对稳高压消防给水系统几个问题的思考和探讨

2020-12-25肖兴东

工程建设与设计 2020年23期

肖兴东

（遂宁市消防救援支队，四川遂宁629000）

1 引言

在大量高层和超高层建筑中，因施工难度大而导致屋顶高位消防水箱的高度不满足最不利处消防设施水压的问题大量存在，为此一种采用稳压设施稳压的消防给水系统便应运而生。这种带稳压设施的消防给水系统具有不同于高压和临时高压给水系统的特殊性，虽然一些早期的规范，如GB 50045—1995《高层民用建筑设计防火规范》【1】（2005版）和DJG08-94—2007《民用建筑水灭火系统设计规程》【2】等早就提出了稳压消防给水技术，但均未对其进行特别的明确和具体要求，现行的GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》【3】（以下简称《消水规》）也未对这种消防给水系统的相关技术问题进行详细规范。特别是对于该给水系统的稳压泵流量、消防水泵启泵压力、稳压泵的启停泵压力、气压水罐的消防水容积、气压水罐的调节水容积等问题没有系统的规定和统一的解释。因此，有必要对这一系统进行深入的研究和进一步规范。

2 什么是稳高压消防给水系统

什么是稳高压消防给水系统，目前消防给水界还没有一个统一的定义。《消水规》将其归入了临时高压消防给水系统，但这是值得讨论的。姜文源老师在其论文《浅谈稳高压消防给水系统》【4】中早就指出，应当将这种带稳压设施的消防给水系统独立分类，以区别于高压和临时高压系统进行研究和应用。姜老师在其论文中也给出了稳高压消防给水系统的定义，是指带有稳压设施平时满足系统准工作状态水压要求，而不满足水量要求的消防给水系统。这种说法也得到了业界的普遍认同。那么问题是，既然要求保证系统水压，为何不能要求其保证火灾初期系统最不利点处水灭火设施对水量的要求呢？工程中花这么大的投入成本建设一套稳压设施，只是为了保证管网平时的水压，而不能保证火灾初期对水量的要求，那么建设这套稳压设施的必要性就值得商榷了。因此，结合《消水规》和GJG08-94—2007《民用建筑水灭火系统设计规程》等规范，笔者认为应当这样对稳高压消防给水系统进行定义，即系统中设置有稳压设施和消防水泵，平时通过稳压设施保持系统最不利点处水灭火设施在准工作状态时的静水压力，并在火灾初期消防水泵自动启动并达到正常运转前，为系统最不利点处水灭火设施提供所需的灭火水量的消防给水系统。

3 稳高压消防给水系统几个值得讨论的问题

3.1 稳压泵设计流量的确定

经统计，之前大家对于稳压泵流量的设计流量有5种，如表1所示【5】。之所以出现这么多的取值，是因为大家一直未弄清楚稳压泵在系统中的作用。《消水规》规定：稳压泵的设计流量不应小于消防给水系统管网的正常泄漏量和系统自动启动流量；消防给水系统管网的正常泄漏量应根据管道材质、接口形式等确定，当没有管网泄漏量数据时，稳压泵的设计流量宜按消防给水设计流量的1%～3%计，且不宜小于1L/s。NFPA20（2019）【6】也对稳压泵的流量进行了规定，指出稳压泵的额定流量不应小于系统的正常泄漏量。由此可见，稳压泵的作用就是平时为消防给水系统补充泄漏水量，并维持系统准工作状态时的压力，且火灾时不影响消防泵的正常启动，它不是要满足火灾初期对水量的要求。因此，人们不应再对此有任何争议，其设计流量取值应根据系统管网平时的泄漏水量来进行确定。建议在管网不复杂，无埋地管道时可以直接取1L/s，其他情况宜根据系统管网泄漏量进行确定，并应适当大于泄漏量。

表1 稳压泵设计流量

3.2 气压水罐容积的计算

如图1所示为隔膜式气压水罐。

1）稳压水（调节水）容积的计算【7】：

式中，C为安全系数（宜采用1.0～1.3）；qb为稳压泵的出流量，m3/h；n为稳压泵在1h内启动次数（宜采用6～8次）。

注：除注明外，文中压力单位均为MPa；体积（容积）单位均为m3；高度单位均为m。

图1 隔膜式气压水罐

注：图中，V为气压水罐总容积；Vs为稳压水(调节水)容积；Vh为缓冲水容积；Vx为消防水（有效储水）容积；P1为消防水下限压力，最低工作压力；P2为消防水上限压力，消防水泵启泵压力；Ps1为稳压水容积下限压力，稳压泵启动压力；Ps2为稳压水容积上限压力，稳压泵停泵压力。

稳压泵的计算流量qb应当是稳压泵在扬程时的流量，且该值应在泵曲线的高效范围内。根据《消水规》第5.3.4条的规定，气压水罐内的稳压水（调节水）容积Vs不应小于150L。根据公式（1），当稳压泵出流为1L/s时，按每小时6、8和15次启泵次数分别计算稳压水（调节水）容积，统一取安全系数C为1.3，可得195L、146L、78L。由此可见，启泵次数的多少直接影响稳压水的容积，所以在稳压泵流量选定后，为保证稳压泵不频繁启动，应适当增大稳压水的容积，但也不能太大，太大会造成气压水罐总容积增大，给施工和建筑承重造成影响。根据前面的计算可知，在设计时可以直接取150L。

2）气压水罐总容积V的计算：

式中，β为气压水罐的容积系数，卧水罐宜为1.25，立式罐宜为1.10，隔膜式罐宜为1.05；∂b为气压水罐工作压力比（宜采用0.65～0.85）；Vxf为气压水罐内水总容积，等于消防水容积Vx、稳压水容积Vs、缓冲水容积Vh之和。

缓冲水容积Vh可以根据P2和Ps1时气压水罐内气体的状态和稳压泵、气压水罐所在的位置以及各特定参数，依据波义耳-马略特定律计算得出。

由式（4）可以推出：

3.3 稳压泵设计压力的计算

3.3.1 系统准工作状态最不利点处水灭火设施压力P0

《消水规》规定：稳压泵的设计压力应满足系统自动启动和管网充满水的要求；应保持系统自动启泵压力设置点处的压力在准工作状态时大于系统设置自动启泵压力值，且增加值宜为0.07～0.10MPa；并应保持系统最不利点处水灭火设施在准工作状态时的静水压力应大于0.15MPa。规范条文和说明均未对如何取值进行具体说明，图集《消防给水和消火栓系统技术规范图示》（2018版）【8】在此处直接取0.15MPa，所以，很多设计人员直接就对系统最不利点处的静水压力取0.15MPa，这是不妥的。因为《消水规》明确指出：应保持系统最不利点处水灭火设施在准工作状态时的静水压力应大于0.15MPa。由此可见，这个0.15MPa不仅是一个定值，也是一个底限值。如果直接取0.15MPa，就不能体现稳高压消防给水系统的优点。具体应该取值多少还应以各系统在准工作状态最不利点处水灭火设施对最低工作压力的要求来确定。参照《＜消防给水及消火栓系统技术规范＞GB 50974—2014实施指南》（修订版）【9】，明确对消火栓系统“准工作状态”是指满足充实水柱的要求，即10m充实水柱压力约为0.16MPa，13m充实水柱压力约为0.22MPa。设消防给水系统准工作状态下最不利点处水灭火设施所需的压力为P0，那么，对于消火栓系统而言，根据《消水规》的规定，对于高层建筑、厂房、库房和室内净空高度超过8m的民用建筑等场所，消火栓水枪的充实水柱按13m计算，其他场所的室内消火栓充实水柱按10m计算，则P0的取值分别为0.22MPa或0.16MPa。而对自动喷水灭火系统，因规范要求最不利点处喷头动压为0.05MPa，静压为0.10MPa即可，建议P0直接取0.15MPa。

3.3.2 稳压泵各种压力的计算

《消水规》对稳压泵的设计压力仅做了原则性规定，这导致设计人员在具体设计中没有一个具体的参考和指导，也让消防监督人员在消防监督检查中无据可依，不能发现稳高压给水系统中存在的具体问题。因此，规范稳压泵的设计压力和消防泵启泵压力值就显得十分必要。

设稳压泵的设计压力P，系统低压压力开关处的压力P2′。根据本文3.2节对气压水罐各种容积的计算和图1、图2所示，计算稳压系统各种压力如下（当稳压泵和气压水罐设置在其他位置时，应据其所设位置与最不利点处的高差等情况进行调整）。

图2 消火栓给水系统

1）准工作状态下最不利点处水灭火设施所需的压力P0

根据前文的讨论，P0是一个定值。即对于消火栓系统，P0取0.16MPa或0.22MPa；对于自动喷水灭火系统，P0取0.15MPa。对于其他系统，则根据系统的设计要求进行取值。

2）气压水罐最低压力P1的计算

式中，H1为高位消防水箱有效水位与气压水罐压力传感器的高度差；H2为气压水罐压力传感器与消防给水系统最不利点水灭火设施的高度差。

3）消防泵启泵压力P2的计算

实际应用中应换算为消防泵出水干管处低压压力开关的压力P2′：

式中，H3为气压水罐压力传感器与低压压力开关处的高度差。

4）稳压泵启泵压力Ps1的计算

根据《消水规》第5.3.3条规定：

5）稳压力泵停泵压力Ps2的计算

《消防水规图示》对于Ps2的取值为Ps1/0.8（上置式）或是Ps1/0.85（下置式）。这样的计算方法会造成Ps2比Ps1的增加值较大，而且会随建筑高度增加而大幅度增大，系统工作压力增大，管网及稳压设备造价增加，维护管理难度增大。甚至会因Ps2大幅增大而导致一些高度不太高的建筑的室内消火栓系统静压大于1.0MPa，而需分区供水，造成管网造价成倍增加。综合考虑，此处依然根据CECS76：95《气压给水设计规范》对Ps2进行取值，并建议首选稳压系统采用上置式，可以更为节约运行成本。

由式（10）可以看出，稳压泵的启停压力Ps2与Ps1差值较小，如果采用电触点压力表进行控制，由于启停压力点指针间隙较小，有可能出现不停泵或频繁启停泵现象，所以应当采用稳压泵启停泵压力开关或压力变送器控制。

6）稳压泵设计压力P的计算

P＞Ps2，即稳压泵设计压力略大于停泵压力。

3.4 流量开关连锁启泵

当采用流量开关连锁启动消防泵时的开启流量，对于自动喷水灭火系统，因系统安装有报警阀压力开关和消防水泵出水干管上的低压压力开关，流量开关启泵仅作为补充措施，所以，流量开关的自动启动流量略大于稳压泵的设计流量即可。对于消火栓系统，因国内消防栓系统一般都未安装报警阀，所以连锁启泵只有2种方式即低压压力开关和流量开关。流量开关启动消防泵的重要性比自动喷水灭火系统更为重要，建议可在1～3.5L/s之间根据系统泄漏量取值，并在条件允许时，尽量取大值，以减少水泵误启动。设稳压设施的消防给水系统中流量开关的安装在何处的问题，有学者认为，应安装在高位消防水箱出水管的重力自流管与气压水罐供水的出水端这两者之间，这样可以有效解决误启消防泵的问题，但缺点是由于气压水罐的供水作用将导致不能及时启动消防泵，只有在气压罐内的消防水容积消耗尽后才能启动消防水泵，导致系统初期灭火的后续供水不足，影响灭火功效。为了达到尽快启动消防泵的目的，在已考虑适当增大了流量开关的动作流量值的情况下，建议将流量开关安装在高位消防水箱出水管的重力自流管与气压水罐供水管出水端的汇流总管上，这样才能快速启动消防泵，有效灭火。

3.5 气压水罐消防水容积Vx的确定

要确定气压水罐的消防水容积，首先要弄清楚气压水罐在稳高压消防给水系统中的作用。具体来讲，气压水罐主要有以下几个方面的作用：一是对稳压泵启停次数的控制；二是控制稳压泵的启停；三是通过压力控制消防泵的启动；四是消除水锤的作用；五是火灾初期向消防给水系统提供一定流量和压力的消防用水。所以，火灾初期在消防泵启动前的消防用水是靠气压水罐内平时所储存的一定水量提供的，也就是我们所说的消防水容积Vx。对于这个消防水的容积，行业内一直都争论不休，规范也未给出具体明确的答案。就实际灭火的角度来说，这个值越大越好，但根据公式（2）可知，消防水容积增大气压水罐的总体积也会随之增大，总体积增加后将增加建设成本和施工难度。从气压水罐的作用可知，罐内的消防水只是提供火灾初期消防泵未正常供水前这段时间的消防用水量。在《消水规》未出台前，根据GB 50016—2006《建筑设计防火规范》【10】和GB 50045—1995《高层民用建筑设计防火规范》（2005版）的规定，对消火栓系统气压水罐的消防水容积取300L（2支水枪，30s），自动喷水灭火系统取150L（5只喷头，30s），合用时取450L。那么究竟应该取多少呢？根据《消水规》第11.0.3条规定：“消防水泵应确保从接到启泵信号到水泵正常运转的自动启动时间不应大于2min。”在条文说明中指出，之前所说的消防水泵应保证在火警后30s内启动，这个30s是指在水泵正常供电的情况下的“启动”时间，但从泵启动到正常运转还需要一定的时间，也就是主泵一般在1min内达到正常转速，如果主泵启动后出现其他问题，还要启动备用泵，这又要1min的时间，也就是消防主泵从接收到启泵信号到正常运转的过程，存在最不利点处压力不足的时间约2min，不满足《消水规》第5.2.2条及第7.4.12.2条对静压和动压的要求，势必影响初期火灾的扑救。特别是对于自动喷水灭火系统，无法发挥其快速扑灭初期火灾、有效控制火势的优点，容易导致火灾蔓延，造成火灾损失加重。所以以前所提的30s消防水容积是不足以确保水泵从启动到正常运转时间内的消防用水量的。所以，建议根据《消水规》的规定，将气压水罐的消防水容积调整为2min的供水量。如何确定这2min的消防水容积的体积呢？笔者建议对消火栓系统和自动喷水灭火系统均取5L/s的流量。一是因为在火灾初期，人们从发现火灾到组织人员前往灭火，一般在前几分钟内能组织起来的灭火力量也就只能出1支水枪进行灭火，所以在前2min内可以按1支水枪的水量，且这支水枪的水量应按系统最不利点处的压力和流量进行计算。而对于自动喷水灭火系统，根据GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》【11】第10.3.3条规定，考虑4只喷头的流量，根据喷头流量计算公式（L/min）（式中，K为喷头流量系数；P为喷头工作压力）可以计算出1只标准型喷头在最不利点处的工作压力下的流量为1L/s，4只喷头的流量即为4L/s。如果适当考虑增量，则可以将自动喷水灭火系统和室内消火栓系统的气压水罐内的消防水容积取为一致，即Vx=5L/s×2×60s=600L。依此消防水容积按式（2）、式（3）、式（4）计算出气压水罐的总容积也是可以接受的。同时，因为增大了气压水罐的容积，加之各系统对稳压压力、消防泵启泵压力和流量计启泵流量的要求不一致，所以，建议消火栓系统和自动喷水灭火系统应分别独立设置稳压系统。