开关和卷盘配套组成。胶管长度为2 0 4 0 m ，整套消防卷盘与普通消火栓可设 在一个消防箱内，也可从消防立管接出独立设置在专用消防箱内。消防卷盘一 般设置在走道、楼梯附近明显易于取用地点，其间距应保证室内地面的任何部 位有一股水柱能够到达。 2 2 3 消防水箱 消防水箱的主要作用是供给建筑扑灭初期火灾的消防用水量，并保证相应 的水压要求。高压消防给水系统中可不设高位消防水箱，临时高压消防给水系 统应在建筑物的最高部位设置重力流的消防水箱或气压罐、水塔。 2 2 4 消防水池 当生产、生活用水量达到最大的时候，市政给水管道和进水管或天然水源 不能够满足室内外消防用水量，或市政给水管道为枝状或只有一条进水管时， 且消防用水量之和超过2 5 l s ，应设消防水池。一般情况下将室内消防水池与 室外消防水池合并考虑。消防水池的技术要求如下： 1 、消防水池的有效容积应满足在火灾延续时间内室内消防用水总量的要 求；建筑面积小于3 0 0 0 m 2 的单建掘开式、坑道、地道人防工程消火栓灭火 系统火灾延续时间应按1 o o h 计算；建筑面积大于或等于3 0 0 0 m 2 的单建掘 开式、坑道、地道人防工程消火栓灭火系统火灾延续时间应按2 o o h 计算； 改建人防工程当有困难时，可按1 o o h 计算；自动喷水灭火系统火灾延续 时间应按1 o o h 计算； 2 、在火灾情况下能保证连续向消防水池补水时，消防水池的容量可减去火 灾延续时间内补充的水量； 8 3 、消防水池的补水时间不应大于4 8 h ； 4 、消防用水与其它用水合用的水池，应有确保消防用水量的措施； 5 、消防数尺可设置在工程内，也可设置在工程外，寒冷地区的室外消防水 池应有防冻措施。 2 2 5 水泵结合器 水泵结合器是连接消防车向室内消防给水系统加压供水的装置。当室内消 防水泵发生故障或室内消防用水量不足时，消防车从室外消火栓、消防水池或 天然水源取水，通过水泵结合器将水送至室内消防管网，保证室内消防用水。 超过四层的厂房和库房，设有消防管网的住宅及超过五层的其他民用建筑， 其室内消防管网应设有消防水泵结合器。水泵结合器应设在消防车易于到达的 地点，同时还应考虑在其附近1 5 4 0 m 范围内有供消防车取水的室外消火栓或 储水池。水泵结合器的数量应按室内消防用水量计算确定；每个水泵结合器进 水流量可达到1 0 1 5 l s ，当计算的水泵结合器的数量少于两个时仍采用两个， 以保证供水安全。 2 2 6 消防水泵 在临时高压消防给水系统中设置消防水泵，保证消防所需压力与消防用水 量。消火栓给水系统中设置备用消防水泵，其工作能力不应小于其中最大一台 消防工作泵。但室外消防用水量不超过2 5 l s 的工厂、仓库或7 9 层的单元式 住宅可不设备用泵。 消防水泵的出水管上应装设试验和检查用的放水阀门。每台消防水泵最好 具有独立的吸水管，当有两台以上工作水泵时，吸水管不应少于两条，以保证 其中一条维修或发生故障时，仍能工作。 消防水泵至少要有两条出水管与室外消防环网连接，当其中一条维修或发 生故障时，其余的出水管仍能供应全部消防用水量。消防水泵为两台时，其出 水管的布置如图2 1 所示。 9 55 o ) 正确的布置方法 55 b 】不正确的布置方j 去 图2 一l 消防水泵与室内消防环装管连接方法 g - - 消防水泵1 一室内管网2 - - 消防分隔阀门 3 - - 阀门与单向阀4 一出水管5 - - 吸水管 2 2 7 远距离启动消防水泵设备 为了在起火后迅速提供消防管网所需的水量与水压，必须设置按钮、水流 指示器等远距离启动消防水泵设备。在每个消火栓处，应在距离消火栓较远的 墙壁小盒子内设置按钮；在水箱的消防出水管上安装水流指示器，当室内消火 栓或自动喷头动作时，由于水的流动，水流指示器发出火警信号，并自动启动 消防水泵。另外，建筑内的消防控制中心，均应设置远距离启动或停止消防水 泵运转的设备。 2 3 室内消火栓系统的给水方式 建筑室内消火栓给水系统常见的给水方式一般分为不分区给水系统、分区 串联给水系统、分区并联给水系统三大类。 2 3 1 不分区室内消火栓给水系统p j 该系统最大优点是系统简单、设备少，但对管材管件及用水设备等的耐压 要求高。高层民用建筑设计防火规范( 以下简称 高规) 第7 4 6 5 条要 求消火栓栓口的静水压力不应大于 1 0 1 0 0m p a ，当大于1 0 0 m p a ，应采取分区给 水系统；栓口的出水压力大于o 5 0m p a 时，应采 取减压措施，也就是说不分区供水方式仅适用于 多层建筑和建筑物内不利点消火栓处静水压力 不大于1 0 0 m p a 的高层建筑。 t - - i i 自g i 2 曩矗 1 + ：3 - - 毫乜t 柬t 图2 2 不分区供水方式图 2 3 2 并联分区室内消火栓给水系统 消火栓给水系统分区的具体操作依据是消火栓栓口静水压力不应大于 1 0 0m p a ，当大于这个数值时采用分区给水系统。根据供水设备及供水方式的 不同，并联分区又分为并行供水和减压供水两种方式。其中并行供水方式包括 分泵给水、双出口泵供水及变频调速泵组供水；减压供水方式包括减压阀减压 供水、减压水箱减压供水，如图2 3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) 所示。 1 、减压水箱分区供水方式( 如图2 3 ( a ) ) 是低区消防水源采用减压水 箱供水，仅在地下泵房内设一套消防水泵。减压水箱设置高度至少应满足本区 最不利处消火栓栓口所需水压。高层建筑每支水枪的消防射流量不小于5 l s ， 常采用的消火栓栓口直径为6 5 m ，配长度2 0 m 的水龙带和喷口直径1 9 r a m 的水枪， 消火栓口所需水压按下式计算： h a 2 见+ 凰= 2 0 5 + 2 8 = 2 3 3 m 式中h 。一一水枪造成1 3 m 充实水柱所需要的水压( 1 1 1 ) h 。一一水龙带水头损失( m ) 该供水方式优点是减少了水泵数量以及与水泵相关的配电设备，从而大大 减小了工程的一次性投入；省去了水箱为低区储存的1 0 m 3 消防用水量，低区水 箱仅仅起到了减压的作用；较好的解决了消防给水分区的分界层供水超压的问 题；因为只有一套消防水泵泵，减小了供电负荷，而高、低区消火栓系统又能 同时供水，节省了运行成本。 该供水方式的缺点是减压水箱是静压水箱，如要满足供水区消火栓出水压 力的要求，其重力供水高差应大于2 3 m ，而这样的要求很难满足；该方式低区消 防用水必须是先进水箱再供给，这与高规中“发生火灾时消防水泵供给的 消防用水不应进入消防水箱”的规定相矛盾；减压水箱进水管上的电动阀常年 不动作易产生故障，这样就增加了系统联动控制的复杂性。 ( a ) 减压水箱分区供水 l 一消防水池2 一消防水泵 3 一低区消防水箱4 一电动阿 箱5 - 高区消防水箱 ( b ) 双出口水泵分区供水 1 一消防水池2 一取出口消防泵 3 - 低区洎防水箱4 一高区消防 水箱 ( c ) 碱压闽分区供水 1 一消防水池2 - 消防水泵 3 - - 减压罔4 一高位消防水 ( d ) 分泵给水分区供水( e ) 变频调速泵组分区供水 图2 3 并联分区室内消防给水系统 2 、双出口泵供水方式是根据双出水口多级离心水泵的工作原理，把它运用 于高层建筑消防分区给水系统的给水方式。这种水泵非常合适高层建筑消防分 区给水系统，将其高压出水口连接到高区系统管网，低压出水口连接到低区系 统管网( 如图2 3 ( b ) ) 。 这种供水方式的优点是能较好的解决分区分界处的楼层发生火灾时的消防 给水问题，又可以减少变配电设备，减少泵房及变配电间建筑面积，降低了工 程设备及占地费用。缺点是当分界面上两个出口同时供水时，高低区扬程将会 1 2 发生波动，高区实际扬程将超过铭牌的扬程，低区实际扬程将低于铭牌的扬程； 当高区流量越大，低区流量越小，则高低区扬程越接近铭牌的等分值，因此在 采用此供水系统时，技术上应采用相应的措施。 3 、减压阀分区供水方式( 如图2 3 ( c ) ) 是指多个分区采用同一组屋顶水 箱和消防水泵，通过减压阀并联向各个分区进行供水。减压阀分区供水方式的 关键就是减压阀设备，在设计实践中经常采用的减压阀主要有比例式减压阀和 可调式减压阀。减压阀应用于给水工程已经有数十年的历史，在减压阀设备不 断完善发展的今天与未来，减压阀分区供水方式己成为高层消防给水系统中主 要的分区供水方式之一。这种供水方式有它独特的优点，但是同时也存在着一 些有待解决的问题。所以在选用此种供水方式时，应注意以下几点： 第一，为保证整个消火栓给水系统在维修时仍处于正常的运转状态，主供 水管道应不少于两条，同时按高规规定，输水干管不少于两条与环状管网 联接，且每条管道的输水能力均应满足全部消防水量。所以，减压阀应设为两 个并联工作，当其中一个检修时，另一个能通过全部的消防用水量。第二，如 选用的是比例式减压阀，应注意在同一个消火栓给水系统中由于设置的高度不 同、因此所需的减压比例也是不同的，故应按设置的高度计算减压比，以选用 不同规格的比例式减压阀。第三，采用减压阀供水方式时，如果分区太多，使 得整个消火栓给水系统过分依赖于减压阀设备，一旦某个减压阀发生故障而失 去减压作用，那么将会对整个给水系统造成巨大影响，所以采用减压阀分区供 水时，分区不宜过多。第四，系统采用减压阀减压时，一次减压不能太多，以 避免气蚀现象的产生。如需要大幅度的减压，可以采用串联减压的方式减压。 第五，在选用减压阀分区给水方式时，减压阀已成为消防分区的重要设备，亦 应作为主要的消防设备认真对待、严格管理、定期保养和维修，其过滤器的截 留物应定期清除，以免降低减压阀的工作效率。 4 、分泵( 衡速泵) 供水分区方式【1 4 】( 如图2 3 ( d ) ) 是指各区有各自独立 的消防泵、屋顶水箱、水泵结合器，所有分区均独立运转，这是较传统的分区 给水方式，但也是最有效最安全的分区给水方式。 该分区方式的优点是适用于含有两种以上不同功能的建筑，如商住楼、综 合楼等，特别是对于今后有不同物业管理单位分别进行管理的建筑以及分期施 工且高低差较大的建筑工程，这种分区方式的安全性很好。该分区方式的缺点 是整幢建筑物水泵结合器太多；由于水泵数量较多，相应的配电设备也较多， 一次性投入资金较大，并且设备占地面积也较大，要求提供较大的设备占用面 积和配电间，投入使用后的运行费用也比较大。 5 、变频调速泵组分区供水方式( 如图2 3 ( e ) ) 是将给水分区的高低区 各设一套变频调速泵组，系统中取消了高位水箱。每一套泵组中将小流量高扬 程的水泵设为变频调速控制，消防给水工作泵处于工频状态，前者保证消防给 水系统的水压满足要求，后者在火灾发生后相继启动供水灭火。 该分区方式的优点是适时的调节了泵组的水压，实现了节能的目的；水泵 机组实现软启动方式；调速运行可以避免在火灾初期或检查时由于消防用水量 较小而造成的消防给水系统超压的问题；水泵组的结构相对简单，占地面积较 少，便于投入运行后的管理与维修。该供水方式的主要缺点还是存在于变频器， 现在变频器的价格相对还比较昂贵，一次性投入较大；变频器对于工作环境的 要求也比较高；如变频器在工作时受到外界的干扰，影响其正常的工作，也将 影响整个供水系统的正常工作。 2 3 3 串联分区室内消火栓给水系统 随着科学技术的进步与发展，高层及超高层建筑在现代社会中大量的涌现， 在设计中为了避免管道承受压力过大，减少耐高压的水泵及管道配件在工程中 的使用，当建筑物高度超过l o o m 时，经常采用的供水方式为串联分区供水方式。 串联分区供水方式又可以分为串联水泵供水，串联水箱供水，重力水箱供水。 l 、串联水泵供水方式 串联水泵供水方式是一种将低区水泵作为高区水泵的转输泵的供水方式， 所以也可以称为转输水泵供水方式。这种供水方式可以根据实际问题的需要具 体分为水泵直接串联、水泵分区串联两种供水方式，还可以设置中间水箱或减 压阀，也可以水箱和减压阀共同使用。 水泵直接串联的供水方式是低区与高区由独立的水泵组分别供水，高区的 供水也设有一组独立的低区水泵与高区水泵串联供水，这样做的优点是高低区 独立运行，互不影响，安全性比较高，如图2 4 ( a ) 所示。 水泵分区串联的供水方式是相对于水泵直接串联取消了一套低区供水水泵 组，高区消防水经低区管网供给高区。这样做可以减少水泵数量，使系统简洁 且设备占用面积较少，但是高区供水要经过低区管网转输，降低了整个消防给 水系统的安全性，如图2 4 ( b ) 所示。 水泵串联供水方式的特点是水泵组串联加压，单组水泵的工作压力较小； 在高区消防水泵结合器出设置能够启动高区消防水泵的自动起泵按钮，这样就 可以使消防车能够通过水泵结合器与高区水泵串联工作，在火灾发生时向高区 加压供水灭火。 1 4 藿锎喜：li l ： ( a ) 水泵直接串联( b ) 水泵分区串联 图2 4 串联水泵供水方式 串联水泵供水方式在应用中应该注意的几点问题：( 1 ) 由于高区与低区之 间经常采用单向阀来解决串压的问题，所以单向阀是否能够正常工作关系到整 个系统能否正常运行的问题。因此在单向阀的选用上应该选用质量较好的产品， 并且对于系统中的单向阀应及时的检查并且进行维修保养。( 2 ) 为了解决在小 流量的情况下，各级水泵出现超压的现象，应该在各级串联水泵的出口处设计 泻压设施。( 3 ) 为了避免高区水泵先于低区水泵启动，可能造成的高区断水现 象的出现，在系统控制方面，一定要求消防泵的启动按钮首先启动的是低区消 防水泵。 l 、串联水箱供水方式【”】 串联水箱供水方式是一种将低区水箱作为高区水箱的转输水箱的供水方 式，也可以称为转输水箱供水方式。这种供水方式的特点是系统的分区之问压 力为静压，各区都设有独立的消防水泵组，水泵之间互不影响，没有压力的干 扰，进水的压力也是恒定的，如图2 5 所示。 串联水箱供水方式在应用中应该注意的几个问题： ( 1 ) 转输水泵宜单独设置，并且应设有备用水泵。转输水泵应该消防设施 的要求，按一级负荷供电。 ( 2 ) 转输水箱既是下区的高位水箱，又是上区的转输水箱，其重要性是非 常明显的。为避免本区实际消防用水量小于设计流量时，下区的转输泵满流量 供水造成水箱漫溢，除设溢流管外，还应考虑转输水箱的容积应留有适当的空 间( 再加o 5 d , 时消防用水量) 。另外每个区的转输水箱应分成两个，或者是一个 水箱分为独立的两格，以满足水箱清洗维修时不间断的供水的要求。 ( 3 ) 转输干管不宜少于两条，且要求一条干管维修或故障时，另一条干管 可以转输所有消防用水量。由于消防系统长期不运行，转输干管可能因为阀门 等管道配件漏水而出现管内留有空气的现象，易造成生锈腐蚀，并且在转输供 水时，大量