關于消防氣壓水罐計算的討論

葉張榮 孫 娜

(1.河北省石油化工設計院有限公司上海坤元醫(yī)藥工程分公司，上海 200050;2.上海寶鋼工程技術集團有限公司，上海 200030)

消防氣壓水罐作為消防增壓設施的一個重要組成部分，在《高層民用建筑設計防火規(guī)范》(以下簡稱高規(guī))7.4.8及其相應條文說明中明確指出了調節(jié)容積的設置大小［1］。消防氣壓水罐消防水容積的組成除了消防調節(jié)容積外，還應包括穩(wěn)壓水容積和緩沖水容積。氣壓罐水容積的計算有一個重要的參數(shù)為工作壓力比，實際使用中由于規(guī)范對上述參數(shù)定義的不清晰，消防氣壓水罐的計算往往和生活氣壓水罐的計算混淆。文章根據(jù)《氣壓給水設計規(guī)范》(以下簡稱規(guī)范)［2］，結合常用的隔膜式氣壓給水設備，對消防和生活氣壓水罐的區(qū)別，規(guī)范中相關術語的定義及消防氣壓水罐的計算進行了討論分析。

1 消防與生活氣壓水罐的區(qū)別

氣壓給水的基本原理是根據(jù)玻義爾—馬略特定律(簡稱玻馬定律)，利用罐內氣體的壓縮和膨脹進行供水。消防氣壓水罐給水和生活氣壓水罐給水都是利用以上原理，但二者又存在著以下不同之處。

1.1 功能和工作控制點不同

消防氣壓水罐儲水主要用于消防主泵啟動前30 s緊急供水，其消防調節(jié)容積部分的儲水平時為不可動用狀態(tài)，罐內變化的僅為穩(wěn)壓部分的水容積。而生活氣壓水罐的作用為代替水泵向用戶供水，避免水泵的頻繁啟停。根據(jù)其作用不同，這兩種氣壓水罐的壓力控點也不相同。如圖1所示，消防氣壓給水的氣壓水罐，共有4個工作點。而生活氣壓水罐主要為2個工作點。正常工作狀態(tài)下，消防穩(wěn)壓泵在壓力點PS1和PS2之間工作，而生活給水泵在P1和P2之間工作。

圖1中，P1為氣壓罐最低工作壓力，MPa;P2為消防主泵啟動壓力或生活水泵停泵壓力，MPa;PS1為穩(wěn)壓水泵啟動壓力，MPa;PS2為穩(wěn)壓水泵停止壓力，MPa;VX為消防貯水容積，m3;Vap為緩沖水容積，m3;VS為穩(wěn)壓水容積，m3;VXf為消防水總容積，m3;V1為與工作壓力P1對應的儲罐空氣體積，m3;VX2為生活給水隔膜罐調節(jié)容積，m3。

圖1 消防及生活給水隔膜罐工況示意圖

1.2 工作壓力點P2計算方法不同

根據(jù)規(guī)范2.1.17的定義，圖1中消防及生活給水隔膜罐的P2均定義為氣壓罐最高工作壓力，但二者計算完全不同。根據(jù)規(guī)范3.2.4，生活氣壓給水罐計算公式為 P2=P1/αb，而消防氣壓水罐消防主泵啟動壓力，根據(jù)規(guī)范4.3.8，計算公式應為P2=P1/(1－β·VX/V)。其中，αb為工作壓力比;β為容積系數(shù);P1，P2分別為最低及最高絕對工作壓力。

1.3 工作壓力比的取值范圍不同

根據(jù)規(guī)范消防氣壓水罐工作壓力比αb的范圍宜在0.5～0.9的范圍內取值，而生活氣壓水罐工作壓力比的范圍宜在0.6～0.85 的范圍內取值［2］。

1.4 罐儲水容積及變化容積不同

貯存在消防氣壓水罐內的消防水容積由消防調節(jié)容積，緩沖容積及穩(wěn)壓容積三部分組成，正常工作狀態(tài)下，消防氣壓水罐內儲水僅有穩(wěn)壓水容積部分產生變化。而生活給水氣壓水罐內的水容積主要為調節(jié)水容積，在正常使用過程中該容積均產生變化，該部分調節(jié)容積的計算可按V=(c·Q)/(4n)進行計算。其中，c為安全系統(tǒng);Q為工作水泵計算流量;n為水泵1 h內啟停次數(shù)。而消防穩(wěn)壓容積的計算，其應根據(jù)穩(wěn)壓泵的啟停壓力及玻馬定律計算得到，并不應小于規(guī)范規(guī)定的50 L。

通過以上對比分析可以看到，消防氣壓水罐與生活氣壓水罐的計算還是有明顯差別的，在應用時應注意區(qū)別。

2 關于工作壓力比定義的探討

根據(jù)規(guī)范2.1.11定義，工作壓力比αb定義為:氣壓水罐最低工作壓力(絕壓)與最高工作壓力(絕壓)的比值。而對最高工作壓力，規(guī)范2.1.17定義為:控制氣壓給水設備的生活或生產水泵停止工作或消防氣壓給水設備的消防主泵啟動的壓力。

根據(jù)以上定義的規(guī)定，消防氣壓水罐的工作壓力比可以描述為:αb=P1/P2，即:

根據(jù)規(guī)范公式 4.3.8，

由式(1)和式(2)可以得到αb=1－β·VX/V，變形后可以得到 V=β·VX/(1－αb)。

以上公式與規(guī)范中的公式4.3.5，V=β·VXf/(1－αb)進行對比，可以得到VX=VXf的矛盾結論，從圖1可以看出，消防貯水容積VX與消防水總容積VXf是兩個不同的概念。分析以上矛盾結論產生的原因，主要是規(guī)范中對消防氣壓水罐“最高工作壓力”的定義錯誤導致的，消防氣壓水罐實際的最高工作壓力應為穩(wěn)壓水泵停止運行壓力PS2，而不是規(guī)范中定義的消防主泵啟動壓力P2。將αb=P1/PS2代入規(guī)范氣壓水罐總容積計算公式4.3.5進行驗證，可以得到:

其中，V/β為氣壓罐內壓力為P1時罐內實際空氣體積;β為容積系數(shù)。

上式符合玻馬定律，由此可見消防氣壓水罐的工作壓力比應定義為αb=P1/PS2。

3 關于消防氣壓水罐的計算

根據(jù)規(guī)范，氣壓水罐容積可以根據(jù)公式V=β·VXf/(1－αb)進行計算，該公式中消防水總容積VXf的三個組成部分，除消防貯水容積VX可根據(jù)高規(guī)進行確定外，穩(wěn)壓水容積VS和緩沖水容積Vap均為未知，求解以上兩部分水容積，可根據(jù)玻馬定律進行推導。由玻馬定律可知(參數(shù)含義見圖1):

經變換后可以得到:

從以上公式可以看出，計算消防水總容積VXf以及穩(wěn)壓水容積VS，需要事先得到各工作點壓力值，包括P2。如參數(shù)P2采用規(guī)范提供的公式(2)進行計算，則需要事先得到穩(wěn)壓罐容積V，這樣在計算時只能先假定V或者P2進行試算，實際操作并不方便。結合工作壓力比的定義，下面給出一種穩(wěn)壓罐容積的簡單計算方法。

根據(jù)上文討論，工作壓力比可描述為 αb=P1/PS2，公式中P1根據(jù)最不利點消防所需水壓確定，工作壓力比可根據(jù)規(guī)范給定的范圍選定，通過上式便可計算得到PS2。根據(jù)規(guī)范4.3.9及4.3.10，可以按下式分別計算得到PS1及P2:

其中，0.05，0.02均為兩個工作點之間的壓力差。

在消防氣壓罐各個壓力工作點及消防貯水容積VX確定之后，便可由式(3)和式(4)計算得到VS及Vap。對計算得到的VS值應根據(jù)規(guī)范進行校核，使穩(wěn)壓水容積不小于50 L，避免穩(wěn)壓泵頻繁啟動。

根據(jù)以上計算得到的VS，Vap以及消防貯水容積VX，可以得到穩(wěn)壓罐消防水總容積VXf，結合規(guī)范4.3.5條公式，便可計算得到消防穩(wěn)壓罐總容積。通過該方法計算得到的P2值，符合玻馬定律，可同時滿足規(guī)范4.3.8條公式，避免了圖集中采用P2=P1/αb的方法計算，產生與規(guī)范規(guī)定不一致的情況。

4 關于國標圖集中αb的討論

國家標準圖集98S205消防增壓穩(wěn)壓設備選用與安裝(隔膜式氣壓罐)(以下簡稱圖集)［3］，在計算時同樣采用αb=P1/P2作為工作壓力比。并根據(jù)P1/αb計算值作為消防主泵啟動壓力P2，該值實際上應為消防氣壓罐穩(wěn)壓泵停泵壓力PS2。按圖集計算得到的各工作點壓力值都比按規(guī)范計算偏高。這種情況下，氣壓罐的計算容積將可以適當減小，但不利因素由于提高了穩(wěn)壓罐工作點壓力，有可能引起高層建筑底層超壓，并增加穩(wěn)壓泵運行能耗，以上影響應在圖集選用時予以考慮。

5 結語

消防氣壓給水和生活氣壓給水裝置存在著明顯的不同，消防氣壓水罐的計算應有別于生活氣壓水罐。在消防氣壓水罐計算過程中，氣壓罐的最高工作壓力應為穩(wěn)壓泵的停泵壓力，《氣壓給水設計規(guī)范》中關于“最高工作壓力”定義有待商榷。結合對工作壓力比的理解，對消防氣壓水罐的計算提出了比較便捷可行的方法。分析了國標圖集按P2=P1/αb計算消防水泵啟動壓力和各工作點的利弊，在圖集選用時應予考慮。

［1］GB 50016-2006，高層民用建筑設計防火規(guī)范［S］.

［2］CECS∶76-95，氣壓給水設計規(guī)范［S］.

［3］98S205，消防增壓穩(wěn)壓設備選用與安裝(隔膜式氣壓罐)［S］.