EPANET在建筑消火栓給水系統(tǒng)水力模擬分析中的應(yīng)用

方志珍,陳 勇,樂永生

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院,安徽 合肥 230009; 2.東華工程科技股份有限公司,安徽 合肥 230024)

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EPANET在建筑消火栓給水系統(tǒng)水力模擬分析中的應(yīng)用

方志珍1,陳 勇1,樂永生2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院,安徽 合肥 230009; 2.東華工程科技股份有限公司,安徽 合肥 230024)

建筑消火栓給水系統(tǒng)的啟動和運(yùn)行是一個(gè)動態(tài)過程。文章將消火栓系統(tǒng)運(yùn)行過程分為4個(gè)不同工況,利用EPANET2軟件對具體案例中消火栓系統(tǒng)的4個(gè)工況分別進(jìn)行了模擬計(jì)算,提出應(yīng)該根據(jù)不同的設(shè)計(jì)對象,選擇不同工況的水力計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù),推算了消防水箱和消防水池在滿足規(guī)范供水時(shí)間情況下的所需容積。

EPANET軟件;消火栓系統(tǒng);運(yùn)行過程;水力分析

通常情況下,設(shè)計(jì)人員對消火栓給水系統(tǒng)的水力計(jì)算只是針對主泵正常啟動后的工況。但消火栓給水系統(tǒng)啟動和運(yùn)行是一個(gè)多工況的動態(tài)運(yùn)行過程[1]。要想全面了解系統(tǒng)的水力狀況,必須對系統(tǒng)進(jìn)行多工況水力計(jì)算和比較分析。

1 消火栓給水系統(tǒng)運(yùn)行過程分解

針對無增壓穩(wěn)壓設(shè)備的消火栓給水系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行過程,筆者認(rèn)為主要分為4個(gè)階段:

(1) 在火災(zāi)發(fā)生初期,消防主泵未啟動,該工況的運(yùn)行時(shí)間主要由主泵啟動反應(yīng)時(shí)間決定,該時(shí)間內(nèi)消火栓給水主要是依靠屋頂消防水箱的重力加壓供水。

(2) 在消防主泵啟動后,這時(shí)系統(tǒng)主要通過消防主泵和消防水箱聯(lián)合供水。

(3) 待屋頂消防水箱不能出水后,系統(tǒng)則只由消防主泵供水。

(4) 消防救援人員和設(shè)備趕到后,為了增加系統(tǒng)水量和水壓,室外消防水泵接合器啟用,這時(shí)系統(tǒng)由消防主泵和消防水泵接合器聯(lián)合供水。

由以上分析可見,在消火栓系統(tǒng)啟動運(yùn)行的過程中,系統(tǒng)的水力狀況是不斷變化的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)該對以上4個(gè)工況分別進(jìn)行水力計(jì)算、分析和校核,使得在不同工況下,系統(tǒng)水壓、水量等都能滿足規(guī)范要求。

2 消火栓給水系統(tǒng)多工況模擬計(jì)算

對于建筑消火栓給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算,國內(nèi)目前普遍還停留在手工計(jì)算的階段。隨著專業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件的開發(fā)和應(yīng)用,利用模型計(jì)算軟件對消火栓給水系統(tǒng)進(jìn)行多工況模擬計(jì)算是趨勢所在。文獻(xiàn)[2-3]利用EPANET對噴淋系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算分析,文獻(xiàn)[4]嘗試對消火栓系統(tǒng)采用有限元建立數(shù)學(xué)模型的方法進(jìn)行研究。EPANET水力模型在市政給水優(yōu)化計(jì)算中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[5-6]。本文利用EPANET模擬計(jì)算軟件對消火栓系統(tǒng)運(yùn)行過程進(jìn)行多工況計(jì)算。

2.1 EPANET模型建立

以合肥市包河區(qū)淝河鎮(zhèn)行政服務(wù)中心項(xiàng)目為例,建筑面積6 340 m2,地上5層,地下1層,建筑高度17.5 m,消火栓系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量15 L/s,建筑使用功能為政府辦公樓和社區(qū)活動中心。

水壓要求:按照文獻(xiàn)[7]的規(guī)定,建筑最不利點(diǎn)消火栓栓口動壓不應(yīng)小于0.25 MPa,消火栓栓口動壓大于0.5 MPa時(shí)設(shè)減壓穩(wěn)壓型消火栓。

水量要求:單個(gè)消火栓出水量要求不小于5.0 L/s。

水泵參數(shù):系統(tǒng)主泵的設(shè)計(jì)流量為15 L/s,揚(yáng)程為40 m,一用一備,且水泵的性能滿足文獻(xiàn)[7]要求。假設(shè)工況4中與水泵接合器連接的消防車水泵參數(shù)同主泵參數(shù)。

消防水池位于地下室,有效容積為240 m3,水池有效水深2.5 m。消防水箱位于周邊一棟18層住宅樓頂,箱底標(biāo)高為52.2 m,有效水深2.5 m,有效容積為18 m3。管道粗糙系數(shù)取0.045,采用Darcy-Weisbach公式計(jì)算。閥門局部水頭損失系數(shù)取2.5。水泵、水泵接合器和屋頂水箱的出水管設(shè)定為CV模式,水流在該管段只能單向流動。根據(jù)以上參數(shù)建立消火栓系統(tǒng)的EPANET模型,如圖1所示。

圖1 淝河鎮(zhèn)政務(wù)服務(wù)中心消火栓給水系統(tǒng)EPANET模型

2.2 多工況水力模擬計(jì)算

利用EPANET2模型軟件對該項(xiàng)目消火栓給水系統(tǒng)4個(gè)工況進(jìn)行水力計(jì)算。按照文獻(xiàn)[7]的要求,通常選擇最不利立管的最不利消火栓和次不利消火栓以及次不利立管的最不利消火栓同時(shí)出水為計(jì)算工況,即節(jié)點(diǎn)18、節(jié)點(diǎn)17和節(jié)點(diǎn)19的消火栓同時(shí)使用為該消火栓系統(tǒng)最不利用水工況。本文以最不利節(jié)點(diǎn)18的節(jié)點(diǎn)水壓、消防水箱流量、主泵流量、主泵揚(yáng)程、水泵接合器流量、水泵接合器揚(yáng)程和管道流速為特征參數(shù)值,分析4個(gè)工況下系統(tǒng)的水力狀況：工況1,消防水箱供水;工況2,消防主泵和消防水箱聯(lián)合供水;工況3,消防主泵供水;工況4,消防主泵和水泵接合器聯(lián)合供水。

設(shè)定節(jié)點(diǎn)18、節(jié)點(diǎn)17和節(jié)點(diǎn)19為模型中的擴(kuò)散器,擴(kuò)散器系數(shù)取1.256,計(jì)算結(jié)果見表1所列。

表1 消火栓給水系統(tǒng)多工況水力計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)果分析

從表1可以看出,工況1的最不利節(jié)點(diǎn)流量和水頭分別達(dá)到6 L/s和22.80 m。這主要是由于該案例中消防水箱的架設(shè)高度高達(dá)52.2 m。在滿足規(guī)范水箱最低水位到最不利消火栓靜壓水頭為7.0 m的要求情況下,經(jīng)過模擬,工況1系統(tǒng)的最不利消火栓實(shí)際出流量和水頭分別為2.69 L/s和4.58 m,該流量不能滿足1支消火栓滅火要求。在主泵啟動后,工況3的最不利消火栓實(shí)際出流量和節(jié)點(diǎn)壓力最小,工況3是整個(gè)系統(tǒng)啟動運(yùn)行過程中的最不利水力工況，消火栓系統(tǒng)主泵選型和管網(wǎng)管設(shè)計(jì)應(yīng)該以工況3為設(shè)計(jì)依據(jù)。同理,工況2和工況4則是系統(tǒng)的較有利工況，消火栓系統(tǒng)是否超壓、是否采用減壓穩(wěn)壓型消火栓應(yīng)該以工況2和工況4校核。不同工況管網(wǎng)系統(tǒng)壓力分布如圖2所示。

工況2和工況4屬于多水源供水消火栓給水系統(tǒng)。從圖2可以看出,這2個(gè)工況管網(wǎng)等壓線分布形狀基本和工況3相似,但是系統(tǒng)的等壓線明顯向管網(wǎng)末端推進(jìn)9.0～10.0 m。可見,多水源供水對系統(tǒng)水壓的提高和出水量的增加有明顯的效果,有利于提高滅火效率。在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中,還可以根據(jù)等壓線分布密度優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計(jì)。

從水力計(jì)算結(jié)果可以推算出消防水箱和消防水池實(shí)際需要的有效容積。在不考慮水箱水位下降和滿足規(guī)范提供10 min消防供水要求的情況下,按工況1出流0.5 min,工況2出流9.5 min計(jì)算,消防水箱實(shí)際需要的有效容積為9.06 m3。在不考慮其他供水水源和滿足規(guī)范2 h持續(xù)供水時(shí)間的要求下,按工況3的出流量計(jì)算,消火栓系統(tǒng)實(shí)際需要的滅火用水量為117.29 m3。可見,用EPANET模擬消火栓系統(tǒng)對確定系統(tǒng)中水池和水箱等設(shè)備的規(guī)模十分便利。

工況3流速分布比率曲線如圖3所示。

從圖3可以看出,流速低于1 m/s的管段占86%。經(jīng)分析,主要是因?yàn)樵撓鹚ńo水系統(tǒng)中部分管網(wǎng)的管徑是按照規(guī)范規(guī)定的最小管徑DN100設(shè)置和系統(tǒng)的水力計(jì)算按照環(huán)狀管網(wǎng)計(jì)算所致[8]。由此可見,規(guī)范關(guān)于消火栓管網(wǎng)最小管徑為DN100的規(guī)定和按支狀管網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算的規(guī)定值得商榷。

4 結(jié) 論

(1) 消火栓給水系統(tǒng)啟動和運(yùn)行是一個(gè)多工況的動態(tài)過程,不同工況下消火栓給水系統(tǒng)水力計(jì)算結(jié)果差距明顯。消火栓給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)該根據(jù)不同的設(shè)計(jì)對象,選擇不同工況的水力計(jì)算結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

(2) 對消火栓系統(tǒng)采用多水源供水可以明顯提高最不利消火栓的壓力和流量,提高系統(tǒng)的滅火效率。

(3) 從水力計(jì)算結(jié)果推算出系統(tǒng)消防水箱和消防水池的實(shí)際需要容積分別為9.06 m3和117.29 m3。

(4) 從管網(wǎng)優(yōu)化的角度出發(fā),規(guī)范中關(guān)于最小管徑和要求按支狀管網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算的規(guī)定值得商榷。

(5) EPANET在消火栓給水系統(tǒng)的應(yīng)用還需用實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行校準(zhǔn)。

[1] 黃曉家,張瑩.消火栓給水系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中有爭議問題的討論[J].消防科學(xué)與技術(shù),2004,23(5):455-458.

[2] 張鳳娥,田海龍,陳龍飛.EPANET在自動噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國給排水,2009,25(14):36-39.

[3] 杜坤,龍?zhí)煊?張勤,等.基于EPANET的自動噴水滅火系統(tǒng)環(huán)狀格柵管網(wǎng)水力計(jì)算研究[J].給水排水,2012,38(5):140-143.

[4] 張金.消火栓給水系統(tǒng)動態(tài)模擬[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007.

[5] 張鳳娥,殷志寧,李宏.EPANET水力模型在供水管網(wǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用[J].給水排水,2007,33(11):200-202.

[6] 劉百倉,林璐,林佳琪,等.EPANET在城市多水源供水管網(wǎng)水力及水質(zhì)計(jì)算中的應(yīng)用[J].給水排水,2010,36(增刊1):416-419.

[7] 中國中元國際工程公司.消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范:GB 50974—2014 [S].北京:中國計(jì)劃出版社,2014:30-53.

[8] 姜令軍.建筑內(nèi)部消火栓環(huán)狀給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2004.

(責(zé)任編輯 張淑艷)

Application of EPANET in simulation and analysis of hydrant water supply system

FANG Zhizhen1,CHEN Yong1,LE Yongsheng2

(1.Institute of Architectural Design, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.East China Engineering Science and Technology Co., Ltd., Hefei 230024, China)

The start-up and operation of hydrant water supply system is a dynamic process. In this paper, based on the specific cases, four different conditions of operation process of hydrant system were proposed and simulated by using EPANET2 software. It was suggested that different hydraulic calculation results should be selected for the design according to different design objects. And the required volume of water tank and reservoir in compliance with the requirement of the standard water supply time was calculated.

EPANET software; hydrant system; operation process; hydraulic analysis

2015-08-15；

2015-10-30

合肥工業(yè)大學(xué)科學(xué)研究發(fā)展基金資助項(xiàng)目(2013HGXJ0461)

方志珍(1983-),男,安徽合肥人,合肥工業(yè)大學(xué)工程師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.020

TU242.9

A

1003-5060(2016)10-1397-04