葉張榮 孫 娜

(1.河北省石油化工設(shè)計院有限公司上海坤元醫(yī)藥工程分公司，上海 200050;2.上海寶鋼工程技術(shù)集團有限公司，上海 200030)

消防氣壓水罐作為消防增壓設(shè)施的一個重要組成部分，在《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》(以下簡稱高規(guī))7.4.8及其相應(yīng)條文說明中明確指出了調(diào)節(jié)容積的設(shè)置大?。?］。消防氣壓水罐消防水容積的組成除了消防調(diào)節(jié)容積外，還應(yīng)包括穩(wěn)壓水容積和緩沖水容積。氣壓罐水容積的計算有一個重要的參數(shù)為工作壓力比，實際使用中由于規(guī)范對上述參數(shù)定義的不清晰，消防氣壓水罐的計算往往和生活氣壓水罐的計算混淆。文章根據(jù)《氣壓給水設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱規(guī)范)［2］，結(jié)合常用的隔膜式氣壓給水設(shè)備，對消防和生活氣壓水罐的區(qū)別，規(guī)范中相關(guān)術(shù)語的定義及消防氣壓水罐的計算進(jìn)行了討論分析。

1 消防與生活氣壓水罐的區(qū)別

氣壓給水的基本原理是根據(jù)玻義爾—馬略特定律(簡稱玻馬定律)，利用罐內(nèi)氣體的壓縮和膨脹進(jìn)行供水。消防氣壓水罐給水和生活氣壓水罐給水都是利用以上原理，但二者又存在著以下不同之處。

1.1 功能和工作控制點不同

消防氣壓水罐儲水主要用于消防主泵啟動前30 s緊急供水，其消防調(diào)節(jié)容積部分的儲水平時為不可動用狀態(tài)，罐內(nèi)變化的僅為穩(wěn)壓部分的水容積。而生活氣壓水罐的作用為代替水泵向用戶供水，避免水泵的頻繁啟停。根據(jù)其作用不同，這兩種氣壓水罐的壓力控點也不相同。如圖1所示，消防氣壓給水的氣壓水罐，共有4個工作點。而生活氣壓水罐主要為2個工作點。正常工作狀態(tài)下，消防穩(wěn)壓泵在壓力點PS1和PS2之間工作，而生活給水泵在P1和P2之間工作。

圖1中，P1為氣壓罐最低工作壓力，MPa;P2為消防主泵啟動壓力或生活水泵停泵壓力，MPa;PS1為穩(wěn)壓水泵啟動壓力，MPa;PS2為穩(wěn)壓水泵停止壓力，MPa;VX為消防貯水容積，m3;Vap為緩沖水容積，m3;VS為穩(wěn)壓水容積，m3;VXf為消防水總?cè)莘e，m3;V1為與工作壓力P1對應(yīng)的儲罐空氣體積，m3;VX2為生活給水隔膜罐調(diào)節(jié)容積，m3。

圖1 消防及生活給水隔膜罐工況示意圖

1.2 工作壓力點P2計算方法不同

根據(jù)規(guī)范2.1.17的定義，圖1中消防及生活給水隔膜罐的P2均定義為氣壓罐最高工作壓力，但二者計算完全不同。根據(jù)規(guī)范3.2.4，生活氣壓給水罐計算公式為 P2=P1/αb，而消防氣壓水罐消防主泵啟動壓力，根據(jù)規(guī)范4.3.8，計算公式應(yīng)為P2=P1/(1－β·VX/V)。其中，αb為工作壓力比;β為容積系數(shù);P1，P2分別為最低及最高絕對工作壓力。

1.3 工作壓力比的取值范圍不同

根據(jù)規(guī)范消防氣壓水罐工作壓力比αb的范圍宜在0.5～0.9的范圍內(nèi)取值，而生活氣壓水罐工作壓力比的范圍宜在0.6～0.85 的范圍內(nèi)取值［2］。

1.4 罐儲水容積及變化容積不同

貯存在消防氣壓水罐內(nèi)的消防水容積由消防調(diào)節(jié)容積，緩沖容積及穩(wěn)壓容積三部分組成，正常工作狀態(tài)下，消防氣壓水罐內(nèi)儲水僅有穩(wěn)壓水容積部分產(chǎn)生變化。而生活給水氣壓水罐內(nèi)的水容積主要為調(diào)節(jié)水容積，在正常使用過程中該容積均產(chǎn)生變化，該部分調(diào)節(jié)容積的計算可按V=(c·Q)/(4n)進(jìn)行計算。其中，c為安全系統(tǒng);Q為工作水泵計算流量;n為水泵1 h內(nèi)啟停次數(shù)。而消防穩(wěn)壓容積的計算，其應(yīng)根據(jù)穩(wěn)壓泵的啟停壓力及玻馬定律計算得到，并不應(yīng)小于規(guī)范規(guī)定的50 L。

通過以上對比分析可以看到，消防氣壓水罐與生活氣壓水罐的計算還是有明顯差別的，在應(yīng)用時應(yīng)注意區(qū)別。

2 關(guān)于工作壓力比定義的探討

根據(jù)規(guī)范2.1.11定義，工作壓力比αb定義為:氣壓水罐最低工作壓力(絕壓)與最高工作壓力(絕壓)的比值。而對最高工作壓力，規(guī)范2.1.17定義為:控制氣壓給水設(shè)備的生活或生產(chǎn)水泵停止工作或消防氣壓給水設(shè)備的消防主泵啟動的壓力。

根據(jù)以上定義的規(guī)定，消防氣壓水罐的工作壓力比可以描述為:αb=P1/P2，即:

根據(jù)規(guī)范公式 4.3.8，

由式(1)和式(2)可以得到αb=1－β·VX/V，變形后可以得到 V=β·VX/(1－αb)。

以上公式與規(guī)范中的公式4.3.5，V=β·VXf/(1－αb)進(jìn)行對比，可以得到VX=VXf的矛盾結(jié)論，從圖1可以看出，消防貯水容積VX與消防水總?cè)莘eVXf是兩個不同的概念。分析以上矛盾結(jié)論產(chǎn)生的原因，主要是規(guī)范中對消防氣壓水罐“最高工作壓力”的定義錯誤導(dǎo)致的，消防氣壓水罐實際的最高工作壓力應(yīng)為穩(wěn)壓水泵停止運行壓力PS2，而不是規(guī)范中定義的消防主泵啟動壓力P2。將αb=P1/PS2代入規(guī)范氣壓水罐總?cè)莘e計算公式4.3.5進(jìn)行驗證，可以得到:

其中，V/β為氣壓罐內(nèi)壓力為P1時罐內(nèi)實際空氣體積;β為容積系數(shù)。

上式符合玻馬定律，由此可見消防氣壓水罐的工作壓力比應(yīng)定義為αb=P1/PS2。

3 關(guān)于消防氣壓水罐的計算

根據(jù)規(guī)范，氣壓水罐容積可以根據(jù)公式V=β·VXf/(1－αb)進(jìn)行計算，該公式中消防水總?cè)莘eVXf的三個組成部分，除消防貯水容積VX可根據(jù)高規(guī)進(jìn)行確定外，穩(wěn)壓水容積VS和緩沖水容積Vap均為未知，求解以上兩部分水容積，可根據(jù)玻馬定律進(jìn)行推導(dǎo)。由玻馬定律可知(參數(shù)含義見圖1):

經(jīng)變換后可以得到:

從以上公式可以看出，計算消防水總?cè)莘eVXf以及穩(wěn)壓水容積VS，需要事先得到各工作點壓力值，包括P2。如參數(shù)P2采用規(guī)范提供的公式(2)進(jìn)行計算，則需要事先得到穩(wěn)壓罐容積V，這樣在計算時只能先假定V或者P2進(jìn)行試算，實際操作并不方便。結(jié)合工作壓力比的定義，下面給出一種穩(wěn)壓罐容積的簡單計算方法。

根據(jù)上文討論，工作壓力比可描述為 αb=P1/PS2，公式中P1根據(jù)最不利點消防所需水壓確定，工作壓力比可根據(jù)規(guī)范給定的范圍選定，通過上式便可計算得到PS2。根據(jù)規(guī)范4.3.9及4.3.10，可以按下式分別計算得到PS1及P2:

其中，0.05，0.02均為兩個工作點之間的壓力差。

在消防氣壓罐各個壓力工作點及消防貯水容積VX確定之后，便可由式(3)和式(4)計算得到VS及Vap。對計算得到的VS值應(yīng)根據(jù)規(guī)范進(jìn)行校核，使穩(wěn)壓水容積不小于50 L，避免穩(wěn)壓泵頻繁啟動。

根據(jù)以上計算得到的VS，Vap以及消防貯水容積VX，可以得到穩(wěn)壓罐消防水總?cè)莘eVXf，結(jié)合規(guī)范4.3.5條公式，便可計算得到消防穩(wěn)壓罐總?cè)莘e。通過該方法計算得到的P2值，符合玻馬定律，可同時滿足規(guī)范4.3.8條公式，避免了圖集中采用P2=P1/αb的方法計算，產(chǎn)生與規(guī)范規(guī)定不一致的情況。

4 關(guān)于國標(biāo)圖集中αb的討論

國家標(biāo)準(zhǔn)圖集98S205消防增壓穩(wěn)壓設(shè)備選用與安裝(隔膜式氣壓罐)(以下簡稱圖集)［3］，在計算時同樣采用αb=P1/P2作為工作壓力比。并根據(jù)P1/αb計算值作為消防主泵啟動壓力P2，該值實際上應(yīng)為消防氣壓罐穩(wěn)壓泵停泵壓力PS2。按圖集計算得到的各工作點壓力值都比按規(guī)范計算偏高。這種情況下，氣壓罐的計算容積將可以適當(dāng)減小，但不利因素由于提高了穩(wěn)壓罐工作點壓力，有可能引起高層建筑底層超壓，并增加穩(wěn)壓泵運行能耗，以上影響應(yīng)在圖集選用時予以考慮。

5 結(jié)語

消防氣壓給水和生活氣壓給水裝置存在著明顯的不同，消防氣壓水罐的計算應(yīng)有別于生活氣壓水罐。在消防氣壓水罐計算過程中，氣壓罐的最高工作壓力應(yīng)為穩(wěn)壓泵的停泵壓力，《氣壓給水設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于“最高工作壓力”定義有待商榷。結(jié)合對工作壓力比的理解，對消防氣壓水罐的計算提出了比較便捷可行的方法。分析了國標(biāo)圖集按P2=P1/αb計算消防水泵啟動壓力和各工作點的利弊，在圖集選用時應(yīng)予考慮。

［1］GB 50016-2006，高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范［S］.

［2］CECS∶76-95，氣壓給水設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］98S205，消防增壓穩(wěn)壓設(shè)備選用與安裝(隔膜式氣壓罐)［S］.