張 濤, 李秀玲

(陜西冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西西安 710032)

消火栓系統(tǒng)給水方式性能探析

張 濤, 李秀玲

(陜西冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西西安 710032)

影響消火栓系統(tǒng)給水方式的最主要因素是建筑物的高度，依據(jù)在豎向上供水能力的高低，將消火栓系統(tǒng)分為不分區(qū)、并聯(lián)分區(qū)、串聯(lián)分區(qū)三大方式。文章按照供水的關(guān)鍵設(shè)備對不分區(qū)、并聯(lián)分區(qū)給水方式進(jìn)行進(jìn)一步劃分，對每一種給水方式的性能進(jìn)行分析。

消火栓系統(tǒng)； 不分區(qū)系統(tǒng)； 并聯(lián)分區(qū)系統(tǒng)

我國的綜合消防體系由建筑防火分區(qū)系統(tǒng)、火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)組成。消火栓滅火系統(tǒng)是目前國內(nèi)基本滅火手段之一，GB 50045-2005《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[1]規(guī)定高層建筑必須設(shè)室內(nèi)、室外消火栓給水系統(tǒng)。我國目前正在逐步建立以自動噴水滅火系統(tǒng)為主的消防結(jié)構(gòu)體系，自噴系統(tǒng)有發(fā)現(xiàn)火災(zāi)早、反應(yīng)速度快、自動化程度高的優(yōu)勢。但在火災(zāi)后期，尤其是火災(zāi)1 h后未能撲滅火災(zāi)的情況下，自噴系統(tǒng)將自行失去滅火功能，系統(tǒng)被關(guān)閉，要保證滅火的順利進(jìn)行，消火栓系統(tǒng)仍然是不可取代的主要消防手段。

1 現(xiàn)有消火栓給水系統(tǒng)分類

消火栓系統(tǒng)按位置區(qū)分，分為室外和室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)。按使用時(shí)壓力分高壓、臨時(shí)高壓、低壓給水系統(tǒng)、穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)。按管網(wǎng)形式分為枝狀管網(wǎng)消防給水系統(tǒng)和環(huán)狀管網(wǎng)消防系統(tǒng)[2]。

環(huán)狀管網(wǎng)供水安全，在某段損害時(shí)，仍可以供應(yīng)消防用水，故室內(nèi)消防管道應(yīng)采用環(huán)狀管道或環(huán)狀管網(wǎng)。規(guī)定室內(nèi)環(huán)狀管道至少應(yīng)該有兩條進(jìn)水管分別與不同的室外管道連接，當(dāng)任一進(jìn)水管損壞時(shí)，其余進(jìn)水管仍能供應(yīng)全部進(jìn)水量以保證供水安全。

室內(nèi)的環(huán)狀管網(wǎng)基本形式包括平面環(huán)網(wǎng)、豎向環(huán)網(wǎng)及立體管網(wǎng)。

2 不分區(qū)的消火栓給水系統(tǒng)

2.1 多層建筑消火栓給水方式

超過6層塔式或通廊式住宅、超過5層或體積超過10 000 m3的其它民用建筑、超過4層的廠房和庫房等多層建筑，如室內(nèi)消防豎管為2條或超過2條時(shí)，應(yīng)至少每2條豎管相連組成環(huán)狀管道。7～9層的單元式住宅的室內(nèi)消防管道成環(huán)狀在工作中困難較多，且單元式住宅單元每間有分隔墻分隔開，火災(zāi)不易蔓延，允許成支狀管網(wǎng)布置，同時(shí)允許采用一條進(jìn)水管。

9層及9層以下的住宅(包括底層設(shè)置商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)的住宅)和建筑高度不超過24 m的單層公共建筑，根據(jù)建筑物高度、室外管網(wǎng)壓力、流量和室內(nèi)消防流量、水壓等要求，其給水方式可以分為以下幾類。

2.1.1 無加壓泵和水箱的室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)

一般用于允許在室外管網(wǎng)直接供水、建筑物不高、室外給水管網(wǎng)的壓力和流量完全能滿足室內(nèi)最不利點(diǎn)消火栓的設(shè)計(jì)水壓和流量時(shí)(圖1)。

圖1 無加壓泵和水箱

該系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡單，工程投資少，安裝維護(hù)簡單，能夠充分利用室外給水管網(wǎng)水壓，節(jié)省能源。

2.1.2 設(shè)水箱的室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)

常用在允許在室外管網(wǎng)直接供水，市政管網(wǎng)水壓變化較大的居住區(qū)，當(dāng)生活、生產(chǎn)用水量較少時(shí)，室外管網(wǎng)壓力較大，能夠向高位水箱補(bǔ)充水量;而當(dāng)生產(chǎn)、生活用水較大時(shí)，室外管網(wǎng)壓力不能保證最不利點(diǎn)消火栓的壓力和流量(圖2)。

圖2 設(shè)水箱

該系統(tǒng)充分利用室外管網(wǎng)壓力，節(jié)省能源。但需要設(shè)高位水箱，增加結(jié)構(gòu)荷載，占用建筑面積以得到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

2.1.3 設(shè)水泵的室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)

在室外管網(wǎng)壓力不能滿足消防水壓，又難以設(shè)置或不允許設(shè)置高位水箱的情況下，可以單設(shè)水泵從消防水池吸水加壓。如果允許在室外管網(wǎng)抽水，則可以根據(jù)外網(wǎng)壓力減小泵的揚(yáng)程，節(jié)省設(shè)備投資(圖3)。

圖3 設(shè)水泵

2.1.4 設(shè)水泵和水箱的室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)

用在室外管網(wǎng)壓力不能滿足室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)的水量和水壓要求。此系統(tǒng)相比前兩種形式設(shè)備復(fù)雜，投資較多。

該系統(tǒng)有兩種形式。水泵直接從室外管網(wǎng)吸水，充分利用外網(wǎng)壓力，節(jié)省投資;水泵從消防水池吸水，水池、水箱均儲存一定量的消防用水，供水壓力穩(wěn)定，但能耗大，占用建筑面積大。

2.1.5 氣壓給水方式的室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)

適用于室外給水管網(wǎng)壓力經(jīng)常不足，不宜設(shè)高位水箱的建筑，水泵從室外給水管網(wǎng)或水池吸水加壓，利用氣壓水罐儲存和調(diào)節(jié)流量以及控制水泵運(yùn)行。該系統(tǒng)供水可靠，水質(zhì)較好，不需設(shè)高位水箱，但水壓波動較大，水泵平均效率低，啟動頻繁，能源消耗量大(圖4)。

圖4 氣壓給水

2.2 高層建筑消火栓系統(tǒng)的給水方式

建筑高度不超過50 m的工業(yè)與民用建筑物，一旦著火，消防隊(duì)使用解放牌消防車，從室外消火栓(或消防水池)取水，通過水泵結(jié)合器往室內(nèi)管網(wǎng)送水，可協(xié)助室內(nèi)撲滅火災(zāi)[3]。在室外供水環(huán)網(wǎng)能滿足消防水量的要求、供水主管部門允許直抽的情況下，系統(tǒng)直接從室外供水環(huán)網(wǎng)抽水，可充分利用外網(wǎng)的壓力，消防水泵揚(yáng)程降低，系統(tǒng)簡單，不設(shè)消防水池，節(jié)省占地面積，維護(hù)管理方便[4]。設(shè)計(jì)時(shí)，以室外供水環(huán)網(wǎng)最低進(jìn)水壓力為設(shè)計(jì)參數(shù)，以室外供水環(huán)網(wǎng)的最高供水壓力進(jìn)行校核。當(dāng)室外供水環(huán)網(wǎng)無法滿足消防的水量要求，或者供水的主管部門不允許直抽時(shí)，需設(shè)計(jì)消防水池儲存消防用水量。當(dāng)高位水箱的高度無法滿足最不利消火栓的水壓要求時(shí)，在高位消防水箱的儲水罐上設(shè)增壓泵或氣壓罐。

3 并聯(lián)分區(qū)的給水方式

建筑高度超過50 m的室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)難以得到一般消防車的供水支援，要立足于自救，采用分區(qū)給水。具體的操作依據(jù)是消火栓栓口靜水壓力不應(yīng)大于0.8 MPa，當(dāng)大于這個(gè)值時(shí)采用分區(qū)給水系統(tǒng)。

有多種分區(qū)方式，根據(jù)建筑物高度采用并聯(lián)分區(qū)和串聯(lián)分區(qū)方式。根據(jù)供水設(shè)備不同又分為低區(qū)利用外網(wǎng)壓力供水、分泵供水、多出口泵供水、變頻調(diào)速泵組供水。

3.1 低區(qū)利用外網(wǎng)壓力供水的并聯(lián)分區(qū)

在室外供水環(huán)網(wǎng)供水安全可靠、可以滿足低層部分消防時(shí)的水量和水壓要求、當(dāng)?shù)刂鞴懿块T允許直抽的情況下，低層部分的消火栓從外網(wǎng)直接供水，高層部分則采用水泵從消防水池吸水，向管網(wǎng)加壓供水。這能夠省去低區(qū)一套消防水泵的投資，同時(shí)節(jié)省水泵房的占用面積。水泵直接吸水指固定消防水泵直接從給水管網(wǎng)吸水，而不從水池或水箱吸水的形式。

本系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是充分利用室外給水管網(wǎng)壓力，減少水泵揚(yáng)程，節(jié)約能源;減少消防水池等構(gòu)筑物，節(jié)約面積，節(jié)省投資，縮短工期;水泵自管式吸水，便于自動控制;可防止消防水池等開口設(shè)施的二次污染。

缺點(diǎn)是水泵吸水時(shí)，室外給水管網(wǎng)壓力下降，應(yīng)向附近其它建筑的用水，室內(nèi)給水管網(wǎng)的水流有可能造成對室外給水管網(wǎng)的回流污染，當(dāng)水泵選用不當(dāng)時(shí)，有可能出現(xiàn)超壓;由于室外給水管網(wǎng)的壓力晝夜、四季和歷年的變化，為水泵始終在高效區(qū)運(yùn)行帶來困難。為解決此問題，可參考如下方法：

為保證最不利點(diǎn)的消防用水設(shè)施的水壓要求，按室外給水管網(wǎng)的最低水壓計(jì)算水泵;為避免出現(xiàn)超壓，并且使水泵在高效區(qū)工作，以室外給水管網(wǎng)的最高水壓校核水泵的超壓和工作效率;為減小水泵運(yùn)行時(shí)對管網(wǎng)壓力變動的影響，水泵的流量盡量接近消防用水量，且從室外給水管網(wǎng)直接吸水的連接管宜選擇大管徑、壓力高的管段;為便于維修，在吸水管上裝設(shè)閥門;防止室外給水管網(wǎng)壓力下降至0.1 MPa以下和出現(xiàn)真空，在吸水管段上裝設(shè)壓力傳感器和報(bào)警等裝置;為防止回流污染，在吸水管上裝設(shè)止回閥或防污隔斷閥等裝置(圖5)。

圖5 低區(qū)利用外網(wǎng)壓力

3.2 分泵供水的并聯(lián)分區(qū)

分泵供水方式是指各區(qū)有各自獨(dú)立的消防泵、屋頂水箱、水泵結(jié)合器，這是較傳統(tǒng)的一種方式，也是最有效最安全的方式。

此方式優(yōu)點(diǎn)是適用于兩種不同功能組建的商住樓、綜合樓，特別是對今后有不同物業(yè)管理單位使用的建筑以及分二期實(shí)施且高低差較大的建筑工程安全性好。

缺點(diǎn)在于：(1)各區(qū)都必須設(shè)置獨(dú)立的水泵接合器，整棟建筑的水泵接合器數(shù)量較大。(2)由于各區(qū)獨(dú)立，水泵數(shù)量多，泵房所需面積大。如一般分兩個(gè)區(qū)的建筑，消防泵至少需要6臺，高、低區(qū)消火栓泵各2臺；高、低區(qū)噴淋泵2臺；生活泵2臺?？偙梅棵娣e將不少于100 m2。

3.3 多出口泵供水的并聯(lián)分區(qū)

雙出口多級離心水泵[5]進(jìn)口流量等于高、低出水口流量之和，兩個(gè)出水口可同時(shí)出水也可單獨(dú)出水，水泵所配點(diǎn)擊容量按高壓出水口單獨(dú)出水工況確定。高壓出水口擁有高區(qū)系統(tǒng)管網(wǎng)，低壓出水口用于低壓系統(tǒng)管網(wǎng)。這能較好地解決分區(qū)分界處的樓層發(fā)生火災(zāi)時(shí)的消防給水問題，又可以減少變配電設(shè)備，減少泵房及變配電間建筑面積，降低了工程設(shè)備及占地費(fèi)用。為減掉中間水箱，可采用屋頂水箱出水經(jīng)減壓閥供給各分區(qū)的處理方式(圖6)。

圖6 多出口泵供水(減壓閥減壓)

存在問題在于當(dāng)分界面上兩個(gè)出口同時(shí)供水時(shí)，高低區(qū)揚(yáng)程將會波動。高區(qū)將超過銘牌揚(yáng)程，低區(qū)低于銘牌揚(yáng)程；高區(qū)流量越大，低區(qū)揚(yáng)程越小，則高低區(qū)揚(yáng)程越接近銘牌的等分值，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)措施。

3.4 變頻調(diào)速泵組供水的并聯(lián)分區(qū)

變頻調(diào)速泵組的工作原理是[6]高低區(qū)各設(shè)一套機(jī)組，系統(tǒng)中無水箱，小流量高揚(yáng)程水泵置于變頻調(diào)速控制，消防給水工作泵處于工頻狀，前者保證消防給水系統(tǒng)的水壓，后者在火災(zāi)發(fā)生后相繼啟動供水滅火。一般由兩臺穩(wěn)壓泵(一用一備)及兩臺消防泵(一臺備用)組成。平時(shí)根據(jù)壓力開關(guān)信號啟停穩(wěn)壓泵，維持系統(tǒng)壓力，當(dāng)有火警時(shí)，穩(wěn)壓泵維持不住消防所需壓力而降至一設(shè)定值時(shí)自動啟動消防給水工作泵，或由消火栓按鈕啟動工作泵，并發(fā)出聲光報(bào)警。

變頻調(diào)速泵的最大的優(yōu)點(diǎn)是高效節(jié)能，消防給水系統(tǒng)中不需設(shè)水箱，而且能防止管網(wǎng)系統(tǒng)超壓。但是它仍然存在恒速泵并連供水方式的缺點(diǎn)，即高低區(qū)給水系統(tǒng)均要設(shè)置自己的機(jī)組，設(shè)備多，管理復(fù)雜，占地面積大，分界層樓面的火災(zāi)不能很好解決，而且變頻的關(guān)鍵部件造價(jià)較高。GB 50045-2005《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[1]中要求在建筑物頂設(shè)置水箱，所以消防給水系統(tǒng)中的水箱不能省掉。因此，這種供水方式有待于進(jìn)一步探討(圖7)。

圖7 變頻調(diào)速泵組供水

主要優(yōu)點(diǎn)有:(l)節(jié)能。按需要設(shè)定壓力，根據(jù)用水量的變化來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使設(shè)備變量變壓或恒壓供水，達(dá)到節(jié)能的目的。(2)水泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)軟啟動方式，多臺水泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)循序啟動運(yùn)行，可延長設(shè)備使用壽命和保證運(yùn)行的可靠性。(3)調(diào)速運(yùn)行可避免在火災(zāi)初期階段或水泵檢驗(yàn)時(shí)的超壓問題。(4)全自動運(yùn)行，使用方便。(5)結(jié)構(gòu)緊湊，占地省，安裝方便，便于集中管理。

主要缺點(diǎn)有:變頻器價(jià)格貴，整機(jī)價(jià)格比其他給水設(shè)備昂貴；變頻對工作環(huán)境條件(包括溫度、濕度、灰塵等)要求高；變頻器在工作時(shí)出現(xiàn)的干擾，影響變頻器的正常工作。

4 總結(jié)

隨著建筑高度的增加，設(shè)計(jì)中為了避免管道壓力過大，減少使用耐高壓的水泵及管道配件，當(dāng)建筑高度超過100 m時(shí)，經(jīng)常采用串聯(lián)供水方式[1]。串聯(lián)分區(qū)又分為串聯(lián)水泵供水、轉(zhuǎn)輸水箱供水、重力水箱供水。在建筑的整個(gè)給水系統(tǒng)中，還可將轉(zhuǎn)輸水箱供水與重力水箱供水組合使用;在串聯(lián)的各個(gè)區(qū)內(nèi)，可根據(jù)分區(qū)需要，采用減壓閥或多出口泵的并聯(lián)供水方式。

本文對我國消火栓系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)行消防規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊對消火栓的不分區(qū)、并聯(lián)分區(qū)給水系統(tǒng)按照關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行了進(jìn)一步劃分，分析了不同給水方式的優(yōu)缺點(diǎn)。在進(jìn)行消火栓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)具有參考價(jià)值。

[1] GB 50045-2005 高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S]. 北京：中國計(jì)劃出版社, 2005.

[2] 王增長.建筑給水排水工程[M].4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

[3] 建筑給水排水工程設(shè)計(jì)實(shí)例編委會.建筑給水排水工程實(shí)例[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[4] 核工業(yè)部第二研究設(shè)計(jì)院.給水排水設(shè)計(jì)手冊(第二冊)室內(nèi)給水排水[M]. 中國建筑工業(yè)出版社, 1986.

[5] 嚴(yán)煦世，范瑾初, 許保玖.給水工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[6] 杜一民，陳方肅. 高層建筑給水排水設(shè)計(jì)手冊[M]. 2版.長沙:湖南科技出版社，2002.

[定稿日期]2017-06-28

張濤(1981～)，男，本科，工程師，建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)；李秀玲(1976～)，女，本科，工程師，采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)工程專業(yè)。

TU892

A