关于消防气压水罐计算的讨论

叶张荣 孙 娜

(1.河北省石油化工设计院有限公司上海坤元医药工程分公司，上海 200050;2.上海宝钢工程技术集团有限公司，上海 200030)

消防气压水罐作为消防增压设施的一个重要组成部分，在《高层民用建筑设计防火规范》(以下简称高规)7.4.8及其相应条文说明中明确指出了调节容积的设置大小［1］。消防气压水罐消防水容积的组成除了消防调节容积外，还应包括稳压水容积和缓冲水容积。气压罐水容积的计算有一个重要的参数为工作压力比，实际使用中由于规范对上述参数定义的不清晰，消防气压水罐的计算往往和生活气压水罐的计算混淆。文章根据《气压给水设计规范》(以下简称规范)［2］，结合常用的隔膜式气压给水设备，对消防和生活气压水罐的区别，规范中相关术语的定义及消防气压水罐的计算进行了讨论分析。

1 消防与生活气压水罐的区别

气压给水的基本原理是根据玻义尔—马略特定律(简称玻马定律)，利用罐内气体的压缩和膨胀进行供水。消防气压水罐给水和生活气压水罐给水都是利用以上原理，但二者又存在着以下不同之处。

1.1 功能和工作控制点不同

消防气压水罐储水主要用于消防主泵启动前30 s紧急供水，其消防调节容积部分的储水平时为不可动用状态，罐内变化的仅为稳压部分的水容积。而生活气压水罐的作用为代替水泵向用户供水，避免水泵的频繁启停。根据其作用不同，这两种气压水罐的压力控点也不相同。如图1所示，消防气压给水的气压水罐，共有4个工作点。而生活气压水罐主要为2个工作点。正常工作状态下，消防稳压泵在压力点PS1和PS2之间工作，而生活给水泵在P1和P2之间工作。

图1中，P1为气压罐最低工作压力，MPa;P2为消防主泵启动压力或生活水泵停泵压力，MPa;PS1为稳压水泵启动压力，MPa;PS2为稳压水泵停止压力，MPa;VX为消防贮水容积，m3;Vap为缓冲水容积，m3;VS为稳压水容积，m3;VXf为消防水总容积，m3;V1为与工作压力P1对应的储罐空气体积，m3;VX2为生活给水隔膜罐调节容积，m3。

图1 消防及生活给水隔膜罐工况示意图

1.2 工作压力点P2计算方法不同

根据规范2.1.17的定义，图1中消防及生活给水隔膜罐的P2均定义为气压罐最高工作压力，但二者计算完全不同。根据规范3.2.4，生活气压给水罐计算公式为 P2=P1/αb，而消防气压水罐消防主泵启动压力，根据规范4.3.8，计算公式应为P2=P1/(1－β·VX/V)。其中，αb为工作压力比;β为容积系数;P1，P2分别为最低及最高绝对工作压力。

1.3 工作压力比的取值范围不同

根据规范消防气压水罐工作压力比αb的范围宜在0.5～0.9的范围内取值，而生活气压水罐工作压力比的范围宜在0.6～0.85 的范围内取值［2］。

1.4 罐储水容积及变化容积不同

贮存在消防气压水罐内的消防水容积由消防调节容积，缓冲容积及稳压容积三部分组成，正常工作状态下，消防气压水罐内储水仅有稳压水容积部分产生变化。而生活给水气压水罐内的水容积主要为调节水容积，在正常使用过程中该容积均产生变化，该部分调节容积的计算可按V=(c·Q)/(4n)进行计算。其中，c为安全系统;Q为工作水泵计算流量;n为水泵1 h内启停次数。而消防稳压容积的计算，其应根据稳压泵的启停压力及玻马定律计算得到，并不应小于规范规定的50 L。

通过以上对比分析可以看到，消防气压水罐与生活气压水罐的计算还是有明显差别的，在应用时应注意区别。

2 关于工作压力比定义的探讨

根据规范2.1.11定义，工作压力比αb定义为:气压水罐最低工作压力(绝压)与最高工作压力(绝压)的比值。而对最高工作压力，规范2.1.17定义为:控制气压给水设备的生活或生产水泵停止工作或消防气压给水设备的消防主泵启动的压力。

根据以上定义的规定，消防气压水罐的工作压力比可以描述为:αb=P1/P2，即:

根据规范公式 4.3.8，

由式(1)和式(2)可以得到αb=1－β·VX/V，变形后可以得到 V=β·VX/(1－αb)。

以上公式与规范中的公式4.3.5，V=β·VXf/(1－αb)进行对比，可以得到VX=VXf的矛盾结论，从图1可以看出，消防贮水容积VX与消防水总容积VXf是两个不同的概念。分析以上矛盾结论产生的原因，主要是规范中对消防气压水罐“最高工作压力”的定义错误导致的，消防气压水罐实际的最高工作压力应为稳压水泵停止运行压力PS2，而不是规范中定义的消防主泵启动压力P2。将αb=P1/PS2代入规范气压水罐总容积计算公式4.3.5进行验证，可以得到:

其中，V/β为气压罐内压力为P1时罐内实际空气体积;β为容积系数。

上式符合玻马定律，由此可见消防气压水罐的工作压力比应定义为αb=P1/PS2。

3 关于消防气压水罐的计算

根据规范，气压水罐容积可以根据公式V=β·VXf/(1－αb)进行计算，该公式中消防水总容积VXf的三个组成部分，除消防贮水容积VX可根据高规进行确定外，稳压水容积VS和缓冲水容积Vap均为未知，求解以上两部分水容积，可根据玻马定律进行推导。由玻马定律可知(参数含义见图1):

经变换后可以得到:

从以上公式可以看出，计算消防水总容积VXf以及稳压水容积VS，需要事先得到各工作点压力值，包括P2。如参数P2采用规范提供的公式(2)进行计算，则需要事先得到稳压罐容积V，这样在计算时只能先假定V或者P2进行试算，实际操作并不方便。结合工作压力比的定义，下面给出一种稳压罐容积的简单计算方法。

根据上文讨论，工作压力比可描述为 αb=P1/PS2，公式中P1根据最不利点消防所需水压确定，工作压力比可根据规范给定的范围选定，通过上式便可计算得到PS2。根据规范4.3.9及4.3.10，可以按下式分别计算得到PS1及P2:

其中，0.05，0.02均为两个工作点之间的压力差。

在消防气压罐各个压力工作点及消防贮水容积VX确定之后，便可由式(3)和式(4)计算得到VS及Vap。对计算得到的VS值应根据规范进行校核，使稳压水容积不小于50 L，避免稳压泵频繁启动。

根据以上计算得到的VS，Vap以及消防贮水容积VX，可以得到稳压罐消防水总容积VXf，结合规范4.3.5条公式，便可计算得到消防稳压罐总容积。通过该方法计算得到的P2值，符合玻马定律，可同时满足规范4.3.8条公式，避免了图集中采用P2=P1/αb的方法计算，产生与规范规定不一致的情况。

4 关于国标图集中αb的讨论

国家标准图集98S205消防增压稳压设备选用与安装(隔膜式气压罐)(以下简称图集)［3］，在计算时同样采用αb=P1/P2作为工作压力比。并根据P1/αb计算值作为消防主泵启动压力P2，该值实际上应为消防气压罐稳压泵停泵压力PS2。按图集计算得到的各工作点压力值都比按规范计算偏高。这种情况下，气压罐的计算容积将可以适当减小，但不利因素由于提高了稳压罐工作点压力，有可能引起高层建筑底层超压，并增加稳压泵运行能耗，以上影响应在图集选用时予以考虑。

5 结语

消防气压给水和生活气压给水装置存在着明显的不同，消防气压水罐的计算应有别于生活气压水罐。在消防气压水罐计算过程中，气压罐的最高工作压力应为稳压泵的停泵压力，《气压给水设计规范》中关于“最高工作压力”定义有待商榷。结合对工作压力比的理解，对消防气压水罐的计算提出了比较便捷可行的方法。分析了国标图集按P2=P1/αb计算消防水泵启动压力和各工作点的利弊，在图集选用时应予考虑。

［1］GB 50016-2006，高层民用建筑设计防火规范［S］.

［2］CECS∶76-95，气压给水设计规范［S］.

［3］98S205，消防增压稳压设备选用与安装(隔膜式气压罐)［S］.