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高層建筑消防給水系統(tǒng)設計若干問題探討

吳常軍（安徽省建筑設計研究院有限責任公司，安徽合肥230001）

通過對消防給水系統(tǒng)設計中消防泵啟動控制、氣壓罐容積計算、穩(wěn)壓泵壓力設定、系統(tǒng)防超壓等幾個重要問題的分析與探討，提出了合理的控制要求和解決方案，以保證高層建筑消防給水系統(tǒng)設計的可靠性、合理性和完整性。

消防主泵；穩(wěn)壓泵；轉輸水泵；壓力設定；減壓閥；氣壓水罐

0　引言

隨著城市經濟建設的快速發(fā)展，土地資源日趨緊張，高層和超高層建筑日益增多，合理設計高層建筑消防給水系統(tǒng)成為設計人員面臨的重要課題?！断澜o水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范》（GB50974-2014）（以下簡稱“消水規(guī)”）已于2014年10月1日頒布實施，引起給排水設計人員的廣泛關注。筆者結合工程設計和施工圖審查中遇到的案例，對消防給水系統(tǒng)設計中消防泵啟動控制、氣壓罐容積計算、穩(wěn)壓泵壓力設定、系統(tǒng)防超壓等設計人員關注的重要問題進行分析與探討，提出了合理的控制要求和解決方案，以保證高層建筑消防給水系統(tǒng)設計的可靠性、合理性和完整性。

1　氣壓罐容積計算

當消防給水系統(tǒng)設有氣壓水罐，氣壓水罐不貯存消防主泵啟動前消防所需的水量。氣壓水罐的設置，其目的只在于：①控制穩(wěn)壓泵的啟停；②緩解穩(wěn)壓泵啟停過于頻繁；③緩沖因停泵水錘等原因而造成的對系統(tǒng)的壓力沖擊（當用氣壓水罐代替屋頂消防水箱的情況不在本文討論范圍）。

氣壓罐調節(jié)容積應按下式計算：

圖1　氣壓罐內壓力示意圖

氣壓罐的總容積應按下式計算：

式中：Vq為氣壓罐的總容積（m3）；Vq1為氣壓罐的水容積（m3），應大于或等于調節(jié)容積；ab為氣壓罐內的工作壓力比（以絕對壓力計），即（p1+0.10MPa）/（p2+0.10MPa），宜采用0.65～0.85，其中p1、p2如圖1所示；β為氣壓罐的容積系數(shù)，隔膜式氣壓罐取1.5。

為保證消防系統(tǒng)的安全性，節(jié)省工程造價，當氣壓罐設置在消防泵房時，氣壓罐內的工作壓力比宜取0.85，當氣壓罐設置在消防水箱間時；氣壓罐內的工作壓力比宜取0.80。當計算出氣壓罐的調節(jié)容積小于0.15m3，應按0.15m3計算氣壓罐的總容積，滿足《消水規(guī)》第5.3.4條的規(guī)定。

2　穩(wěn)壓泵設計壓力和消防主泵啟動壓力確定

《消水規(guī)》規(guī)定高位消防水箱的設置應高于其所服務的滅火設施，且最低有效水位應滿足滅火設施最不利點處的靜水壓力。一類高層公共建筑，最不利點處的靜水壓力不應低于0.10MPa，當靜水壓力不能滿足要求時應設置穩(wěn)壓泵。從此規(guī)定可以看出穩(wěn)壓泵的目的是保證最不利點處的靜水壓力，而不是滿足最不利點處消火栓充實水柱所需的壓力和流量?！断涝鰤悍€(wěn)壓設備及安裝》（98S205）中穩(wěn)壓泵啟停壓力是按滿足最不利點處消火栓充實水柱所需的壓力計算的，筆者認為穩(wěn)壓泵不能按圖集直接選用，其設計壓力應計算確定，并應保持系統(tǒng)最不利點處水滅火設施在準工作狀態(tài)時的靜水壓力大于0.15MPa。當沒有消防系統(tǒng)管網漏損量數(shù)據(jù)時，穩(wěn)壓泵設計流量可按消防給水系統(tǒng)設計流量的1%～3%計算。

圖2　穩(wěn)壓泵設計壓力的確定（一）

圖3　穩(wěn)壓泵設計壓力的確定（二）

當氣壓罐設置在消防水箱間時，見圖2。穩(wěn)壓泵啟動壓力p1>0.15MPa-H，為防止穩(wěn)壓泵誤啟動，且≥H2+0.07MPa；穩(wěn)壓泵停泵壓力p2=p1/0.8；消防主泵啟泵壓力P=p1+H1+H-0.085MPa。

當氣壓罐設置在消防泵房時，見圖3。穩(wěn)壓泵啟動壓力p1>H+0.15MPa，為防止穩(wěn)壓泵誤啟動，且≥H2+0.01MPa；穩(wěn)壓泵停泵壓力p2=p1/0.85；消防主泵啟泵壓力P=p1-0.085MPa。

3　消防水泵啟?？刂?/h2>

對于消防水泵啟動控制要求，《消水規(guī)》和《高層建筑民用建筑設計防火規(guī)范》（GB50045）有本質的區(qū)別?！陡邔咏ㄖ裼媒ㄖO計防火規(guī)范》（GB50045）規(guī)定：消防水泵由設置于消防箱內的按鈕直接啟動。在實際工程調試中，由于消防管網系統(tǒng)較大，尤其是區(qū)域消防共用消防泵房時，經常出現(xiàn)消防按鈕無法及時啟動消防水泵的情況，因此《消水規(guī)》第11.0.4條的規(guī)定：消防水泵應由消防水泵出水干管上設置的壓力開關、高位消防水箱出水管上的流量開關，或報警閥壓力開關等開關信號直接自動啟動消防水泵。

對于《消水規(guī)》第11.0.4條的規(guī)定，筆者認為需要分兩種工況進行分析。第一種情況：當消防給水系統(tǒng)設有高位消防水箱，其最低有效水位能滿足滅火設施最不利點處的靜水壓力，無需設置穩(wěn)壓泵。消防水箱消防出水時，消防水泵出水干管壓力開關處壓力變化很小，該系統(tǒng)應優(yōu)先由高位消防水箱出水管上的流量開關直接啟動消防水泵，同時壓力開關信號作為報警信號和第二啟動消防水泵信號，以免貽誤滅火戰(zhàn)機。流量開關應具有以下功能：出水動作延遲30s啟動消防水泵，流量不超過管網系統(tǒng)設計的漏損量時不動作，管網漏損量可按消防給水系統(tǒng)設計流量3%計算。

第二種情況：當消防給水系統(tǒng)設有高位消防水箱，其最低有效水位不能滿足滅火設施最不利點處的靜水壓力，系統(tǒng)設有穩(wěn)壓泵。該系統(tǒng)應由消防水泵出水干管上壓力開關信號直接自動啟動消防水泵，高位消防水箱出水管上的流量開關信號作為報警信號和第二啟動消防水泵信號。消防主泵啟動壓力按本文上節(jié)方法計算確定。

消防水泵不應設置自動停泵功能，自動關閉消防水泵會給現(xiàn)場撲救的消防隊員造成一定的危險，因此消防泵不能自動停泵，只有具有管理權限的人員根據(jù)火災撲救情況控制消防泵停泵。

4　消防轉輸水泵控制

建筑高度大于120m的超高層建筑，一般在避難層設置轉輸水箱和高區(qū)消防泵房。本節(jié)旨在討論設置在地下消防泵房內，向轉輸水箱供水的轉輸水泵控制要求。

目前設計人員的做法有兩種，第一種是消防轉輸水泵的啟停，由轉輸水箱的液位控制，即當高區(qū)消防泵啟動供水時，消防轉輸水箱水位下降到設計水位時，消防轉輸水泵啟動；當消防轉輸水箱水位達到最高水位時，轉輸水泵停泵。筆者認為：這種通過轉輸水箱液位控制消防轉輸水泵啟停的方式，雖能避免水箱溢流，但不符合《消水規(guī)》第11.0.2條“消防水泵不應設置自動停泵的控制功能”的規(guī)定要求。大多數(shù)火災情況下，高區(qū)消防實際用水量均小于消防轉輸水泵的流量，由于消防轉輸水箱容積較小，會造成消防轉輸水泵頻繁啟停，增加故障率，影響消防系統(tǒng)的供水安全性。

第二種是消防轉輸水泵與高區(qū)消防泵聯(lián)動控制，高區(qū)任一消防泵啟動同時聯(lián)動消防轉輸水泵啟動，消防水泵從接到啟泵信號到水泵正常運轉的自動啟動時間不應大于2min，當確認火災撲救結束后高區(qū)消防泵手動停泵時，同時手動停止消防轉輸水泵。這種控制方式既能及時啟動消防轉輸水泵，又能在火災延續(xù)時間內不間斷工作，保證高區(qū)消防給水的連續(xù)穩(wěn)定供水。在實際滅火救援過程中，高區(qū)消防用水量往往達不到消防設計流量，而消防轉輸水泵以消防設計流量向轉輸水箱供水，造成水箱溢流。為保證消防儲水量能夠在火災延續(xù)時間內全部被有效利用，轉輸水箱溢流管應連接到消防水池。

5　消防給水系統(tǒng)防超壓措施

消防給水系統(tǒng)的超壓是高層建筑中常見的現(xiàn)象，嚴重影響消防管網的安全使用，造成管道、配件、附件、器材和設備的損壞。為確保消防給水系統(tǒng)安全可靠，必須采取相應防治措施。造成消防給水系統(tǒng)超壓的主要原因，有以下幾種常見情況。

①消防給水系統(tǒng)中設備、管材管件、閥門和配件等選用不當，與消防給水工作壓力不匹配，造成管道、配件等超壓破壞。

②按設計流量選消防水泵，而水泵的流量～揚程曲線較陡直，當消防水泵在小流量運行時出現(xiàn)超壓。

③消防水泵從給水管網直接吸水，水泵揚程按給水管網的最低水壓計算。水泵運行時如正逢給水管網的最高水壓，而給水管網的最低水壓與最高水壓相差較大時，就會出現(xiàn)超壓。

④消防給水系統(tǒng)豎向分區(qū)不合理，按最低位置的室內消火栓靜水壓力1.0MPa進行豎向分區(qū)，當系統(tǒng)設有穩(wěn)壓設備時未考慮穩(wěn)壓泵啟停壓力，造成管網超壓。

⑤消防水泵因故障或停電而突然停轉，停泵水錘造成超壓。

⑥消防給水豎向分區(qū)采用減壓閥分區(qū)給水方式，當減壓閥因故障而關閉不嚴或旁通管上閥門失控時，會造成低區(qū)給水管網的超壓。

⑦消防給水采用串聯(lián)給水方式，當止回閥不嚴密時，低區(qū)的水泵會因靜水壓力大于其工作壓力而超壓。

通過對上述造成消防給水系統(tǒng)超壓的原因分析，為保證消防給水系統(tǒng)安全可靠運行，采取下列防超壓措施。

①消防給水系統(tǒng)中采用的設備、管材管件、閥門和配件等系統(tǒng)組件的工作壓力應大于消防給水系統(tǒng)的系統(tǒng)工作壓力。

②選用流量～揚程曲線平緩的水泵，當消防用水量較大時，可設計多臺水泵并聯(lián)。用水量小時單泵運行，用水量大時多泵并聯(lián)運行，并聯(lián)水泵不宜超過3臺。

③進行合理的豎向分區(qū)，消防給水管網豎向分區(qū)時，不按室內消火栓靜水壓力1.0MPa進行分區(qū)，適當留有余地。當系統(tǒng)設有穩(wěn)壓設備時，室內消火栓靜水壓力應按穩(wěn)壓泵停泵壓力計算。

④消防水泵從給水管網直接吸水時，以給水管網的最高水壓對水泵的工作情況進行校核，防止超壓。

⑤消防水泵出口處設置水錘消除器，有效防止停泵水錘。

⑥消防給水豎向分區(qū)采用減壓閥分區(qū)時，應設置備用減壓閥組，閥前設置過濾器，不應設旁通管。減壓閥減壓工況點不得位于減壓閥工作曲線氣蝕區(qū)，當一次減壓不能滿足要求時，可采用串聯(lián)減壓方式。

⑦消防給水采用消防泵直接串聯(lián)給水方式時，應校核系統(tǒng)工作壓力，并應在串聯(lián)消防水泵出水管上設置減壓型倒流防止器。

⑧消防給水系統(tǒng)采取了相關防超壓措施，仍存在超壓可能時，可在系統(tǒng)中采取相應泄壓穩(wěn)壓閥。當系統(tǒng)壓力超過泄壓閥設定值時，泄壓閥動作泄壓；當系統(tǒng)壓力降低到泄壓閥設定值時，泄壓閥自動關閉維持系統(tǒng)壓力，不致造成管網損害。

6　結論

綜上所述，本文明確了消防穩(wěn)壓系統(tǒng)中氣壓罐容積的計算方法，并對計算公式中的各參數(shù)取值提出合理建議；結合不同供水方式和工況，提出了穩(wěn)壓泵設計壓力、消防泵啟動壓力計算方法，并分析討論了消防水泵和消防轉輸水泵啟?？刂埔?；同時提出了高層建筑消防給水系統(tǒng)防超壓解決方案。本文觀點和結論僅供設計人員參考和借鑒。

[1]GB50794-2014，消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范[S].

[2]全國民用建筑工程設計技術措施-給水排水[S].

[3]GB50015-2003，建筑給水排水設計規(guī)范[S].

[4]15S909，消防給水及消火栓系統(tǒng)技術規(guī)范圖示[S].

[5]建筑給水排水設計手冊編寫組.建筑給水排水設計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

TU821.3

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10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.080

吳常軍（1968-），男，安徽太和人，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學，碩士，高級工程師。