自動噴水滅火系統作用面積選擇對流量的影響分析

吳欣

（重慶市規劃設計研究院，重慶 401147）

1 流量計算方法

自動噴水滅火系統在目前的消防滅火體系中應用非常廣泛，能夠在火災初期自動動作，最大程度地早期抑制、快速滅火，確保生命財產安全，是建筑水滅火系統中非常重要的組成部分。

噴水強度是自動噴水滅火系統最主要的設計參數，直接影響噴淋系統的作用效果。針對不同的火災危險等級、凈空高度，規定了在不同作用面積下滅火所需的噴水強度。民用建筑和廠房采用濕式系統的基本參數，即《自動噴水滅火系統設計規范》表5.0.1）中規定[1]，如表1 所示。

表1 民用建筑和廠房采用濕式系統的基本參數

筆者在工程設計中發現，根據最不利作用面積數值，選取不同形狀的幾何邊界，所計算出的噴淋水量、工作壓力有明顯區別。同時，在相同的形狀下，由于噴頭的布置方式不同，導致噴淋系統的工作壓力、系統水量也存在差異。

本文以地下車庫為例，按作用面積內同時動作的噴頭數，以特性系數法進行計算。計算參數如下所示。

1.1 噴水強度設定

凈空高度小于8m，火災危險等級為中危險Ⅱ級，噴水強度為8L/min·m2，作用面積為160m2。

1.2 噴頭工作壓力設定

最不利點噴頭工作壓力取0.05MPa~0.10MPa，噴頭流量系數取K=80。

1.3 作用面積形狀選擇

為便于計算，作用范圍邊界形狀暫按矩形考慮。本文選取了16m×10m、10m×16m、20m×8m、8m×20m、14m×11.5m、11.5m×14m、12.6m×12.6m 等7 種不同邊界尺寸。通過計算，論證同一作用面積采用不同邊界形狀及尺寸對噴淋流量的影響。

1.4 水力計算公式選擇

（1）噴頭流量[2]：

式中：q——噴頭處節點流量，L/min；P——噴頭處水壓（噴頭工作壓力），MPa；K——噴頭流量系數。

（2）流速V：

式中：Q——管段流量，L/s；Dj——管道的計算內徑，m。

（3）水力坡降：

式中：i——每米管道的水頭損失，kPa/m；dj——管道的計算內徑，m；qg——管道設計流量，L/min；Ch——海登-威廉系數。

本次系統選用的管材按照鍍鋅鋼管，海登-威廉系數取值為120。

（4）沿程水頭損失：

式中：L——管段長度，m。

（5）局部損失（采用當量長度法）：

式中：L（當量）——管段當量長度，m，參考《自動噴水滅火系統設計規范》附錄C。

（6）總損失：

（7）終點壓力：

1.5 噴頭布置原則

本次分析中，噴頭盡量對稱布置，即噴淋系統配水管兩側的噴頭數量及其間距盡量一致，這樣布置的管道水力條件較好，水損相當，壓力均衡。

2 選擇不同作用面積形狀計算噴淋系統流量

（1）布置方式一：16m×10m。

16m×10m 的噴頭布置方式如圖1 所示[3]。

圖1 16m×10m 的噴頭布置方式

計算過程如表2 所示。

計算結果：流量為29.9L/s，噴水強度11.2L/min·m2，入口壓力P=20.1m。

（2）以同樣方式，計算10m×16m、20m×8m、8m×20m、14m×11.5m、11.5m×14m、12.6m×12.6m 的系統流量，不同布置方式的噴淋流量和壓力計算如表3 所示。

表3 不同布置方式的噴淋流量和壓力計算匯總

3 對不同作用面積形狀選擇下的噴淋系統的流量分析

通過圖2 可以發現，在數據的離散性比較大、作用面積相同的情況下，噴淋系統流量出現較大偏差，本文針對此現象進行了研究。

圖2 不同作用面積下的噴淋流量和工作壓力

筆者對上述計算結果進行了離散性分析，結果如下。

（1）流量的平均值為23.54L/s。

（2）中位數為22.43L/s。

經計算峰度=0.515，峰度大于0，說明數據正態分布更為陡峭。

（6）偏度：

經計算，偏度=0.65。

通過以上分析，可以判定并得出以下結論。

（1）噴淋系統設計流量不是定值。計算流量基本在22~30L/s 之間，工程實際中往往簡單地以噴水強度與作用面積相乘得出的流量（約21L/s）不正確，需要根據工程的具體情況（如柱網尺寸、作用面積形狀、噴頭間距、噴頭選型、布管方式、管徑取值、入口壓力等）經計算比較后按最大值確定系統流量。

（2）本次模擬計算的噴頭布置均勻，單根配水支管連接噴頭數不超過3 個，水頭損失小，系統流量及入口壓力相對較小，但各種管徑的配水管長度高于工程實際。工程中為簡化布置并節約管道，單根配水支管連接噴頭數按中危險級不超過8 個控制，且噴頭間距受建筑框架尺寸影響不能保持均勻一致，必然導致支管水損、系統流量及入口壓力相比本次模擬結果增大較多。根據工程實際計算統計，作用面積160m2的中等危險Ⅱ級噴淋系統流量可超過35~60L/s（特別是機械立體停車庫、高大空間場所等），大型建筑噴淋系統的樓層干管入口壓力可超過0.4MPa。

4 結語

自動噴水滅火系統設計流量是非常關鍵的系統參數，流量決定噴水強度和滅火效能，是噴淋泵選型和確定消防水池容積的依據。流量計算或選擇錯誤，對水滅火消防系統的滅火效果影響較大，且一旦建成就很難彌補。

最后，筆者在此強調以下3 點。

（1）噴淋系統的流量計算，必須復核噴水強度是否滿足規范要求。如本文中的第3、6、7 種噴頭布置方式，筆者計算之初把噴頭工作壓力統一取值，均按照最不利點5m 來計算，卻發現其噴水強度不滿足規范規定值，嚴格意義上講，這個結果已經違反了《自動噴水滅火系統設計規范》（GB 50084—2017）5.0.1 條的強制性規定。

（2）本次計算，筆者為計算預設的7 種邊界范圍較為簡單、方正，僅用于理論上的分析和模擬。實際工程案例千差萬別，最不利區域的160m2面積的邊界通常不規則，甚至還有弧形、扇形、異形情況，如何有效的選取設計所需要的作用面積區域尤為關鍵。需要根據火災危險性大小、最不利樓層的最不利防火分區平面、配水管布置、噴頭間距等因素綜合判斷。

（3）在相同作用面積下，噴頭及管路采用不同布置方式，對系統流量有較大影響。配水管兩側對稱布置（指支管數、支管管徑、噴頭數、噴頭間距）的水損基本一致，兩側供水壓差小，兩側配水支管流量相對均衡，對整個噴淋系統的均勻出流更為有利，同時也可以防止系統流量單邊趨大。噴淋配水管走向及配水支管上噴頭布置的對稱與否，可導致系統流量計算結果相差12%~28%，這點容易被設計人員所忽略，應該引起高度重視。