减压阀分区供水在超高层建筑消火栓给水系统中的设计分析与计算校核

楼晓剑，葛晓霞

(武警学院 a.研究生队； b.消防指挥系，河北 廊坊 065000)



减压阀分区供水在超高层建筑消火栓给水系统中的设计分析与计算校核

楼晓剑a，葛晓霞b

(武警学院 a.研究生队； b.消防指挥系，河北 廊坊 065000)

对于高度较低的超高层建筑来说，减压阀分区供水方式简单而经济，是实际工程中使用较为广泛的分区方式之一。以某超高层建筑消火栓给水系统减压阀供水方式为研究对象，通过水力计算，重点对消火栓泵的扬程、减压阀的参数及供水区域的静水压力进行校核与分析，并提出设计建议：当超高层建筑消火栓给水系统采用减压阀分区供水方式划分3个供水区域时，其极限高度可达150～170 m。

超高层建筑；减压阀分区；水力计算；静压校核

0 引言

消火栓给水系统是被广泛应用于扑救建筑火灾的灭火设施。《消防给水及消火栓系统技术规范》[1](GB 50974—2014，以下简称《水规》)第6.2.1条规定：当消火栓给水系统的工作压力超过2.40 MPa或消火栓栓口处静压超过1.0 MPa时，消防给水系统应当分区供水。

减压阀分区供水方式就是通过减压阀，按照规范要求的系统压力极限，将给水系统划分为若干个供水区域[2]。系统由一组消防水泵统一供水，除供水高区以外的供水区域，其消防用水通过减压阀减压后供给。该供水方式具有管道铺设简单，供水设备集中，投资成本低廉等特点，成为建筑高度较低的超高层建筑分区供水方式的最佳选择；但是，如果供水区域划分不合理、减压阀选择不当，会直接影响消防系统的使用，灭火效果不佳。因此，有必要对超高层建筑消火栓给水系统减压阀分区供水方式的设计计算进行校核，从设计源头上把好关。

在对超高层建筑消火栓给水系统减压阀分区供水方式的设计计算中，主要存在两方面问题，一方面是消火栓泵的扬程及减压阀参数的确定，另一方面是消火栓分区静水压力的确定。在进行计算校核时，首先应按照规范对于消火栓栓口处动水压力的要求，通过水力计算，确定消火栓泵的扬程；然后按照供水区域的划分，设计减压阀的设置方式，确定减压阀的参数；最后，根据设计方案，计算消火栓分区静水压力，校核其是否符合规范要求。

本文以某超高层建筑的消火栓给水系统为例，通过水力计算，重点对消火栓泵的扬程、减压阀的参数及供水区域的静水压力进行校核与分析。

1 建筑工程概况

某超高层建筑高度为151.55 m，包括地下2层和地上38层，其中15层为酒店避难层，标高为54.3 m；30层邻登高面位置设有避难间，标高为102.7 m；地下2层设置消防水泵房。该超高层建筑采用两路消防供水，由市政给水管网的2根DN200的引入管向建筑消防给水系统供水，供水压力为0.35 MPa。该超高层建筑消火栓给水系统可结合避难层进行设计，拟划分为3个供水区域。1层至14层为供水低区，采用下行上给式减压阀设置，减压阀设置在地下2层；15层至29层为供水中区，采用上行下给式减压阀设置，减压阀设置在30层避难层；30层至38层为供水高区；地下消火栓用水直接由市政管网供给。消火栓系统减压阀分区供水示意图如图1所示。

图1 减压阀分区供水方式示意图

2 水泵扬程的确定

2.1 基本设计数据

该建筑采用同种规格的消火栓，水带直径为65 mm，长度为25 m，水枪喷口直径为19 mm。水枪出水处压力计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，Hxh是消火栓栓口动压，mH2O；Hq是水枪喷嘴压力，mH2O；Hd是水带压力损失，mH2O；Hk是消火栓栓口压力损失，一般为2 mH2O；αf是实验系数，与充实水柱有关，取1.213；φ是阻力系数，取0.009 7；Sk是水枪充实水柱，m；qxh是水枪喷嘴处流量，L·s-1；β是水流特征系数，取1.577；Ad是水带阻力系数，取0.001 72。

计算可得，水枪喷嘴处流量qxh为5.42 L·s-1；水带压力损失Hd为1.26 mH2O；水枪喷嘴压力Hq为18.62 mH2O；消火栓栓口动压Hxh为21.88 mH2O。由《水规》第7.4.12条可知，对于高层建筑，消火栓栓口动压应不小于0.35 MPa，且消防水枪充实水柱应按13 m计算[1]。由此确定，该超高层建筑消火栓栓口动压不应小于0.35 MPa。

2.2 最不利消防竖管水力计算

在最不利消防竖管的水力计算中，存在的主要问题是消火栓栓口处流量的确定。按照《水规》第3.5.2条的规定及其条文解释，可知每一室内消火栓的设计流量不应小于5 L·s-1，大多数设计人员便以5 L·s-1作为基本设计数据，对消火栓系统进行设计。但是，由以上计算可知，对于超高层建筑，消火栓栓口处的动压不应小于0.35 MPa，其水枪喷嘴处流量应为5.42 L·s-1。同时，楼层层高也对消火栓流量产生较大的影响，楼层越低，其消火栓栓口处动压越大，其流量也越大。因此，笔者建议在对超高层建筑消火栓给水系统进行最不利消防竖管的水力计算时，应当以5.42 L·s-1作为基本设计数据，同时，考虑楼层层高对消火栓流量的影响。该超高层建筑最不利消防竖管水力计算简图如图2所示。

图2 最不利消防竖管水力计算简图

由图2可知，该超高层建筑最不利消防竖管为X2L-4，消火栓A即为最不利点消火栓。由上述计算可得，该消火栓栓口处动压为0.35 MPa，流量为5.42 L·s-1。以管段A-B为例，进行水力计算，其计算公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中，di是管网管径，m；v是管段流速，m·s-1；Hd是水带压力损失，mH2O；i是单位长度管段水头损失，mH2O·m-1；C是海澄-威廉系数，镀锌钢管取120；L是管道直线段长度，m；Pf是管道沿程水头损失，mH2O。

对于管段A-B来说，qxh为5.42 L·s-1，di为0.106 3 m，L为5.4 m，计算可得，vA-B为0.611 m·s-1，iA-B为0.005 27 mH2O·m-1，Pf为0.028 4 mH2O。B点消火栓的栓口动压为40.428 mH2O。

B点消火栓流量的计算公式如下：

(8)

式中，qxh(n-1)是次不利消火栓(n-1)处的流量，L·s-1；Hxh(n-1)是次不利消火栓(n-1)处的压力，mH2O。

计算可得，qxh-B为7.53 L·s-1。同理，可得到各节点的压力与流量，计算结果见表1。

表1 最不利消防竖管水力计算表

2.3 消火栓泵扬程和流量计算

消火栓泵扬程可按下式计算：

(9)

式中，Hb是消火栓泵扬程，mH2O；k是安全系数，取1.2；ΔH是最低有效水位至最不利消火栓的高程差，m；P0是最不利点消火栓所需的工作压力，mH2O；ΣPf是管路沿程总水头损失，mH2O；ΣPp是管路局部总水头损失，mH2O。

消防水池最低水位相对标高为-8.8 m，最不利消火栓相对标高为147.0 m，则ΔH为155.8 m。由上表可知，沿程总水头损失ΣPf为12.33 mH2O，取局部水头损失为沿程水头损失的20%，即ΣPp为2.466 mH2O。计算可得：

Hb=1.2×(12.33+2.466)+155.8+35

=208.41mH2O

由以上计算结果，可以确定消火栓泵的扬程为210 mH2O。对于消火栓泵的流量，若考虑到最不利消火栓栓口处动压为0.35 MPa，需要保持13 m充实水柱的要求及层高对流量的影响，其计算结果54.95 L·s-1大大地超出了《水规》中对超高层建筑室内消火栓设计流量40 L·s-1的规定。造成这个现象有两方面原因：一是规范对于每只消火栓的流量要求为5 L·s-1，这对于超高层建筑来说，消火栓充实水柱是达不到13 m要求的；二是该流量是以最不利情况计算得到的，计算值较平均值偏大一些。因此，确定该消火栓泵的流量为50 L·s-1。

3 减压阀参数的确定

根据工作原理和结构形式，减压阀可分为比例式减压阀和可调式减压阀。比例式减压阀是指进口压力与出口压力成稳定比例关系的减压阀，具有减压效果好、阀体体积小、加工方便、价格低廉、安装维护便捷、使用寿命长等特点。可调式减压阀是指出口压力可调的减压阀，具有出口压力稳定、动作反应灵敏、使用灵活等特点，但阀体体积较大，价格较高。

减压阀的合理设置是减压阀分区供水方式设计的核心，决定了消火栓给水系统的安全可靠性。为保证减压阀供水系统安全可靠，应当采取一定的安全技术措施[1]：(1)为避免水中杂质造成减压阀故障，需采用安全可靠的过滤装置；(2)每一供水分区至少设置两组减压阀组；(3)减压阀宜采用比例式减压阀，减压阀的压力比不宜大于3∶1。

3.1 供水低区减压阀参数的确定

该超高层建筑1层至14层为供水低区，当发生火灾时，消火栓泵启动并供水灭火。供水低区管网压力较大，需设置减压阀减压。减压阀设置在地下2层，采用下行上给式减压阀设置方式。为确定比例式减压阀的压力比值，现将消火栓系统减压阀分区供水管路图进行简化，如图3所示。

图3 供水低区减压阀布置简图

减压阀的设置必须满足最不利点消火栓，即消火栓A栓口动压不小于0.35 MPa，流量不小于5.42 L·s-1的要求。对减压阀后管路进行水力计算，其结果见表2。

表2 供水低区管路水力计算表

类比消火栓泵扬程计算公式，可得到减压阀阀后压力。最不利点消火栓距离减压阀的高程差ΔH为60.8 m。由上表可知，沿程总水头损失ΣPf为4.46 mH2O，取局部水头损失为沿程水头损失的20%，即ΣPp为0.892 mH2O。计算可得：

HG=1.2×(4.46+0.892)+60.8+35

=102.22mH2O

由于该区域减压阀设置在消火栓泵旁，对于水泵扬程来说，管段H-I的水头损失可忽略不计，故减压阀前节点H动压HH为210 mH2O。

由此可以得到，供水低区减压阀的减压比为：HH/HG=210.00/102.22≈2。

当设置减压比为2∶1的减压阀时，其阀后压力为105 mH2O，满足该区域消火栓的流量与压力要求，设置合理。

3.2 供水中区减压阀参数的确定

该超高层建筑15层至29层为供水中区，采用上行下给式减压阀设置方式，减压阀设置在30层避难层，其供水中区减压阀布置简图如图4所示。

图4 供水中区减压阀布置简图

在进行减压阀后管路水力计算时，应当注意管路中水流的流向与流量问题。图4中消火栓A为最不利点消火栓，压力取定为0.35 MPa，与减压阀的高程差为2.3 m，忽略管路的水头损失，可得到减压阀后的压力HG为32.7 mH2O。

对减压阀前管路进行水力计算，取水泵扬程为210 mH2O，流量为50 L·s-1，可得到减压阀前压力HH为89.2 mH2O。由此可以得到，供水中区减压阀的减压比为：HH/HG=89.2/32.7≈2.7。

在工程实际中，取供水中区减压阀的减压比为2.5∶1，其消火栓A的动水压力约为37.98 mH2O，符合规范要求，减压阀组设置合理。

4 静水压力的校验

由《水规》第6.2.1条可知，当消火栓栓口处静压大于1.0 MPa时，消防给水系统应分区供水[1]。对于静水压力，应当理解为消火栓给水系统水流处于静止状态时相应点的测压管水头高度[3]。因此，在确定了消火栓泵扬程流量及减压阀参数后，应当根据分区供水设计方案，计算消火栓分区静水压力，校核其是否符合规范要求。该超高层建筑静水压力计算图如图5所示。

4.1 供水高区静水压力的校验

《水规》第5.2.2条规定，高位消防水箱的设置位置应高于其所服务的水灭火设施，且最低有效水位应满足水灭火设施最不利点处的静水压力，当建筑高度超过100 m时，不应低于0.15 MPa[1]。为满足系统最不利点消火栓的静水压力，该超高层建筑增设了增压稳压设施[4]。在这种情况下，气压罐水位最高时对应的停泵压力Ps2才是对消火栓给水系统产生的最大静水压力，而不能仅仅以气压罐与最不利消火栓的高程差为系统的最大静水压力。其供水高区静水压力计算公式如下：

图5 系统静水压力计算图

(10)

式中，Ps2是稳压泵停泵压力，mH2O；hj1是气压罐到最不利消火栓的高度差，mH2O；Hj1是分区最高消火栓与最低消火栓的高差，mH2O；Pmax是底层消火栓静水压力，mH2O。

根据公式，可计算出分区内最高消火栓与最低消火栓的高差，并以此来确定分区高度。停泵压力Ps2是由最不利点消火栓所需的压力P0根据计算公式求得的。在超高层建筑中，最不利点所需的压力P0约为0.35 MPa，工作压力比取0.85，经计算，可得到稳压泵停泵压力一般为0.45～0.55 MPa。在该超高层建筑中，气压罐标高为151.8 m，30层消火栓栓口处标高为103.8 m，高程差为48 m，稳压泵停泵压力取为0.50 MPa，计算可得，底层消火栓静水压力Pmax为98 mH2O，符合规范要求。

4.2 供水中区静水压力的校验

对于采用减压阀组减压来进行分区供水的系统，在进行静水压力计算时，应先确定减压阀组前的静水压力，然后根据减压比，确定减压阀组阀后的静水压力，以此确定分区内最高和最低处消火栓的静水压力。笔者认为，供水区域最高处的消火栓静水压力也应满足《水规》第5.2.2条的规定，即消火栓静水压力不应小于0.15 MPa。其计算公式如下：

(11)

式中，Pj1是减压阀阀前静压，mH2O；hj2是气压罐到减压阀的高度差，mH2O；Ps2是稳压泵的停泵压力，mH2O。

对于供水中区来说，该区域采用上行下给式减压阀布置方式，其区域最高处和最低处消火栓静水压力公式如下：

(12)

(13)

在该建筑中，稳压泵与供水中区减压阀的高程差为49.1 m，减压阀的减压比为2.5∶1，减压阀与29层消火栓栓口的高程差为2.3 m，与15层消火栓栓口的高程差为49.5 m。计算可得，减压阀阀前静压Pj1为95.1 mH2O，减压阀组阀后静压Pj2为38.0 mH2O，分区最高处消火栓栓口静压Pmin为40.3 mH2O，最低处消火栓静水压力Pmax为87.5 mH2O，符合规范要求。

4.3 供水低区静水压力的校验

对于供水低区来说，该区域采用下行上给式减压阀布置方式，其区域最高处和最低处消火栓静水压力公式如下所示：

(14)

(15)

在该建筑中，稳压泵与供水低区减压阀的高程差为160.6 m，减压阀的减压比为2∶1，减压阀与1层消火栓栓口的高程差为9.9 m，与14层消火栓栓口的高程差为60.8 m。计算可得，减压阀阀前静压Pj1为210.6 mH2O，减压阀组阀后静压Pj2为105.3 mH2O，分区最高处消火栓栓口静压Pmin为44.5 mH2O，最低处消火栓静水压力Pmax为95.4 mH2O，符合规范要求。

5 减压阀分区供水设计分析

相比于其他供水方式，减压阀分区供水方式的核心在于减压阀组，可靠性较低，这也决定了其减压阀串联减压的区域不应超过2个，系统供水区域最多划分为3个。

对于供水高区，气压罐的停泵压力Ps2提供了系统的最大静水压力。由于停泵压力的范围是0.45～0.55 MPa，区域静水压力的极限值为1.0 MPa，决定了供水高区的极限高程差约为50 m。对于减压阀减压的供水区域，当采用比例式减压阀时，比例式减压阀的定制减压比、静水压力和动水压力的范围决定了供水区域的极限高程差约为50 m。高程差、减压比过大，会造成最不利点消火栓动水压力不足；高程差、减压比过小，会造成最底部消火栓静水压力超压。当高程差为50 m时，对于供水中区，最为恰当的减压比为2.5∶1；对于供水低区，最为恰当的减压比为2∶1。当采用可调式减压阀进行减压时，供水区域的极限高程差接近60 m。当为上行下给式减压阀布置时，减压阀的阀后压力设定值为0.35 MPa；当为下行上给式减压阀布置时，减压阀的阀后压力设定值为1.0 MPa。

如上所述，当超高层建筑给水系统采用比例式减压阀供水方式时，其建筑极限高度约为150 m；当超高层建筑给水系统采用可调式减压阀供水方式时，其建筑极限高度约为170 m。

6 结论

6.1 从上述计算可以看出，该超高层建筑三个区域的最低处消火栓的静水压力都接近1.0 MPa的极限值，说明当超高层建筑消火栓给水系统采用减压阀分区供水方式划分3个供水区域时，其极限高度可达150～170 m。

6.2 在对超高层建筑消火栓给水系统进行最不利消防竖管的水力计算时，建议以5.42 L·s-1作为单个消火栓的设计流量，同时，应当考虑楼层层高对消火栓流量的影响。

6.3 对于超高层建筑，规范规定的室内消火栓设计流量40 L·s-1满足不了消火栓栓口处动压不应小于0.35 MPa和充实水柱长度不应小于13 m的要求，建议将超高层建筑室内消火栓设计流量增加到50 L·s-1。

[1] 中华人民共和国公安部.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.

[2] 黎承.超高层建筑消防供水系统设计探析[J].给水排水,2014,40(6):58-61.

[3] 陈礼洪,程宏伟,蒋柱武.高层建筑消火栓给水系统分区静水压力计算[J].中国给水排水,2014,30(15):54-56.

[4] 中国工程建设协会.建筑给水减压阀应用技术规程[M].北京:中国计划出版社,2013.

(责任编辑 陈 华)

An Analysis and Calculation of Fire Hydrant Water Supply System using Pressure Reducing Valve in Super High-rise Building

LOU Xiaojiana, GE Xiaoxiab

(a.TeamofGraduateStudent;b.DepartmentofFireCommanding,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

For a comparatively low super high-rise building,a pressure reducer partition water supply system, one of the most widely used water supply modes in the practical projects, is simple and economic. In this paper，fire hydrant water supply system using pressure reducing valve in a super high-rise building was chosen as the research object. Through a hydraulic calculation, the lift of fire hydrant pump, parameters of pressure reducing valve and the static pressure of a water supply area are analyzed, and suggestion for the recommended fire protection water supply system in the design was put forward. When the fire hydrant water supply system of a super high-rise building using water pressure reducing valve are divided into three water supply areas, the limit height is 150～170 m.

super high-rise building; pressure reducer partition system; hydraulic calculation; static pressure calculation

2016-04-26

楼晓剑(1993— )，男，浙江义乌人，防火工程专业在读硕士研究生； 葛晓霞(1975— )，女，河北唐山人，教授。

●消防安全评价

TU976

A

1008-2077(2016)10-0067-06