環(huán)狀管網(wǎng)水力計算方法在自動噴水滅火系統(tǒng)中的應(yīng)用探究

摘要：自動噴水滅火系統(tǒng)滅火速度快，適用性廣，在工程項目中得到了廣泛應(yīng)用。而環(huán)狀自噴管網(wǎng)不僅可以滿足每個噴頭都有兩路水源供水，還能減少系統(tǒng)的水力損失使系統(tǒng)布水更加均勻，從而起到減小消防主泵壓力和環(huán)狀管網(wǎng)管徑的作用，最終達到降低系統(tǒng)造價、提高系統(tǒng)可靠性的目的，在嚴(yán)重危險等級和倉庫危險等級中常常被采用?，F(xiàn)著重研究環(huán)狀管網(wǎng)在自動噴水滅火系統(tǒng)中的應(yīng)用，并建立一套合理的水力計算方法，為自動噴水滅火系統(tǒng)的安全可靠運行提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：自動噴水滅火系統(tǒng);環(huán)狀管網(wǎng);水力計算;最不利區(qū)域

中圖分類號：TV222.2 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）19-0044-05

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

0 引言

《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施 給水排水》（2009年版）7.2.15條規(guī)定“嚴(yán)重危險等級和倉庫危險等級宜采用環(huán)狀管網(wǎng)和格柵狀管網(wǎng)”[1]，但在環(huán)狀管網(wǎng)的實際工程應(yīng)用中往往只注重了管線布置，而忽視了其水力計算的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致環(huán)狀管網(wǎng)在工程實際應(yīng)用的意義大打折扣。合理正確地使用環(huán)狀管網(wǎng)對于提高自動噴水系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及降低系統(tǒng)運行成本具有重要作用。

1 工程概況

某站臺物流倉庫（寒冷地區(qū)丙類倉庫），長80 m，寬20 m，高7 m（平屋面）。占地面積1 600 m2，儲物高度3.5 m。根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（2018年版）第8.3.2條“每座占地面積大于1 500 m2或總建筑面積大于3 000 m2的其他單層或多層丙類物品倉庫應(yīng)設(shè)置自動滅火系統(tǒng)，并宜采用自動噴水滅火系統(tǒng)”[2]和GB 50084—2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第4.2.3、4.2.4“環(huán)境溫度低于4 ℃或高于70 ℃的場所，應(yīng)采用干式系統(tǒng)，預(yù)作用系統(tǒng)可替代干式系統(tǒng)”[3]的規(guī)定，此物流倉庫需要設(shè)置預(yù)作用自動噴水滅火系統(tǒng)。

根據(jù)GB 50084—2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，此物流倉庫屬于倉庫危險級Ⅱ，儲物高度為3.5 m。可知倉庫噴水強度D=12 L/（min·m2），作用面積200 m2，持續(xù)噴水時間2.0 h。選用ZSTYZ-15型閉式直立型噴頭，噴頭流量系數(shù)K=80，最低工作壓力Ps≥0.05 MPa，最不利噴頭接管管徑DN25。

2 水力計算

2.1 節(jié)點流量水力計算

考慮到精算法計算的壓力流量比較準(zhǔn)確，而粗算法計算有一定誤差，以下水力計算均采用精算法。均勻布置噴頭，單個噴頭保護面積為3.0 m×2.5 m=7.5 m2，得到自噴平面布置如圖1所示，自噴支管剖面圖如圖2所示。

天正給排水軟件默認(rèn)忽略噴頭短立管對噴頭出水量的影響，但對類似于直立型上噴的安裝方式，短立管對噴頭出水不利，應(yīng)考慮短立管對噴頭的流量影響。本文把短立管和噴頭一起視為一個節(jié)點復(fù)合型噴頭考慮。

根據(jù)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為最小噴水強度，取12.0 L/（min·m2）;As為最不利噴頭保護面積，取2.5×3.0=7.5 m2;K為噴頭流量系數(shù)，取80.0;S為管道計算截面積;Dj為最不利噴頭接管計算內(nèi)徑;q為最不利噴頭的流量;Ps為最不利噴頭最小工作壓力;Vs為配水流速;i為水力坡降;La為立管長度，取0.30 m;Lb為當(dāng)量長度;hs為最不利噴頭至下一節(jié)點產(chǎn)生的水力損失（等效沿程水力損失）;Zs為立管幾何高差產(chǎn)生的壓力;Po為節(jié)點工作壓力;Ks為噴頭折算流量系數(shù)。

計算得到：Po=0.140 8 MPa，Ks=75.965，即節(jié)點1處的壓力為0.140 8 MPa，流量系數(shù)為75.965，節(jié)點流量水力計算如表1所示。

2.2 支管流量水力計算

通過采用節(jié)點1工作壓力、噴頭折算流量系數(shù)相同的方法可以計算出支管圖中各節(jié)點的工作壓力、流量和支管流量折算系數(shù)，支管流量水力計算統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

2.3 作用面積流量水力計算

由圖1與表1可知，單根配水支管保護面積Sz=10×

3=30 m2，噴頭最小作用面積為200 m2。取任意相鄰的7根配水支管，作用面積210 m2，如圖3所示。將作用面積內(nèi)的噴頭視為一個復(fù)合噴頭，定義為作用面積噴頭。采用計算支管流量的算法計算出作用面積復(fù)合噴頭的工作流量，作用面積流量水力計算結(jié)果如表3所示。

2.4 環(huán)狀管網(wǎng)水力計算

采用理論計算時，可以把系統(tǒng)管網(wǎng)簡化成環(huán)狀管網(wǎng)，如圖4所示。節(jié)點A為環(huán)狀管網(wǎng)入口端，假設(shè)節(jié)點B為作用面積復(fù)合噴頭滅火點。由于節(jié)點壓力的唯一性，可知管段L1的水頭損失應(yīng)與管段L2的水頭損失相等，滿足下列公式：

Q=Q1+Q2（10）

i1×L1=i2×L2（11）

式中：Q為自噴管網(wǎng)入口流量;Q1為通過管段L1到達節(jié)點B的流量;Q2為通過管段L2到達節(jié)點B的流量。

公式（10）（11）聯(lián)立公式（3）（4）（5）可以推導(dǎo)出下列公式：

=（12）

式中：D1為管段L1計算內(nèi)徑;D2為管段L2計算內(nèi)徑。

由D1=D2可得：

Q1=（13）

Q2=（14）

3 最不利區(qū)域判斷

在系統(tǒng)靠近入口、系統(tǒng)中段、系統(tǒng)末端選擇Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個區(qū)域（每個區(qū)域面積都為210 m2，與一個復(fù)合面積噴頭流量相等），如圖5所示，分別計算這三個區(qū)域的系統(tǒng)入口壓力，根據(jù)計算判定系統(tǒng)入口壓力最大的區(qū)域即為最不利區(qū)域。

3.1 假設(shè)區(qū)域Ⅰ為最不利區(qū)域

如圖6所示，假設(shè)節(jié)點9為壓力平衡點，則：

環(huán)路A（9—10—11—12—1）管道總長度為168 m，含側(cè)三通1個，90°彎頭3個，則：L1=168+1×7.6+3×3.7=186.7 m。

環(huán)路B（9—8—7—6—5—4—3—2—1）管道總長度為28 m，含側(cè)三通1個，90°彎頭1個，則：L2=28+1×7.6+1×3.7=39.3 m。

由公式（13）（14）可算出通過環(huán)路A、環(huán)路B在節(jié)點9的流量如表4所示。

由表4可知環(huán)路A經(jīng)過流量Q1大于2根支管流量，已知單根支管流量為定值，說明環(huán)路A至少能輸送至滿足節(jié)點8的支管流量需求，如圖5所示，故節(jié)點9為壓力平衡點不成立。

假設(shè)節(jié)點7為壓力平衡點，則：

環(huán)路A（7—8—9—10—11—12—13—1）管道總長度為174 m，含側(cè)三通1個，90°彎頭3個，則：L1=174+

1×7.6+3×3.7=192.7 m。

環(huán)路B（7—6—5—4—3—2—1）管道總長度為22 m，含側(cè)三通1個，90°彎頭1個，則：L2=22+1×7.6+1×3.7=33.3 m。

由表5可知環(huán)路A經(jīng)過流量Q1大于2根支管流量，小于3根支管流量，說明環(huán)路能送至節(jié)點7但不能滿足節(jié)點6的支管流量需求，故節(jié)點7為壓力平衡點成立。

因此，利用公式（1）～（14）可反推通過環(huán)路A、環(huán)路B可以分別算出節(jié)點1的壓力及流量結(jié)果如表6所示。

由表6可知：通過環(huán)路A計算出節(jié)點1處的壓力Pa=0.264 MPa，通過環(huán)路B計算出節(jié)點1處的壓力Pb=0.257 MPa，環(huán)路A、B計算入口壓力平均值P=（Pa+Pb）/2≈0.261 MPa，環(huán)路A、B計算入口壓差ΔP=

Pa-Pb=0.007 MPa，約為平均壓力的2.7%，誤差很小可以忽略不計。

入口流量Q=Qa+Qb=2 844.43 L/min≈47.41 L/s。

3.2 假設(shè)區(qū)域Ⅱ為最不利區(qū)域

區(qū)域Ⅱ節(jié)點如圖7所示，計算得到壓力平衡點為節(jié)點7，環(huán)路A、B計算入口壓力平均值P=0.276 MPa，入口壓差ΔP=Pa-Pb=0.005 MPa，約為平均壓力的1.8%，入口流量Q=2 842.581 L/min≈47.38 L/s。

3.3 假設(shè)區(qū)域Ⅲ為最不利區(qū)域

區(qū)域Ⅲ節(jié)點如圖8所示，計算得到壓力平衡點為節(jié)點6，環(huán)路A、B計算入口壓力平均值P=0.283 MPa，入口壓差ΔP=Pa-Pb=0.001 MPa，約為平均壓力的0.35%，入口流量Q=2 841.91 L/min≈47.37 L/s。

3.4 計算結(jié)果

通過分別假設(shè)區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個區(qū)域為最不利區(qū)域計算的入口壓力值分別為0.261、0.276、0.283 MPa，可判定區(qū)域Ⅲ為最不利區(qū)域，由此得到環(huán)狀自噴管網(wǎng)計算入口壓力P=0.283 MPa，入口流量Q=47.37 L/s。

4 結(jié)論

本文通過對該物流倉庫建筑特點分析，設(shè)置預(yù)作用自動噴水滅火系統(tǒng)，對該系統(tǒng)建立了節(jié)點—支管—環(huán)路層層遞進的水力計算方法，并將整個環(huán)狀管網(wǎng)劃分為三個不利區(qū)域進行計算，確立最不利區(qū)域，找到壓力平衡點，得到該工程自噴滅火系統(tǒng)的供水壓力，為系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

通過計算結(jié)果還發(fā)現(xiàn)環(huán)狀管網(wǎng)在各個區(qū)域的壓力都比較均衡，相比較枝狀管網(wǎng)具有更高的可靠性，避免了不同環(huán)路的壓力不平衡，可有效降低消防主泵運行壓力，對消防工程的前期投入和后期運行成本具有極大意義。

[參考文獻]

[1] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施 給水排水[M].北京：中國計劃出版社，2009.

[2] 建筑設(shè)計防火規(guī)范（2018年版）：GB 50016—2014[S].

[3] 自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范：GB 50084—2017[S].

收稿日期：2024-03-08

作者簡介：何金偉（1991—），男，湖北人，工程師，研究方向：給排水及暖通工程設(shè)計。