EPANET在建筑消火栓给水系统水力模拟分析中的应用

方志珍,陈 勇,乐永生

(1.合肥工业大学 建筑设计研究院,安徽 合肥 230009; 2.东华工程科技股份有限公司,安徽 合肥 230024)



EPANET在建筑消火栓给水系统水力模拟分析中的应用

方志珍1,陈 勇1,乐永生2

(1.合肥工业大学 建筑设计研究院,安徽 合肥 230009; 2.东华工程科技股份有限公司,安徽 合肥 230024)

建筑消火栓给水系统的启动和运行是一个动态过程。文章将消火栓系统运行过程分为4个不同工况,利用EPANET2软件对具体案例中消火栓系统的4个工况分别进行了模拟计算,提出应该根据不同的设计对象,选择不同工况的水力计算结果作为设计依据,推算了消防水箱和消防水池在满足规范供水时间情况下的所需容积。

EPANET软件;消火栓系统;运行过程;水力分析

通常情况下,设计人员对消火栓给水系统的水力计算只是针对主泵正常启动后的工况。但消火栓给水系统启动和运行是一个多工况的动态运行过程[1]。要想全面了解系统的水力状况,必须对系统进行多工况水力计算和比较分析。

1 消火栓给水系统运行过程分解

针对无增压稳压设备的消火栓给水系统整个运行过程,笔者认为主要分为4个阶段:

(1) 在火灾发生初期,消防主泵未启动,该工况的运行时间主要由主泵启动反应时间决定,该时间内消火栓给水主要是依靠屋顶消防水箱的重力加压供水。

(2) 在消防主泵启动后,这时系统主要通过消防主泵和消防水箱联合供水。

(3) 待屋顶消防水箱不能出水后,系统则只由消防主泵供水。

(4) 消防救援人员和设备赶到后,为了增加系统水量和水压,室外消防水泵接合器启用,这时系统由消防主泵和消防水泵接合器联合供水。

由以上分析可见,在消火栓系统启动运行的过程中,系统的水力状况是不断变化的。在系统设计过程中,应该对以上4个工况分别进行水力计算、分析和校核,使得在不同工况下,系统水压、水量等都能满足规范要求。

2 消火栓给水系统多工况模拟计算

对于建筑消火栓给水系统设计计算,国内目前普遍还停留在手工计算的阶段。随着专业设计计算软件的开发和应用,利用模型计算软件对消火栓给水系统进行多工况模拟计算是趋势所在。文献[2-3]利用EPANET对喷淋系统进行了计算分析,文献[4]尝试对消火栓系统采用有限元建立数学模型的方法进行研究。EPANET水力模型在市政给水优化计算中已经得到广泛的应用[5-6]。本文利用EPANET模拟计算软件对消火栓系统运行过程进行多工况计算。

2.1 EPANET模型建立

以合肥市包河区淝河镇行政服务中心项目为例,建筑面积6 340 m2,地上5层,地下1层,建筑高度17.5 m,消火栓系统设计流量15 L/s,建筑使用功能为政府办公楼和社区活动中心。

水压要求:按照文献[7]的规定,建筑最不利点消火栓栓口动压不应小于0.25 MPa,消火栓栓口动压大于0.5 MPa时设减压稳压型消火栓。

水量要求:单个消火栓出水量要求不小于5.0 L/s。

水泵参数:系统主泵的设计流量为15 L/s,扬程为40 m,一用一备,且水泵的性能满足文献[7]要求。假设工况4中与水泵接合器连接的消防车水泵参数同主泵参数。

消防水池位于地下室,有效容积为240 m3,水池有效水深2.5 m。消防水箱位于周边一栋18层住宅楼顶,箱底标高为52.2 m,有效水深2.5 m,有效容积为18 m3。管道粗糙系数取0.045,采用Darcy-Weisbach公式计算。阀门局部水头损失系数取2.5。水泵、水泵接合器和屋顶水箱的出水管设定为CV模式,水流在该管段只能单向流动。根据以上参数建立消火栓系统的EPANET模型,如图1所示。

图1 淝河镇政务服务中心消火栓给水系统EPANET模型

2.2 多工况水力模拟计算

利用EPANET2模型软件对该项目消火栓给水系统4个工况进行水力计算。按照文献[7]的要求,通常选择最不利立管的最不利消火栓和次不利消火栓以及次不利立管的最不利消火栓同时出水为计算工况,即节点18、节点17和节点19的消火栓同时使用为该消火栓系统最不利用水工况。本文以最不利节点18的节点水压、消防水箱流量、主泵流量、主泵扬程、水泵接合器流量、水泵接合器扬程和管道流速为特征参数值,分析4个工况下系统的水力状况：工况1,消防水箱供水;工况2,消防主泵和消防水箱联合供水;工况3,消防主泵供水;工况4,消防主泵和水泵接合器联合供水。

设定节点18、节点17和节点19为模型中的扩散器,扩散器系数取1.256,计算结果见表1所列。

表1 消火栓给水系统多工况水力计算结果

3 结果分析

从表1可以看出,工况1的最不利节点流量和水头分别达到6 L/s和22.80 m。这主要是由于该案例中消防水箱的架设高度高达52.2 m。在满足规范水箱最低水位到最不利消火栓静压水头为7.0 m的要求情况下,经过模拟,工况1系统的最不利消火栓实际出流量和水头分别为2.69 L/s和4.58 m,该流量不能满足1支消火栓灭火要求。在主泵启动后,工况3的最不利消火栓实际出流量和节点压力最小,工况3是整个系统启动运行过程中的最不利水力工况，消火栓系统主泵选型和管网管设计应该以工况3为设计依据。同理,工况2和工况4则是系统的较有利工况，消火栓系统是否超压、是否采用减压稳压型消火栓应该以工况2和工况4校核。不同工况管网系统压力分布如图2所示。

工况2和工况4属于多水源供水消火栓给水系统。从图2可以看出,这2个工况管网等压线分布形状基本和工况3相似,但是系统的等压线明显向管网末端推进9.0～10.0 m。可见,多水源供水对系统水压的提高和出水量的增加有明显的效果,有利于提高灭火效率。在实际设计应用中,还可以根据等压线分布密度优化管网设计。

从水力计算结果可以推算出消防水箱和消防水池实际需要的有效容积。在不考虑水箱水位下降和满足规范提供10 min消防供水要求的情况下,按工况1出流0.5 min,工况2出流9.5 min计算,消防水箱实际需要的有效容积为9.06 m3。在不考虑其他供水水源和满足规范2 h持续供水时间的要求下,按工况3的出流量计算,消火栓系统实际需要的灭火用水量为117.29 m3。可见,用EPANET模拟消火栓系统对确定系统中水池和水箱等设备的规模十分便利。

工况3流速分布比率曲线如图3所示。

从图3可以看出,流速低于1 m/s的管段占86%。经分析,主要是因为该消火栓给水系统中部分管网的管径是按照规范规定的最小管径DN100设置和系统的水力计算按照环状管网计算所致[8]。由此可见,规范关于消火栓管网最小管径为DN100的规定和按支状管网进行水力计算的规定值得商榷。

4 结 论

(1) 消火栓给水系统启动和运行是一个多工况的动态过程,不同工况下消火栓给水系统水力计算结果差距明显。消火栓给水系统设计过程中,应该根据不同的设计对象,选择不同工况的水力计算结果作为设计依据。

(2) 对消火栓系统采用多水源供水可以明显提高最不利消火栓的压力和流量,提高系统的灭火效率。

(3) 从水力计算结果推算出系统消防水箱和消防水池的实际需要容积分别为9.06 m3和117.29 m3。

(4) 从管网优化的角度出发,规范中关于最小管径和要求按支状管网进行水力计算的规定值得商榷。

(5) EPANET在消火栓给水系统的应用还需用实测数据对模型进行校准。

[1] 黄晓家,张莹.消火栓给水系统工程设计中有争议问题的讨论[J].消防科学与技术,2004,23(5):455-458.

[2] 张凤娥,田海龙,陈龙飞.EPANET在自动喷淋系统设计中的应用[J].中国给排水,2009,25(14):36-39.

[3] 杜坤,龙天渝,张勤,等.基于EPANET的自动喷水灭火系统环状格栅管网水力计算研究[J].给水排水,2012,38(5):140-143.

[4] 张金.消火栓给水系统动态模拟[D].合肥:合肥工业大学,2007.

[5] 张凤娥,殷志宁,李宏.EPANET水力模型在供水管网优化中的应用[J].给水排水,2007,33(11):200-202.

[6] 刘百仓,林璐,林佳琪,等.EPANET在城市多水源供水管网水力及水质计算中的应用[J].给水排水,2010,36(增刊1):416-419.

[7] 中国中元国际工程公司.消防给水及消火栓系统技术规范:GB 50974—2014 [S].北京:中国计划出版社,2014:30-53.

[8] 姜令军.建筑内部消火栓环状给水系统设计优化研究[D].西安:西安建筑科技大学,2004.

(责任编辑 张淑艳)

Application of EPANET in simulation and analysis of hydrant water supply system

FANG Zhizhen1,CHEN Yong1,LE Yongsheng2

(1.Institute of Architectural Design, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.East China Engineering Science and Technology Co., Ltd., Hefei 230024, China)

The start-up and operation of hydrant water supply system is a dynamic process. In this paper, based on the specific cases, four different conditions of operation process of hydrant system were proposed and simulated by using EPANET2 software. It was suggested that different hydraulic calculation results should be selected for the design according to different design objects. And the required volume of water tank and reservoir in compliance with the requirement of the standard water supply time was calculated.

EPANET software; hydrant system; operation process; hydraulic analysis

2015-08-15；

2015-10-30

合肥工业大学科学研究发展基金资助项目(2013HGXJ0461)

方志珍(1983-),男,安徽合肥人,合肥工业大学工程师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.020

TU242.9

A

1003-5060(2016)10-1397-04