环状管网水力计算方法在自动喷水灭火系统中的应用探究

摘要：自动喷水灭火系统灭火速度快，适用性广，在工程项目中得到了广泛应用。而环状自喷管网不仅可以满足每个喷头都有两路水源供水，还能减少系统的水力损失使系统布水更加均匀，从而起到减小消防主泵压力和环状管网管径的作用，最终达到降低系统造价、提高系统可靠性的目的，在严重危险等级和仓库危险等级中常常被采用。现着重研究环状管网在自动喷水灭火系统中的应用，并建立一套合理的水力计算方法，为自动喷水灭火系统的安全可靠运行提供技术支撑。

关键词：自动喷水灭火系统;环状管网;水力计算;最不利区域

中图分类号：TV222.2 文献标志码：A 文章编号：1671-0797（2024）19-0044-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.010

0 引言

《全国民用建筑工程设计技术措施 给水排水》（2009年版）7.2.15条规定“严重危险等级和仓库危险等级宜采用环状管网和格栅状管网”[1]，但在环状管网的实际工程应用中往往只注重了管线布置，而忽视了其水力计算的准确性，从而导致环状管网在工程实际应用的意义大打折扣。合理正确地使用环状管网对于提高自动喷水系统的稳定性以及降低系统运行成本具有重要作用。

1 工程概况

某站台物流仓库（寒冷地区丙类仓库），长80 m，宽20 m，高7 m（平屋面）。占地面积1 600 m2，储物高度3.5 m。根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018年版）第8.3.2条“每座占地面积大于1 500 m2或总建筑面积大于3 000 m2的其他单层或多层丙类物品仓库应设置自动灭火系统，并宜采用自动喷水灭火系统”[2]和GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》第4.2.3、4.2.4“环境温度低于4 ℃或高于70 ℃的场所，应采用干式系统，预作用系统可替代干式系统”[3]的规定，此物流仓库需要设置预作用自动喷水灭火系统。

根据GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》有关规定，此物流仓库属于仓库危险级Ⅱ，储物高度为3.5 m。可知仓库喷水强度D=12 L/（min·m2），作用面积200 m2，持续喷水时间2.0 h。选用ZSTYZ-15型闭式直立型喷头，喷头流量系数K=80，最低工作压力Ps≥0.05 MPa，最不利喷头接管管径DN25。

2 水力计算

2.1 节点流量水力计算

考虑到精算法计算的压力流量比较准确，而粗算法计算有一定误差，以下水力计算均采用精算法。均匀布置喷头，单个喷头保护面积为3.0 m×2.5 m=7.5 m2，得到自喷平面布置如图1所示，自喷支管剖面图如图2所示。

天正给排水软件默认忽略喷头短立管对喷头出水量的影响，但对类似于直立型上喷的安装方式，短立管对喷头出水不利，应考虑短立管对喷头的流量影响。本文把短立管和喷头一起视为一个节点复合型喷头考虑。

根据式（1）～（9）：

q=AsD（1）

Ps=（2）

Vs=（3）

S=πDj/4（4）

i=0.000 010 7×Vs2/Dj 1.3（5）

hs=i×（La+Lb）（6）

Po=Ps+hs+Zs（7）

Zs=0.01×La（8）

Ks=（9）

式中：D为最小喷水强度，取12.0 L/（min·m2）;As为最不利喷头保护面积，取2.5×3.0=7.5 m2;K为喷头流量系数，取80.0;S为管道计算截面积;Dj为最不利喷头接管计算内径;q为最不利喷头的流量;Ps为最不利喷头最小工作压力;Vs为配水流速;i为水力坡降;La为立管长度，取0.30 m;Lb为当量长度;hs为最不利喷头至下一节点产生的水力损失（等效沿程水力损失）;Zs为立管几何高差产生的压力;Po为节点工作压力;Ks为喷头折算流量系数。

计算得到：Po=0.140 8 MPa，Ks=75.965，即节点1处的压力为0.140 8 MPa，流量系数为75.965，节点流量水力计算如表1所示。

2.2 支管流量水力计算

通过采用节点1工作压力、喷头折算流量系数相同的方法可以计算出支管图中各节点的工作压力、流量和支管流量折算系数，支管流量水力计算统计结果如表2所示。

2.3 作用面积流量水力计算

由图1与表1可知，单根配水支管保护面积Sz=10×

3=30 m2，喷头最小作用面积为200 m2。取任意相邻的7根配水支管，作用面积210 m2，如图3所示。将作用面积内的喷头视为一个复合喷头，定义为作用面积喷头。采用计算支管流量的算法计算出作用面积复合喷头的工作流量，作用面积流量水力计算结果如表3所示。

2.4 环状管网水力计算

采用理论计算时，可以把系统管网简化成环状管网，如图4所示。节点A为环状管网入口端，假设节点B为作用面积复合喷头灭火点。由于节点压力的唯一性，可知管段L1的水头损失应与管段L2的水头损失相等，满足下列公式：

Q=Q1+Q2（10）

i1×L1=i2×L2（11）

式中：Q为自喷管网入口流量;Q1为通过管段L1到达节点B的流量;Q2为通过管段L2到达节点B的流量。

公式（10）（11）联立公式（3）（4）（5）可以推导出下列公式：

=（12）

式中：D1为管段L1计算内径;D2为管段L2计算内径。

由D1=D2可得：

Q1=（13）

Q2=（14）

3 最不利区域判断

在系统靠近入口、系统中段、系统末端选择Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域（每个区域面积都为210 m2，与一个复合面积喷头流量相等），如图5所示，分别计算这三个区域的系统入口压力，根据计算判定系统入口压力最大的区域即为最不利区域。

3.1 假设区域Ⅰ为最不利区域

如图6所示，假设节点9为压力平衡点，则：

环路A（9—10—11—12—1）管道总长度为168 m，含侧三通1个，90°弯头3个，则：L1=168+1×7.6+3×3.7=186.7 m。

环路B（9—8—7—6—5—4—3—2—1）管道总长度为28 m，含侧三通1个，90°弯头1个，则：L2=28+1×7.6+1×3.7=39.3 m。

由公式（13）（14）可算出通过环路A、环路B在节点9的流量如表4所示。

由表4可知环路A经过流量Q1大于2根支管流量，已知单根支管流量为定值，说明环路A至少能输送至满足节点8的支管流量需求，如图5所示，故节点9为压力平衡点不成立。

假设节点7为压力平衡点，则：

环路A（7—8—9—10—11—12—13—1）管道总长度为174 m，含侧三通1个，90°弯头3个，则：L1=174+

1×7.6+3×3.7=192.7 m。

环路B（7—6—5—4—3—2—1）管道总长度为22 m，含侧三通1个，90°弯头1个，则：L2=22+1×7.6+1×3.7=33.3 m。

由表5可知环路A经过流量Q1大于2根支管流量，小于3根支管流量，说明环路能送至节点7但不能满足节点6的支管流量需求，故节点7为压力平衡点成立。

因此，利用公式（1）～（14）可反推通过环路A、环路B可以分别算出节点1的压力及流量结果如表6所示。

由表6可知：通过环路A计算出节点1处的压力Pa=0.264 MPa，通过环路B计算出节点1处的压力Pb=0.257 MPa，环路A、B计算入口压力平均值P=（Pa+Pb）/2≈0.261 MPa，环路A、B计算入口压差ΔP=

Pa-Pb=0.007 MPa，约为平均压力的2.7%，误差很小可以忽略不计。

入口流量Q=Qa+Qb=2 844.43 L/min≈47.41 L/s。

3.2 假设区域Ⅱ为最不利区域

区域Ⅱ节点如图7所示，计算得到压力平衡点为节点7，环路A、B计算入口压力平均值P=0.276 MPa，入口压差ΔP=Pa-Pb=0.005 MPa，约为平均压力的1.8%，入口流量Q=2 842.581 L/min≈47.38 L/s。

3.3 假设区域Ⅲ为最不利区域

区域Ⅲ节点如图8所示，计算得到压力平衡点为节点6，环路A、B计算入口压力平均值P=0.283 MPa，入口压差ΔP=Pa-Pb=0.001 MPa，约为平均压力的0.35%，入口流量Q=2 841.91 L/min≈47.37 L/s。

3.4 计算结果

通过分别假设区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个区域为最不利区域计算的入口压力值分别为0.261、0.276、0.283 MPa，可判定区域Ⅲ为最不利区域，由此得到环状自喷管网计算入口压力P=0.283 MPa，入口流量Q=47.37 L/s。

4 结论

本文通过对该物流仓库建筑特点分析，设置预作用自动喷水灭火系统，对该系统建立了节点—支管—环路层层递进的水力计算方法，并将整个环状管网划分为三个不利区域进行计算，确立最不利区域，找到压力平衡点，得到该工程自喷灭火系统的供水压力，为系统的设计提供了理论基础。

通过计算结果还发现环状管网在各个区域的压力都比较均衡，相比较枝状管网具有更高的可靠性，避免了不同环路的压力不平衡，可有效降低消防主泵运行压力，对消防工程的前期投入和后期运行成本具有极大意义。

[参考文献]

[1] 住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施 给水排水[M].北京：中国计划出版社，2009.

[2] 建筑设计防火规范（2018年版）：GB 50016—2014[S].

[3] 自动喷水灭火系统设计规范：GB 50084—2017[S].

收稿日期：2024-03-08

作者简介：何金伟（1991—），男，湖北人，工程师，研究方向：给排水及暖通工程设计。