浅析高层建筑消防给水系统超压的解决措施.doc

浅析高层建筑消防给水系统超压的解决措施摘要：随着我国经济、文化的日益发展，城市用地日趋紧张，伴随着建筑技术的成熟，高层及超高层建筑如雨后春笋般在中华大地拔地而起。高层建筑以其更多的使用空间赢得了房产商的喜爱，但这却给建筑消防带来了不小的挑战。目前，高层建筑消防给水系统主要通过消火栓系统和自动喷淋系统完成灭火任务。在近年来的设计中，消防给水系统超压已成为普遍问题，它不仅会带来水资源的浪费，也会严重威胁到消防给水系统的安全可靠性。“节能减排”概念的提出，要求消防给水系统管网的水压和水量在满足现行规范的前提下，减小管网的剩余水头，以避免浪费。如此一来，采取一定的方法对系统泄压即成为一个研究方向。关键词：高层建筑 消防给水 超压 减压阀Measures to solve high pressure of fire in high rise buildings water supply systemAbstract: with the rapid development of Chinas economy, culture, increasingly urban land nervous, accompanied by the high-rise technology of construction and super high-rise buildings have sprung up in china. The high-rise building with the use of more space to win the directors favorite, but it gave the building fire a big challenge. At present, the high-rise building fire water supply system the main fire task through the fire hydrant system and automatic sprinkler system. In recent years, fire water system pressure has become a common problem, it will not only result in the waste of water resources, but also a serious threat to the safety and reliability will be the fire water supply system. The concept of energy saving and emission reduction of the requirements of fire water supply system, pipe network and water pressure in order to meet the current specification, reducing residual of pipe, to avoid wasting. As a result, some methods of system pressure relief has become a research direction.Key words: high-rise building fire water supply pressure reducing valve1.绪论1.1高层建筑的简介和现状通常情况下，建筑高度大于54m的住宅建筑或者高度大于50m的公共建筑为高层民用建筑1。我国现代高层建筑起源于20世纪初的上海，现存历史最久远的高层建筑为位于延安东路的原亚细亚大楼和有利大厦，建于1913年。1929年，高77m的我国第一座超过10层的高层建筑“沙逊大厦”竣工2。60年代，第三产业在城市中占主导地位，标志着服务时代的来临，大量的高层办公、酒店、公寓被建造，并于70年代中期达到高潮。如今，经济已进入全球一体化，社会稳步进入了信息化时代，城市的主导变成了信息知识密集型产业。高层建筑是信息处理的中心，同时，电梯的发明和应用为高层建筑的竖向运输提供了条件，为建造更高的建筑创造了可能性，所以高层建筑无可取代地成为了建筑师们的目标，得到大量的设计和建设，并向超高化和智能化发展。1.2目前我国高层建筑消防的主要措施1.2.1建筑消防系统常用的消防系统包括：室内消火栓给水系统，闭式自动喷水灭火系统，室外消防给水系统，水幕系统，水喷雾消防系统等。根据高层民用建筑设计防火规范（以下简称高规）的规定：高层建筑必须设置室内外消火栓给水系统。作为最基本的灭火设施，在每个高层建筑中都需要设置。自动喷水灭火系统是一种利用管网和喷头，进行自动喷水达到灭火的目的，并同时发出报警信号的系统。此系统有探测火灾、报警和喷水灭火的功能，并且能够做到随时监视火情，灭火效率高，且用水量少，这是它在高层建筑中得到广泛使用的原因。1.2.2防火分区通常在建筑中使用防火卷帘等一些耐火性能较好的分隔构件将建筑物内的空间分隔成若干区域，一旦某个区域失火，可以有效地把火情控制在这一区域内，防止火灾继续扩大。探测装置探测到火情后，防火门和卷帘会自动关闭，配合其他灭火系统，达到灭火的目的。1.2.3火灾自动报警系统火灾自动报警系统是由触发器件、火灾报警装置等组成的，它是为了对火灾的初期进行通报，并及时采取相应措施而设置的自动消防设施。火灾探测器通过烟感等探测到火情后发出火灾报警、应急照明等指令，人们接到此信息后采取一定的措施进行安全疏散。1.2.4采暖、通风和空调系统防火、防排烟系统火灾发生时产生的烟雾中含有许多有害气体，如一氧化碳等，若不小心吸入将严重危害到人体健康，过量后可致人昏厥从而错失逃生机会。研究表明，在火灾中仅有14%19%的人是直接被火烧伤，21%45%的人是因为吸入过量的烟雾造成的伤亡5。此系统可以有效地防止烟气侵入走廊、楼梯间及前室，以确保充足的疏散空间和时间。1.3研究的背景和目的1.3.1研究的背景高层建筑与低层、多层建筑相比，竖向井道多且复杂，如防火分隔不好，火灾时井道就犹如烟囱，成为火灾蔓延的快速途径。除此以外，高层建筑的层数多，处置距离长，人员疏散困难且消防扑救困难。所以，高层建筑相比于低层和多层建筑，更容易发生火灾。除自然灾害带来的火灾外，还会常常因为电气、机械故障、明火管理不善等原因造成火灾。其中，30%左右的火灾是由电气原因造成的。包括照明器具、空调、复印机等的使用，电气电路接触不良或超负荷过载等。一些综合性高层建筑往往设有餐厅、食堂等，厨房用火得之使用，此类明火若管理不善也将成为火灾的源头。建筑消防系统作为目前高层建筑消防的主要手段，能够有效、直接的应对以上各情况发生的火灾。一旦发生火灾，消防员将找到火源并使用建筑消防系统中的消火栓进行灭火，在此之前，自动喷水灭火系统能自动探测到火情，并针对发生火灾的地点进行喷水灭火，并发出报警信号。建筑消防系统除了通过水进行直接灭火外，还通过卤代烷、二氧化碳气体等进行灭火工作。建筑消防系统以其直接性和高效性，成为了高层建筑消防的可靠保障，由此可见，其在消防系统中的重要性可见一斑。1.3.2研究的目的作为高层建筑消防中，进行直接灭火的消防系统，它的稳定性需要得到一定的保障，以保证其在火灾发生时能够迅速响应，完成灭火任务。而在近几年的火灾事故中，因为消防给水系统超压，导致火灾发生时系统无法正常使用的情况时有发生，严重影响灭火设备的正常使用。系统超压是当今各类消防给水系统中普遍存在的问题之一，它会导致管网管材和设备的故障和损坏，且实际灭火水量偏大，消防水池和水箱的储水量不能满足火灾延续时间内的使用。在火灾初期，系统中只有少量消火栓会投入使用，消防水泵处于低流量高扬程的工况下，导致系统压力较设计工况高，最终导致栓口压力大于0.5MPa，消火栓无法正常使用。因此为了保护人民的生命和财产安全，提高消防系统的可靠性，研究管网超压产生的原因成为必要，并采取相应的措施来减少超压发生的可能。从另外一个方面，我国政府号召“节能减排”，在使高层建筑消防给水系统管网的水压和水量满足我国现行消防规范要求的同时，通过减小管网的剩余水头，能有效防止管网超压情况的出现，从而避免消防给水系统的出水浪费，符合“节能减排”的精神。本文主要通过对高层建筑消防给水系统超压的分析，站立在此视角以便今后对超高层建筑消防给水系统的研究。深入分析了系统超压的原因和危害，并给出了相应的减压措施。另外，通过结合工程实例，把本文提出的减压措施运用于实际工程中。1.3.3国内研究现状针对系统超压这一难题，国内的专家们进行了以下的研究。姜文源、田燕、徐唤杏等人从实际工程角度指出了消防系统存在的超压现象及原因，并提出了相关解决措施3-5。何升华具体论述了采用全自动变频调速供水设备等四种常用的防超压措施。张明华、赵树雷等人推导出在水箱供水与水泵供水两种工况下，高层建筑消防栓处实际压力和超压计算公式，指出应按水箱供水工况来确定减压孔板孔径，按水泵供水工况来校核6。西安建筑科技大学的易泰伟结合实际工程，采用数学方法计算出系统在一个、两个和三个消火栓开启工况下的运行参数，指出在灭火初期系统超压现象严重，一些楼层消火栓因反作用力太大而无法使用7。2.消防给水系统2.1消防给水灭火系统的分类按照灭火方式可分为：消火栓给水系统和自动喷水灭火系统。按照给水服务范围，可分为区域集中消防给水系统和独立消防给水系统。按照系统内压力大小可分为高压和临时高压消防给水系统。2.2消火栓给水系统消火栓给水系统由消防水池、消防水箱、消火栓设备、水泵结合器、消防水泵和消防卷盘组成。高规规定消火栓栓口的静水压力不应大于1.00MPa，当大于1.00MPa时应采取分区给水系统。消火栓系统分为不分区供水和分区供水系统，分区供水系统又可分为并联分区系统和串联分区系统。其中，并联分区给水方式适合于分区不多的高层、超高层建筑。多级多出口水泵分区方式采用多出口水泵。减压阀分区方式指多个分区采用一组屋顶水箱、消防泵，高区由该系统直接供水，低区则通过安装在管道上的减压阀减压供水。串联给水方式分区在火灾初期消防用水由各区水箱供给，此后启动消防泵供水，消防泵扬程只满足本区最不利点消火栓所需水压。2.3自动喷水灭火系统自动喷水灭火系统能自动感应到火灾地点，并打开喷头进行灭火，发出火灾警报。该系统灵敏度高，扑灭初期火灾的效率高达97%以上。自动喷水灭火系统按照喷头的形式可以分为闭式和开式自动喷水灭火系统两种，其中闭式系统又可以分为湿式、干式、预作用式、干湿式和重复启闭预作用式喷水灭火系统，开式自动喷水灭火系统分为水幕系统、雨林系统、水喷雾系统和自动喷水-泡沫联动系统等。在实际工程中，最常用的要属湿式自动喷水灭火系统，它是由消防水池、加压设备、报警阀组、输配水管网、喷头和消防水箱组成。3.系统超压的原因及措施3.1消防给水系统超压的原因消防给水系统超压的原因大致有以下情况8：（1）按设计流量选消防水泵，水泵的流量扬程曲线较陡直，当消防水泵在小流量运行时会出现超压。（2）消防水泵从给水管网直接吸水，水泵扬程按给水管网的最低水压计算，水泵运行时恰逢管网的最高水压，给水管网最低水压和最高水压相差较大时，出现超压。（3）消防给水管网按最低位置的室内消火栓静水压进行竖向分区，管网未采取完善的减压措施，当消防水泵启动时，下部消火栓会由于动压值大于静压值而出现超压。（4）消防水泵停泵水锤造成的超压。（5）当减压阀因故障而关闭不严或者旁通管上阀门失控时，造成下区管网的超压。（6）消防给水采用水泵对口抽给水方式，即下区的水泵出水管与上区水泵吸水管直接连接，当止回阀不严密时，下区水泵会因静压大于工作压力而出现超压的状况。（7）稳压泵低位设置时，其吸水管若引自高位水箱，静压大于工作压力时会出现超压。（8）消防车车用消防泵串联运行向水泵接合器供水造成室内消防给水管网超压。3.2消防给水系统超压的解决措施3.2.1减压孔板减压孔板是最常用的减压方式，在高层建筑消防给水系统中，可用于消除消火栓前的剩余水头，以保证给水系统均衡供水，以达到节水和节能的目的。水流通过减压孔板时流量重新分配，摩擦力做工从而产生较大的能力损失。减压孔板减压方式，其优点是构造简单且价格低廉，但目前这种减压方式还存在一些问题：（1）减压孔板水头损失的计算公式与设定的边界条件等有内在联系，其边界条件是孔口直径与设置管段直接的比为0.230.83时有效，现行规范的计算公式与边界条件是否存在这一关系，值得深入研究。（2）标准减压孔板的实际减压效果与计算公式而得的减压效果吻合与否缺少验证。（3）从室内环状管网直接接出消火栓时，消火栓栓口的出水压力难以确定，因此减压孔板的孔口直径也难以确定。（4）孔板孔口在中轴线位置上，影响排气和排渣。3.2.2节流管节流管是一种比减压孔板减压更简单的一种减压方式，具有构造简单、价格低廉的优点。在消火栓系统中，消火栓立管距离栓口较近，节流管的安装需要一定的长度要求，难找到具体的实施部位，所以在消火栓给水系统中难以推广使用。在自动喷水灭火系统中，节流管和减压孔板一样可以在自动喷水灭火系统中应用，但由于在实际工程中所需的减压值相差较大，故局限性较大。3.2.3减压阀减压阀常用于高层建筑消防给水系统的竖向分区中，保证管网的最大压力不超过规范的规定是管材实际可以承受的压力。减压阀是一种自动降低管路工作压力的装置，可将阀前管路较高的水压减少至阀后管路所需的压力水平。减压阀是靠阀内的流道对水流的局部阻力降低水压，连接阀瓣的薄膜或活塞两侧的进出水口的水压差自动控制调节水压降的范围。比例式减压阀作为一种新型减压装置，在解决高层建筑供水方式中得到了很好的应用。特别是可以用减压阀代替减压水箱，减少楼层的占用面积，使得重叠管路减少、噪音小，实现分区供水。但减压阀减压同样存在很多确定，首先它的价格较昂贵，先导式减压阀的先导阀采用针阀，若管网清洗不彻底容易因堵塞导致减压失效。其次，减压值过大时会有极强的噪声。3.2.4减压水箱减压水箱减压的优点是减压效果可靠，虽然它在更多的场合是作为给水竖向分区的一项技术措施，但作为减压方式一样适用。同样在减压中它也存在一定的缺点，位置占用多，且在设置水箱的下一楼层消防给水的压力难以保证，且使得消防给水系统变得很复杂，因此减压水箱的方式在实际工程中已很少使用。3.2.5减压稳压消火栓减压稳压消火栓是减压稳压装置和消火栓的有效结合体，目前采用的是栓后减压方式，当水中有杂质时已经不再影响消火栓的出流量。规范要求，减压稳压型室内消火栓的孔板单孔直径不得小于20mm，在升压和降压过程中，消火栓不得出现震荡现象。目前市场上常用的室内减压稳压消火栓有活塞型和孔板型两种。活塞型的核心部件是活塞、活塞套和弹簧，安装于栓体内中心进水口部位，且与进水口同心，活塞侧壁上有节流口。4.高层建筑消火栓系统的超压研究某高层综合建筑，占地面积3000m2，地下一层，地上20层，建筑高度80m。地下一层为设备用房，包括水泵房、消防泵房、配电室等。1至4层为商业，5至19层为客房，共有250间。20层为设备层。结合设备层位置设置消火栓分区，地下111层为低区，1220层为高区。消火栓系统图如下图4.1：图4.1 消火栓系统简图4.1研究结果通过研究发现在水泵供水工况下，消火栓栓口的水压随着水泵出水流量的增大而减小。一支水枪出水灭火时，12层的消火栓栓口的最大压力大于规范规定50mH2O，水枪口的出水压力较大，其反作用力接近40kgf，经过训练的消防队员能最高承受水枪最大反作用力不超过20kgf，此时消防人员根本不能掌控水枪，生命安全受到威胁无法正常进行灭火。同层三支水枪出水灭火时，18层以下消火栓栓前压力都大于50mH2O，无法正常使用，必须进行减压。其次，高层建筑消火栓给水系统中，由于火灾发生初期，消火栓启用数量为13支，由水箱供水工况转到水泵供水工况时，系统小流量，扬程随着流量的减小而增大。4.2对水泵供水的减压措施的研究针对水泵供水初期造成的消火栓给水系统管网超压，提出以下几条减压措施：（1）采用全自动变频调速供水设备，它的主要特点是可以恒压变流量。（2）设置回流泄压装置。火灾初期，由于实际消防用水量较小，而水泵仍然按照它本身的特性曲线在运行，它会人为地增加“实际消防用水量”，以达到接近理想工况的目的。（3）选用流量-扬程曲线平缓的消防水泵。随着流量的增大，扬程随之降低。如果流量-扬程曲线平缓，那么扬程对流量的变化率就较小。4.3对减压阀应用的研究减压阀计算时，为保证减压阀后的压力满足消防水枪灭火要求，往往会采用较小比例的比例式减压阀。当由消防泵供水给消防水枪出水灭火时，可能会因减压阀减压比例不够，从而造成底部消火栓的超压。为此，宜采用可调式减压阀，同时在底部存在超压可能的消火栓处，采取其它相应的减压装置，如减压孔板，稳压减压消火栓等。4.4对减压稳压消火栓的研究室内减压稳压消火栓由于依靠水介质本身的能量实现消火栓减压和稳压，有效控制消火栓的消防水压和流量，安装时也不用进行性能调试。室内减压稳压消火栓在消防系统中的使用能有效并准确地控制消防水压及流量，当系统压力在一定范围内波动时，它能进行自动调节。而且，它还能保留传统普通消火栓的外形和尺寸，实现接口标准化。5.自动喷水灭火系统的超压研究5.1自动喷水灭火系统超压的危害（1）喷头出水不均匀。当系统最上部和最下部的压力相差过大，会造成下部喷头压力大，出水量大，管网出水不均匀。（2）系统误启动。超压时，管网下部水压过大，如此时有渗漏，水压下降快，就可能会造成报警和水泵启动的情况发生。（3）缩短系统的使用寿命。由于自喷系统采用喷头出水灭火，喷头和管材之间的连接很多，管网超压时管网内实际压力大于设计压力，容易造成管材破裂，连接处漏水，降低消防供水的安全可靠性。（4）消防贮水消耗过快。管网超压时，实际出水量可能为设计水量的几倍，如高位消防水箱的贮水不能满足10min、消防水池贮水量不能满足1h的规范要求，将使得消防系统不能起到火灾时灭火的要求。5.2自动喷水灭火系统超压的原因（1）设计存在的问题。现行的计算方法有作用面积法和逐点法两种。逐点法计算出的所需水量水压偏大，这样的计算最终选泵时的流量和扬程偏大，从而造成管网超压。（2）系统小流量出水。（3）竖向分区不合理。在建筑物高度较高时，给水的竖向分区未按照1.2MPa工作压力的要求分区，造成下部管网的静水压力大于1.2MPa，从而超压。（4）未采取完善的减压措施管网未采取完善的减压措施，当消防水泵启动时，管网下部的喷头会由于动压大于静压值而出现超压。1)水锤超压。消防泵因故障或停电而造成水锤现象。水流冲击波来回产生的力有时会很大，从而破坏阀门和水泵。2)未设排气装置自动喷水灭火系统的给水管网中未设排气阀或排气阀的位置设置不当，管网内的空气处于被压缩的状态，可能发生压力波动造成超压。5.3自动喷水灭火系统减压措施（1）合理布置自动喷水灭火系统的给水管网减少每个配水支管上的喷头数，将喷头均匀布置在配水管的两侧或采用环状管网，可均衡配水管的水压。（2）合理选择布置消防给水系统合理选择给水系统的分区方式，并适当减少给水分区的压力值。（3）正确选择消防水泵在选择消防水泵时即应尽量选择水泵特征曲线较平缓的水泵。选择变频调速水泵，这种水泵在泵流量发生变化时，水泵的供水压力保持恒定。可采用多台水泵并联运行的方式，当流量较小时启动小水泵或单泵供水;当流量较大时启动大水泵或多泵共同供水，保证消防用水量，同时防止超压出现。（4）提高整个消防给水系统的承压能力提高管道及附件的承压能力，使系统产生超压时仍在管道及附件的允许工作压力范围内。（5）采取相应的泄压和稳压措施