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稳高压消防给水系统在超高层建筑中的应用

在超高层建筑设计中，消防给水设计是一个极为重要的环节。近年来，由于经济的快速发展和经济总量的提升，超高层建筑越来越多，因此对于消防给水设计的要求也越来越高。对于超高层建筑而言，其特征是高度更大，建筑整体的功能也更复杂，对消防给水系统的设计就造成了更多的困难，比如管道压力更大，系统控制复杂，管路复杂且多分区，水泵可能出现超压甚至管道破裂等，其中管道超压一直是设计人员关注的焦点。为了解决这些问题，设计人员采用了多种措施，如加设安全阀、使用多个小流量泵而非单个的大流量泵等等。但笔者认为，在超高层建筑中采用高位水箱的供水方式应该更好。基于这一观点，本文将依据某一高层建筑的消防给水设计作相应的阐述。
    1· 稳高压消防给水系统设计实例探究
    1． 1 工程概况
    某高层建筑总建筑面积110 000 m2，其中分为多座塔楼，本文以D 幢为例进行说明。D 幢塔楼共有35 层，高度为119． 8 m。若依照层数进行功能区域的划分，则第一层至第六层是商场，七至三十一层是写字楼( 其中第二十一层作为避难楼层) 。由于资金压力和业主的要求，该建筑的设计按照二期考虑，其中一期包含了地下室到六层; 二期是余下的部分。
    1． 2 稳高压消防给水系统设计方案
    高层建筑由于高度大，室外给水管网水压不能满足高压部分消防管网给水系统的水压要求，因此必须加压，采用消火栓给水系统减压给水方式。本部分援引《高层民用建筑设计防火规范》( GB 50045－ 95，2005 年版，以下简称《高规》) 进行说明。［1］
    1． 2． 1 消火栓系统及竖向分区
    《高规》第7． 4． 6． 2 条规定了消火栓的水量和针对不同建筑的适应性标准。根据标准要求，当高层建筑的建筑高度不超过100 m 时，根据水力计算得出的水柱不应小于10 m; 而当建筑高度超过100 m时，水柱不应小于13 m。本文中所涉及建筑，消火栓箱内包含了消火栓按钮一个、消防卷盘一套、DN65胶管一套、ф19 枪一支、DN65 消火栓接口一个。按照压力公式计算:
    Hd = AdLdq2 + q2 /B ( 1)
    式中，Hd为水带阻力损失( m) ; Ad为水带阻力系数，DN65 水带取0． 004 30; Ld为水带有效长度( m) ; q为水枪喷嘴出流量( L·s － 1 ) ; B 为水枪水流特性系数，ф19 水枪取1． 577。
    根据公式计算，各供水区最不利点的消火栓口压力Hd可以达到22 m 水柱。
    此外，《高规》第7． 4． 6． 5 条中对于消火栓的出水压力也做了相应的规定: 消火栓口的静压力超过0． 5 MPa 时，消火栓处应当设置相应的减压装置; 当压力超出1． 0 MPa 时，应当采取分区给水的方案。
    根据以上条件，本工程的消防给水系统应当采用分区给水的设计思路。经过多方对比和研究计算，确定了采用高位水箱供水的方案，结合减压阀，实现分区供水。
    该系统共分为4 个区。根据使用要求，第一区设计了独立的消防系统，该区的水箱设置在七层，以便充分利用裙楼顶部的空间。通过位于裙楼天面处所设计的一套稳压装置，保证整个系统的压力。这套稳压装置的调节水量保证30 s 内满足5 个喷头和2 支水枪的用水需求，该区的水箱为消防和生活共用。当发生火情时，由于水枪启用，系统压力会降低，此时消火栓泵启动，地下水池的水被抽取上来进行供水。通过系统压力监视，或者通过按下消火栓按钮( 或者通过消防控制中心) 启动消火栓泵。
    第二区的水箱位于屋顶，经过减压阀进行供水。该区的设计对避难层进行了一定的利用，将减压阀设置在避难层中，并且没有设置减压水箱。这样不仅有利于维护和管理，也增加了建筑的有效使用面积。本设计中，消火栓出口的设计水压为0． 5 MPa，当压力过大时，设置的减压孔板可以降低压力。第三区通过设计在屋顶的高位水箱进行供水。
    H = Hf + Hd( 2)
    式中，H 是水箱和最不利消火栓的垂直距离( m) ; Hf是管道阻力损失( m) ; Hd是水带阻力损失( m) 。
    根据公式计算水箱和最不利消火栓的垂直距离，假设管道阻力导致的总水压损失小于3 m 水柱，经过计算得出H 为25 m。
    当二区或者三区发生火灾的时候，高位水箱可以支持最初10 min 的消防用水，同时地下贮水池的存水也经过水泵拉升至高位水箱。10 min 后，所使用的水来自地下贮水池。通过消防控制室，或者消火栓按钮，启动专用的消防泵进行供水。
    第四区采用了增压给水的系统设计思路，这是由于高位水箱的供水不足以满足该区消火栓的水压需求，因此采用消防主泵与气压罐结合的方式进行消防用水的调配。当发生火情时，系统压力变化将会启动位于屋顶的消防泵，抽取并供水; 同时，底下的消防泵也将会同时启动向高位水箱输水。该区的给水系统是自动灭火系统与消火栓共用，将消火栓的供水与自动喷水灭火系统的供水分开，选用特性曲线平缓的水泵作为屋顶放置的消防主泵。
    1． 2． 2 自动喷水灭火系统与竖向分区
    根据《高规》中的相关规定，对于高层建筑，当其建筑高度在100 m 以上时，除了其中面积小于5 m2的房间( 如厕所或卫生间等) 和不宜用水部位之外，都应当设置自动喷水灭火系统。本案中依照规定进行了自动喷水灭火系统的设置。［2］
    依照相关要求，一区包含了地下室、第一至第六层的楼层和裙楼部分，这里设置了一级自动灭火系统，使用位于裙楼屋面的稳压装置保证系统的压力( 如前所述，这套装置是自动灭火系统与消火栓共用) 。当出现火情，系统压力的改变将会启动自动控制的水泵，或者由控制中心手动启动。位于第四区的增压系统可以提供给灭火系统1 h 的用水量，由此可以取消除第一区外，其它几个区域的自动灭火系统水泵，对于管道系统是一个很有效的简化措施，便于维护和控制，并能够提供可靠的供水能力。
    1． 2． 3 屋顶重力水箱的容积确定
    本案中，采取了消防、生活结合共用水箱的设计，屋顶的高位水箱同时具备了两方面的作用。基于立足自救、预防为主的原则，为了能够充分发挥自动灭火系统的功用及时控制火灾，将确保供水系统的稳定可靠运行作为设计的基本要求。屋顶水箱储存了足以供应自动灭火系统运行1 h 的用量( 约180m3 ) ，和预留的10 min 消火栓用水( 约24 m3 ) 。该水箱的设计容积在220 m3，在消防用水占去固定的132m3 后，仍有88 m3 的生活用水余量。为了保证可靠的消防供水能力，生活用水的水管高出消防用水所需的最低保障水位。在发生火情的最初10 min 内，消防泵将会启动并将蓄水池的水提升到水箱以保障消防系统的顺利运行。
    2 ·稳高压消防给水系统应用问题探究
    2． 1 临时高压和稳高压消防给水系统的比较
    2． 1． 1 在消防泵启动之前，临时高压消防给水系统并不保障消防用水的流量和压力。而稳高压消防给水系统，在准工作状态，稳压泵将起到临时保障水压的作用，并在最初的短时间内( 本案中为30 s) 保障供水需求。随后在灭火过程的主要阶段，都是启用专用的消防泵来满足系统整体的用水需求。为了满足最初的供水需求，需要设置一定容积的消防稳压罐。通过计算，得到消防稳压罐的容积要求，见表1。

2． 1． 2 稳高压给水系统依靠管道压力变化对消防泵进行控制，能够及时、快速地供水，在火灾初期尽量做到对火情的控制; 而临时高压消防给水系统则需要手动进行控制。在这两种系统中，对于消防稳压泵的要求也不相同，不同系统中消防稳压泵的主要区别见表2。

2． 1． 3 稳高压消防给水系统也具有一定的缺点，其管网的施工条件和对管材的要求都比较苛刻，同时持续的高压会导致更多的管网故障和泄漏，增加运行和维护成本［3］。两种系统的效果对比情况见表3。

    2． 2 稳高压消防给水系统的设计优化
    2． 2． 1 稳压泵扬程和流量的确定
    准工作状态时，稳高压消防给水系统的水压依靠稳压泵进行保障，其扬程需要满足最不利处的灭火设备所需的水压。鉴于过高的压力将会提升对施工的要求和对管网材质的要求，也更容易导致泄漏和故障，容易加大维护成本，因此将稳压范围确定在一个较低的水平上，本案中稳压值设定为0． 7 MPa。对于稳高压系统而言，流量也是一个非常重要的参数。管网一般都具备一个漏失水量，稳压泵的流量应当超过这个数值，这个数值与整个系统的灵敏度和经济性能密切相关。如果规定了一个较小的设计流量，稳压泵将会很难维持管网在固定的压力，也更易因渗漏而触发报警，提升误报的几率; 而过大的设计流量则会增加系统的投入和日常的例行维护费用，且在火灾初期难以做到及时的反应［4］。本案中在设计时考虑到了长期的需求，将稳压泵的流量确定在50 m3·h － 1，具备了充分的余量。
    2． 2． 2 控制柜的设置方式及稳压泵取压点设置
    本例中，在系统试运行阶段，曾经发生过频繁的稳压泵启动问题，每3 min 稳压泵自动启动一次，并运行仅1 min。分析发现，问题的原因在于控制柜的设置方式不对。当时控制柜以上下两个点来控制泵的工作，并维持管网的压力恒定。当由于局部渗漏导致压力下降低于下限时，稳压泵将会启动，对管网进行补水以维持压力; 当压力过高，稳压泵则会自动停止。由于稳压泵的取压点设置在稳压泵的出口管线上，不合理的设置导致稳压泵不断启动和运行，而系统则无法正常工作［5］。经过研究，将稳压泵的取压点移动到消防泵的主水管上，改变变频调速恒压控制，取消上下限并接压力表，仅仅控制压力在0． 7MPa ± 0． 01 MPa，于是解决了问题。
    2． 2． 3 消防泵出口阀的控制
    为节省投入，并避免由于复杂化系统而导致的故障率提升，消防泵的出口电动阀没有进行连锁控制。而在火灾发生时，又需要消防泵能够快速开启，因此消防泵出口阀采取了常开状态的模式。
    2． 2． 4 消防泵的启动控制
    消防泵房内，保证24 h 有值班人员，当发生火情的时候，由于消火栓或者消防水炮的用水，管网内的压力将会急速下降。侦测到这个现象的控制柜将会发出声光进行提示，并自行启动主泵。随后消防人员到场，并观察火灾情况，决定是否增加消防相关设备的启用量。因此，本案中将消防主泵直接挂接到控制柜，根据管网的压力自动启动; 而第二台消防泵则是根据现场情况来进行判断，采用人工启动。
    2． 3 稳高压消防给水系统经济性能考量
    超高层建筑消防给水系统采用高位水箱重力供水，同时对于水压过高的部分采用高位水箱结合减压阀进行分区供水。这样一来，与并联系统比较，该系统承受的压力明显降低，且各供水区的压力相对恒定，没有超压现象出现，与中间位置传输水箱比较，保证了更少的设备、更好的压力、更简单的系统和管路。同时，也能够简化系统控制，增加有效使用面积。另外，生活泵在消防泵不能运作的时候，也可以作为备用的消防泵，具备双保险的作用，保障了供水系统的安全可靠和经济实用。
    综上所述，当高层建筑的高度小于169 m 的时候，本文中所提到的供水方案是比较经济合理的［6］。

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点击次数：更新时间：2015-6-24 14:42:30 【打印此页】【关闭】

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