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自动喷水灭火系统设计中水力计算
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摘 要: 水力计算是关系系统可靠性、 合理性和经济性一项关键设计内容。《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084－）对水力计算改动较大, 结合新规范对符合其要求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

on Hydraulic Calculation in Design for Sprinkler Systems

Abstract: Hydraulic calculation is important part on the reliability, rationality, economical efficiency of system of design. Code of design for sprinkler systems(GB50084－) has much change on hydraulic calculation. Combined to it, the reasonable calculation method was included and summarized.
Keywords: fire fighting; sprinkler systems; hydraulic calculation

《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084－）[1]（以下简称《喷规》）给人以面目一新。其中对水力计算改动也较大, 表现在: 要求管道直径应经水力计算确定; 作用面积宜采取矩形; 系统设计流量, 应按最不利点处作用面积内喷头同时喷水总流量确定, 并对多个特殊情况下系统设计流量作出了要求; 管道内流速宜采取经济流速; 宜采取当量长度法计算局部水头损失; ⑥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“快速开启系统、 大强度小作用面积喷水控火”为设计思绪。
《喷规》中要求, 努力争取引导设计遵照系统基础原理和技术特点, 使系统发挥自动扑救早期火灾作用。这种属性决定了其可操作性上有待于具体、 深化。
现行手册、 教材及相关期刊文件中介绍内容在设计参数、 设计流量及其它很多方面因为《喷规》重大改变, 已难以与之吻合和满足实际工程计算需要。同时为了科学严谨地设计系统, 有必需对满足《喷规》要求, 经济、 合理、 可靠管道水力计算方法进行探讨与总结, 以利于《喷规》愈加好地指导实践, 服务于工程。
1　现行自动喷水灭火系统管道水力计算方法 [2,3,5]
1.1 中国两种水力计算方法
⑴ 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位置, 此作用面积形状宜采取正方形或长方形, 当采取长方形部署时, 其长边应平行于配水支管, 边长宜为作用面积平方根1.2倍, 仅在作用面积内喷头才计算其喷水量, 且每个喷头喷水量最少等于要求喷水强度, 作用面积后管段流量不再增加, 仅计算管道水头损失。对轻、 中危险级, 计算时可假定作用面积内每只喷头喷水量相等（在新《喷规》中已不再推荐采取此方法）; 对严重危险级, 按喷头处实际水压计算喷水量。
⑵ “逐点法”
“逐点法”计算, 从系统最不利点喷头开始, 沿程计算各喷头水压力、 流量和管段累计流量、 水头损失, 直到管段累计流量达成设计流量为止; 在以后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
⑴ 英国《自动喷水灭火系统安装规则》BS 5306－Part2-1990要求计算方法为: 应由水力计算确定系统最不利点处作用面积位置。此作用面积形状应尽可能靠近矩形, 并以一根配水支管为长边, 其长度应大于或等于作用面积平方根1.2倍。
配水管计算应确保最不利点处作用面积内最小喷水强度符合要求。当喷头按正方形、 长方形或平行四边形部署时, 喷水强度计算, 取上述四边形顶点上四个喷头总喷水量除以4, 再除以四边形面积求得。
⑵ 美国《自动喷水灭火系统安装标准》NFPA-13(1996年版)要求: 对于全部按水力计算要求确定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1.2倍, 喷头数若有小数就进位成整数。当配水支管实际长度小于边长计算值时, 作用面积要扩展到该配水管邻近配水支管上喷头。
作用面积内每只喷头在工作压力下流量, 应能确保大于最小喷水强度与一个喷头保护面积乘积。水力计算应从最不利处喷头开始, 每个喷头开放时工作压力不应小于该点计算压力。
⑶ 德国《喷水装置规范》（1980年版）要求: 首先确定作用面积位置, 要求出作用面积内喷头数。要求各单独喷头保护面积与作用面积全部喷头平均保护面积误差不超出20%。（相邻四个喷头之间围合范围为一个喷头保护面积）。
2 水力计算方法分析
“逐点法”计算中, 每个喷头流量按特征系数法计算, 其流量随喷头处压力改变而改变。此计算特点是在系统中除最不利点喷头以外任一喷头喷水量或任意4个相邻喷头平均喷水量均超出设计要求, 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一计算, 不符合火灾发展通常规律。实际火灾发生时, 通常都是火源点呈辐射状向四面扩大蔓延, 而只有失火区上方喷头才会开启喷水。所以采取作用面积保护方法及仅在作用面积内喷头才计算喷水量是合理。同时因为火灾时对流及风影响, 作用面积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。
基于前文及以上分析, 并结合《喷规》相关条文, 不难看出, 水力计算时, 经过“逐点法”计算矩形作用面积内全部喷头和管道流量和压力, 而作用面积后管段中流量不再增加, 仅计算沿程和局部水头损失。这种采取“矩形面积”保护方法以及仅在“矩形面积”内喷头才计算喷水量来确定系统设计流量“矩形面积－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、 安全, 也是《喷规》推荐作法。
3　“矩形面积－逐点法”计算方法
3.1 矩形面积确定
确定最不利作用面积在管网中位置（必需时可由水力计算确定）, 作用面积形状为矩形, 其长边平行于配水支管, 其长度大于作用面积平方根1.2倍, 喷头数若有小数就进位成整数。当配水支管实际长度小于边长计算值时, 作用面积要扩展到该配水管邻近支管上喷头。
仅在走道内设置单排喷头闭式系统, 其作用面积应按最大疏散距离所对应作用面积确定。系统设计流量按中Ⅰ级系统相关要求计算。
干式系统作用面积应按《喷规》表5.0.1要求值1.3倍确定。雨淋系统中每个雨淋阀控制喷水面积不宜大于《喷规》表5.0.1中作用面积。
系统设计基础参数见《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
系统设计流量, 应按最不利点处作用面积内喷头同时喷水总流量确定:
　 　　　（1）
　　　　 （2）
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流量（L/min）
n——最不利点处作用面积内喷头数。
Pi——矩形面积内喷头处水压（MPa）
K——喷头流量系数。
系统设计流量计算中相关情况处理及要求, 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水压计算确定, 具体方法以下:
⑴ 首先假定最不利点处水压, 求该喷头出水量, 以此流量求喷头①－②之间管段水头损失; 最不利点水压通常为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, 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, 为确保一定喷水强度, 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, 能够减小约0.05MPa扬程。）
⑵ 以第一喷头处所假定水压加喷头①－②之间管段水头损失, 作为第二喷头处压力, 以求第二个喷头流量。此两个喷头流量之和作为②－③喷头之间管段流量, 以求该管段中水头损失。以后依这类推。计算至作用面积内全部喷头和管道流量和压力。
⑶ 两管段交点处计算水压不一样时, 应按式（3）对交汇点处水压一侧管段进行修正[4]。
　 　　　 　　　　　　　　　　　（3）
式中, q1——低水压侧管段修正流量（L/s）;
q2——高水压侧管段计算流量（L/s）;
h1——低水压侧管段水压（KPa）;
h2——高水压侧管段水压（KPa）。
3.4 经济流速和水头损失
⑴ 经济流速
自动喷水灭火系统管网内水流速度宜采取经济流速。而对一些配水支管需用缩小管径增大沿程水头损失达成减压目时, 水流速度能够超出5m/s, 但也不应大于10m/s。
经济流速是经济性、 合理性、 可靠性与安全性统一, 并非通常意义上经济流速含义。结合工程算例分析和相关手册与文件介绍, 配水干管和配水支管设计流速采取通常不宜超出3m/s, 常见1.3~2.5m/s。
⑵ 管道沿程和局部水头损失
每米管道水头损失按式（4）计算:
　 　　 （4）
式中　 i——每米管道水头损失（MPa/m）
V——管道内水平均流速(m/s)
dj——管道计算内径（m）, 取值应按管道内径减1mm确定。
管道局部水头损失, 采取当量长度法计算, 也就是将水流经过弯管、 丁字管局部压力损耗相同于一定长度直管。(新规范推荐采取当量长度法, 而对取管道沿程水头损失20%做法未提及)
实际计算中, 将对应局部当量加入管段长度, 经过编制程序、 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供水压力
　　水泵扬程或系统入口供水压力计算以下式:
　　 　（5）
式中　H——水泵扬程或系统入口供水压力（MPa）;
——管道沿程和局部水头损失累计值（MPa）, 湿式报警阀、 水流指示器取值0.02MPa, 雨淋阀取值0.07MPa; 蝶阀型报警阀及马鞍型水流指标器取值, 由生产厂家提供。
P0——最不利点处喷头工作压力（MPa）;
Z——最不利点处喷头与消防水池最低水位或系统入口管水平中心线之间高程差, 当系统入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 减压与减压方法
《喷规》第8.0.5条要求“……配水管道部署, 应使配水管入口压力均衡。轻危险级、 中危险级场所各配水管入口压力均不宜大于0.04MPa”, 而自动喷水灭火系统中, 不仅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, 因为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水压也有剩下, 所以习惯是对连接有利工作面积配水管或配水干管给予减压, 减压方法能够采取设置减压阀、 减压孔板、 节流管以及缩小有利工作面配水支管管径等方法增加沿途水头损失达成减压目。
相关要求与计算见《喷规》9.3.1－9.3.5条。
4 结语
水力计算将决定系统投入灭火水量及对灭火水量分配, 是关系系统可靠性、 合理性和经济性一项关键设计内容。经济技术发展、 计算机大众化及经验积累, 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, 而不采取“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喷水量均等于不利点喷头喷水量简化方法。

参考文件:
[1] GB50084－.自动喷水灭火系统设计规范[S].北京:中国计划出版社,.
[2] 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,.12.
[3] 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,1998,6.
[4] 刘振印,傅文华,张国柱,等.民用建筑给水排水设计技术方法[M].北京:中国建筑工业出版社,1997,9.
[5] 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,,5.
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看了新规范, 认为应是这么, 请大家批评、 指导!