對穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)幾個問題的思考和探討

肖興東

（遂寧市消防救援支隊，四川 遂寧629000）

1 引言

在大量高層和超高層建筑中，因施工難度大而導(dǎo)致屋頂高位消防水箱的高度不滿足最不利處消防設(shè)施水壓的問題大量存在，為此一種采用穩(wěn)壓設(shè)施穩(wěn)壓的消防給水系統(tǒng)便應(yīng)運而生。這種帶穩(wěn)壓設(shè)施的消防給水系統(tǒng)具有不同于高壓和臨時高壓給水系統(tǒng)的特殊性，雖然一些早期的規(guī)范，如GB 50045—1995《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》【1】（2005版）和DJG08-94—2007《民用建筑水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)程》【2】等早就提出了穩(wěn)壓消防給水技術(shù)，但均未對其進行特別的明確和具體要求，現(xiàn)行的GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》【3】（以下簡稱《消水規(guī)》）也未對這種消防給水系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)問題進行詳細規(guī)范。特別是對于該給水系統(tǒng)的穩(wěn)壓泵流量、消防水泵啟泵壓力、穩(wěn)壓泵的啟停泵壓力、氣壓水罐的消防水容積、氣壓水罐的調(diào)節(jié)水容積等問題沒有系統(tǒng)的規(guī)定和統(tǒng)一的解釋。因此，有必要對這一系統(tǒng)進行深入的研究和進一步規(guī)范。

2 什么是穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)

什么是穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)，目前消防給水界還沒有一個統(tǒng)一的定義?！断?guī)》將其歸入了臨時高壓消防給水系統(tǒng)，但這是值得討論的。姜文源老師在其論文《淺談穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)》【4】中早就指出，應(yīng)當(dāng)將這種帶穩(wěn)壓設(shè)施的消防給水系統(tǒng)獨立分類，以區(qū)別于高壓和臨時高壓系統(tǒng)進行研究和應(yīng)用。姜老師在其論文中也給出了穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的定義，是指帶有穩(wěn)壓設(shè)施平時滿足系統(tǒng)準(zhǔn)工作狀態(tài)水壓要求，而不滿足水量要求的消防給水系統(tǒng)。這種說法也得到了業(yè)界的普遍認同。那么問題是，既然要求保證系統(tǒng)水壓，為何不能要求其保證火災(zāi)初期系統(tǒng)最不利點處水滅火設(shè)施對水量的要求呢？工程中花這么大的投入成本建設(shè)一套穩(wěn)壓設(shè)施，只是為了保證管網(wǎng)平時的水壓，而不能保證火災(zāi)初期對水量的要求，那么建設(shè)這套穩(wěn)壓設(shè)施的必要性就值得商榷了。因此，結(jié)合《消水規(guī)》和GJG08-94—2007《民用建筑水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)程》等規(guī)范，筆者認為應(yīng)當(dāng)這樣對穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)進行定義，即系統(tǒng)中設(shè)置有穩(wěn)壓設(shè)施和消防水泵，平時通過穩(wěn)壓設(shè)施保持系統(tǒng)最不利點處水滅火設(shè)施在準(zhǔn)工作狀態(tài)時的靜水壓力，并在火災(zāi)初期消防水泵自動啟動并達到正常運轉(zhuǎn)前，為系統(tǒng)最不利點處水滅火設(shè)施提供所需的滅火水量的消防給水系統(tǒng)。

3 穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)幾個值得討論的問題

3.1 穩(wěn)壓泵設(shè)計流量的確定

經(jīng)統(tǒng)計，之前大家對于穩(wěn)壓泵流量的設(shè)計流量有5種，如表1所示【5】。之所以出現(xiàn)這么多的取值，是因為大家一直未弄清楚穩(wěn)壓泵在系統(tǒng)中的作用?！断?guī)》規(guī)定：穩(wěn)壓泵的設(shè)計流量不應(yīng)小于消防給水系統(tǒng)管網(wǎng)的正常泄漏量和系統(tǒng)自動啟動流量；消防給水系統(tǒng)管網(wǎng)的正常泄漏量應(yīng)根據(jù)管道材質(zhì)、接口形式等確定，當(dāng)沒有管網(wǎng)泄漏量數(shù)據(jù)時，穩(wěn)壓泵的設(shè)計流量宜按消防給水設(shè)計流量的1%～3%計，且不宜小于1L/s。NFPA20（2019）【6】也對穩(wěn)壓泵的流量進行了規(guī)定，指出穩(wěn)壓泵的額定流量不應(yīng)小于系統(tǒng)的正常泄漏量。由此可見，穩(wěn)壓泵的作用就是平時為消防給水系統(tǒng)補充泄漏水量，并維持系統(tǒng)準(zhǔn)工作狀態(tài)時的壓力，且火災(zāi)時不影響消防泵的正常啟動，它不是要滿足火災(zāi)初期對水量的要求。因此，人們不應(yīng)再對此有任何爭議，其設(shè)計流量取值應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)管網(wǎng)平時的泄漏水量來進行確定。建議在管網(wǎng)不復(fù)雜，無埋地管道時可以直接取1L/s，其他情況宜根據(jù)系統(tǒng)管網(wǎng)泄漏量進行確定，并應(yīng)適當(dāng)大于泄漏量。

表1 穩(wěn)壓泵設(shè)計流量

3.2 氣壓水罐容積的計算

如圖1所示為隔膜式氣壓水罐。

1）穩(wěn)壓水（調(diào)節(jié)水）容積的計算【7】：

式中，C為安全系數(shù)（宜采用1.0～1.3）；qb為穩(wěn)壓泵的出流量，m3/h；n為穩(wěn)壓泵在1h內(nèi)啟動次數(shù)（宜采用6～8次）。

注：除注明外，文中壓力單位均為MPa；體積（容積）單位均為m3；高度單位均為m。

圖1 隔膜式氣壓水罐

注：圖中，V為氣壓水罐總?cè)莘e；Vs為穩(wěn)壓水(調(diào)節(jié)水)容積；Vh為緩沖水容積；Vx為消防水（有效儲水）容積；P1為消防水下限壓力，最低工作壓力；P2為消防水上限壓力，消防水泵啟泵壓力；Ps1為穩(wěn)壓水容積下限壓力，穩(wěn)壓泵啟動壓力；Ps2為穩(wěn)壓水容積上限壓力，穩(wěn)壓泵停泵壓力。

穩(wěn)壓泵的計算流量qb應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)壓泵在揚程時的流量，且該值應(yīng)在泵曲線的高效范圍內(nèi)。根據(jù)《消水規(guī)》第5.3.4條的規(guī)定，氣壓水罐內(nèi)的穩(wěn)壓水（調(diào)節(jié)水）容積Vs不應(yīng)小于150L。根據(jù)公式（1），當(dāng)穩(wěn)壓泵出流為1L/s時，按每小時6、8和15次啟泵次數(shù)分別計算穩(wěn)壓水（調(diào)節(jié)水）容積，統(tǒng)一取安全系數(shù)C為1.3，可得195L、146L、78L。由此可見，啟泵次數(shù)的多少直接影響穩(wěn)壓水的容積，所以在穩(wěn)壓泵流量選定后，為保證穩(wěn)壓泵不頻繁啟動，應(yīng)適當(dāng)增大穩(wěn)壓水的容積，但也不能太大，太大會造成氣壓水罐總?cè)莘e增大，給施工和建筑承重造成影響。根據(jù)前面的計算可知，在設(shè)計時可以直接取150L。

2）氣壓水罐總?cè)莘eV的計算：

式中，β為氣壓水罐的容積系數(shù)，臥水罐宜為1.25，立式罐宜為1.10，隔膜式罐宜為1.05；?b為氣壓水罐工作壓力比（宜采用0.65～0.85）；Vxf為氣壓水罐內(nèi)水總?cè)莘e，等于消防水容積Vx、穩(wěn)壓水容積Vs、緩沖水容積Vh之和。

緩沖水容積Vh可以根據(jù)P2和Ps1時氣壓水罐內(nèi)氣體的狀態(tài)和穩(wěn)壓泵、氣壓水罐所在的位置以及各特定參數(shù)，依據(jù)波義耳-馬略特定律計算得出。

由式（4）可以推出：

3.3 穩(wěn)壓泵設(shè)計壓力的計算

3.3.1 系統(tǒng)準(zhǔn)工作狀態(tài)最不利點處水滅火設(shè)施壓力P0

《消水規(guī)》規(guī)定：穩(wěn)壓泵的設(shè)計壓力應(yīng)滿足系統(tǒng)自動啟動和管網(wǎng)充滿水的要求；應(yīng)保持系統(tǒng)自動啟泵壓力設(shè)置點處的壓力在準(zhǔn)工作狀態(tài)時大于系統(tǒng)設(shè)置自動啟泵壓力值，且增加值宜為0.07～0.10MPa；并應(yīng)保持系統(tǒng)最不利點處水滅火設(shè)施在準(zhǔn)工作狀態(tài)時的靜水壓力應(yīng)大于0.15MPa。規(guī)范條文和說明均未對如何取值進行具體說明，圖集《消防給水和消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范圖示》（2018版）【8】在此處直接取0.15MPa，所以，很多設(shè)計人員直接就對系統(tǒng)最不利點處的靜水壓力取0.15MPa，這是不妥的。因為《消水規(guī)》明確指出：應(yīng)保持系統(tǒng)最不利點處水滅火設(shè)施在準(zhǔn)工作狀態(tài)時的靜水壓力應(yīng)大于0.15MPa。由此可見，這個0.15MPa不僅是一個定值，也是一個底限值。如果直接取0.15MPa，就不能體現(xiàn)穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)的優(yōu)點。具體應(yīng)該取值多少還應(yīng)以各系統(tǒng)在準(zhǔn)工作狀態(tài)最不利點處水滅火設(shè)施對最低工作壓力的要求來確定。參照《＜消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范＞GB 50974—2014實施指南》（修訂版）【9】，明確對消火栓系統(tǒng)“準(zhǔn)工作狀態(tài)”是指滿足充實水柱的要求，即10m充實水柱壓力約為0.16MPa，13m充實水柱壓力約為0.22MPa。設(shè)消防給水系統(tǒng)準(zhǔn)工作狀態(tài)下最不利點處水滅火設(shè)施所需的壓力為P0，那么，對于消火栓系統(tǒng)而言，根據(jù)《消水規(guī)》的規(guī)定，對于高層建筑、廠房、庫房和室內(nèi)凈空高度超過8m的民用建筑等場所，消火栓水槍的充實水柱按13m計算，其他場所的室內(nèi)消火栓充實水柱按10m計算，則P0的取值分別為0.22MPa或0.16MPa。而對自動噴水滅火系統(tǒng)，因規(guī)范要求最不利點處噴頭動壓為0.05MPa，靜壓為0.10MPa即可，建議P0直接取0.15MPa。

3.3.2 穩(wěn)壓泵各種壓力的計算

《消水規(guī)》對穩(wěn)壓泵的設(shè)計壓力僅做了原則性規(guī)定，這導(dǎo)致設(shè)計人員在具體設(shè)計中沒有一個具體的參考和指導(dǎo)，也讓消防監(jiān)督人員在消防監(jiān)督檢查中無據(jù)可依，不能發(fā)現(xiàn)穩(wěn)高壓給水系統(tǒng)中存在的具體問題。因此，規(guī)范穩(wěn)壓泵的設(shè)計壓力和消防泵啟泵壓力值就顯得十分必要。

設(shè)穩(wěn)壓泵的設(shè)計壓力P，系統(tǒng)低壓壓力開關(guān)處的壓力P2′。根據(jù)本文3.2節(jié)對氣壓水罐各種容積的計算和圖1、圖2所示，計算穩(wěn)壓系統(tǒng)各種壓力如下（當(dāng)穩(wěn)壓泵和氣壓水罐設(shè)置在其他位置時，應(yīng)據(jù)其所設(shè)位置與最不利點處的高差等情況進行調(diào)整）。

圖2 消火栓給水系統(tǒng)

1）準(zhǔn)工作狀態(tài)下最不利點處水滅火設(shè)施所需的壓力P0

根據(jù)前文的討論，P0是一個定值。即對于消火栓系統(tǒng)，P0取0.16MPa或0.22MPa；對于自動噴水滅火系統(tǒng)，P0取0.15MPa。對于其他系統(tǒng)，則根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求進行取值。

2）氣壓水罐最低壓力P1的計算

式中，H1為高位消防水箱有效水位與氣壓水罐壓力傳感器的高度差；H2為氣壓水罐壓力傳感器與消防給水系統(tǒng)最不利點水滅火設(shè)施的高度差。

3）消防泵啟泵壓力P2的計算

實際應(yīng)用中應(yīng)換算為消防泵出水干管處低壓壓力開關(guān)的壓力P2′：

式中，H3為氣壓水罐壓力傳感器與低壓壓力開關(guān)處的高度差。

4）穩(wěn)壓泵啟泵壓力Ps1的計算

根據(jù)《消水規(guī)》第5.3.3條規(guī)定：

5）穩(wěn)壓力泵停泵壓力Ps2的計算

《消防水規(guī)圖示》對于Ps2的取值為Ps1/0.8（上置式）或是Ps1/0.85（下置式）。這樣的計算方法會造成Ps2比Ps1的增加值較大，而且會隨建筑高度增加而大幅度增大，系統(tǒng)工作壓力增大，管網(wǎng)及穩(wěn)壓設(shè)備造價增加，維護管理難度增大。甚至?xí)騊s2大幅增大而導(dǎo)致一些高度不太高的建筑的室內(nèi)消火栓系統(tǒng)靜壓大于1.0MPa，而需分區(qū)供水，造成管網(wǎng)造價成倍增加。綜合考慮，此處依然根據(jù)CECS76：95《氣壓給水設(shè)計規(guī)范》對Ps2進行取值，并建議首選穩(wěn)壓系統(tǒng)采用上置式，可以更為節(jié)約運行成本。

由式（10）可以看出，穩(wěn)壓泵的啟停壓力Ps2與Ps1差值較小，如果采用電觸點壓力表進行控制，由于啟停壓力點指針間隙較小，有可能出現(xiàn)不停泵或頻繁啟停泵現(xiàn)象，所以應(yīng)當(dāng)采用穩(wěn)壓泵啟停泵壓力開關(guān)或壓力變送器控制。

6）穩(wěn)壓泵設(shè)計壓力P的計算

P＞Ps2，即穩(wěn)壓泵設(shè)計壓力略大于停泵壓力。

3.4 流量開關(guān)連鎖啟泵

當(dāng)采用流量開關(guān)連鎖啟動消防泵時的開啟流量，對于自動噴水滅火系統(tǒng)，因系統(tǒng)安裝有報警閥壓力開關(guān)和消防水泵出水干管上的低壓壓力開關(guān)，流量開關(guān)啟泵僅作為補充措施，所以，流量開關(guān)的自動啟動流量略大于穩(wěn)壓泵的設(shè)計流量即可。對于消火栓系統(tǒng)，因國內(nèi)消防栓系統(tǒng)一般都未安裝報警閥，所以連鎖啟泵只有2種方式即低壓壓力開關(guān)和流量開關(guān)。流量開關(guān)啟動消防泵的重要性比自動噴水滅火系統(tǒng)更為重要，建議可在1～3.5L/s之間根據(jù)系統(tǒng)泄漏量取值，并在條件允許時，盡量取大值，以減少水泵誤啟動。設(shè)穩(wěn)壓設(shè)施的消防給水系統(tǒng)中流量開關(guān)的安裝在何處的問題，有學(xué)者認為，應(yīng)安裝在高位消防水箱出水管的重力自流管與氣壓水罐供水的出水端這兩者之間，這樣可以有效解決誤啟消防泵的問題，但缺點是由于氣壓水罐的供水作用將導(dǎo)致不能及時啟動消防泵，只有在氣壓罐內(nèi)的消防水容積消耗盡后才能啟動消防水泵，導(dǎo)致系統(tǒng)初期滅火的后續(xù)供水不足，影響滅火功效。為了達到盡快啟動消防泵的目的，在已考慮適當(dāng)增大了流量開關(guān)的動作流量值的情況下，建議將流量開關(guān)安裝在高位消防水箱出水管的重力自流管與氣壓水罐供水管出水端的匯流總管上，這樣才能快速啟動消防泵，有效滅火。

3.5 氣壓水罐消防水容積Vx的確定

要確定氣壓水罐的消防水容積，首先要弄清楚氣壓水罐在穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)中的作用。具體來講，氣壓水罐主要有以下幾個方面的作用：一是對穩(wěn)壓泵啟停次數(shù)的控制；二是控制穩(wěn)壓泵的啟停；三是通過壓力控制消防泵的啟動；四是消除水錘的作用；五是火災(zāi)初期向消防給水系統(tǒng)提供一定流量和壓力的消防用水。所以，火災(zāi)初期在消防泵啟動前的消防用水是靠氣壓水罐內(nèi)平時所儲存的一定水量提供的，也就是我們所說的消防水容積Vx。對于這個消防水的容積，行業(yè)內(nèi)一直都爭論不休，規(guī)范也未給出具體明確的答案。就實際滅火的角度來說，這個值越大越好，但根據(jù)公式（2）可知，消防水容積增大氣壓水罐的總體積也會隨之增大，總體積增加后將增加建設(shè)成本和施工難度。從氣壓水罐的作用可知，罐內(nèi)的消防水只是提供火災(zāi)初期消防泵未正常供水前這段時間的消防用水量。在《消水規(guī)》未出臺前，根據(jù)GB 50016—2006《建筑設(shè)計防火規(guī)范》【10】和GB 50045—1995《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》（2005版）的規(guī)定，對消火栓系統(tǒng)氣壓水罐的消防水容積取300L（2支水槍，30s），自動噴水滅火系統(tǒng)取150L（5只噴頭，30s），合用時取450L。那么究竟應(yīng)該取多少呢？根據(jù)《消水規(guī)》第11.0.3條規(guī)定：“消防水泵應(yīng)確保從接到啟泵信號到水泵正常運轉(zhuǎn)的自動啟動時間不應(yīng)大于2min。”在條文說明中指出，之前所說的消防水泵應(yīng)保證在火警后30s內(nèi)啟動，這個30s是指在水泵正常供電的情況下的“啟動”時間，但從泵啟動到正常運轉(zhuǎn)還需要一定的時間，也就是主泵一般在1min內(nèi)達到正常轉(zhuǎn)速，如果主泵啟動后出現(xiàn)其他問題，還要啟動備用泵，這又要1min的時間，也就是消防主泵從接收到啟泵信號到正常運轉(zhuǎn)的過程，存在最不利點處壓力不足的時間約2min，不滿足《消水規(guī)》第5.2.2條及第7.4.12.2條對靜壓和動壓的要求，勢必影響初期火災(zāi)的撲救。特別是對于自動噴水滅火系統(tǒng)，無法發(fā)揮其快速撲滅初期火災(zāi)、有效控制火勢的優(yōu)點，容易導(dǎo)致火災(zāi)蔓延，造成火災(zāi)損失加重。所以以前所提的30s消防水容積是不足以確保水泵從啟動到正常運轉(zhuǎn)時間內(nèi)的消防用水量的。所以，建議根據(jù)《消水規(guī)》的規(guī)定，將氣壓水罐的消防水容積調(diào)整為2min的供水量。如何確定這2min的消防水容積的體積呢？筆者建議對消火栓系統(tǒng)和自動噴水滅火系統(tǒng)均取5L/s的流量。一是因為在火災(zāi)初期，人們從發(fā)現(xiàn)火災(zāi)到組織人員前往滅火，一般在前幾分鐘內(nèi)能組織起來的滅火力量也就只能出1支水槍進行滅火，所以在前2min內(nèi)可以按1支水槍的水量，且這支水槍的水量應(yīng)按系統(tǒng)最不利點處的壓力和流量進行計算。而對于自動噴水滅火系統(tǒng)，根據(jù)GB 50084—2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》【11】第10.3.3條規(guī)定，考慮4只噴頭的流量，根據(jù)噴頭流量計算公式（L/min）（式中，K為噴頭流量系數(shù)；P為噴頭工作壓力）可以計算出1只標(biāo)準(zhǔn)型噴頭在最不利點處的工作壓力下的流量為1L/s，4只噴頭的流量即為4L/s。如果適當(dāng)考慮增量，則可以將自動噴水滅火系統(tǒng)和室內(nèi)消火栓系統(tǒng)的氣壓水罐內(nèi)的消防水容積取為一致，即Vx=5L/s×2×60s=600L。依此消防水容積按式（2）、式（3）、式（4）計算出氣壓水罐的總?cè)莘e也是可以接受的。同時，因為增大了氣壓水罐的容積，加之各系統(tǒng)對穩(wěn)壓壓力、消防泵啟泵壓力和流量計啟泵流量的要求不一致，所以，建議消火栓系統(tǒng)和自動噴水滅火系統(tǒng)應(yīng)分別獨立設(shè)置穩(wěn)壓系統(tǒng)。

4 結(jié)語

1）穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)是帶有穩(wěn)壓設(shè)施和消防水泵，并在火災(zāi)初期為滅火設(shè)施提供滅火水壓和流量的供水系統(tǒng)。

2）消火栓系統(tǒng)準(zhǔn)工作狀態(tài)下最不利點處水滅火設(shè)施所需的壓力P0應(yīng)滿足充實水柱的要求，即10m充實水柱壓力約為0.16MPa，13m充實水柱壓力約為0.22MPa。

3）為了達到盡快啟動消防泵的目的，應(yīng)將流量開關(guān)安裝在高位消防水箱出水管的重力自流管與氣壓水罐供水管出水端的匯流總管上。

4）氣壓水罐的消防水容積應(yīng)當(dāng)按600L進行設(shè)計。