李少華, 張冰洋

(成都基準方中建筑設(shè)計有限公司， 四川成都 610011)

1 國家規(guī)范要求

首先要明確影響噴水管管徑的幾個因素：

(1)管內(nèi)流速不能超過規(guī)范許可，根據(jù)GB 50084-2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《噴規(guī)》)中9.2.1 條，管道內(nèi)的水流速度宜采用經(jīng)濟流速，必要時可超過5 m/s，但不應(yīng)大于10 m/s。但GB 50974-2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《消規(guī)》)中8.1.8 又規(guī)定，消防給水管道的設(shè)計流速不宜大于 2.5 m/s ，自動水滅火系統(tǒng)管道設(shè)計流速，應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《噴規(guī)》、GB 50151-2010《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《泡規(guī)》) 、GB 50219-2014《水噴霧滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》和GB 50338-2003《固定消防炮滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，但任何消防管道的給水流速不應(yīng)大于 7 m/s。兩本現(xiàn)行規(guī)范有矛盾的時候，原則上應(yīng)該以低限執(zhí)行。那么，原則上，要保證管內(nèi)流速不超過7 m/s。

(2)管徑要滿足流量的需求，而流量又受噴水強度的影響。關(guān)于噴水強度的規(guī)定，在《噴規(guī)》第5章表5.0.1里有詳細規(guī)定。

(a)噴頭布置

(b)噴頭與墻的距離

2 設(shè)計計算

在設(shè)計中采用“矩形面積-逐點法”來進行水力計算，因為實際火災(zāi)發(fā)生時，一般都是火源點呈輻射狀向四周擴大蔓延，而只有失火區(qū)上方的噴頭才會開啟噴水。因此采用作用面積保護方法，即僅在作用面積內(nèi)的噴頭才計算噴水量是合理的。同時，由于火災(zāi)時空氣對流及風(fēng)的影響，作用面積的形狀以呈矩型更為合理，且矩形面積在管道水力計算時也是最不利的。因而這種“矩形面積-逐點法”符合火場實際，是合理的、安全的，也是《噴規(guī)》的推薦作法。

在實際設(shè)計工作中，建設(shè)方經(jīng)常要求設(shè)計師按照《噴規(guī)》表8.0.9(見表1)為依據(jù)來設(shè)計噴水管徑，因為規(guī)范條文解釋說這一條適用于標準流量灑水噴頭。那么下面就來分析一下按這種管徑配管是否可行。根據(jù)現(xiàn)行GB 50067-2014《汽車庫、修車庫、停車場設(shè)計防火規(guī)范》中7.2.3 的規(guī)定，Ⅰ類地下、半地下汽車庫、修車庫以及停車數(shù)大于100輛的室內(nèi)無車道且無人員停留的機械式汽車庫宜采用泡沫-水噴淋系統(tǒng)，泡沫-水噴淋系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《泡規(guī)》的有關(guān)規(guī)定。在《噴規(guī)》這條條文里提到的《泡規(guī)》的規(guī)定，其實就是指《泡規(guī)》的7.3.4.1系統(tǒng)的作用面積應(yīng)為465 m2的規(guī)定，而不采用泡沫-水噴淋系統(tǒng)，用噴水系統(tǒng)的話，作用面積為160 m2。即車庫泡沫-水噴淋系統(tǒng)的作用面積是噴水系統(tǒng)作用面積的近3倍。現(xiàn)在按照規(guī)范規(guī)定的車庫中危險II級的最大間距3.4 m來布置噴頭，然后對465 m2和160 m2兩個不同大小的作用面積分別進行水力計算，看理論上最小設(shè)計流量的噴頭布置方式會得到怎樣的結(jié)果。首先計算作用面積為465 m2的情況，通過天正軟件的計算我們可以得出(由于篇幅原因，計算結(jié)果都不羅列)，無論是最不利還是最有利面積都有管道流速超過7 m/s的情況出現(xiàn)，且系統(tǒng)工作壓力已經(jīng)達到1.14 MPa，遠高于《噴規(guī)》8.0.7條，輕危險級、中危險級場所中各配水管入口的壓力均不宜大于0.40 MPa的規(guī)定；然后又計算作用面積為160 m2的情況，根據(jù)計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)的流速都在規(guī)范許可范圍內(nèi)，系統(tǒng)流量為29.12 L/s，作用面積入口壓力0.37 MPa，證明《噴規(guī)》表8.0.9推薦管徑是可行的。因此，在噴淋管徑的設(shè)計中不能簡單的按照規(guī)范規(guī)定的下限值進行設(shè)計，還是要根據(jù)具體情況，在水力計算的基礎(chǔ)上確定噴淋管徑。

既然《噴規(guī)》推薦的配管方式不能滿足系統(tǒng)作用面積為465 m2的情況，那么當作用面積為465 m2的時候，泡沫-水噴淋系統(tǒng)的又該怎么配管呢？下面根據(jù)實際項目(圖2)來進行計算，整個計算方法如下，根據(jù)管網(wǎng)布置，首先確定最不利面積和最有利面積，因為最不利面積離水流指示器最遠，水頭損失最大，因此以最不利處噴頭工作壓力來計算系統(tǒng)工作壓力；而最有利面積離水流指示器最近，此處噴頭工作壓力最大，噴頭流量最大，因此以最有利面積來計算系統(tǒng)設(shè)計流量。通過天正軟件對兩塊面積的噴淋系統(tǒng)進行計算，需要滿足最不利點四個噴頭圍合面積內(nèi)噴水強度和整個保護面積內(nèi)的噴水強度要求，同時，管內(nèi)流速不能超過規(guī)范上限，筆者通過大量計算(對于各計算結(jié)果此處不再羅列)，得出一個優(yōu)化的管徑和噴頭數(shù)的對照表(表2)。

表1 《噴規(guī)》表8.0.9輕、中危險級場所中配水支管、配水管控制的標準流量灑水噴頭數(shù)量

圖2 系統(tǒng)作用面積

表2 自噴系統(tǒng)管徑選用

以此對系統(tǒng)管徑的優(yōu)化，防火分區(qū)內(nèi)無論是最不利面積還是最有利面積內(nèi)的噴水管內(nèi)流速都在經(jīng)濟流速內(nèi)，系統(tǒng)壓力均衡，系統(tǒng)噴水強度和流量也在正常的設(shè)計范圍內(nèi)。但筆者也注意到，作用面積內(nèi)干管入口壓力偏低(0.193 MPa)。那么調(diào)整一下最有利面積的噴水管管徑，使配水管入口壓力滿足《噴規(guī)》8.0.7條“輕危險級、中危險級場所中各配水管入口的壓力均不宜大于0.40 MPa”的規(guī)定，然后看看情況又如何？通過計算可以看到，當保護面積入口壓力接近0.4 MPa時，系統(tǒng)流量為119.34 L/s,噴水強度達到15.3 L/(min·m2)，這是接近嚴重危險II級的一個噴水強度，雖然沒有規(guī)范條文界定噴水強度的合理區(qū)間，但筆者個人認為這是過度保護，影響到工程的建安成本。

3 結(jié)論

在筆者的圖審工作中，發(fā)現(xiàn)絕大部分設(shè)計人員所設(shè)計的噴水系統(tǒng)的設(shè)計流量都是一個定值，雖說可以通過系統(tǒng)管徑和壓力的控制來達成這個定值，但是設(shè)計管徑、系統(tǒng)壓力和流量之間必須匹配。如果系統(tǒng)工作壓力和工作流量不匹配的話，隨著火災(zāi)蔓延，動作的噴頭數(shù)越來越多，在最不利面積處很可能發(fā)生系統(tǒng)壓力不足，噴水強度不足的問題，而最有利面積又會發(fā)生噴水強度過大，噴水系統(tǒng)儲水提前耗盡的問題，這些情況都會影響噴水系統(tǒng)對火勢的控制和撲滅。而筆者通過這些計算得出的針對泡沫-水噴淋系統(tǒng)管徑選用表，也僅供設(shè)計人員參考，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)各項目的具體情況，如危險等級、噴頭的K值系數(shù)、布置的疏密，以及建設(shè)方的要求進行調(diào)整，但設(shè)計思路大致如此。需要注意的是，防火分區(qū)面積越大，越需要注意沿程水頭損失對設(shè)計流量的影響，因為沿程的水頭損失會疊加到最有利面積處的工作壓力上，造成最有利面積處噴頭工作壓力的增大。因此，噴水支管應(yīng)盡量按規(guī)范要求沿長邊布置，以減少干管長度，從而減少沿程水頭損失；而且，按“矩形面積-逐點法”反推計算出的防火分區(qū)入口壓力不宜超過0.4 MPa，否則需通過放大管徑，或減少噴頭數(shù)量來減少沿程水頭損失。在這里需要強調(diào)的是，噴水系統(tǒng)的設(shè)計流量、揚程一定要通過計算得出，這個數(shù)據(jù)是噴水泵選型的依據(jù)。在實際工程設(shè)計中，不能僅僅算一個系統(tǒng)工作壓力，而流量取個經(jīng)驗值。

4 對車庫噴淋設(shè)計的一些思考

首先，對有關(guān)文獻[1]自動噴水滅火系統(tǒng)奏效率進行分析(表3),可以看出一個噴頭所撲滅的火災(zāi)次數(shù)，占總奏效次數(shù)的百分比為53.16%/95.81%=55.5%，意味著一半以上的火災(zāi)是靠一個噴頭解決問題的；當噴頭動作數(shù)為6個時，奏效率為86.28%/95.81%=90%；當噴頭動作數(shù)為10個時，奏效率為89.46%/95.81%=93.4%；當噴頭動作數(shù)上升至20個時，其奏效率已達96 %(92.02 %/95.81 %)?？紤]加權(quán)平均未統(tǒng)計噴頭個數(shù)的107次奏效案例,20個噴頭時滅火成功率為(1+2.63%)×92.02/95.81=98.6%。再增加噴頭的動作數(shù)量對提高火災(zāi)撲救率沒有多少作用，噴頭動作數(shù)在30個以上的火災(zāi)案例不到0.5 %，所以工程設(shè)計中無需盲目加大設(shè)計流量。

表3 1969～1978年紐約8000座規(guī)范4061次火災(zāi)中自動噴消防奏效率分析

再來看看未奏效原因分析表 (表4)，可以看到，超過半數(shù)的不成功案例是因為供水吊頂被關(guān)閉，這是現(xiàn)在自動噴水滅火系統(tǒng)中必須采用信號閘閥的原因。如果能避免這些維管工作中的失誤，噴淋系統(tǒng)的奏效率會更高。

表4 1969～1978年紐約8000座高層建筑4061次火災(zāi)中自動噴水系統(tǒng)未奏效原因分析

而且，90 %的成功撲救火災(zāi)案例只開放了6個噴頭，系統(tǒng)流量不到10 L/s，就算選用流量為30 L/s的噴淋泵，流量都超出了2倍以上，泄壓閥非設(shè)置不可，而且要求泄壓閥具有良好的性能。所以，地下室泡沫—水噴淋系統(tǒng)作用面積465 m2的規(guī)定是否合理，值得商榷。規(guī)范解釋是油品等液體火災(zāi)，不但熱釋放速率大，而且會產(chǎn)生大量高溫?zé)煔?，高溫?zé)煔鈹U散至距火源較遠處時還可能啟動噴頭；另外，液體火災(zāi)的蔓延速度很快，短時間內(nèi)可能會形成較大面積的火災(zāi)，這也需要系統(tǒng)具有較大的作用面積，以覆蓋著火區(qū)域。因此，開放的噴頭數(shù)量可能較多，開啟噴頭的總覆蓋面積比著火面積要大，甚至大很多。但有觀點認為從汽車本身結(jié)構(gòu)特點來看， 應(yīng)將汽車火災(zāi)危險性劃為丁類和中危險級比較適宜。 汽車自燃，油箱一般不會爆炸，燃燒也不是從油箱引起燃燒的，列入B類火災(zāi)是不合理的。而且規(guī)范 上也是說地下車庫宜設(shè)置泡沫-水噴淋滅火系統(tǒng)，所以各地在規(guī)范的執(zhí)行上還存在差異。

其次，作用面積大，帶來一系列問題。首先就是作用面積 內(nèi)噴頭數(shù)增加，設(shè)計流量增大，消防水池增大，系統(tǒng)配管管徑也增大。不但增加了項目造價，而且跟系統(tǒng)實際工作情況不符，造成系統(tǒng)總是在超壓狀態(tài)下工作，造成噴水強度過大，如果噴頭布置再較密的話，則容易出現(xiàn)“跳噴”現(xiàn)象，安全性降低，浪費建設(shè)成本；但如果減小系統(tǒng)管徑，雖可以節(jié)約初期管網(wǎng)投資，但管網(wǎng)壓力偏高，最有利面積工作壓力太大，造成系統(tǒng)流量變大，因此要增大噴淋泵的型號、用電負荷和水池容積，常年為保證消防水質(zhì)，更換消防池水，也增加了成本。本文雖然是以車庫噴淋系統(tǒng)舉例來闡述噴淋設(shè)計思路的，但同樣適用于不同場所的噴淋設(shè)計。作為設(shè)計人員，應(yīng)在認真計算基礎(chǔ)上，在規(guī)范條文的約束下，來找到安全性和經(jīng)濟性的最佳平衡點。