室内消火栓系统设计用水量的方案分析.doc

室内消火栓系统设计用水量的方案分析
室内消火栓系统设计用水量的方案分析

摘要： 目前室内消火栓是各种建筑中最为常见的灭火设施之一，规范中明确规定了各种性质建筑的最低室内消防用水量。然而，在实际使用当中，一般室内消防用水量比规范规定的要高，为避免设计的系统存在安全隐患，使设计的系统用水量方案切实可靠，在设计时应根据实际使用情况进行计算分析确定。
关键词： 消火栓用水量 消火栓栓头 水枪 水泵接合器 消防供水泵 消防水池

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1 概况：
随着我国国民经济的不断迅猛发展，各种性质的建筑越来越多地呈现在人们的视野中。人们对于建筑的防火要求越来越重视、要求越来越高。
我国《建筑设计防火规范》（GB 50016-2006，以下简称“建规”）与《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045-95，2005年版，以下简称“高规”）中明确规定了各种性质建筑的最低室内消防用水量。而《城镇给水排水技术规范》（GB 50788-2012）第3.6.10条规定：“消防给水系统的水量，水压应满足使用要求”。那么室内消防用水量是应该只满足建规或高规中规定的最低用水量，还是满足消火栓实际的出水量呢？条文解释中也没有明确这一点。笔者理解：应满足室内消火栓实际使用的出水量。
在对室内消火栓系统设计用水量方案进行分析之前，我们先来了解一下室内消火栓系统中消火栓栓头与水枪的参数。
2 室内消火栓栓头与水枪参数：
建规与高规中均规定每个消火栓出水量不得小于5L/s。
水枪出流量计算公式为：

式中 Hxh——消火栓栓口的最低水压（0.010MPa）；
Hd ——消防水带的水头损失（0.010MPa）；
Hq ——水枪喷嘴造成一定长度的充实水柱所需水压（0.010MPa）；
Ad ——水带的比阻，口径为65mm的衬胶水带比阻为0.00172；
Ld ——水带长度（m），一般为25m；
qxh ——水枪喷嘴射出流量（L/s）；
B ——水枪水流特性系数，口径为19mm的系数为1.577；
Hsk ——消火栓栓口水头损失，宜取0.02MPa。
根据此公式计算可得表1。
根据表1可知栓口压力为0.17MPa时，口径为19mm的水枪出流量为5.2L/s。随着栓口压力的增加，水枪的出流量也随之增加，当栓口压力达到0.50MPa时，水枪出流量可达到8.9L/s。
高规中规定当栓口压力超过0.50MPa时，应采取减压措施。设计人员一般都采用减压稳压消火栓来达到减压目的。根据资料，我们可以查得图1[5]。根据图1我们可以看出随着栓前压力的改变减压稳压消火栓栓后压力也不是一个定值，而是随着栓前压力的增加，栓后压力也随之增加，水枪出流量也同时增加。例如：当栓前压力为0.50MPa时，栓后压力0.27MPa，水枪出流量为6.5L/s；当栓前压力为0.90MPa时，栓后压力接近0.30MPa，水枪出流量为7.0L/s。

表1 直径为19mm的水枪压力与流量[4]
栓后压力（0.010MPa）
15.0
17.0
18.5
20.0
20.5
22.5
24.5
27.0
水枪流量（L/s）
4.9
5.2
5.4
5.5
5.7
6.0
6.2
6.5
栓后压力（0.010MPa）
28.0
29.0
29.5
30.0
32.5
33.5
47.0
50.0
水枪流量（L/s）
6.6
6.7
6.8
7.0
7.1
7.5
8.5
8.9

图1 SNW65-Ⅲ-H型减压稳压消火栓压力特性曲线[5]
P1为栓前压力 P2为栓后压力

3 室内消防系统布置方案：
我们以一栋综合楼为例，假设有一栋层高均为3m、地下2层、地上25层、建筑高度为75m的综合楼。
我们可以从高规中查得室内消火栓最小用水量为40L/s，每个消火栓最小出流量为5L/s。这就意味着火灾时将同时使用8个室内消火栓。
这里笔者列举三个消火栓布置方案，三个方案第25层消火栓压力均按0.17MPa计。为方便计算，暂且忽略各立、支管道阻力损失。-2层消火栓栓前静水压力为0.96MPa，由于不超过1.00MPa，所以竖向不分区。每个消火栓箱内均设置25m长DN65消防水带一条与枪口直径19mm的水枪一个。消火栓入户管与水泵接合器设均在-1层，入户所需压力为0.90MPa。
方案一：
栓前压力不超过0.5MPa的采用普通室内消火栓，即15~25层（15层栓前压力为0.47MPa）。
栓前压力超过0.5MPa的采用减压稳压室内消火栓，即-2~14层（14层栓前压力为0.5MPa）。
室内消火栓消防用水量按40L/s来设计，室外设三组地下式水泵接合器，消防水池按3小时室内消火栓用水量来计算，即432m3。我们选用某厂家的出水量为40L/s、扬程为0.90MPa的切线（恒压）消防供水泵。
方案二：
栓前压力不超过0.40MPa的采用普通室内消火栓，即18~25层（18层栓前压力为0.38MPa）。
栓前压力超过0.40MPa的采用减压稳压室内消火栓，即-2~17层（17层栓前压力为0.41MPa），且在第18、19、20层消火栓口处加设孔口直径为26mm的减压孔板，使这三层的栓后压力控制在0.20~0.30MPa之间（水枪出流量控制在5.7~7.0L/s之间）。
室内消火栓消防用水量按56L/s来设计，室外设四组地下式水泵接合器，消防水池按3小时室内消火栓用水量来计算，即604.8m3。我们选用某厂家的出水量为60L/s、扬程为0.90MPa的切线（恒压）消防供水泵。
方案三：
栓前压力不超过0.5MPa的采用普通室内消火栓，即15~25层；栓前压力超过0.5MPa的采用减压稳压室内消火栓，即-2~14层，且除第25层外栓口均加设减压孔板，根据不同的栓前压力计算减压孔板孔口直径（在这里，笔者不在作详细计算），使栓后压力控制在0.17~0.20MPa之间（水枪出流量控制在5.0~5.5L/s之间）。
室内消火栓消防用水量按44L/s来设计，室外设三组地下式水泵接合器，消防水池按3小时室内消火栓用水量来计算，即475.2m3。我们选用某厂家的出水量为40L/s、扬程为0.90MPa的切线（恒压）消防供水泵。
4 室内消防系统设计用水量方案分析：
我们把上面三个方案分别进行计算分析（消防水池只计算了室内消火栓用水量，室外消火栓与自动喷淋灭火系统等其他消防用水应另行计算并叠加，这里不再做详细计算）。
方案一：
此方案系统压力与消防用水量均满足高规中的规定，也不超压，看似没有问题。然而，我们来进行计算分析：
在实际使用时，在第15层消火栓出口压力最大，为0.47MPa，这时枪口出流量为8.5L/s，八个消火栓同时使用总流量将达到68L/s；即使超过0.5MPa的消火栓使用了减压稳压消火栓，在-2层处，栓前压力为0.96MPa，由图1可知，栓后压力为0.30MPa，此时水枪出流量为7.0L/s，八个消火栓同时使用总流量也达到56L/s。由图2可以看出，两个流量都已经超出了所选泵的供水能力，且随着泵出水量的增加，所选泵的功率增加很快，不利于消防用电安全；泵的扬程也迅速下降，无法保证消火栓的出水压力，且3小时内室内消防实际总用水量也达到了734.4m3，比此方案设计的432m3的储水量超出了302.4m3，换句话说即使消防泵能满足0.90MPa的压力与68L/s的流量，但432m3的消防水量也只能保证1.76小时消防供水。在看水泵接合器，我们知道一个水泵接合器一般按10~15L/s的补水能力来计，三个水泵接合器相加最大也只能补充45L/s，无法满足系统的实际用水量要求。由此可见，此方案存在着很大的安全隐患。

图2 XBD9/40G-L性能曲线
XBD9/40G-L表示：立式切线（恒压）消防泵组额定流量为40L/s，额定压力为0.90MPa。

方案二：
在实际使用时，仅使用普通消火栓的最大出口压力为0.29MPa（第21层），枪口出流量为6.7L/s；仅在栓口处加减压孔板的最大出口压力为0.28MPa（第18层），枪口出流量为6.6L/s；使用减压稳压消火栓的最大出口压力为0.30MPa（第-2层，栓前压力0.96MPa），枪口出流量为7.0L/s。由于采取了减压稳压消火栓与减压孔板等减压措施，使本建筑所有消火栓枪口出流量控制在了5.0~7.0L/s之间，且泵的额定供水能力也能满足8只水枪同时使用的最大用水量56L/s；四组水泵接合器合计最大补水量为60L/s，也能满足实际消防用水量最大值时的用水需求；消防水池储水量能满足流量为56L/s、使用时间3小时的消防用水；由图3可以看出，即使是8只水枪同时使用的最小流量为40L/s时，泵的扬程与输入功率均不影响泵与室内消火栓系统的正常使用。因此，此方案是安全可靠的。

图3 XBD9/60G-W性能曲线
XBD9/60G-W表示：卧式切线（恒压）消防泵组额定流量为60L/s，额定压力为0.90MPa。

方案三：
实际使用时，由于整个系统采取了普通消火栓加减压孔板和减压稳压消火栓加减压孔板的减压措施，使栓后压力控制在0.17~0.20MPa之间（水枪出流量控制在5.0~5.5L/s之间），系统的用水量控制在了40~44L/s之间；三组水泵接合器总补水量为45L/s，能满足实际消防用水量最大值时的用水需求；消防水池储水量能满足流量为44L/s、使用时间3小时的消防用水；由图2可以看出，当系统用水量在44L/s时，扬程的下降与功率的上升都不是很大，对消火栓的系统影响较小，在正常且能安全运行范围内。由此可见，此方案亦是安全可靠的。
5 小结：
由此可见，方案一存在着很大的安全隐患；方案二和方案三均为可靠的方案，这两个方案的差别在于：方案二，消防水池大、减压稳压消火栓多、消防水泵选型大、使用安全度高；方案三，消防水池小、减压孔板选用多且孔口直径需根据栓前压力进行计算、压力控制较复杂。至于哪个方案更优，这需要设计人员根据工程实际情况经过具体技术、经济分析后确定。总之，在设计时应该满足室内消火栓实际使用的用水量要求。

参考文献:
1 《建筑设计防火规范》(GB 50016-2006)
2 《高层民用建筑设计防火规范》(GB 50045-95)，（2005年版）
3 《城镇给水排水技术规范》(GB 50788-2012)
4 《全国民用建筑工程设计技术措施·给水排水》，（2009年版)
5 《国家建筑标准设计图集·室内消火栓安装》(04S202 )