王新發(fā)，謝思桃，朱大維
（總后勤部建筑設(shè)計研究院，北京100036）

　　摘　要：水力計算是關(guān)系系統(tǒng)可靠性、合理性和經(jīng)濟(jì)性的一項重要設(shè)計內(nèi)容。帕動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB 50084－2001）對水力計算的改動較大，結(jié)合新規(guī)范對符合其要求的計算方法進(jìn)行了歸納總結(jié)。
　　關(guān)鍵詞：消防；自動噴水滅火系統(tǒng)；水力計算
　　中圖分類號：TU998．1；TU991．32
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
　　文章編號：1009－2455（2002）of－0052－03

　　《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB50084－200）（以下簡稱《噴規(guī)》）中水力計算改動較大，體現(xiàn)在：規(guī)定管道的直徑應(yīng)經(jīng)水力計算確定；作用面積宜采用矩形；系統(tǒng)的設(shè)計流量，應(yīng)按最不利點處作用面積內(nèi)噴頭同時噴水的總流量確定，并對幾種特殊情況下系統(tǒng)的設(shè)計流量作出了規(guī)定；管道內(nèi)的流速宜采用經(jīng)濟(jì)流速；宜采用當(dāng)量長度法計算局部水頭損失；危險等級及設(shè)計參數(shù)作了重大調(diào)整，對輕、中及嚴(yán)重危險等級，以“快速啟動系統(tǒng)、大強(qiáng)度小作用面積噴水控火”為設(shè)計思路。
　　現(xiàn)行的手冊、教材及有關(guān)期刊文獻(xiàn)中介紹的內(nèi)容在設(shè)計參數(shù)、設(shè)計流量及其它諸多方面由于《噴規(guī)》的重大改變，已難以與之吻合和滿足實際工程計算的需要。同時為了科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卦O(shè)計系統(tǒng)，有必要對滿足《噴規(guī)》要求，經(jīng)濟(jì)、合理、可靠的管道水力計算方法進(jìn)行探討與總結(jié)，以利于《噴規(guī)》更好地指導(dǎo)實踐，服務(wù)于工程。

1 現(xiàn)行的自動噴水滅火系統(tǒng)管道水力計算方法[1-3]

1．1 我國的兩種水力計算方法
　?、僮饔妹娣e法
　　作用面積法，首先選定最不利作用面積在管網(wǎng)中的位置，此作用面積的形狀宜采用正方形或長方形，當(dāng)采用長方形布置時，其長邊應(yīng)平行于配水支管，邊長宜為作用面積平方根的1．2倍，僅在作用面積內(nèi)的噴頭才計算其噴水量，且每個噴頭的噴水量至少等于規(guī)定的噴水強(qiáng)度，作用面積后的管段流量不再增加，僅計算管道的水頭損失。對輕、中危險級，計算時可假定作用面積內(nèi)每只噴頭的噴水量相等（在新的《噴規(guī)》中已不再推薦采用此方法）；對嚴(yán)重危險級，按噴頭處的實際水壓計算噴水量。
　?、凇爸瘘c法”
　　“逐點法”計算，從系統(tǒng)最不利點噴頭開始，沿程計算各噴頭的水壓力、流量和管段的累計流量。水頭損失，直到管段累計流量達(dá)到設(shè)計流量為止；在此后的管段中流量不再增加，僅計算沿程和局部水頭損失。
1．2 歐美自噴水力計算方法
　　①英國《自動噴水滅火系統(tǒng)安裝規(guī)則加S5306－Part 2－1990規(guī)定的計算方法為：應(yīng)由水力計算確定系統(tǒng)最不利點處作用面積的位置。此作用面積的形狀應(yīng)盡可能接近矩形，并以1根配水支管為長邊，其長度應(yīng)大于或等于作用面積平方根的1．2倍。
　　配水管計算應(yīng)保證最不利點處作用面積內(nèi)的最小噴水強(qiáng)度符合規(guī)定。當(dāng)噴頭按正方形、長方形或平行四邊形布置時，噴水強(qiáng)度的計算，取上述四邊形頂點上4個噴頭的總噴水量除以4，再除以四邊形的面積求得。
　?、诿绹蹲詣訃娝疁缁鹣到y(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)》NFPA－13（1996年版）規(guī)定：對于所有按水力計算要求確定的設(shè)計面積應(yīng)是矩形面積，其長邊應(yīng)平行于配水支管，邊長等于或大于作用面積平方根的1．2倍，噴頭數(shù)若有小數(shù)就進(jìn)位成整數(shù)。當(dāng)配水支管的實際長度小于邊長的計算值時，作用面積要擴(kuò)展到該配水管鄰近配水支管上的噴頭。
　　作用面積內(nèi)每只噴頭在工作壓力下的流量，應(yīng)能保證不小于最小噴水強(qiáng)度與1個噴頭保護(hù)面積的乘積。水力計算應(yīng)從最不利處噴頭開始，每個噴頭開放時的工作壓力不應(yīng)小于該點的計算壓力。
　?、鄣聡秶娝b置規(guī)范》（1980年版）規(guī)定：首先確定作用面積的位置，要求出作用面積內(nèi)的噴頭數(shù)。要求各單獨噴頭的保護(hù)面積與作用面積所有噴頭的平均保護(hù)面積的誤差不超過20％。（相鄰4個噴頭之間的圍合范圍為1個噴頭的保護(hù)面積）。

2 水力計算方法分析

　　“逐點法”計算中，每個噴頭流量按特性系數(shù)法計算，其流量隨噴頭處壓力變化而變化。此計算特點是在系統(tǒng)中除最不利點噴頭以外的任一噴頭的噴水量或任意4個相鄰噴頭的平均噴水量均超過設(shè)計要求，系統(tǒng)計算偏于安全。這種計算法嚴(yán)密細(xì)致，工作量大，但計算時按最不利點處噴頭起逐個計算，不符合火災(zāi)發(fā)展的一般規(guī)律。實際火災(zāi)發(fā)生時，一般都是火源點呈輻射狀向四周擴(kuò)大蔓延，而只有失火區(qū)上方的噴頭才會開啟噴水。因此采用作用面積保護(hù)方法及僅在作用面積內(nèi)的噴頭才計算噴水量是合理的。同時由于火災(zāi)時對流及風(fēng)的影響，作用面積的形狀以呈矩形更為合理，且矩形面積在管道水力計算時也是最不利的。
　　基于前文及以上分析，并結(jié)合《噴規(guī)》有關(guān)條文，不難看出，水力計算時，通過“逐點法”計算矩形作用面積內(nèi)所有噴頭和管道的流量和壓力，而作用面積后的管段中流量不再增加，僅計算沿程和局部水頭損失。這種采用“矩形面積”保護(hù)方法以及僅在“矩形面積”內(nèi)的噴頭才計算噴水量來確定系統(tǒng)設(shè)計流量的“矩形面積一逐點法”計算方法，符合火場實際，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，并與歐美等國接軌，是合理的、安全的，也是《噴規(guī)》的推薦作法。

3 “矩形面積--建點法”計算方法

3．1 矩形面積的確定
　　確定最不利作用面積在管網(wǎng)中位置（必要時可由水力計算確定），作用面積的形狀為矩形，其長邊平行于配水支管，其長度不小于作用面積平方根的1．2倍，噴頭數(shù)若有小數(shù)就進(jìn)位成整數(shù)。當(dāng)配水支管的實際長度小于邊長的計算值時，作用面積要擴(kuò)展到該配水管鄰近支管上的噴頭。
　　僅在走道內(nèi)設(shè)置單排噴頭的閉式系統(tǒng)，其作用面積應(yīng)按最大疏散距離所對應(yīng)的作用面積確定。系統(tǒng)設(shè)計流量按中1級系統(tǒng)的有關(guān)規(guī)定計算。
　　干式系統(tǒng)的作用面積應(yīng)按《噴規(guī)》表5.0.1規(guī)定值的1．3倍確定。雨淋系統(tǒng)中每個雨淋閥控制的噴水面積不宜大于《噴規(guī)》表5.0.1中的作用面積。
　　系統(tǒng)設(shè)計基本參數(shù)見《噴規(guī)》表5.0.1、表5.0.5．表5.0.6、表5.0.10。
3．2 系統(tǒng)設(shè)計流量計算
　　系統(tǒng)的設(shè)計流量，應(yīng)按最不利點處作用面積內(nèi)噴頭同時噴水的總流量確定：

　　式中Qs——系統(tǒng)設(shè)計流量，L／S；
　　　 qi——最不利點處作用面積內(nèi)各噴頭節(jié)點的流量，L／min；
　　　 n——最不利點處作用面積內(nèi)的噴頭數(shù)；
　　　 Pi——矩形面積內(nèi)噴頭處水壓，MPa；
　　　 K——噴頭的流量系數(shù)。
　　系統(tǒng)設(shè)計流量計算中有關(guān)情況處理及要求，見《噴規(guī)》9.1.4－9.1.9條。
3．3 逐點法水力計算
　　輕、中、嚴(yán)重及倉庫級危險級均按逐點法進(jìn)行水力計算，即矩形面積內(nèi)每個噴頭噴水量按該噴頭處的水壓計算確定，具體方法如下：
　?、偈紫燃俣ㄗ畈焕c處水壓，求該噴頭的出水量，以此流量求噴頭1－2之間管段的水頭損失；最不利點水壓一般為 0.1MPa，最小不應(yīng)小于0．05MPa。（最低工作壓力是針對屋頂水箱高度往往難以滿足最不利噴頭壓力值而提出的，在消防泵、增壓設(shè)施揚程計算時，不存在這個問題。在工程設(shè)計中，最不利噴頭工作壓力值以0.05MPa計算，使噴頭出水量減小，為保證一定的噴水強(qiáng)度，需縮小噴頭間距，增加了作用面積內(nèi)動作噴頭數(shù)量，增加了工程投資，而優(yōu)點僅僅是選水泵時，可以減小約0．05MPa揚程。）
　?、谝缘谝粐婎^處所假定的水壓加噴頭1－2之間管段的水頭損失，作為第二噴頭處的壓力，以求第M個噴頭的流量。此兩個噴頭流量之和作為2－3噴頭之間管段的流量，以求該管段中的水頭損失。以后依此類推。計算至作用面積內(nèi)的所有噴頭和管道的流量和壓力。
　　③兩管段交點處的計算水壓不同時，應(yīng)按式（3）對交匯點處水壓的一側(cè)的管段進(jìn)行修正^[4]。

　　q₂=q₁(h₁/h₂)^0.5　　　　　　(3)

　　式中：q1——低水壓側(cè)管段的修正流量，L/s；
　　　　 q2——高水壓側(cè)管段的計算流量，L／s；
　　　　 h1——低水壓側(cè)管段的水壓，kPa；
　　　　 h2——高水壓測管段的水壓，kPa。
3．4 經(jīng)濟(jì)流速和水頭損失
　?、俳?jīng)濟(jì)流速
　　自動噴水滅火系統(tǒng)管網(wǎng)內(nèi)的水流速度宜采用經(jīng)濟(jì)流速。而對某些配水支管需用縮小管徑增大沿程水頭損失達(dá)到減壓目的時，水流速度可以超過5m/s，但也不應(yīng)大于10m／s。
　　經(jīng)濟(jì)流速是經(jīng)濟(jì)性、合理性、可靠性與安全性的統(tǒng)一，并非通常意義上的經(jīng)濟(jì)流速的含義。結(jié)合工程算例分析和有關(guān)手冊與文獻(xiàn)介紹，配水干管和配水支管設(shè)計流速采用一般不宜超過3m/s，常用1.3-2.5m/s。
　?、诠艿姥爻毯途植康乃^損失
　　每米管道的水頭損失按式（4）計算：

　　i=0.0000107(V²/d_j^1.3)　　　　　　　(4)

　　式中：i——每米管道的水頭損失，MPa／m；
　　　　 V——管道內(nèi)水的平均流速，m／s；
　　　　 dj——管道的計算內(nèi)徑，m，取值應(yīng)按管道的內(nèi)徑減1mm確定。
　　管道局部水頭損失，采用當(dāng)量長度法計算，也就是將水流經(jīng)過彎管、丁字管的局部壓力損耗相似于一定長度的直管（新規(guī)范推薦采用當(dāng)量長度法，而對取管道沿程水頭損失的20％做法未提及）。 實際計算中，將相應(yīng)的局部當(dāng)量加人管段長度，通過編制程序、利用EXCEL來計算，或者直接查水力計算表。
3．5 水泵揚程或系統(tǒng)入口的供水壓力
　　水泵揚程或系統(tǒng)人口的供水壓力計算如下式：

　　H=Σh+Po+Z （5）

　　式中：H——水泵揚程或系統(tǒng)人口的供水壓力，MPa；
　　　　 Σh——管道沿程和局部的水頭損失的累計值（MPa），濕式報警閥、水流指示器取值0.02MPa，雨淋閥取值0.07MPa；蝶型報警閥及馬鞍型水流指標(biāo)器的取值，由生產(chǎn)廠家提供；
　　　　 P0——最不利點處噴頭的工作壓力，Mpa；
　　　　 Z——最不利點處噴頭與消防水池的最低水位或系統(tǒng)人口管水平中心線之間的高程差，當(dāng)系統(tǒng)人口管或消防水池最低水位高于最不利點處噴頭時，Z應(yīng)取負(fù)值，MPa。
3．6 減壓與減壓措施
　　《噴規(guī)》第8.0.5條規(guī)定“……配水管道的布置，應(yīng)使配水管人口的壓力均衡。輕危險級、中危險級場所各配水管人口的壓力均不宜大于0.04MPa”，而自動噴水滅火系統(tǒng)中，不但存在著低層管道系統(tǒng)中水壓不平衡，即使在同層中，當(dāng)保護(hù)面積較大時，由于設(shè)計是按最不利工作面積計算，同層中有利工作面積內(nèi)噴頭的水壓也有剩余，所以習(xí)慣是對連接有利工作面積的配水管或配水干管予以減壓，減壓的方法可以采用設(shè)置減壓閥、減壓孔板、節(jié)流管以及縮小有利工作面配水支管的管徑等方法增加沿途水頭損失達(dá)到減壓目的。
　　有關(guān)規(guī)定與計算見《噴規(guī)》9.3.1－9.3.5條。

4 結(jié)語

　　水力計算將決定系統(tǒng)投人滅火的水量及對滅火水量的分配，是關(guān)系系統(tǒng)可靠性、合理性和經(jīng)濟(jì)性的一項重要設(shè)計內(nèi)容。經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展、計算機(jī)的大眾化及經(jīng)驗的積累，使我們有條件在自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計中科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行水力計算，而不采用“估算法”確定設(shè)計流量，也不采取在輕、中危險級計算時，假定作用面積內(nèi)每只噴頭的噴水量均等于不利點噴頭的噴水量的簡化方法。

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　　作者簡介：王新發(fā)（1952－），男，湖南回隆縣人，高工，專業(yè)主任工程師。