環狀管網水力計算方法在自動噴水滅火系統中的應用探究

摘要：自動噴水滅火系統滅火速度快，適用性廣，在工程項目中得到了廣泛應用。而環狀自噴管網不僅可以滿足每個噴頭都有兩路水源供水，還能減少系統的水力損失使系統布水更加均勻，從而起到減小消防主泵壓力和環狀管網管徑的作用，最終達到降低系統造價、提高系統可靠性的目的，在嚴重危險等級和倉庫危險等級中常常被采用。現著重研究環狀管網在自動噴水滅火系統中的應用，并建立一套合理的水力計算方法，為自動噴水滅火系統的安全可靠運行提供技術支撐。

關鍵詞：自動噴水滅火系統;環狀管網;水力計算;最不利區域

中圖分類號：TV222.2 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）19-0044-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.010

0 引言

《全國民用建筑工程設計技術措施 給水排水》（2009年版）7.2.15條規定“嚴重危險等級和倉庫危險等級宜采用環狀管網和格柵狀管網”[1]，但在環狀管網的實際工程應用中往往只注重了管線布置，而忽視了其水力計算的準確性，從而導致環狀管網在工程實際應用的意義大打折扣。合理正確地使用環狀管網對于提高自動噴水系統的穩定性以及降低系統運行成本具有重要作用。

1 工程概況

某站臺物流倉庫（寒冷地區丙類倉庫），長80 m，寬20 m，高7 m（平屋面）。占地面積1 600 m2，儲物高度3.5 m。根據GB 50016—2014《建筑設計防火規范》（2018年版）第8.3.2條“每座占地面積大于1 500 m2或總建筑面積大于3 000 m2的其他單層或多層丙類物品倉庫應設置自動滅火系統，并宜采用自動噴水滅火系統”[2]和GB 50084—2017《自動噴水滅火系統設計規范》第4.2.3、4.2.4“環境溫度低于4 ℃或高于70 ℃的場所，應采用干式系統，預作用系統可替代干式系統”[3]的規定，此物流倉庫需要設置預作用自動噴水滅火系統。

根據GB 50084—2017《自動噴水滅火系統設計規范》有關規定，此物流倉庫屬于倉庫危險級Ⅱ，儲物高度為3.5 m。可知倉庫噴水強度D=12 L/（min·m2），作用面積200 m2，持續噴水時間2.0 h。選用ZSTYZ-15型閉式直立型噴頭，噴頭流量系數K=80，最低工作壓力Ps≥0.05 MPa，最不利噴頭接管管徑DN25。

2 水力計算

2.1 節點流量水力計算

考慮到精算法計算的壓力流量比較準確，而粗算法計算有一定誤差，以下水力計算均采用精算法。均勻布置噴頭，單個噴頭保護面積為3.0 m×2.5 m=7.5 m2，得到自噴平面布置如圖1所示，自噴支管剖面圖如圖2所示。

天正給排水軟件默認忽略噴頭短立管對噴頭出水量的影響，但對類似于直立型上噴的安裝方式，短立管對噴頭出水不利，應考慮短立管對噴頭的流量影響。本文把短立管和噴頭一起視為一個節點復合型噴頭考慮。

根據式（1）～（9）：

q=AsD（1）

Ps=（2）

Vs=（3）

S=πDj/4（4）

i=0.000 010 7×Vs2/Dj 1.3（5）

hs=i×（La+Lb）（6）

Po=Ps+hs+Zs（7）

Zs=0.01×La（8）

Ks=（9）

式中：D為最小噴水強度，取12.0 L/（min·m2）;As為最不利噴頭保護面積，取2.5×3.0=7.5 m2;K為噴頭流量系數，取80.0;S為管道計算截面積;Dj為最不利噴頭接管計算內徑;q為最不利噴頭的流量;Ps為最不利噴頭最小工作壓力;Vs為配水流速;i為水力坡降;La為立管長度，取0.30 m;Lb為當量長度;hs為最不利噴頭至下一節點產生的水力損失（等效沿程水力損失）;Zs為立管幾何高差產生的壓力;Po為節點工作壓力;Ks為噴頭折算流量系數。

計算得到：Po=0.140 8 MPa，Ks=75.965，即節點1處的壓力為0.140 8 MPa，流量系數為75.965，節點流量水力計算如表1所示。

2.2 支管流量水力計算

通過采用節點1工作壓力、噴頭折算流量系數相同的方法可以計算出支管圖中各節點的工作壓力、流量和支管流量折算系數，支管流量水力計算統計結果如表2所示。

2.3 作用面積流量水力計算

由圖1與表1可知，單根配水支管保護面積Sz=10×

3=30 m2，噴頭最小作用面積為200 m2。取任意相鄰的7根配水支管，作用面積210 m2，如圖3所示。將作用面積內的噴頭視為一個復合噴頭，定義為作用面積噴頭。采用計算支管流量的算法計算出作用面積復合噴頭的工作流量，作用面積流量水力計算結果如表3所示。

2.4 環狀管網水力計算

采用理論計算時，可以把系統管網簡化成環狀管網，如圖4所示。節點A為環狀管網入口端，假設節點B為作用面積復合噴頭滅火點。由于節點壓力的唯一性，可知管段L1的水頭損失應與管段L2的水頭損失相等，滿足下列公式：

Q=Q1+Q2（10）

i1×L1=i2×L2（11）

式中：Q為自噴管網入口流量;Q1為通過管段L1到達節點B的流量;Q2為通過管段L2到達節點B的流量。

公式（10）（11）聯立公式（3）（4）（5）可以推導出下列公式：

=（12）

式中：D1為管段L1計算內徑;D2為管段L2計算內徑。

由D1=D2可得：

Q1=（13）

Q2=（14）

3 最不利區域判斷

在系統靠近入口、系統中段、系統末端選擇Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個區域（每個區域面積都為210 m2，與一個復合面積噴頭流量相等），如圖5所示，分別計算這三個區域的系統入口壓力，根據計算判定系統入口壓力最大的區域即為最不利區域。

3.1 假設區域Ⅰ為最不利區域

如圖6所示，假設節點9為壓力平衡點，則：

環路A（9—10—11—12—1）管道總長度為168 m，含側三通1個，90°彎頭3個，則：L1=168+1×7.6+3×3.7=186.7 m。

環路B（9—8—7—6—5—4—3—2—1）管道總長度為28 m，含側三通1個，90°彎頭1個，則：L2=28+1×7.6+1×3.7=39.3 m。

由公式（13）（14）可算出通過環路A、環路B在節點9的流量如表4所示。

由表4可知環路A經過流量Q1大于2根支管流量，已知單根支管流量為定值，說明環路A至少能輸送至滿足節點8的支管流量需求，如圖5所示，故節點9為壓力平衡點不成立。

假設節點7為壓力平衡點，則：

環路A（7—8—9—10—11—12—13—1）管道總長度為174 m，含側三通1個，90°彎頭3個，則：L1=174+

1×7.6+3×3.7=192.7 m。

環路B（7—6—5—4—3—2—1）管道總長度為22 m，含側三通1個，90°彎頭1個，則：L2=22+1×7.6+1×3.7=33.3 m。

由表5可知環路A經過流量Q1大于2根支管流量，小于3根支管流量，說明環路能送至節點7但不能滿足節點6的支管流量需求，故節點7為壓力平衡點成立。

因此，利用公式（1）～（14）可反推通過環路A、環路B可以分別算出節點1的壓力及流量結果如表6所示。

由表6可知：通過環路A計算出節點1處的壓力Pa=0.264 MPa，通過環路B計算出節點1處的壓力Pb=0.257 MPa，環路A、B計算入口壓力平均值P=（Pa+Pb）/2≈0.261 MPa，環路A、B計算入口壓差ΔP=

Pa-Pb=0.007 MPa，約為平均壓力的2.7%，誤差很小可以忽略不計。

入口流量Q=Qa+Qb=2 844.43 L/min≈47.41 L/s。

3.2 假設區域Ⅱ為最不利區域

區域Ⅱ節點如圖7所示，計算得到壓力平衡點為節點7，環路A、B計算入口壓力平均值P=0.276 MPa，入口壓差ΔP=Pa-Pb=0.005 MPa，約為平均壓力的1.8%，入口流量Q=2 842.581 L/min≈47.38 L/s。

3.3 假設區域Ⅲ為最不利區域

區域Ⅲ節點如圖8所示，計算得到壓力平衡點為節點6，環路A、B計算入口壓力平均值P=0.283 MPa，入口壓差ΔP=Pa-Pb=0.001 MPa，約為平均壓力的0.35%，入口流量Q=2 841.91 L/min≈47.37 L/s。

3.4 計算結果

通過分別假設區域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個區域為最不利區域計算的入口壓力值分別為0.261、0.276、0.283 MPa，可判定區域Ⅲ為最不利區域，由此得到環狀自噴管網計算入口壓力P=0.283 MPa，入口流量Q=47.37 L/s。

4 結論

本文通過對該物流倉庫建筑特點分析，設置預作用自動噴水滅火系統，對該系統建立了節點—支管—環路層層遞進的水力計算方法，并將整個環狀管網劃分為三個不利區域進行計算，確立最不利區域，找到壓力平衡點，得到該工程自噴滅火系統的供水壓力，為系統的設計提供了理論基礎。

通過計算結果還發現環狀管網在各個區域的壓力都比較均衡，相比較枝狀管網具有更高的可靠性，避免了不同環路的壓力不平衡，可有效降低消防主泵運行壓力，對消防工程的前期投入和后期運行成本具有極大意義。

[參考文獻]

[1] 住房和城鄉建設部工程質量安全監管司，中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施 給水排水[M].北京：中國計劃出版社，2009.

[2] 建筑設計防火規范（2018年版）：GB 50016—2014[S].

[3] 自動噴水滅火系統設計規范：GB 50084—2017[S].

收稿日期：2024-03-08

作者簡介：何金偉（1991—），男，湖北人，工程師，研究方向：給排水及暖通工程設計。