杭州智慧电力科创中心消防串联供水系统设计

钱子俊，吴文坚

浙江绿城建筑设计有限公司，浙江杭州 310007

0 引言

常用的超高层建筑消防供水方式主要有三种：并联供水方式、串联供水方式和屋顶消防水池重力供水方式。李昂等［1］从系统安全、建筑功能和设备选型等方面分析了上述三种方案，得出串联供水系统适用于建筑高度在150～200 m 之间的超高层建筑，还有同行从其他角度探讨了串联供水的系统选择，其分析过程和结果为设计提供了很好的借鉴。笔者结合杭州智慧电力科创中心超高层建筑项目，探讨消防串联供水系统的相关设计要点。

1 工程概况

杭州智慧电力科创中心（图1）位于萧山经济技术开发区市北西单元，项目用地为一类工业用地（M1，创新型产业用地），用地面积为9 910 m2，总建筑面积77 306 m2。地上共2座建筑，其中1#楼为研发用房，地下共3层（非机动车库、机动车库、设备用房），地上32层（1F大堂门厅、展厅、消控室，2～4 层为服务配套，5～22 层为检验用房，23～32层为智能电表、无线计量等产品的检验研发用房，9层/18层/27层为设备兼避难层），建筑高度为174.95 m。

图1 杭州智慧电力科创中心效果图

2 设计要点

2.1 消防给水系统介绍

本项目供水水源为城市自来水，从北侧和东侧市政供水管上各引入一路DN200 管道，分别经两块消防水表计量后形成环状供水管网。本项目消防用水量：室外消火栓为40 L/s，室内消火栓为40 L/s，火灾延续时间3 h。自动喷水灭火系统用水量为50 L/s，火灾延续时间1 h。本项目一次火灾总用水量（含室内消火栓系统、自动喷水灭火系统）为612 m3。消防泵房及消防水池设置在地下2层，水池分成两格。

室内消火栓和喷淋系统采用临时高压消防给水系统，在地下2层消防泵房内设有低区消火栓泵、低区喷淋泵、消火栓转输泵和喷淋转输泵各2台（1用1备），在18层避难层设消防转输泵房，内设高区消火栓泵和高区喷淋泵各2台（1用1备），屋顶设置一座高位消防水箱、消火栓和喷淋稳压装置各1套。

2.2 消防转输系统的选择和分区的划分

《消防给水及消火栓系统技术规范（GB 50974—2014）》（以下简称《消水规》）第6.2.1.1条，系统工作压力大于2.40 MPa时消防给水系统应分区供水［2］。由于1#楼消防水池最低有效水位至最不利水灭火设施的几何高差约185 m，若采用一泵到顶的形式，则消防水泵零流量时的压力大于2.40 MPa，因此需选用消防串联供水系统，它有两种形式：设转输水箱和不设转输水箱，系统示意图见图2（以下均以消火栓系统为例）。

图2 消防系统示意

从图2可以看出，与设转输水箱系统相比，直接串联系统省去了转输水箱及溢流管，增加了高位消防水箱的稳压管、减压阀和高区水泵出水口的减压型倒流防止器，其主要优点是设备占地面积小，初期投资省；缺点是对水泵联动的可靠性要求高，倒流防止器后期维护频率高（每月进行压差检测）。此外，虽然倒流防止器能解决直接串联系统因止回阀密封不严导致的下区管道超压，但仍不能解决两级消防水泵在小流量高扬程时出现的最大扬程叠加。考虑到设转输水箱系统已有大量工程实例［3］，安全可靠性较好，避难层设备房面积尚有余量，转输水箱增加的投资有限。因此，本项目采用设转输水箱的串联系统。

由于各消防分区应采用环状给水管网，水平环管线路长、管径大、阀门多，为减小水平环管检修维护时对标准层的影响，可优先考虑将水平环管设在避难层，同时1#楼两个避难层之间的高度均在45 m 左右，初步分区如下：消火栓一区（B3～9层），消火栓二区（10～18 层）、消火栓三区（19～27层）、消火栓四区（28层至屋顶层）。此分区方案消火栓二区可分两种稳压方式：一是从高位消防水箱引一根稳压管经减压后与二区环网相连；二是从转输水箱吸水经增压稳压装置与二区环网相连。设计过程中，由于建筑平面在29F及以上楼层进行了收缩，导致核心筒水管井面积不足，同时业主方希望能减少一次设备投资。因此在不影响标准层使用功能的前提下，将分区方案稍作调整，消火栓二区改为10～14层，由转输水箱的出水管直接稳压，消火栓三区改为15～27层，由高区消防泵经减压后供水。

2.3 高位消防水箱和转输消防水箱的容积

本项目用地性质虽然为一类工业用地（M1，创新型产业用地），但从其建筑功能上看，主要为研发及检验，其人员数量、工作性质、火灾危险性和公共建筑更为接近。因此，若仅按照工业建筑的高位消防水箱容积要求取18 m3，与实际消防需求有较大差距，笔者认为还应参考公共建筑，两者比较取大值。根据《消水规》第2.2.1条，在屋顶设置容积为100 m3的高位消防水箱。

《消水规》第6.2.3 条：“当采用消防水泵转输水箱串联时，转输水箱的有效容积不应小于60 m3。”本项目转输水箱尺寸为13.5 m×3.5 m×2 m（高），最低有效水位87.96 m，按有效容积60 m3计，则常水位可取89.23 m。当火灾发生在消防分区临界层并蔓延至相邻分区时，转输水箱的作用既要为低区供水又要供高区消防泵吸水。为满足最不利情形下消防水泵的吸水要求，低区高位消防水箱容积（按<100 m 公建）取36 m3，由于消防水泵从接到启泵信号到水泵正常运转的自动启动时间不应大于2 min，机械应急启动时，消防水泵应在报警后5 min内正常工作，转输水泵按报警后5 min启动计算，则转输水箱调节容积为90 L/s×5 min×60 s=27 m3，即转输水箱总有效容积至少取63 m3。因此将转输水箱进水管上的浮球阀关闭水位设定为常水位+0.10 m（89.33 m），实际有效容积为64.7 m3。

2.4 转输水箱溢流管的设计

《消水规》对于转输水箱溢流量和溢流管径的计算方法没有明确规定。《消防给水及消火栓系统技术规范（GB 50974—2014实施指南）》（以下简称《实施指南》）指出串联转输水箱溢流管的排水能力应按转输流量计，水平悬吊管应按h/D=0.8的设计充满度复核其排水能力，当在水位控制阀前设置一个与转输水箱溢流水位联动的紧急关闭阀（紧急关闭阀可在消控室控制启闭）时可按平时生活补水管径确定溢流管管径［4］。在不设置紧急关闭阀的情况下，本项目转输流量为90 L/s，假定悬吊管采用镀锌钢管，坡度取1%，粗糙系数取0.012，计算得到不同管径下立管和悬吊管的流量，见表1。

表1 立管和悬吊管的流量

由表1 可知，要满足90 L/s 的溢流量，立管需采用DN250，悬吊管需采用DN300。若设置电动阀作为紧急关闭阀，在溢流水位时需能联动关闭电动阀，当液位下降后需能再次打开，考虑到大流量进水时的水位频繁波动，对电动阀的质量和控制要求较高，且转输泵由于不能自动停泵，当电动阀关闭后，转输泵仍持续运转，存在一定的安全隐患［5］。为避免以上情况，可对上述方案进行优化：1）取消电动阀与溢流水位的联动控制，只由消控室值班人员根据溢流报警信号经确认后远程手动关闭，并在电动阀后增加液压水位控制阀；2）在电动阀前加设小管径旁通管，当电动阀关闭后，可通过旁通管继续出水，再通过溢流管再回到消防水池，避免转输泵空转，此时可根据旁通管出流量来确定溢流量，见图3。

图3 旁通管示意

本项目消防水池设在地下2层，溢流管设在主楼核心筒水管井内，若溢流管从地下2层水管井经梁底进入消防水池内，经计算标高，会存在如下两个问题：1）平时消防水池的水会返流至溢流管内，溢流管和水池套管间存在漏水隐患；2）溢流时管口末端形成淹没出流，导致溢流管排水量减少，甚至消防转输泵房被淹。因此，本项目将溢流管在地下一层顶部转换至消防水池上方区域，再穿过其顶板回流至消防水池，为避免消防水池内水位波动影响管口末端的自由出流，可将管口标高设在消防水池溢流水位以上150 mm［6］。

3 结论

1）建筑条件允许时宜优先选择设转输水箱的消防串联供水系统，并结合消防分区选择合适的稳压方式。

2）对创新型产业用地的工业项目，高位消防水箱容积还应参考公共建筑的要求按大值取。

3）转输水箱的转输管上增设水位控制阀和旁通管，则转输水箱溢流量可根据旁通管流量经计算确定，溢流管回至消防水池宜自由出流。