穩高壓消防給水系統在超高層建筑中的應用

●張建平

(黔東南州消防支隊，貴州凱里 556000)

0 引言

在超高層建筑設計中，消防給水設計是一個極為重要的環節。近年來，由于經濟的快速發展和經濟總量的提升，超高層建筑越來越多，因此對于消防給水設計的要求也越來越高。對于超高層建筑而言，其特征是高度更大，建筑整體的功能也更復雜，對消防給水系統的設計就造成了更多的困難，比如管道壓力更大，系統控制復雜，管路復雜且多分區，水泵可能出現超壓甚至管道破裂等，其中管道超壓一直是設計人員關注的焦點。為了解決這些問題，設計人員采用了多種措施，如加設安全閥、使用多個小流量泵而非單個的大流量泵等等。但筆者認為，在超高層建筑中采用高位水箱的供水方式應該更好。基于這一觀點，本文將依據某一高層建筑的消防給水設計作相應的闡述。

1 穩高壓消防給水系統設計實例探究

1．1 工程概況

某高層建筑總建筑面積110 000 m2，其中分為多座塔樓，本文以D幢為例進行說明。D幢塔樓共有35層，高度為119．8 m。若依照層數進行功能區域的劃分，則第一層至第六層是商場，七至三十一層是寫字樓(其中第二十一層作為避難樓層)。由于資金壓力和業主的要求，該建筑的設計按照二期考慮，其中一期包含了地下室到六層;二期是余下的部分。

1．2 穩高壓消防給水系統設計方案

高層建筑由于高度大，室外給水管網水壓不能滿足高壓部分消防管網給水系統的水壓要求，因此必須加壓，采用消火栓給水系統減壓給水方式。本部分援引《高層民用建筑設計防火規范》(GB 50045-95，2005 年版，以下簡稱《高規》)進行說明。［1］

1．2．1 消火栓系統及豎向分區

《高規》第7．4．6．2條規定了消火栓的水量和針對不同建筑的適應性標準。根據標準要求，當高層建筑的建筑高度不超過100 m時，根據水力計算得出的水柱不應小于10 m;而當建筑高度超過100 m時，水柱不應小于13 m。本文中所涉及建筑，消火栓箱內包含了消火栓按鈕一個、消防卷盤一套、DN65膠管一套、ф19槍一支、DN65消火栓接口一個。按照壓力公式計算:

式中，Hd為水帶阻力損失(m);Ad為水帶阻力系數，DN65水帶取0．004 30;Ld為水帶有效長度(m);q為水槍噴嘴出流量(L·s-1);B為水槍水流特性系數，ф19 水槍取1．577。

根據公式計算，各供水區最不利點的消火栓口壓力Hd可以達到22 m水柱。

此外，《高規》第7．4．6．5條中對于消火栓的出水壓力也做了相應的規定:消火栓口的靜壓力超過0．5 MPa時，消火栓處應當設置相應的減壓裝置;當壓力超出1．0 MPa時，應當采取分區給水的方案。根據以上條件，本工程的消防給水系統應當采用分區給水的設計思路。經過多方對比和研究計算，確定了采用高位水箱供水的方案，結合減壓閥，實現分區供水。

該系統共分為4個區。根據使用要求，第一區設計了獨立的消防系統，該區的水箱設置在七層，以便充分利用裙樓頂部的空間。通過位于裙樓天面處所設計的一套穩壓裝置，保證整個系統的壓力。這套穩壓裝置的調節水量保證30 s內滿足5個噴頭和2支水槍的用水需求，該區的水箱為消防和生活共用。當發生火情時，由于水槍啟用，系統壓力會降低，此時消火栓泵啟動，地下水池的水被抽取上來進行供水。通過系統壓力監視，或者通過按下消火栓按鈕(或者通過消防控制中心)啟動消火栓泵。

第二區的水箱位于屋頂，經過減壓閥進行供水。該區的設計對避難層進行了一定的利用，將減壓閥設置在避難層中，并且沒有設置減壓水箱。這樣不僅有利于維護和管理，也增加了建筑的有效使用面積。本設計中，消火栓出口的設計水壓為0．5 MPa，當壓力過大時，設置的減壓孔板可以降低壓力。

第三區通過設計在屋頂的高位水箱進行供水。

式中，H是水箱和最不利消火栓的垂直距離(m);Hf是管道阻力損失(m);Hd是水帶阻力損失(m)。

根據公式計算水箱和最不利消火栓的垂直距離，假設管道阻力導致的總水壓損失小于3 m水柱，經過計算得出H為25 m。

當二區或者三區發生火災的時候，高位水箱可以支持最初10 min的消防用水，同時地下貯水池的存水也經過水泵拉升至高位水箱。10 min后，所使用的水來自地下貯水池。通過消防控制室，或者消火栓按鈕，啟動專用的消防泵進行供水。

第四區采用了增壓給水的系統設計思路，這是由于高位水箱的供水不足以滿足該區消火栓的水壓需求，因此采用消防主泵與氣壓罐結合的方式進行消防用水的調配。當發生火情時，系統壓力變化將會啟動位于屋頂的消防泵，抽取并供水;同時，底下的消防泵也將會同時啟動向高位水箱輸水。該區的給水系統是自動滅火系統與消火栓共用，將消火栓的供水與自動噴水滅火系統的供水分開，選用特性曲線平緩的水泵作為屋頂放置的消防主泵。

1．2．2 自動噴水滅火系統與豎向分區

根據《高規》中的相關規定，對于高層建筑，當其建筑高度在100 m以上時，除了其中面積小于5 m2的房間(如廁所或衛生間等)和不宜用水部位之外，都應當設置自動噴水滅火系統。本案中依照規定進行了自動噴水滅火系統的設置。［2］

依照相關要求，一區包含了地下室、第一至第六層的樓層和裙樓部分，這里設置了一級自動滅火系統，使用位于裙樓屋面的穩壓裝置保證系統的壓力(如前所述，這套裝置是自動滅火系統與消火栓共用)。當出現火情，系統壓力的改變將會啟動自動控制的水泵，或者由控制中心手動啟動。位于第四區的增壓系統可以提供給滅火系統1 h的用水量，由此可以取消除第一區外，其它幾個區域的自動滅火系統水泵，對于管道系統是一個很有效的簡化措施，便于維護和控制，并能夠提供可靠的供水能力。

1．2．3 屋頂重力水箱的容積確定

本案中，采取了消防、生活結合共用水箱的設計，屋頂的高位水箱同時具備了兩方面的作用。基于立足自救、預防為主的原則，為了能夠充分發揮自動滅火系統的功用及時控制火災，將確保供水系統的穩定可靠運行作為設計的基本要求。屋頂水箱儲存了足以供應自動滅火系統運行1 h的用量(約180 m3)，和預留的10 min消火栓用水(約24 m3)。該水箱的設計容積在220 m3，在消防用水占去固定的132 m3后，仍有88 m3的生活用水余量。為了保證可靠的消防供水能力，生活用水的水管高出消防用水所需的最低保障水位。在發生火情的最初10 min內，消防泵將會啟動并將蓄水池的水提升到水箱以保障消防系統的順利運行。

2 穩高壓消防給水系統應用問題探究

2．1 臨時高壓和穩高壓消防給水系統的比較

2．1．1 在消防泵啟動之前，臨時高壓消防給水系統并不保障消防用水的流量和壓力。而穩高壓消防給水系統，在準工作狀態，穩壓泵將起到臨時保障水壓的作用，并在最初的短時間內(本案中為30 s)保障供水需求。隨后在滅火過程的主要階段，都是啟用專用的消防泵來滿足系統整體的用水需求。為了滿足最初的供水需求，需要設置一定容積的消防穩壓罐。通過計算，得到消防穩壓罐的容積要求，見表1。

表1 消防穩壓罐的容積要求

2．1．2 穩高壓給水系統依靠管道壓力變化對消防泵進行控制，能夠及時、快速地供水，在火災初期盡量做到對火情的控制;而臨時高壓消防給水系統則需要手動進行控制。在這兩種系統中，對于消防穩壓泵的要求也不相同，不同系統中消防穩壓泵的主要區別見表2。

表2 不同系統中消防穩壓泵的主要區別

2．1．3 穩高壓消防給水系統也具有一定的缺點，其管網的施工條件和對管材的要求都比較苛刻，同時持續的高壓會導致更多的管網故障和泄漏，增加運行和維護成本［3］。兩種系統的效果對比情況見表3。

表3 兩種消防給水系統的效果對比

2．2 穩高壓消防給水系統的設計優化

2．2．1 穩壓泵揚程和流量的確定

準工作狀態時，穩高壓消防給水系統的水壓依靠穩壓泵進行保障，其揚程需要滿足最不利處的滅火設備所需的水壓。鑒于過高的壓力將會提升對施工的要求和對管網材質的要求，也更容易導致泄漏和故障，容易加大維護成本，因此將穩壓范圍確定在一個較低的水平上，本案中穩壓值設定為0．7 MPa。

對于穩高壓系統而言，流量也是一個非常重要的參數。管網一般都具備一個漏失水量，穩壓泵的流量應當超過這個數值，這個數值與整個系統的靈敏度和經濟性能密切相關。如果規定了一個較小的設計流量，穩壓泵將會很難維持管網在固定的壓力，也更易因滲漏而觸發報警，提升誤報的幾率;而過大的設計流量則會增加系統的投入和日常的例行維護費用，且在火災初期難以做到及時的反應［4］。本案中在設計時考慮到了長期的需求，將穩壓泵的流量確定在50 m3·h-1，具備了充分的余量。

2．2．2 控制柜的設置方式及穩壓泵取壓點設置

本例中，在系統試運行階段，曾經發生過頻繁的穩壓泵啟動問題，每3 min穩壓泵自動啟動一次，并運行僅1 min。分析發現，問題的原因在于控制柜的設置方式不對。當時控制柜以上下兩個點來控制泵的工作，并維持管網的壓力恒定。當由于局部滲漏導致壓力下降低于下限時，穩壓泵將會啟動，對管網進行補水以維持壓力;當壓力過高，穩壓泵則會自動停止。由于穩壓泵的取壓點設置在穩壓泵的出口管線上，不合理的設置導致穩壓泵不斷啟動和運行，而系統則無法正常工作［5］。經過研究，將穩壓泵的取壓點移動到消防泵的主水管上，改變變頻調速恒壓控制，取消上下限并接壓力表，僅僅控制壓力在0．7 MPa±0．01 MPa，于是解決了問題。

2．2．3 消防泵出口閥的控制

為節省投入，并避免由于復雜化系統而導致的故障率提升，消防泵的出口電動閥沒有進行連鎖控制。而在火災發生時，又需要消防泵能夠快速開啟，因此消防泵出口閥采取了常開狀態的模式。

2．2．4 消防泵的啟動控制

消防泵房內，保證24 h有值班人員，當發生火情的時候，由于消火栓或者消防水炮的用水，管網內的壓力將會急速下降。偵測到這個現象的控制柜將會發出聲光進行提示，并自行啟動主泵。隨后消防人員到場，并觀察火災情況，決定是否增加消防相關設備的啟用量。因此，本案中將消防主泵直接掛接到控制柜，根據管網的壓力自動啟動;而第二臺消防泵則是根據現場情況來進行判斷，采用人工啟動。

2．3 穩高壓消防給水系統經濟性能考量

超高層建筑消防給水系統采用高位水箱重力供水，同時對于水壓過高的部分采用高位水箱結合減壓閥進行分區供水。這樣一來，與并聯系統比較，該系統承受的壓力明顯降低，且各供水區的壓力相對恒定，沒有超壓現象出現，與中間位置傳輸水箱比較，保證了更少的設備、更好的壓力、更簡單的系統和管路。同時，也能夠簡化系統控制，增加有效使用面積。另外，生活泵在消防泵不能運作的時候，也可以作為備用的消防泵，具備雙保險的作用，保障了供水系統的安全可靠和經濟實用。

綜上所述，當高層建筑的高度小于169 m的時候，本文中所提到的供水方案是比較經濟合理的［6］。

3 結語

本文通過對某高層建筑中穩高壓消防給水系統設計方案的闡述和對穩高壓消防給水系統諸如經濟性、技術性等相關問題的分析，認為在超高層建筑中，穩高壓消防給水系統的應用可以更好地解決高層建筑中消防給水系統存在的諸多問題，而且穩高壓消防給水系統比臨時高壓消防給水系統更具有可行性。當高層建筑的高度小于169 m時，穩高壓消防給水系統和實例所闡述的高位水箱的供水方式是比較經濟合理的。穩高壓消防給水系統作為一種新的消防給水系統，在實際運用中，要求電源可靠、管理到位、電氣按雙電源設計。另外，在應用本系統的過程中，應設泄壓閥或設防超壓措施和消防值班室，以備不時之需。

隨著高層建筑越來越多，如何解決高層建筑消防給水系統設計中存在的問題成為一個越來越重要的課題，本文所提出的穩高壓消防給水系統能夠為設計人員解決問題提供一種可以選擇的途徑和改進方法，為高層建筑消防給水設計提供一種新的思路和解決方式。當然，運用穩高壓消防給水系統也可能會出現很多新的問題，這些問題需要在設計實踐中逐步解決和不斷完善。

［1］GB 50045-95，高層民用建筑設計防火規范(2005年版)［S］．

［2］張智，張勤，郭士權，等．給排水工程專業畢業設計指南［M］．北京：中國水利水電出版社，2001．

［3］魏福森．高層建筑高位水箱設計研討［J］．重慶建筑大學學報，1988，20(5)．

［4］陶觀楚，曾杰魏．穩高壓消防給水系統的探討與應用［J］．工業用水與廢水，1997，(4)．

［5］范文良，張群英，李曉將．淺談高層建筑穩高壓消防給水系統［J］．山西建筑，2007，33(31)．

［6］劉偉明．對高層建筑臨時高壓消防給水系統若干規定的探討［J］．工業安全與環保，2006，32(1)．