王新發，謝思桃，朱大維
（總后勤部建筑設計研究院，北京100036）

　　摘　要：水力計算是關系系統可靠性、合理性和經濟性的一項重要設計內容。帕動噴水滅火系統設計規范》（GB 50084－2001）對水力計算的改動較大，結合新規范對符合其要求的計算方法進行了歸納總結。
　　關鍵詞：消防；自動噴水滅火系統；水力計算
　　中圖分類號：TU998．1；TU991．32
　　文獻標識碼:B
　　文章編號：1009－2455（2002）of－0052－03

　　《自動噴水滅火系統設計規范》（GB50084－200）（以下簡稱《噴規》）中水力計算改動較大，體現在：規定管道的直徑應經水力計算確定；作用面積宜采用矩形；系統的設計流量，應按最不利點處作用面積內噴頭同時噴水的總流量確定，并對幾種特殊情況下系統的設計流量作出了規定；管道內的流速宜采用經濟流速；宜采用當量長度法計算局部水頭損失；危險等級及設計參數作了重大調整，對輕、中及嚴重危險等級，以“快速啟動系統、大強度小作用面積噴水控火”為設計思路。
　　現行的手冊、教材及有關期刊文獻中介紹的內容在設計參數、設計流量及其它諸多方面由于《噴規》的重大改變，已難以與之吻合和滿足實際工程計算的需要。同時為了科學嚴謹地設計系統，有必要對滿足《噴規》要求，經濟、合理、可靠的管道水力計算方法進行探討與總結，以利于《噴規》更好地指導實踐，服務于工程。

1 現行的自動噴水滅火系統管道水力計算方法[1-3]

1．1 我國的兩種水力計算方法
　　①作用面積法
　　作用面積法，首先選定最不利作用面積在管網中的位置，此作用面積的形狀宜采用正方形或長方形，當采用長方形布置時，其長邊應平行于配水支管，邊長宜為作用面積平方根的1．2倍，僅在作用面積內的噴頭才計算其噴水量，且每個噴頭的噴水量至少等于規定的噴水強度，作用面積后的管段流量不再增加，僅計算管道的水頭損失。對輕、中危險級，計算時可假定作用面積內每只噴頭的噴水量相等（在新的《噴規》中已不再推薦采用此方法）；對嚴重危險級，按噴頭處的實際水壓計算噴水量。
　　②“逐點法”
　　“逐點法”計算，從系統最不利點噴頭開始，沿程計算各噴頭的水壓力、流量和管段的累計流量。水頭損失，直到管段累計流量達到設計流量為止；在此后的管段中流量不再增加，僅計算沿程和局部水頭損失。
1．2 歐美自噴水力計算方法
　　①英國《自動噴水滅火系統安裝規則加S5306－Part 2－1990規定的計算方法為：應由水力計算確定系統最不利點處作用面積的位置。此作用面積的形狀應盡可能接近矩形，并以1根配水支管為長邊，其長度應大于或等于作用面積平方根的1．2倍。
　　配水管計算應保證最不利點處作用面積內的最小噴水強度符合規定。當噴頭按正方形、長方形或平行四邊形布置時，噴水強度的計算，取上述四邊形頂點上4個噴頭的總噴水量除以4，再除以四邊形的面積求得。
　　②美國《自動噴水滅火系統安裝標準》NFPA－13（1996年版）規定：對于所有按水力計算要求確定的設計面積應是矩形面積，其長邊應平行于配水支管，邊長等于或大于作用面積平方根的1．2倍，噴頭數若有小數就進位成整數。當配水支管的實際長度小于邊長的計算值時，作用面積要擴展到該配水管鄰近配水支管上的噴頭。
　　作用面積內每只噴頭在工作壓力下的流量，應能保證不小于最小噴水強度與1個噴頭保護面積的乘積。水力計算應從最不利處噴頭開始，每個噴頭開放時的工作壓力不應小于該點的計算壓力。
　　③德國《噴水裝置規范》（1980年版）規定：首先確定作用面積的位置，要求出作用面積內的噴頭數。要求各單獨噴頭的保護面積與作用面積所有噴頭的平均保護面積的誤差不超過20％。（相鄰4個噴頭之間的圍合范圍為1個噴頭的保護面積）。

2 水力計算方法分析

　　“逐點法”計算中，每個噴頭流量按特性系數法計算，其流量隨噴頭處壓力變化而變化。此計算特點是在系統中除最不利點噴頭以外的任一噴頭的噴水量或任意4個相鄰噴頭的平均噴水量均超過設計要求，系統計算偏于安全。這種計算法嚴密細致，工作量大，但計算時按最不利點處噴頭起逐個計算，不符合火災發展的一般規律。實際火災發生時，一般都是火源點呈輻射狀向四周擴大蔓延，而只有失火區上方的噴頭才會開啟噴水。因此采用作用面積保護方法及僅在作用面積內的噴頭才計算噴水量是合理的。同時由于火災時對流及風的影響，作用面積的形狀以呈矩形更為合理，且矩形面積在管道水力計算時也是最不利的。
　　基于前文及以上分析，并結合《噴規》有關條文，不難看出，水力計算時，通過“逐點法”計算矩形作用面積內所有噴頭和管道的流量和壓力，而作用面積后的管段中流量不再增加，僅計算沿程和局部水頭損失。這種采用“矩形面積”保護方法以及僅在“矩形面積”內的噴頭才計算噴水量來確定系統設計流量的“矩形面積一逐點法”計算方法，符合火場實際，科學嚴謹，并與歐美等國接軌，是合理的、安全的，也是《噴規》的推薦作法。

3 “矩形面積--建點法”計算方法

3．1 矩形面積的確定
　　確定最不利作用面積在管網中位置（必要時可由水力計算確定），作用面積的形狀為矩形，其長邊平行于配水支管，其長度不小于作用面積平方根的1．2倍，噴頭數若有小數就進位成整數。當配水支管的實際長度小于邊長的計算值時，作用面積要擴展到該配水管鄰近支管上的噴頭。
　　僅在走道內設置單排噴頭的閉式系統，其作用面積應按最大疏散距離所對應的作用面積確定。系統設計流量按中1級系統的有關規定計算。
　　干式系統的作用面積應按《噴規》表5.0.1規定值的1．3倍確定。雨淋系統中每個雨淋閥控制的噴水面積不宜大于《噴規》表5.0.1中的作用面積。
　　系統設計基本參數見《噴規》表5.0.1、表5.0.5．表5.0.6、表5.0.10。
3．2 系統設計流量計算
　　系統的設計流量，應按最不利點處作用面積內噴頭同時噴水的總流量確定：

　　式中Qs——系統設計流量，L／S；
　　　 qi——最不利點處作用面積內各噴頭節點的流量，L／min；
　　　 n——最不利點處作用面積內的噴頭數；
　　　 Pi——矩形面積內噴頭處水壓，MPa；
　　　 K——噴頭的流量系數。
　　系統設計流量計算中有關情況處理及要求，見《噴規》9.1.4－9.1.9條。
3．3 逐點法水力計算
　　輕、中、嚴重及倉庫級危險級均按逐點法進行水力計算，即矩形面積內每個噴頭噴水量按該噴頭處的水壓計算確定，具體方法如下：
　　①首先假定最不利點處水壓，求該噴頭的出水量，以此流量求噴頭1－2之間管段的水頭損失；最不利點水壓一般為 0.1MPa，最小不應小于0．05MPa。（最低工作壓力是針對屋頂水箱高度往往難以滿足最不利噴頭壓力值而提出的，在消防泵、增壓設施揚程計算時，不存在這個問題。在工程設計中，最不利噴頭工作壓力值以0.05MPa計算，使噴頭出水量減小，為保證一定的噴水強度，需縮小噴頭間距，增加了作用面積內動作噴頭數量，增加了工程投資，而優點僅僅是選水泵時，可以減小約0．05MPa揚程。）
　　②以第一噴頭處所假定的水壓加噴頭1－2之間管段的水頭損失，作為第二噴頭處的壓力，以求第M個噴頭的流量。此兩個噴頭流量之和作為2－3噴頭之間管段的流量，以求該管段中的水頭損失。以后依此類推。計算至作用面積內的所有噴頭和管道的流量和壓力。
　　③兩管段交點處的計算水壓不同時，應按式（3）對交匯點處水壓的一側的管段進行修正^[4]。

　　q₂=q₁(h₁/h₂)^0.5　　　　　　(3)

　　式中：q1——低水壓側管段的修正流量，L/s；
　　　　 q2——高水壓側管段的計算流量，L／s；
　　　　 h1——低水壓側管段的水壓，kPa；
　　　　 h2——高水壓測管段的水壓，kPa。
3．4 經濟流速和水頭損失
　　①經濟流速
　　自動噴水滅火系統管網內的水流速度宜采用經濟流速。而對某些配水支管需用縮小管徑增大沿程水頭損失達到減壓目的時，水流速度可以超過5m/s，但也不應大于10m／s。
　　經濟流速是經濟性、合理性、可靠性與安全性的統一，并非通常意義上的經濟流速的含義。結合工程算例分析和有關手冊與文獻介紹，配水干管和配水支管設計流速采用一般不宜超過3m/s，常用1.3-2.5m/s。
　　②管道沿程和局部的水頭損失
　　每米管道的水頭損失按式（4）計算：

　　i=0.0000107(V²/d_j^1.3)　　　　　　　(4)

　　式中：i——每米管道的水頭損失，MPa／m；
　　　　 V——管道內水的平均流速，m／s；
　　　　 dj——管道的計算內徑，m，取值應按管道的內徑減1mm確定。
　　管道局部水頭損失，采用當量長度法計算，也就是將水流經過彎管、丁字管的局部壓力損耗相似于一定長度的直管（新規范推薦采用當量長度法，而對取管道沿程水頭損失的20％做法未提及）。 實際計算中，將相應的局部當量加人管段長度，通過編制程序、利用EXCEL來計算，或者直接查水力計算表。
3．5 水泵揚程或系統入口的供水壓力
　　水泵揚程或系統人口的供水壓力計算如下式：

　　H=Σh+Po+Z （5）

　　式中：H——水泵揚程或系統人口的供水壓力，MPa；
　　　　 Σh——管道沿程和局部的水頭損失的累計值（MPa），濕式報警閥、水流指示器取值0.02MPa，雨淋閥取值0.07MPa；蝶型報警閥及馬鞍型水流指標器的取值，由生產廠家提供；
　　　　 P0——最不利點處噴頭的工作壓力，Mpa；
　　　　 Z——最不利點處噴頭與消防水池的最低水位或系統人口管水平中心線之間的高程差，當系統人口管或消防水池最低水位高于最不利點處噴頭時，Z應取負值，MPa。
3．6 減壓與減壓措施
　　《噴規》第8.0.5條規定“……配水管道的布置，應使配水管人口的壓力均衡。輕危險級、中危險級場所各配水管人口的壓力均不宜大于0.04MPa”，而自動噴水滅火系統中，不但存在著低層管道系統中水壓不平衡，即使在同層中，當保護面積較大時，由于設計是按最不利工作面積計算，同層中有利工作面積內噴頭的水壓也有剩余，所以習慣是對連接有利工作面積的配水管或配水干管予以減壓，減壓的方法可以采用設置減壓閥、減壓孔板、節流管以及縮小有利工作面配水支管的管徑等方法增加沿途水頭損失達到減壓目的。
　　有關規定與計算見《噴規》9.3.1－9.3.5條。

4 結語

　　水力計算將決定系統投人滅火的水量及對滅火水量的分配，是關系系統可靠性、合理性和經濟性的一項重要設計內容。經濟技術的發展、計算機的大眾化及經驗的積累，使我們有條件在自動噴水滅火系統設計中科學嚴謹地進行水力計算，而不采用“估算法”確定設計流量，也不采取在輕、中危險級計算時，假定作用面積內每只噴頭的噴水量均等于不利點噴頭的噴水量的簡化方法。

參考文獻：

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　　[2] 劉文鑌，趙文田，葛金洪，等．給水排水工程快速設計手冊-建筑給水排水工程［M］．北京：中國建筑工業出版社，1998．
　　[3] 陳方肅．高層建筑給水排水設計手冊[M]．長沙：湖南科學技術出版社，2001．
　　[4] 劉振印，傅文華，張國柱，等．民用建筑給水排水設計技術措施［M］．北京：中國建筑工業出版社，1997．

　　作者簡介：王新發（1952－），男，湖南回隆縣人，高工，專業主任工程師。