自動噴水滅火系統噴頭布水特性實驗探討

李子健+廖東輝+馬蘇煒

摘 要：本文以ZST-15和ZSTX-15型噴頭為例，利用實驗裝置在工作壓力為0.05-0.10MPa范圍內對噴頭進行了布水特性測試實驗。根據實驗所得數據，利用MATLAB數學工具擬合回歸出實驗區域噴水強度分布圖，并對數據進行了分析探討。

關鍵詞：自動噴水滅火系統；噴水強度；噴頭工作壓力；噴頭布水特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.157

1 引言

自動噴水滅火系統是目前應用很廣泛的固定式滅火系統，在發生火災時噴頭能自動開啟，并把水噴灑在著火區域，快速的抑制燃燒，實現火災的初期控制，最大限度的減少損失。盡管從最早的自動噴水滅火系統到現在已經有200多年的應用歷史，而我國的自動噴水滅火系統應用也有90多年的歷史。但在理論和技術經濟各個方面方面仍舊有許多地方值得深入探討。能否有效撲滅火災，主要取決于噴水強度的多少，取決于噴頭的布水形式、布水面積與水滴大小等相關特征。不同形式的噴頭的布水形式和特征是有差異的。文獻《自動噴水滅火系統設計手冊》一文認為，下垂型噴頭向下噴水，在濺水盤平面以下水流向下分布類似于半球狀。落在水平面上的覆蓋范圍是以噴頭的垂線為中心的圓面。在此圓面上，水密度基本上是均勻分布的[1]。而《自動噴水滅火系統噴水強度概率分布特性及其控火性能研究》一文中，作者利用W. K. Chow 和 L. C. Shek的實驗數據，利用MATLAB軟件擬合了徑向距離和噴頭工作壓力等參數關于噴水強度的公式， 最終得出結論：在噴頭有效覆蓋區域，噴頭的噴水強度是不均勻的[2]。本文主要從實驗的角度對噴頭的布水特性問題進行實驗和分析[4]。

2 實驗設計

2.1 實驗裝置

實驗裝置由噴水系統和噴水強度測量裝置組成。噴水系統由水箱、水泵、變頻調速裝置、穩壓裝置、管道系統壓力測量裝置和灑水噴頭等部件組成。主要部件說明如下：

a.灑水噴頭： 為檢測不同噴頭性能，實驗選用金盾公司生產的型號為ZST-15和ZSTX-15的閉式噴頭進行實驗。實驗前將噴頭內的溫感玻璃泡打碎，噴頭采用下噴安裝，距地面高度為2.4m。

b.變頻調速裝置和穩壓裝置：噴頭的布水特性需要在不同的壓力條件下進行實驗。變頻調速裝置可以對水泵電機進行無級調速，從而可以非常方便的調節噴頭工作壓力。為減小噴頭工作壓力波動，水泵出口采用環網并接入穩壓罐進行穩壓。

c.噴水強度測量裝置：該裝置主要包括淋水盤和電子秤等。為便于實驗和數據整理，本文實驗一共選用了兩種不同的淋水盤，一種是直徑為88mm的大淋水盤，一種是直徑為68mm的小淋水盤。由于模擬建筑內幾何尺寸較小，為了達到實驗要求，實驗噴頭安裝在位于靠近建筑的邊角位置。因為噴頭的實際有效覆蓋區域為圓形，所以實驗有效區域實際為噴頭有效覆蓋的四分之一圓的扇形區域。布置淋水盤時，在四分之一圓的扇形區域內，沿徑向每隔7.5度布置一列淋水盤，同一列上淋水盤間距為30cm。

2.2 實驗壓力的選定

在《自動噴水滅火系統設計規范》GB50084-2001（2005年版）中，把噴頭最低工作壓力由0.1 MPa變為0.05 MPa。這是考慮到目前我國的自動噴水滅火系統大多采用高位消防水箱供水的方式，發生火災時，供水泵啟動之前，允許消防水箱或其他輔助供水設施供給系統啟動初期的用水量和水壓。如果頂層最不利點處噴頭的水壓要求為0.1MPa，則屋頂水箱要比頂層噴頭高出10m以上，這會給建筑造型和結構上帶來很大的困難。考慮到這些因素，在參考國外相關規范的基礎上，規范中將最不利點處噴頭的工作壓力確定為不應低于0.05MPa。而因降低最不利點處噴頭最低工作壓力而產生的問題，仍需要通過其他方法解決，但是規范中并未給出具體的方法[3]。噴頭在0.05到0.1MPa工作壓力下噴水強度的實驗數據，國內外很少有相關資料涉及。因此，我們主要在噴頭的工作壓力范圍為0.05-0.1MPa下進行相關實驗。

3 實驗數據整理及分析

3.1 實驗數據處理

水的密度在常溫下可近似取為1g/cm3。在實驗數據處理時，我們用電子秤測出淋水盤內水的質量，然后利用公式（3.1）計算出在杯子中水的體積V，利用公式（3.2）即可得出各個測點的噴水強度。然后在相同的壓力下多次進行實驗，計算出平均值，即可以得到各個測點噴水強度的實驗數據。

根據整理出的各測點噴水強度實驗數據，我們利用數學工具MATLAB軟件擬合回歸出實驗區域噴水強度分布圖。限于篇幅我們只列出型號為ZSTX-15的噴頭在實驗壓力為0.08MPa時的擬合圖，見圖3.1。

3.2 實驗數據分析

根據實驗整理后的數據和圖表可以看出：實驗區域內噴水強度的分布是不均勻的，且有一定的隨機性。由于實驗次數不多，目前暫時沒有尋找到很好的分布規律。噴頭的噴水強度最大值，并不是位于半徑最小的區域，而是位于徑向的中間部位。半徑相同的位置，噴水強度隨角度的變化也有不同。即噴水強度分布的隨機性和不均勻性在徑向和周向都有所體現。ZSTX-15型噴頭噴水強度的峰值一般出現在保護半徑R=100cm～230cm范圍內。噴水強度總體來看隨保護半徑的增加而減小，增加到某一數值后噴水強度幾乎為零。同一種噴頭噴水強度的分布即使在不同壓力的分布規律也比較相近，差異主要表現在噴水強度的大小。兩種不同噴頭噴水強度的分布規律有較大差異，主要體現在峰值出現的位置和總體的均勻性。ZST-15型噴頭噴水強度的峰值一般出現在保護半徑R接近于零范圍內。ZSTX-15型噴頭噴水強度總體的均勻性要好于ZST-15型噴頭。

參考文獻：

[1]黃曉家等.自動噴水滅火系統設計手冊（第一版）[M].北京：中國建筑出版社，2002.

[2]徐曉玲，姚斌，王漢杰，李娟.自動噴水滅火系統噴水強度概率分布特性及其控火性能研究[J].火災科學，2009，18（02）：155-162.

[3]GB50084-2001，自動噴水滅火系統設計規范（2005年版）[S].北京： 中國計劃出版社，2005.

[4]楊曉芳.自動噴水滅火系統若干問題的探討：[碩士學位論文][D].武漢：武漢理工大學，2005.

[5]戴淑萍.濕式自動噴水滅火環狀管網水力計算研究：[碩士學位論文][D].重慶：重慶大學，2008.

基金項目：2015年沈陽航空航天大學大學生創新創業訓練計劃項目 項目編號：DX504306endprint