自动喷水灭火系统作用面积选择对流量的影响分析

吴欣

（重庆市规划设计研究院，重庆 401147）

1 流量计算方法

自动喷水灭火系统在目前的消防灭火体系中应用非常广泛，能够在火灾初期自动动作，最大程度地早期抑制、快速灭火，确保生命财产安全，是建筑水灭火系统中非常重要的组成部分。

喷水强度是自动喷水灭火系统最主要的设计参数，直接影响喷淋系统的作用效果。针对不同的火灾危险等级、净空高度，规定了在不同作用面积下灭火所需的喷水强度。民用建筑和厂房采用湿式系统的基本参数，即《自动喷水灭火系统设计规范》表5.0.1）中规定[1]，如表1 所示。

表1 民用建筑和厂房采用湿式系统的基本参数

笔者在工程设计中发现，根据最不利作用面积数值，选取不同形状的几何边界，所计算出的喷淋水量、工作压力有明显区别。同时，在相同的形状下，由于喷头的布置方式不同，导致喷淋系统的工作压力、系统水量也存在差异。

本文以地下车库为例，按作用面积内同时动作的喷头数，以特性系数法进行计算。计算参数如下所示。

1.1 喷水强度设定

净空高度小于8m，火灾危险等级为中危险Ⅱ级，喷水强度为8L/min·m2，作用面积为160m2。

1.2 喷头工作压力设定

最不利点喷头工作压力取0.05MPa~0.10MPa，喷头流量系数取K=80。

1.3 作用面积形状选择

为便于计算，作用范围边界形状暂按矩形考虑。本文选取了16m×10m、10m×16m、20m×8m、8m×20m、14m×11.5m、11.5m×14m、12.6m×12.6m 等7 种不同边界尺寸。通过计算，论证同一作用面积采用不同边界形状及尺寸对喷淋流量的影响。

1.4 水力计算公式选择

（1）喷头流量[2]：

式中：q——喷头处节点流量，L/min；P——喷头处水压（喷头工作压力），MPa；K——喷头流量系数。

（2）流速V：

式中：Q——管段流量，L/s；Dj——管道的计算内径，m。

（3）水力坡降：

式中：i——每米管道的水头损失，kPa/m；dj——管道的计算内径，m；qg——管道设计流量，L/min；Ch——海登-威廉系数。

本次系统选用的管材按照镀锌钢管，海登-威廉系数取值为120。

（4）沿程水头损失：

式中：L——管段长度，m。

（5）局部损失（采用当量长度法）：

式中：L（当量）——管段当量长度，m，参考《自动喷水灭火系统设计规范》附录C。

（6）总损失：

（7）终点压力：

1.5 喷头布置原则

本次分析中，喷头尽量对称布置，即喷淋系统配水管两侧的喷头数量及其间距尽量一致，这样布置的管道水力条件较好，水损相当，压力均衡。

2 选择不同作用面积形状计算喷淋系统流量

（1）布置方式一：16m×10m。

16m×10m 的喷头布置方式如图1 所示[3]。

图1 16m×10m 的喷头布置方式

计算过程如表2 所示。

计算结果：流量为29.9L/s，喷水强度11.2L/min·m2，入口压力P=20.1m。

（2）以同样方式，计算10m×16m、20m×8m、8m×20m、14m×11.5m、11.5m×14m、12.6m×12.6m 的系统流量，不同布置方式的喷淋流量和压力计算如表3 所示。

表3 不同布置方式的喷淋流量和压力计算汇总

3 对不同作用面积形状选择下的喷淋系统的流量分析

通过图2 可以发现，在数据的离散性比较大、作用面积相同的情况下，喷淋系统流量出现较大偏差，本文针对此现象进行了研究。

图2 不同作用面积下的喷淋流量和工作压力

笔者对上述计算结果进行了离散性分析，结果如下。

（1）流量的平均值为23.54L/s。

（2）中位数为22.43L/s。

经计算峰度=0.515，峰度大于0，说明数据正态分布更为陡峭。

（6）偏度：

经计算，偏度=0.65。

通过以上分析，可以判定并得出以下结论。

（1）喷淋系统设计流量不是定值。计算流量基本在22~30L/s 之间，工程实际中往往简单地以喷水强度与作用面积相乘得出的流量（约21L/s）不正确，需要根据工程的具体情况（如柱网尺寸、作用面积形状、喷头间距、喷头选型、布管方式、管径取值、入口压力等）经计算比较后按最大值确定系统流量。

（2）本次模拟计算的喷头布置均匀，单根配水支管连接喷头数不超过3 个，水头损失小，系统流量及入口压力相对较小，但各种管径的配水管长度高于工程实际。工程中为简化布置并节约管道，单根配水支管连接喷头数按中危险级不超过8 个控制，且喷头间距受建筑框架尺寸影响不能保持均匀一致，必然导致支管水损、系统流量及入口压力相比本次模拟结果增大较多。根据工程实际计算统计，作用面积160m2的中等危险Ⅱ级喷淋系统流量可超过35~60L/s（特别是机械立体停车库、高大空间场所等），大型建筑喷淋系统的楼层干管入口压力可超过0.4MPa。

4 结语

自动喷水灭火系统设计流量是非常关键的系统参数，流量决定喷水强度和灭火效能，是喷淋泵选型和确定消防水池容积的依据。流量计算或选择错误，对水灭火消防系统的灭火效果影响较大，且一旦建成就很难弥补。

最后，笔者在此强调以下3 点。

（1）喷淋系统的流量计算，必须复核喷水强度是否满足规范要求。如本文中的第3、6、7 种喷头布置方式，笔者计算之初把喷头工作压力统一取值，均按照最不利点5m 来计算，却发现其喷水强度不满足规范规定值，严格意义上讲，这个结果已经违反了《自动喷水灭火系统设计规范》（GB 50084—2017）5.0.1 条的强制性规定。

（2）本次计算，笔者为计算预设的7 种边界范围较为简单、方正，仅用于理论上的分析和模拟。实际工程案例千差万别，最不利区域的160m2面积的边界通常不规则，甚至还有弧形、扇形、异形情况，如何有效的选取设计所需要的作用面积区域尤为关键。需要根据火灾危险性大小、最不利楼层的最不利防火分区平面、配水管布置、喷头间距等因素综合判断。

（3）在相同作用面积下，喷头及管路采用不同布置方式，对系统流量有较大影响。配水管两侧对称布置（指支管数、支管管径、喷头数、喷头间距）的水损基本一致，两侧供水压差小，两侧配水支管流量相对均衡，对整个喷淋系统的均匀出流更为有利，同时也可以防止系统流量单边趋大。喷淋配水管走向及配水支管上喷头布置的对称与否，可导致系统流量计算结果相差12%~28%，这点容易被设计人员所忽略，应该引起高度重视。