克服喷淋系统喷水不均匀性

PAGEPAGE1克服喷淋系统喷水不均匀性在喷淋系统（自动喷水灭火系统）中，当火灾发生、喷头出流时，由于管道中水头损失的存在以及喷头几何高度的不同，管网中不同位置的喷头，其实际工作压力必然不同，由此造成喷头的实际出流量也必然不同。因此，喷淋系统扑灭火灾时，位置不同但是面积相同的保护范围内，喷水强度和喷水总流量是不同的，尤其大面积商场、超市、厂房、高层等工程这种问题尤为明显。在工程设计中如何采取经济有效措施，平衡喷淋管网水压，克服这种喷水不均匀性是必要的。现行的《自动喷水灭火系统设计规范（GBJ84—85）》第7.1.1条规定：“对轻危险级和中危险级建筑物、筑物的自动喷水灭火系统进行水力计算时，应保证作用面积内的平均喷水强度不小于本规范表2.0.2的规定。但其中任意四个喷头组成的保护面积内的平均喷水强度不应大于也不应小于上表规定数值的20%；”并规定：自动喷水灭火系统设计秒流量宜按公式“Qs=1.15—1.30QL”计算，即系统设计秒流量按设计喷水强度与作用面积乘积的1.15—1.30倍计算等等。这些规定就是考虑了喷淋系统的喷水不均匀性。规范第7.1.2条规定：“高层建筑物内的自动喷水灭火系统应采用减压孔板或节流管等技术措施”。其主要目的也是为了喷淋系统的喷水不均匀性。现行规范的上述条文表明，规范对于喷淋系统喷水不均匀性的定量判定是：最大喷水强度大约是规范表2.0.2中规定的设计喷水强度的1.15—1.30倍。这一判定是否有充分的计算依据？是否符合喷淋系统扑灭火灾时的实际情况？由此所确定的喷淋泵型号，其流量能否满足管网中任意位置并且为规范表2.0.2中所要求的作用面积内需要的流量？在具体工程设计中如何在喷淋管网的布置、管径的确定以及减压装置的设置等方面克服喷水的不均匀性是本文要说明的问题。一、首先要对喷淋系统进行喷水不均匀性作定量研究，采用节点流量法对喷淋系统进行精确的水力计算，因为只有节点流量法才能将每个喷头的压力值和出流量一一对应地求出，而其它的方法，如平均流量法等各种简化计算方法是无法做到这一点的。然而采用节点流量法进行喷淋管道的水力计算，工作量大，非常繁琐，按照传统的计算方法同样是不能正确反映喷淋系统的喷水不均匀性的。为了说明这一问题，先让我们来看看目前常用的水力计算采用节点流量法是怎样计算的。目前最常用的是所谓的“作用面积法”。首先确定最不利作用面积在管网中的位置，仅在作用面积内所包含的喷头才计算其喷水量。采用节点流量法将最不利作用面积内的每个喷头的压力值和出流量一一求出，当两个分支交汇时，根据两分支的压力差对压力较高的分支进行流量修正，然后将作用面积内经过流量修正之后的所有喷头出流量的总和作为整个喷淋系统的设计秒流量，在此以后的管段流量不再增加，仅计算沿程和局部水头损失，一直算到管网起点。从这种计算过程可以看出，当火灾发生在最不利作用面积内时，计算结果是比较能够符合火灾发生的实际情况的。然而火灾是可能在管网中任意位置发生的。在附图中，假如火灾不是发生在最不利作用面积A内，而是发生在作用面积B内，情形又怎样呢？在这里，有一个基本的前提是应该遵守的，即面积B和面积A都应符合规范规定，不应小于表2.0.2中的基本数据，（为下文叙述方便起见，文中均以中危级的200平方米面积考虑）设计计算时，作用面积B与作用面积A都应取200平方米。假定管网中喷头是均匀布置的，则面积B内力值都要比面积A内高，必然地，面积B内的喷头总出流量要大于面积A内的喷头总出流量。但由于传统的计算方法只对最不利作用面积进行水力计算，而没有对管网中其它位置的作用进行水力计算，所以是无法正确反映喷淋系统的喷水不均匀性的。那么，作用面积B内的喷头总出流量究竟要比作用面积A内的喷头总出流量大多少呢？按照最不利作用面积A计算出来的喷淋系统总流量所决定的喷淋泵型号，其流量能不能满足作用面积B处的200平方米保护范围的需要？。附表就是分别对附图作用面积A和作用面积B计算的成果图。对此结果需要说明几点：（1）最不利点处喷头的压力取值是10米水柱（9.8*104Pa），这是根据现行规范表2.0.2中的基本数据确定的。但是《建筑给水排水设计手册》计算例题中的取值为5.0米水柱，笔者以为是不妥的。虽然规范中注有：“最不利点处喷头最低工作压力均不应小于4.9*104Pa”但规范的条文说明中已经说得非常清楚：这一条注是为了避免消防水箱设得过高而造成建筑和结构处理上的困难，并强调在设计计算时最好能采用表2.0.2中所规定的喷头工作压力。（2）喷头特性系数按普通常用喷头取为80：（3）暂先不考虑几何高程的影响，所有喷头及节点的高程均取同一数值，也就是说，附图中的管网是在同一层上的；（4）为便于问题的研究，附图中的喷头是均匀整齐布置的，在工程实际中一般不容易出现这种情况，但原理相同（5）为节省篇幅，略去了与计算数据无关的部分下面我们就这一计算成果进行具体分析。附图中，根据最不利作用面积A算出的本层管网起点水头为35.87米，喷淋总用水量为27.97L/S，计算结果表明，当火灾发生在作用面积B时，为了保证保护范围达到规范所规定的200平方米，其喷淋总用水量增大到了35.18L/S，是最不利的1.26倍（我们将这个倍数称之为“不均匀系数”）目前，大多数给排水工程设计人员在决定喷淋系统总用水量时，都是取26L/S（最多取30L/S），以此来选择喷淋泵并计算消防水池容量，这当然是符合现行规范的，但却不大合理。其不合理性主要在于：（1）不同工程喷淋管网的具体情况如喷头间距、管网规模、管道布置等各不相同，有的差别很大，工程设计中不能总是不分青红皂白地套用同一个数据（由于这个问题不是本文的中心论题，这里不作进一步论述）；（2）没有充分考虑喷淋管网中实际存在的喷水不均匀性的影响。附图作用面积B内的喷水强度高达10.55升/分·米2，是规范表2.0.2中所规定的基本数据的1.76倍，远远超出了规范中所推荐的1.15—1.30倍。两者差距这样大，说明喷淋系统的喷水不均匀性是不容轻视的，应该在工程设计中予以充分的考虑。喷淋系统的总用水量应当通过认真的水力计算确定，否则，所确定的喷淋泵型号很可能是不合适的。作用面积A与作用面积B计算结果，主要是因为配水管的水头损失造成的，因此，影响喷淋系统喷水不均匀程度的因素是很明显的。主要有：（1）喷淋管网的规模大小。这里主要指平面管网的规模。显然管网规模越大，最不利点距离本层管网起点就越远，喷淋系统的喷水不均匀程度就越高。（2）喷淋管网的布置形状。喷淋管网的形状是随建筑物平面而定的。当喷淋管网布置成狭长形，而管网起点又在端头时，喷水不均匀程度就比较高；（3）配水管管径。管径越小，其水头损失越大，管网的喷水不均匀程度就越高。喷头间距的大小对喷水不均匀性程度有些增加，但影响不是很大，最大的影响是大大地增加了喷淋系统的总用水量，所以喷头间距不宜太小（间距小作用面积内喷头增加增加）。除此之外还有一个很重要的影响因素……几何高程。下面我们通过进一步的计算来看看几何高度对喷淋系统喷水不均匀性的影响。假定其建筑物共有十层，层高均为4.0米（每层增加沿层损失及局部损失计1mh2o），附图是最高一层的喷淋管网，每层喷淋管网布置都完全相同。将各层作用面积B.面积A的计算成果列于附表1。表1层本层管网起点水头（米水柱）作用面积A所需喷淋总流量（L/S）作用面积B所需喷淋总流量（L/S）本层不均匀系数1035.8727.9735.181.26940.8729.7837.551.26845.8731.6339.781.26750.8733.3141.891.26655.8734.8443.971.26560.8736.4345.831.26465.8737.9047.671.26370.8739.3149.451.26275.8740.6851.161.26180.8742.0052.821.26整个管网的不均匀系数为：52.82/27.97=1.89（要考虑水泵特性的因素）附表1中的不均匀系数是几何高程与立管水头损失共同影响的结果，但其中几何高程与立管水头损失共同影响的结果，但其中几何高程的影响是主要的。表中喷淋立管水头损失值是按立管管径DN100mm计算的，放大到150mm时，几何高差的影响权重占97%。此表清楚地表明，在最高层与最低层的几何高程仅相关36m，不同位置的作用面积内所需要的喷淋总流量差异竟如此之大，最高值是最低值的1.89倍。因此，现行规范规定高层建筑物喷淋系统应采取减压措施的条款（7.1.2条）是非常必要的。然而有些业内人士却认为，喷淋系统中没有必要设减压装置，理由是喷头压力越高越好，越高越有利于火灾的扑灭。这种观点只强调了问题的一个侧面，而忽视了工程设计应该全面准确地执行现行规范。从附表一的计算结果可以看出，如果不采取减压措施，则按照第十层最不利作用面积A用水量27.97L/S所选择的喷淋泵，到第一层作用面积B处，只能保证大约110平方米的保护面积，远远达不到规范要求。二：针对上述各种影响因素，我们很容易找到在工程设计中尽量克服喷淋系统喷水不均匀性的技术措施：1、适当增加喷淋立管数量。当每层喷淋管网范围较大时，宜适当多布置几根喷淋立管使得每根立管只负担其中的一部分管网，这样就能有效克服喷淋系统的喷水不均匀性。比如，在附图管网的另一侧增加一根立管，使整个管网分成两部分，则每部分的喷水相对均匀得多。2、喷淋立管尽量布置在管网中央部位。这样，从喷淋立管到最不利点喷头的配水管长度可相应缩短，其效果与增加喷淋立管是相似的，尤其是喷淋管网的形状为狭长形时，不宜将立管设置在管网的端头。3、适当放大配水管管径。4、适当放大喷淋管网最不利作用面积内的管段管径。管网起点水头是由最不利作用面积内喷头出流量决定的，适当放大最不利作用面积内管网末端某些管段的管径，可使最不利作用面积内喷头出流量减小，因而配水管内的水头损失及管网起点水头相应减小，这样可以降低喷水不均匀程度，更主要的是降低了管网起点水头及喷淋泵扬程，并减少了喷淋系统总流量。此措施在工程设计中有实用价值。5、减小管网起点附近配水支管的管径。这一措施是通过加大配水支管内的水头损失将管网起点处较高的压力尽量降低，以减小管网起点处某些喷头的实际工作压力，减少其出流量，从而达到降低喷水不均匀程度的目的。通过软件的管径调整功能可以很方便地实现此措施。但要注意两点：（1）在支管上喷头较多的情况下，调整某管段管径时，要兼顾到对相邻作用面积的影响；（2）管段流速不应超过规范允许值。6、设置减压装置。上文通过对几何高度这一影响因素的分析，已经看出高层以建筑中设置减压装置的必要性。现在我们进一步探讨减压装置设置的有关问题：（1）为克服喷水不均匀性所设置的减压装置宜采用减压孔板，不宜采用减压阀。由于减压阀需要在阀前加设过滤器，因此只适合用在湿式报警阀前对喷淋系统进行竖向分区的减区；（2）减压孔板主要用来克服由几何高差和喷淋立管水头损失造成的喷淋系统竖向的喷水不均匀性，其位置设在各层配水管或配水干管的起点端，一般设在安全信号阀之后，所需降低的压力值应由水力计算确定。当立管管径大于等于DN125mm时，几何调养工的影权重占90%以上，可以简略地将几何高差作为所需降低的水头值；（3）配水支管上不宜设置减压孔板。因为规范规定，减压孔板应设置在直径不小于50毫米的水平管段上，若配水支管直径大于等于50毫米，则该支管上的喷头一般较多，要确定一个合适的减压值是不大容易的，减得过多对支管末端喷头出流会造成较大影响，减得过少对降低喷水不均匀性