消火栓系统给水方式性能探析

张 涛, 李秀玲

(陕西冶金设计研究院有限公司, 陕西西安 710032)

消火栓系统给水方式性能探析

张 涛, 李秀玲

(陕西冶金设计研究院有限公司, 陕西西安 710032)

影响消火栓系统给水方式的最主要因素是建筑物的高度，依据在竖向上供水能力的高低，将消火栓系统分为不分区、并联分区、串联分区三大方式。文章按照供水的关键设备对不分区、并联分区给水方式进行进一步划分，对每一种给水方式的性能进行分析。

消火栓系统； 不分区系统； 并联分区系统

我国的综合消防体系由建筑防火分区系统、火灾自动报警系统、消火栓系统、自动喷水灭火系统组成。消火栓灭火系统是目前国内基本灭火手段之一，GB 50045-2005《高层民用建筑设计防火规范》[1]规定高层建筑必须设室内、室外消火栓给水系统。我国目前正在逐步建立以自动喷水灭火系统为主的消防结构体系，自喷系统有发现火灾早、反应速度快、自动化程度高的优势。但在火灾后期，尤其是火灾1 h后未能扑灭火灾的情况下，自喷系统将自行失去灭火功能，系统被关闭，要保证灭火的顺利进行，消火栓系统仍然是不可取代的主要消防手段。

1 现有消火栓给水系统分类

消火栓系统按位置区分，分为室外和室内消火栓给水系统。按使用时压力分高压、临时高压、低压给水系统、稳高压消防给水系统。按管网形式分为枝状管网消防给水系统和环状管网消防系统[2]。

环状管网供水安全，在某段损害时，仍可以供应消防用水，故室内消防管道应采用环状管道或环状管网。规定室内环状管道至少应该有两条进水管分别与不同的室外管道连接，当任一进水管损坏时，其余进水管仍能供应全部进水量以保证供水安全。

室内的环状管网基本形式包括平面环网、竖向环网及立体管网。

2 不分区的消火栓给水系统

2.1 多层建筑消火栓给水方式

超过6层塔式或通廊式住宅、超过5层或体积超过10 000 m3的其它民用建筑、超过4层的厂房和库房等多层建筑，如室内消防竖管为2条或超过2条时，应至少每2条竖管相连组成环状管道。7～9层的单元式住宅的室内消防管道成环状在工作中困难较多，且单元式住宅单元每间有分隔墙分隔开，火灾不易蔓延，允许成支状管网布置，同时允许采用一条进水管。

9层及9层以下的住宅(包括底层设置商业服务网点的住宅)和建筑高度不超过24 m的单层公共建筑，根据建筑物高度、室外管网压力、流量和室内消防流量、水压等要求，其给水方式可以分为以下几类。

2.1.1 无加压泵和水箱的室内消火栓给水系统

一般用于允许在室外管网直接供水、建筑物不高、室外给水管网的压力和流量完全能满足室内最不利点消火栓的设计水压和流量时(图1)。

图1 无加压泵和水箱

该系统具有系统简单，工程投资少，安装维护简单，能够充分利用室外给水管网水压，节省能源。

2.1.2 设水箱的室内消火栓给水系统

常用在允许在室外管网直接供水，市政管网水压变化较大的居住区，当生活、生产用水量较少时，室外管网压力较大，能够向高位水箱补充水量;而当生产、生活用水较大时，室外管网压力不能保证最不利点消火栓的压力和流量(图2)。

图2 设水箱

该系统充分利用室外管网压力，节省能源。但需要设高位水箱，增加结构荷载，占用建筑面积以得到系统运行的可靠性。

2.1.3 设水泵的室内消火栓给水系统

在室外管网压力不能满足消防水压，又难以设置或不允许设置高位水箱的情况下，可以单设水泵从消防水池吸水加压。如果允许在室外管网抽水，则可以根据外网压力减小泵的扬程，节省设备投资(图3)。

图3 设水泵

2.1.4 设水泵和水箱的室内消火栓给水系统

用在室外管网压力不能满足室内消火栓给水系统的水量和水压要求。此系统相比前两种形式设备复杂，投资较多。

该系统有两种形式。水泵直接从室外管网吸水，充分利用外网压力，节省投资;水泵从消防水池吸水，水池、水箱均储存一定量的消防用水，供水压力稳定，但能耗大，占用建筑面积大。

2.1.5 气压给水方式的室内消火栓给水系统

适用于室外给水管网压力经常不足，不宜设高位水箱的建筑，水泵从室外给水管网或水池吸水加压，利用气压水罐储存和调节流量以及控制水泵运行。该系统供水可靠，水质较好，不需设高位水箱，但水压波动较大，水泵平均效率低，启动频繁，能源消耗量大(图4)。

图4 气压给水

2.2 高层建筑消火栓系统的给水方式

建筑高度不超过50 m的工业与民用建筑物，一旦着火，消防队使用解放牌消防车，从室外消火栓(或消防水池)取水，通过水泵结合器往室内管网送水，可协助室内扑灭火灾[3]。在室外供水环网能满足消防水量的要求、供水主管部门允许直抽的情况下，系统直接从室外供水环网抽水，可充分利用外网的压力，消防水泵扬程降低，系统简单，不设消防水池，节省占地面积，维护管理方便[4]。设计时，以室外供水环网最低进水压力为设计参数，以室外供水环网的最高供水压力进行校核。当室外供水环网无法满足消防的水量要求，或者供水的主管部门不允许直抽时，需设计消防水池储存消防用水量。当高位水箱的高度无法满足最不利消火栓的水压要求时，在高位消防水箱的储水罐上设增压泵或气压罐。

3 并联分区的给水方式

建筑高度超过50 m的室内消火栓给水系统难以得到一般消防车的供水支援，要立足于自救，采用分区给水。具体的操作依据是消火栓栓口静水压力不应大于0.8 MPa，当大于这个值时采用分区给水系统。

有多种分区方式，根据建筑物高度采用并联分区和串联分区方式。根据供水设备不同又分为低区利用外网压力供水、分泵供水、多出口泵供水、变频调速泵组供水。

3.1 低区利用外网压力供水的并联分区

在室外供水环网供水安全可靠、可以满足低层部分消防时的水量和水压要求、当地主管部门允许直抽的情况下，低层部分的消火栓从外网直接供水，高层部分则采用水泵从消防水池吸水，向管网加压供水。这能够省去低区一套消防水泵的投资，同时节省水泵房的占用面积。水泵直接吸水指固定消防水泵直接从给水管网吸水，而不从水池或水箱吸水的形式。

本系统优点是充分利用室外给水管网压力，减少水泵扬程，节约能源;减少消防水池等构筑物，节约面积，节省投资，缩短工期;水泵自管式吸水，便于自动控制;可防止消防水池等开口设施的二次污染。

缺点是水泵吸水时，室外给水管网压力下降，应向附近其它建筑的用水，室内给水管网的水流有可能造成对室外给水管网的回流污染，当水泵选用不当时，有可能出现超压;由于室外给水管网的压力昼夜、四季和历年的变化，为水泵始终在高效区运行带来困难。为解决此问题，可参考如下方法：

为保证最不利点的消防用水设施的水压要求，按室外给水管网的最低水压计算水泵;为避免出现超压，并且使水泵在高效区工作，以室外给水管网的最高水压校核水泵的超压和工作效率;为减小水泵运行时对管网压力变动的影响，水泵的流量尽量接近消防用水量，且从室外给水管网直接吸水的连接管宜选择大管径、压力高的管段;为便于维修，在吸水管上装设阀门;防止室外给水管网压力下降至0.1 MPa以下和出现真空，在吸水管段上装设压力传感器和报警等装置;为防止回流污染，在吸水管上装设止回阀或防污隔断阀等装置(图5)。

图5 低区利用外网压力

3.2 分泵供水的并联分区

分泵供水方式是指各区有各自独立的消防泵、屋顶水箱、水泵结合器，这是较传统的一种方式，也是最有效最安全的方式。

此方式优点是适用于两种不同功能组建的商住楼、综合楼，特别是对今后有不同物业管理单位使用的建筑以及分二期实施且高低差较大的建筑工程安全性好。

缺点在于：(1)各区都必须设置独立的水泵接合器，整栋建筑的水泵接合器数量较大。(2)由于各区独立，水泵数量多，泵房所需面积大。如一般分两个区的建筑，消防泵至少需要6台，高、低区消火栓泵各2台；高、低区喷淋泵2台；生活泵2台。总泵房面积将不少于100 m2。

3.3 多出口泵供水的并联分区

双出口多级离心水泵[5]进口流量等于高、低出水口流量之和，两个出水口可同时出水也可单独出水，水泵所配点击容量按高压出水口单独出水工况确定。高压出水口拥有高区系统管网，低压出水口用于低压系统管网。这能较好地解决分区分界处的楼层发生火灾时的消防给水问题，又可以减少变配电设备，减少泵房及变配电间建筑面积，降低了工程设备及占地费用。为减掉中间水箱，可采用屋顶水箱出水经减压阀供给各分区的处理方式(图6)。

图6 多出口泵供水(减压阀减压)

存在问题在于当分界面上两个出口同时供水时，高低区扬程将会波动。高区将超过铭牌扬程，低区低于铭牌扬程；高区流量越大，低区扬程越小，则高低区扬程越接近铭牌的等分值，故设计时应采取相应措施。

3.4 变频调速泵组供水的并联分区

变频调速泵组的工作原理是[6]高低区各设一套机组，系统中无水箱，小流量高扬程水泵置于变频调速控制，消防给水工作泵处于工频状，前者保证消防给水系统的水压，后者在火灾发生后相继启动供水灭火。一般由两台稳压泵(一用一备)及两台消防泵(一台备用)组成。平时根据压力开关信号启停稳压泵，维持系统压力，当有火警时，稳压泵维持不住消防所需压力而降至一设定值时自动启动消防给水工作泵，或由消火栓按钮启动工作泵，并发出声光报警。

变频调速泵的最大的优点是高效节能，消防给水系统中不需设水箱，而且能防止管网系统超压。但是它仍然存在恒速泵并连供水方式的缺点，即高低区给水系统均要设置自己的机组，设备多，管理复杂，占地面积大，分界层楼面的火灾不能很好解决，而且变频的关键部件造价较高。GB 50045-2005《高层民用建筑设计防火规范》[1]中要求在建筑物顶设置水箱，所以消防给水系统中的水箱不能省掉。因此，这种供水方式有待于进一步探讨(图7)。

图7 变频调速泵组供水

主要优点有:(l)节能。按需要设定压力，根据用水量的变化来调节电机的转速，使设备变量变压或恒压供水，达到节能的目的。(2)水泵机组实现软启动方式，多台水泵机组实现循序启动运行，可延长设备使用寿命和保证运行的可靠性。(3)调速运行可避免在火灾初期阶段或水泵检验时的超压问题。(4)全自动运行，使用方便。(5)结构紧凑，占地省，安装方便，便于集中管理。

主要缺点有:变频器价格贵，整机价格比其他给水设备昂贵；变频对工作环境条件(包括温度、湿度、灰尘等)要求高；变频器在工作时出现的干扰，影响变频器的正常工作。

4 总结

随着建筑高度的增加，设计中为了避免管道压力过大，减少使用耐高压的水泵及管道配件，当建筑高度超过100 m时，经常采用串联供水方式[1]。串联分区又分为串联水泵供水、转输水箱供水、重力水箱供水。在建筑的整个给水系统中，还可将转输水箱供水与重力水箱供水组合使用;在串联的各个区内，可根据分区需要，采用减压阀或多出口泵的并联供水方式。

本文对我国消火栓系统依据现行消防规范、设计手册对消火栓的不分区、并联分区给水系统按照关键设备进行了进一步划分，分析了不同给水方式的优缺点。在进行消火栓系统设计时具有参考价值。

[1] GB 50045-2005 高层民用建筑设计防火规范[S]. 北京：中国计划出版社, 2005.

[2] 王增长.建筑给水排水工程[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，1998.

[3] 建筑给水排水工程设计实例编委会.建筑给水排水工程实例[M].北京:中国建筑工业出版社，2001.

[4] 核工业部第二研究设计院.给水排水设计手册(第二册)室内给水排水[M]. 中国建筑工业出版社, 1986.

[5] 严煦世，范瑾初, 许保玖.给水工程[M].北京:中国建筑工业出版社，1999.

[6] 杜一民，陈方肃. 高层建筑给水排水设计手册[M]. 2版.长沙:湖南科技出版社，2002.

[定稿日期]2017-06-28

张涛(1981～)，男，本科，工程师，建筑环境与设备工程专业；李秀玲(1976～)，女，本科，工程师，采暖通风与空气调节工程专业。

TU892

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