“雙水柱”理論在超高層消火栓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

崔雅珊，楊笑音

（1.大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

“雙水柱”理論在超高層消火栓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

崔雅珊1，楊笑音2

（1.大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

采用理論分析的方法，闡述了“雙水柱”理論的建立，對(duì)超高層建筑消火栓供水系統(tǒng)中的5種運(yùn)行工況進(jìn)行了分析，找出超壓判定點(diǎn)?！半p水柱”理論是一種計(jì)算校核工具，可以計(jì)算出分區(qū)系統(tǒng)不同豎向高度的受壓值。

“雙水柱”；受壓分析；超壓界限；超壓判定

0 引言

在系統(tǒng)滿(mǎn)水狀況下，消火栓水泵啟動(dòng)并打開(kāi)水泵出口閥門(mén)瞬間和水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)消火栓（零流量時(shí)）未出水前，實(shí)際上，在水泵出口形成最大壓力的是兩股水柱：一股水柱是系統(tǒng)立管計(jì)算總高度的靜水柱，另一股水柱是以水泵揚(yáng)程為主形成的“提升水柱”。在消火栓系統(tǒng)的同一豎向分區(qū)內(nèi)，隨著立管高度的變化（提升受壓面），“雙水柱”的高度也會(huì)發(fā)生變化。隨著立管中受壓面高度的提升，靜水柱的壓力就會(huì)降低。不但靜水柱壓力降低，水泵的“提升水柱”由于能量消耗，也將同時(shí)降低，而且兩股水柱（靜水柱和水泵提升水柱）降低的高度（縮短的長(zhǎng)度）是相同的。這樣就形成了消火栓系統(tǒng)的“雙水柱”理論[1]（見(jiàn)圖1）。

圖1 立管內(nèi)的水柱分解圖

1 不同高度建筑的“雙水柱”長(zhǎng)度的比較

“雙水柱”理論的應(yīng)用具有普遍性。無(wú)論是多層建筑、高層建筑和超高層建筑內(nèi)管道系統(tǒng)，凡是用離心水泵從水池吸水，將水提升輸送到高處用戶(hù)的系統(tǒng)立管內(nèi)，均存在“雙水柱”現(xiàn)象，均可用“雙水柱”理論進(jìn)行校核計(jì)算，只不過(guò)不同的系統(tǒng)所取的各項(xiàng)數(shù)值不同而已。隨著建筑高度的增加，“雙水柱”的長(zhǎng)度也在增加。無(wú)論什么系統(tǒng)，如果不對(duì)立管系統(tǒng)設(shè)置轉(zhuǎn)輸設(shè)備，那么超高層立管內(nèi)的“雙水柱”的長(zhǎng)度＞高層立管內(nèi)的“雙水柱”的長(zhǎng)度＞多層立管內(nèi)的“雙水柱”的長(zhǎng)度。

2 消火栓水泵運(yùn)轉(zhuǎn)或啟動(dòng)時(shí)的受壓分析與引用

不論是高層建筑，還是超高層建筑，其消火栓系統(tǒng)在不同的工況下，系統(tǒng)所受內(nèi)壓是不同的。

2.1 消火栓水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的受壓分析

消火栓水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的受壓最大點(diǎn)在水泵出口。水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)滅火時(shí)，（本分區(qū)內(nèi)有消火栓出水）形成出水水流后，由于受水泵提升力產(chǎn)生的上升水流的作用，（立管總高度內(nèi)的靜水柱被抵消）水泵出口只承受水泵揚(yáng)程減去水泵動(dòng)壓產(chǎn)生的提升壓力。消火栓水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，未形成出水水流前（零流量時(shí)），由于上升水流未形成，水泵出口同時(shí)承受立管總高度內(nèi)的靜水柱壓力和水泵揚(yáng)程產(chǎn)生的提升壓力。

2.2 消火栓水泵啟動(dòng)時(shí)的受壓分析

消火栓水泵啟動(dòng)時(shí)的受壓最大點(diǎn)同樣在水泵出口。水泵啟動(dòng)并打開(kāi)水泵出口閥門(mén)瞬間，在水泵提升力產(chǎn)生的上升水流未形成前（零流量時(shí)），在水泵啟動(dòng)并打開(kāi)水泵出口閥門(mén)瞬間，水泵出口同時(shí)承受立管總高度內(nèi)的靜水柱壓力和水泵揚(yáng)程產(chǎn)生的提升壓力。

3 計(jì)算基準(zhǔn)

《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50045-95（2005版）規(guī)定：超高層民用建筑試驗(yàn)消火栓水槍的充實(shí)水柱必須達(dá)到13 m；應(yīng)以此作為超高層建筑消火栓調(diào)試的基本要求，同時(shí)也應(yīng)是（高層）超高層建筑消火栓設(shè)計(jì)計(jì)算基準(zhǔn)。滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)消火栓水槍13 m充實(shí)水柱的前提是栓口的出水水頭≥20.79 m。

4 超壓界限的限定

由于工業(yè)建筑與民用（含公用）建筑的管材、管件、管道附件（含各類(lèi)閥門(mén)）的使用條件不一樣，所以其選用標(biāo)準(zhǔn)自然也不一樣。民用建筑選用管材、管件、管道附件的壓力等級(jí)一般確定在2.5 MPa及其以下。為了降低系統(tǒng)壓力，一般在壓力超過(guò)2.4 MPa（=244.73 m水柱）就采取轉(zhuǎn)輸措施。將超壓界限定為2.4 MPa是比較合理的，同時(shí)也是安全的。因此，將超壓界限定為2.4 MPa。

5 超高層建筑室內(nèi)消火栓系統(tǒng)的5種運(yùn)行工況分析[2-4]

系統(tǒng)初次注水排氣時(shí)，只要立管總長(zhǎng)度不超過(guò)限定值（244.73 m），一般不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

消火栓系統(tǒng)在滿(mǎn)水靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，只要[試驗(yàn)消火栓出口（或消防高位水箱的有效水位）到消火栓水泵出口的]立管總高差不超過(guò)限定值（244.73 m），也不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

各個(gè)豎向分區(qū)內(nèi)的（消火栓出水）形成出水水流后，水泵提升力轉(zhuǎn)變成上升水流后，立管總高度內(nèi)的靜水柱被上升水流抵消，已不復(fù)存在，水泵出口只承受水泵（揚(yáng)程減去水泵動(dòng)壓）產(chǎn)生的提升壓力，系統(tǒng)不存在超壓的可能性。

水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)出水水流未形成前（零流量時(shí)），水泵出口同時(shí)承受立管總高度內(nèi)的靜水柱壓力和水泵（揚(yáng)程減去水泵動(dòng)壓）產(chǎn)生的提升壓力，系統(tǒng)就存在超壓的可能性。

在系統(tǒng)主泵啟動(dòng)并打開(kāi)出口閥門(mén)瞬間，水泵出口同時(shí)承受立管總高度內(nèi)的靜水柱壓力和水泵揚(yáng)程產(chǎn)生的提升壓力。當(dāng)立管總高度達(dá)到一定高度時(shí)，由于兩種壓力的疊加，在水泵啟動(dòng)瞬間，超高層消火栓系統(tǒng)就存在超壓可能性。

6 出現(xiàn)超壓可能的系統(tǒng)、時(shí)間區(qū)段、部位（地點(diǎn)）與超壓判定點(diǎn)

存在超壓可能性的系統(tǒng)首先是消火栓系統(tǒng)所在建筑中的位置最高的豎向分區(qū)系統(tǒng)（也是立管計(jì)算總高度最長(zhǎng)的分區(qū)系統(tǒng)）。系統(tǒng)超壓的時(shí)間區(qū)段，水泵啟動(dòng)并打開(kāi)水泵出口閥門(mén)瞬間——消火栓水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，（本分區(qū)內(nèi)沒(méi)有消火栓出水）未形成出水水流前（零流量時(shí)）。出現(xiàn)超壓可能的部位就在最高豎向分區(qū)系統(tǒng)的消火栓水泵出口及其出口臨近的高度范圍內(nèi)。超壓判定點(diǎn)就是消火栓水泵出口。

7 “雙水柱”理論的應(yīng)用方法（系統(tǒng)超壓判定依據(jù)）

判斷系統(tǒng)豎向是否超壓，利用“雙水柱”壓力疊加值與2.4 MPa進(jìn)行換算比較，如果>2.4 MPa，系統(tǒng)就已經(jīng)超壓，如果≯2.4 MPa，系統(tǒng)就沒(méi)有超壓。至于“超壓”的立管管段有多長(zhǎng)，需要利用“雙水柱”理論經(jīng)過(guò)計(jì)算確定。應(yīng)用“雙水柱”理論分段計(jì)算立管豎向受壓情況，通過(guò)“抬高”計(jì)算受壓面的高度（見(jiàn)圖2），從下往上地對(duì)立管的進(jìn)行分層逐段遞進(jìn)計(jì)算，能準(zhǔn)確地根據(jù)樓層立管在分區(qū)位置與高度，計(jì)算出管道所承受的壓力等級(jí)，進(jìn)而根據(jù)系統(tǒng)該高度實(shí)際承壓等級(jí)合理地選用管材、管件、管道附件和水泵等設(shè)備（以下統(tǒng)稱(chēng)為“產(chǎn)品”），使其與在系統(tǒng)中的高度位置相匹配，避免發(fā)生因超過(guò)“產(chǎn)品”承壓能力而造成系統(tǒng)崩潰。

圖2 計(jì)算受壓面提升效果圖

8 結(jié)論

“雙水柱”是一種應(yīng)用理論，可以用來(lái)對(duì)超高層建筑的無(wú)轉(zhuǎn)輸消火栓系統(tǒng)進(jìn)行校核計(jì)算。用“它”來(lái)對(duì)系統(tǒng)是否超壓進(jìn)行判斷。還可用“它”的計(jì)算結(jié)果來(lái)選擇管材、管件、管道附件。應(yīng)用“雙水柱”理論，還可以對(duì)超高層的給水系統(tǒng)、生活熱水系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、采暖熱水系統(tǒng)及空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行校核計(jì)算。但是，即使在同一幢超高層建筑中，由于不同的系統(tǒng)選用的水泵揚(yáng)程不同，以水泵揚(yáng)程為主的提升水柱的高度也會(huì)不同，在對(duì)同一幢超高層建筑中的不同的管道系統(tǒng)進(jìn)行豎向分析計(jì)算時(shí)務(wù)必將此點(diǎn)考慮進(jìn)去。

[1]GB50974-2014消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]劉炎,賀墨梅.超高層建筑消防給水系統(tǒng)的優(yōu)化[J].給水排水,2008,34(S2):95-98.

[3]陳露,王修武.淺談超高層建筑消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J].建筑科技,2014(11):96-97.

[4]黎承.超高層建筑消防供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析[J].給水排水,2014,40(6):58-61.

The Applications of the“Double Water Column”Theory in Ultra-high-rise Fire Hydrant Water Supply System

CUI Ya-shan1,YANG Xiao-yin2
(1.College of Civil andArchitectural Engineering,Dalian University,Dalian 116622,China;2.College ofArchitecture,Harbin Institute of Technology,Harbin 150000,China)

“Double water column”theory is a kind of applied theory,and it is also a check calculation tool.It can analyze the different vertical pressure of the ultra-high-rise fire hydrant separate water supply system,and then accurately calculate the pressure of the water column with different vertical heights.

“double water column”;pressure analysis;overpressure limit;overpressure assessment

TU976+.5

：A

：1008-2395(2016)06-0027-03

2016-10-22

崔雅珊（1963-），女，高級(jí)工程師，研究方向：建筑消防給水。