浅析车库喷淋管径的设计

李少华, 张冰洋

(成都基准方中建筑设计有限公司， 四川成都 610011)

1 国家规范要求

首先要明确影响喷水管管径的几个因素：

(1)管内流速不能超过规范许可，根据GB 50084-2017《自动喷水灭火系统设计规范》(以下简称《喷规》)中9.2.1 条，管道内的水流速度宜采用经济流速，必要时可超过5 m/s，但不应大于10 m/s。但GB 50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》(以下简称《消规》)中8.1.8 又规定，消防给水管道的设计流速不宜大于 2.5 m/s ，自动水灭火系统管道设计流速，应符合现行国家标准《喷规》、GB 50151-2010《泡沫灭火系统设计规范》(以下简称《泡规》) 、GB 50219-2014《水喷雾灭火系统设计规范》和GB 50338-2003《固定消防炮灭火系统设计规范》的有关规定，但任何消防管道的给水流速不应大于 7 m/s。两本现行规范有矛盾的时候，原则上应该以低限执行。那么，原则上，要保证管内流速不超过7 m/s。

(2)管径要满足流量的需求，而流量又受喷水强度的影响。关于喷水强度的规定，在《喷规》第5章表5.0.1里有详细规定。

(a)喷头布置

(b)喷头与墙的距离

2 设计计算

在设计中采用“矩形面积-逐点法”来进行水力计算，因为实际火灾发生时，一般都是火源点呈辐射状向四周扩大蔓延，而只有失火区上方的喷头才会开启喷水。因此采用作用面积保护方法，即仅在作用面积内的喷头才计算喷水量是合理的。同时，由于火灾时空气对流及风的影响，作用面积的形状以呈矩型更为合理，且矩形面积在管道水力计算时也是最不利的。因而这种“矩形面积-逐点法”符合火场实际，是合理的、安全的，也是《喷规》的推荐作法。

在实际设计工作中，建设方经常要求设计师按照《喷规》表8.0.9(见表1)为依据来设计喷水管径，因为规范条文解释说这一条适用于标准流量洒水喷头。那么下面就来分析一下按这种管径配管是否可行。根据现行GB 50067-2014《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》中7.2.3 的规定，Ⅰ类地下、半地下汽车库、修车库以及停车数大于100辆的室内无车道且无人员停留的机械式汽车库宜采用泡沫-水喷淋系统，泡沫-水喷淋系统的设计应符合现行国家标准《泡规》的有关规定。在《喷规》这条条文里提到的《泡规》的规定，其实就是指《泡规》的7.3.4.1系统的作用面积应为465 m2的规定，而不采用泡沫-水喷淋系统，用喷水系统的话，作用面积为160 m2。即车库泡沫-水喷淋系统的作用面积是喷水系统作用面积的近3倍。现在按照规范规定的车库中危险II级的最大间距3.4 m来布置喷头，然后对465 m2和160 m2两个不同大小的作用面积分别进行水力计算，看理论上最小设计流量的喷头布置方式会得到怎样的结果。首先计算作用面积为465 m2的情况，通过天正软件的计算我们可以得出(由于篇幅原因，计算结果都不罗列)，无论是最不利还是最有利面积都有管道流速超过7 m/s的情况出现，且系统工作压力已经达到1.14 MPa，远高于《喷规》8.0.7条，轻危险级、中危险级场所中各配水管入口的压力均不宜大于0.40 MPa的规定；然后又计算作用面积为160 m2的情况，根据计算结果，发现管道内的流速都在规范许可范围内，系统流量为29.12 L/s，作用面积入口压力0.37 MPa，证明《喷规》表8.0.9推荐管径是可行的。因此，在喷淋管径的设计中不能简单的按照规范规定的下限值进行设计，还是要根据具体情况，在水力计算的基础上确定喷淋管径。

既然《喷规》推荐的配管方式不能满足系统作用面积为465 m2的情况，那么当作用面积为465 m2的时候，泡沫-水喷淋系统的又该怎么配管呢？下面根据实际项目(图2)来进行计算，整个计算方法如下，根据管网布置，首先确定最不利面积和最有利面积，因为最不利面积离水流指示器最远，水头损失最大，因此以最不利处喷头工作压力来计算系统工作压力；而最有利面积离水流指示器最近，此处喷头工作压力最大，喷头流量最大，因此以最有利面积来计算系统设计流量。通过天正软件对两块面积的喷淋系统进行计算，需要满足最不利点四个喷头围合面积内喷水强度和整个保护面积内的喷水强度要求，同时，管内流速不能超过规范上限，笔者通过大量计算(对于各计算结果此处不再罗列)，得出一个优化的管径和喷头数的对照表(表2)。

表1 《喷规》表8.0.9轻、中危险级场所中配水支管、配水管控制的标准流量洒水喷头数量

图2 系统作用面积

表2 自喷系统管径选用

以此对系统管径的优化，防火分区内无论是最不利面积还是最有利面积内的喷水管内流速都在经济流速内，系统压力均衡，系统喷水强度和流量也在正常的设计范围内。但笔者也注意到，作用面积内干管入口压力偏低(0.193 MPa)。那么调整一下最有利面积的喷水管管径，使配水管入口压力满足《喷规》8.0.7条“轻危险级、中危险级场所中各配水管入口的压力均不宜大于0.40 MPa”的规定，然后看看情况又如何？通过计算可以看到，当保护面积入口压力接近0.4 MPa时，系统流量为119.34 L/s,喷水强度达到15.3 L/(min·m2)，这是接近严重危险II级的一个喷水强度，虽然没有规范条文界定喷水强度的合理区间，但笔者个人认为这是过度保护，影响到工程的建安成本。

3 结论

在笔者的图审工作中，发现绝大部分设计人员所设计的喷水系统的设计流量都是一个定值，虽说可以通过系统管径和压力的控制来达成这个定值，但是设计管径、系统压力和流量之间必须匹配。如果系统工作压力和工作流量不匹配的话，随着火灾蔓延，动作的喷头数越来越多，在最不利面积处很可能发生系统压力不足，喷水强度不足的问题，而最有利面积又会发生喷水强度过大，喷水系统储水提前耗尽的问题，这些情况都会影响喷水系统对火势的控制和扑灭。而笔者通过这些计算得出的针对泡沫-水喷淋系统管径选用表，也仅供设计人员参考，设计人员应根据各项目的具体情况，如危险等级、喷头的K值系数、布置的疏密，以及建设方的要求进行调整，但设计思路大致如此。需要注意的是，防火分区面积越大，越需要注意沿程水头损失对设计流量的影响，因为沿程的水头损失会叠加到最有利面积处的工作压力上，造成最有利面积处喷头工作压力的增大。因此，喷水支管应尽量按规范要求沿长边布置，以减少干管长度，从而减少沿程水头损失；而且，按“矩形面积-逐点法”反推计算出的防火分区入口压力不宜超过0.4 MPa，否则需通过放大管径，或减少喷头数量来减少沿程水头损失。在这里需要强调的是，喷水系统的设计流量、扬程一定要通过计算得出，这个数据是喷水泵选型的依据。在实际工程设计中，不能仅仅算一个系统工作压力，而流量取个经验值。

4 对车库喷淋设计的一些思考

首先，对有关文献[1]自动喷水灭火系统奏效率进行分析(表3),可以看出一个喷头所扑灭的火灾次数，占总奏效次数的百分比为53.16%/95.81%=55.5%，意味着一半以上的火灾是靠一个喷头解决问题的；当喷头动作数为6个时，奏效率为86.28%/95.81%=90%；当喷头动作数为10个时，奏效率为89.46%/95.81%=93.4%；当喷头动作数上升至20个时，其奏效率已达96 %(92.02 %/95.81 %)。考虑加权平均未统计喷头个数的107次奏效案例,20个喷头时灭火成功率为(1+2.63%)×92.02/95.81=98.6%。再增加喷头的动作数量对提高火灾扑救率没有多少作用，喷头动作数在30个以上的火灾案例不到0.5 %，所以工程设计中无需盲目加大设计流量。

表3 1969～1978年纽约8000座规范4061次火灾中自动喷消防奏效率分析

再来看看未奏效原因分析表 (表4)，可以看到，超过半数的不成功案例是因为供水吊顶被关闭，这是现在自动喷水灭火系统中必须采用信号闸阀的原因。如果能避免这些维管工作中的失误，喷淋系统的奏效率会更高。

表4 1969～1978年纽约8000座高层建筑4061次火灾中自动喷水系统未奏效原因分析

而且，90 %的成功扑救火灾案例只开放了6个喷头，系统流量不到10 L/s，就算选用流量为30 L/s的喷淋泵，流量都超出了2倍以上，泄压阀非设置不可，而且要求泄压阀具有良好的性能。所以，地下室泡沫—水喷淋系统作用面积465 m2的规定是否合理，值得商榷。规范解释是油品等液体火灾，不但热释放速率大，而且会产生大量高温烟气，高温烟气扩散至距火源较远处时还可能启动喷头；另外，液体火灾的蔓延速度很快，短时间内可能会形成较大面积的火灾，这也需要系统具有较大的作用面积，以覆盖着火区域。因此，开放的喷头数量可能较多，开启喷头的总覆盖面积比着火面积要大，甚至大很多。但有观点认为从汽车本身结构特点来看， 应将汽车火灾危险性划为丁类和中危险级比较适宜。 汽车自燃，油箱一般不会爆炸，燃烧也不是从油箱引起燃烧的，列入B类火灾是不合理的。而且规范 上也是说地下车库宜设置泡沫-水喷淋灭火系统，所以各地在规范的执行上还存在差异。

其次，作用面积大，带来一系列问题。首先就是作用面积 内喷头数增加，设计流量增大，消防水池增大，系统配管管径也增大。不但增加了项目造价，而且跟系统实际工作情况不符，造成系统总是在超压状态下工作，造成喷水强度过大，如果喷头布置再较密的话，则容易出现“跳喷”现象，安全性降低，浪费建设成本；但如果减小系统管径，虽可以节约初期管网投资，但管网压力偏高，最有利面积工作压力太大，造成系统流量变大，因此要增大喷淋泵的型号、用电负荷和水池容积，常年为保证消防水质，更换消防池水，也增加了成本。本文虽然是以车库喷淋系统举例来阐述喷淋设计思路的，但同样适用于不同场所的喷淋设计。作为设计人员，应在认真计算基础上，在规范条文的约束下，来找到安全性和经济性的最佳平衡点。