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        高層建筑消防給水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2023-04-07 02:26:50劉志恒
        關(guān)鍵詞:耗水量水流量穩(wěn)壓

        劉志恒

        (中外建工程設(shè)計(jì)與顧問(wèn)有限公司,北京 100050)

        0 引言

        隨著城市的發(fā)展,中心城區(qū)的建筑物十分密集,為提高土地的商業(yè)價(jià)值,建造了大量的高層建筑、超高層建筑,這些建筑物為人類的居住或者商業(yè)活動(dòng)提供了空間,也是城市財(cái)富集聚的場(chǎng)所,對(duì)防火的要求非常高,否則極易造成經(jīng)濟(jì)損失[1]。另外,高層建筑不斷往垂直方向上發(fā)展,延緩了消防人員達(dá)到火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)的時(shí)間,增加救援滅火的難度和建筑物內(nèi)人員的逃生難度,因此容易造成人員傷亡。為了將火災(zāi)控制在發(fā)展初期,提供足夠的水源和滅火設(shè)備是有效的救援手段[2]。在高程建筑消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮用水的特殊性,充分滿足消防用水需求。

        1 工程概況

        北京市某商業(yè)安居小區(qū)高層建筑采用消火栓環(huán)狀管網(wǎng),小區(qū)共由5 棟建筑物組成,編號(hào)分別為A1#~A5#,各層建筑物的結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)表1。

        表1 高層建筑各層結(jié)構(gòu)特征

        小區(qū)共設(shè)置1 層地下室,設(shè)有地下泵房以供消防系統(tǒng)給水泵使用,地下室層高為4.20 m,結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu),上覆土層厚度為2.5 m。所有建筑的消防給水系統(tǒng)采用臨時(shí)高壓給水系統(tǒng),地下室按中危險(xiǎn)II 級(jí)設(shè)置火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí),建筑內(nèi)每個(gè)消防栓均設(shè)置消防按鈕,在使用時(shí)間扭開(kāi)按鈕即可提供足夠的水源。另外,建筑物各層室內(nèi)均配備了閉式自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng),以提供火災(zāi)發(fā)生早期的消防需求,設(shè)計(jì)噴水強(qiáng)度為6 L/(min·m-2),噴頭工作壓力為0.1 MPa。

        2 高層建筑用水規(guī)律分析

        對(duì)研究區(qū)某高層建筑的每日用水量進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)時(shí)間為2022 年8 月1 日—2022 年9 月14 日,共45 天。水量監(jiān)測(cè)采用的是基于傳播時(shí)差法的超聲波流量計(jì),其流量計(jì)算原理如公式(1)所示[3-4]。

        式中:V為水流量,m3;θ為超聲波與水流運(yùn)動(dòng)方向的夾角,°;M為超聲波在水體內(nèi)部直線傳播的次數(shù);D為水管的內(nèi)直徑,m;Tu為超聲波順?biāo)较虻膫鞑r(shí)間,s;Td為超聲波逆水方向的傳播時(shí)間,s。

        高層建筑對(duì)接的市政給水管網(wǎng)水壓為0.2 MPa,監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi),高層建筑每日耗水量監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2 和圖1。從圖1中可以看出,高層建筑在2022 年8 月10 日出現(xiàn)最大每日耗水量,達(dá)到215.46 m3,在2022 年9 月3 日出現(xiàn)最小每日耗水量,達(dá)到103.95 m3。

        圖1 高層建筑每日耗水量監(jiān)測(cè)曲線

        表2 高層建筑每日耗水量監(jiān)測(cè)結(jié)果

        為了更加可靠地對(duì)高程建筑的消防給水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)最不利工況的每日用水量進(jìn)行分析,即對(duì)2022 年8月10 日(每日耗水量最大)的全天用水量進(jìn)行研究,結(jié)果如圖2 所示。從圖2 中可以看出,隨著時(shí)間的增加,高層建筑的每小時(shí)耗水量呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng),并出現(xiàn)3 個(gè)波峰和3 個(gè)波谷,波峰出現(xiàn)的時(shí)間在早上8:00、下午14:00 和晚上18:00,小時(shí)耗水量分別為11.84m3、10.44m3和11.82m3。波谷出現(xiàn)的時(shí)間在凌晨2:00、上午10:00 和下午16:00,小時(shí)耗水量分別為2.15m3、7.77m3和6.98m3。

        圖2 高層建筑每小時(shí)耗水量監(jiān)測(cè)曲線

        3 高層建筑消防給排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        為了滿足不同樓層的用水壓力需求,按照建筑樓層高度進(jìn)行給水系統(tǒng)豎向分區(qū),當(dāng)樓層小于3 層(低壓區(qū))時(shí)按市政管網(wǎng)水壓直接供水,而3 層以上樓層(高壓區(qū))則通過(guò)配備加壓設(shè)備的方式二次供水,以優(yōu)化消防給排水的供水方式[5-7]。對(duì)于配置水管中的水壓大于0.2 MPa 的用水器具來(lái)說(shuō),由于水壓力過(guò)大會(huì)造成水錘現(xiàn)象,同時(shí)在用水點(diǎn)開(kāi)啟閥門時(shí),水流在高水壓作用下流速過(guò)大,產(chǎn)生水化噴濺現(xiàn)象,不僅會(huì)損壞用水管道,而且會(huì)浪費(fèi)水資源,給使用者造成不便,因此可以采取降壓措施,以滿足器具的工作壓力要求。

        在消防系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中,火災(zāi)延續(xù)時(shí)間3h,當(dāng)用水量標(biāo)準(zhǔn)為20L/s 時(shí),室外消防栓給水系統(tǒng)一次消防用水量為216m3,火災(zāi)延續(xù)時(shí)間3h,當(dāng)用水量標(biāo)準(zhǔn)為40L/s 時(shí),室外消防栓給水系統(tǒng)一次消防用水量為432m3,火災(zāi)延續(xù)時(shí)間1h,當(dāng)用水量標(biāo)準(zhǔn)為35L/s 時(shí),自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)一次消防用水量為126m3,因此,高層建筑總的消防用水量為774m3,可以得到室內(nèi)總消防水池儲(chǔ)水量和自動(dòng)噴水系統(tǒng)儲(chǔ)水量,如公式(2)、公式(3)所示[6]。

        按照進(jìn)水流速1 m/s 計(jì)算,得到3h 內(nèi)消防水池的補(bǔ)水量,如公式(4)所示[7]。

        由此得到消防水池的有效容積,如公式(7)所示[8]。

        在消防系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)中,第19 層的消防栓為最不利消防栓,需要采用增壓穩(wěn)壓設(shè)備,該研究采用ZWL-I-XZ-10立式增壓穩(wěn)壓設(shè)備,質(zhì)量為2312 kg,穩(wěn)壓水容積為86 L,立式隔膜氣壓罐規(guī)格為SQL1000×0.6,壓力比為0.65,消防儲(chǔ)水容積為450 L,配用水泵信號(hào)為25LGW3-10×4。

        為了比較高層建筑消防給水系統(tǒng)增設(shè)增加穩(wěn)壓的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果,對(duì)各個(gè)樓層的增壓穩(wěn)壓前后各樓層的水流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,結(jié)果見(jiàn)表3 和圖3。從圖3 可以看出,當(dāng)未增加增壓穩(wěn)壓設(shè)備時(shí),各樓棟的水流量在樓層豎向方向上呈現(xiàn)明顯的分區(qū)現(xiàn)象,當(dāng)樓層小于6 層時(shí),其水流量變化范圍在40 L/s~60 L/s,隨著樓層的增高,水流量均呈現(xiàn)顯著的近線性降低,在8 層以上已不滿足火災(zāi)延續(xù)時(shí)間1h,用水量標(biāo)準(zhǔn)為35 L/s 的用水需求,而在24 層以上已不滿足火災(zāi)延續(xù)時(shí)間3 h,用水量標(biāo)準(zhǔn)為20 L/s 的用水需求。在采用增壓穩(wěn)壓設(shè)備后,各個(gè)樓層的水流量曲線呈現(xiàn)不同程度地波動(dòng),但是這種波動(dòng)變化趨勢(shì)表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性,即隨著樓高度的增加,水流量的波動(dòng)范圍也保持在40 L/s~60 L/s,由此說(shuō)明,采用增壓穩(wěn)壓設(shè)備可以很好地控制高層建筑消防給排水系統(tǒng)的水流量。

        圖3 高層建筑增壓穩(wěn)壓優(yōu)化前后各樓層水流量曲線

        表3 高層建筑增壓穩(wěn)壓優(yōu)化前后各樓層水流量分布

        4 結(jié)論

        該文以北京市某商業(yè)安居小區(qū)高層建筑為研究對(duì)象,分析高層建筑每日用水量和每小時(shí)用水量的用水規(guī)律,按照建筑樓層高度進(jìn)行給水系統(tǒng)豎向分區(qū),采用增壓穩(wěn)壓設(shè)備優(yōu)化供水方式,研究增壓穩(wěn)壓設(shè)備優(yōu)化前后各樓層的用水量變化關(guān)系,得到以下2 個(gè)結(jié)論:1)在監(jiān)測(cè)各高層建筑每日用水量時(shí)間段內(nèi),每日用水量表現(xiàn)出不同程度的波動(dòng)性,對(duì)最不利每日用水量工況分析表明,隨著時(shí)間的增加,高層建筑的每小時(shí)耗水量呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng),并出現(xiàn)3 個(gè)波峰和3 個(gè)波谷。2)當(dāng)未增加增壓穩(wěn)壓設(shè)備時(shí),各樓棟的水流量在樓層豎向方向上呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)現(xiàn)象,當(dāng)樓層小于6 層時(shí),其水流量變化范圍在40 L/s~60 L/s,而隨著樓層的增高,水流量均呈現(xiàn)顯著的近線性降低。在采用增壓穩(wěn)壓設(shè)備后,各個(gè)樓層的水流量曲線呈現(xiàn)出不同程度的波動(dòng),隨著樓層的增加,水流量的波動(dòng)范圍也保持在40 L/s~60 L/s,由此表明,采用增壓穩(wěn)壓設(shè)備對(duì)高層建筑消防給排水系統(tǒng)的水流量起到良好的控制作用。

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