1、城市给水管网消防给水系统设计原则探讨摘 要：分析了城市供水压力和周期性变化，结合国内外有关规范，提出直接利用城市自来水作为消防水源的有效压力，并给出消防水泵直接从城市给水管网吸水的消防给水系统设计计算原则。关键词：给水管网；消防水泵；流量1 前 言消防水泵直接从城市给水管网吸水的消防给水系统国内外均有工程实例和规范规定1-4，文献1、5给出了城市自来水直接向消防系统供水时压力和流量的确定方法。但在工程实践中，工程技术人员大都依据高层民用建筑设计防火规范47.55 条规定“当市政给水环形干管允许直接吸水时，消防水泵应直接从室外给水管网吸水。直接吸水时，水泵扬程计算应考虑室外给水管网的最低水压，并
2、以室外给水管网的最高水压校核水泵的工作情况“。由于最低和最高压力很难确定，大都依据经验来确定，没有具体的设计计算原则。本文试图根据国内工程实践经验和有关规范规定，以及城市供水的变化等，提出消防水泵直接从城市给水管网吸水的消防给水系统设计计算原则。2 城市自来水压力的变化影响因素21 周期性变化因素城市自来水的水压和水量因时间的变化而变化，主要与作息时间和居民生活工作习惯有关，包括日变化周期、周变化周期和年变化周期。我国规定城市自来水的水压不应低于0.14MPa6。日变化周期主要是生活习惯的原因造成，一天之内的用水变化有两个高峰，一是早上6 点到 8 点，二是 17 点到 21 点，由于用水量的
3、变化，造成了水压的变化。城市用水的第二个周期是一周内的用水变化，一般周一到周五用水情况基本相同，而周六、周日很多企事业单位休息，居民用水不像上班时那样集中，加之居民洗涤用水量大，造成用水与平时用水的不同。文献7也提出了一日的变化和一周的变化两个周期对供水系统的影响，并决定系统供水泵的选择。城市供水系统的第三个周期是一年之内因季节的不同造成了季节之间的用水不同，一般夏季用水高于其他季节，冬季用水量相对较少。过去，城市用水高峰时水压通常要低一些。我国 20 世纪 80 年代这个问题还很严重，很多 6 层的居民楼在夏季用水高峰期无水。近年来自来水公司为提高供水的保证率做了大量的工作，相对于过去水压稳
4、定，而且有了较大幅度地提高，但仍然存在水压的周期波动。2.2 其他影响因素影响城市自来水压力变化的因素还有管道内部阻力变化和城市自来水管网新增客户用水量增加等。城市自来水压力随着使用年限增加，其管道内部结垢使管径减少，造成管道阻力增大，在消防用水时，水压会降低。随着时间的推移，城市自来水管网新增客户或因生活水平的提高而使用水量增加，也会使水压下降。总之，上述城市自来水的压力是变化的，因此，在工程实践中应考虑这个因素。水压周期波动会引起供水的不稳定，由于供水的不稳定，有可能使消防时的供水达不到设计强度，导致灭火失败。因此，满足消防供水的压力是消防设计的根本。3 消防水泵直接从城市自来水管网吸水的
5、有效压力和流量确定目前，我国消防设计规范48关于常高压消防给水系统的有关规定是：如采用高压或临时高压给水系统，管道的压力应保证用水总量达到最大，且在任何建筑物的最高处时，水枪的充实水柱仍不小于 10m；在计算水压时，应采用喷嘴口径 19mm 的水枪和直径 65mm、长度 120m 的麻质水带，每支水枪的计算流量不应小于 5Ls。在实际工程中该条文很难操作。文献4中 755 条仅给出了一般原则，在实际工程中也不宜操作，原因是没有具体的设计计算方法。目前国内设计手册9-12都没有给出可实施的设计计算步骤和方法措施。文献1给出了按静压的 0.70.9 的系数进行计算，但同样没有给出具体的设计计算步骤
6、，因此有必要进一步研讨其设计计算原则。31 城市自来水直接作为消防给水的压力和流量确定文献1、5介绍了美国 FM 保险公司的具体规定，通常是在消防接管处附近的 2 个相邻的城市消火栓来测量城市自来水的压力和流量，然后通过计算确定在设计流量下的压力是否满足系统设计要求。消火栓的出流量 Qa 按式(1)计算：式中：Q。Qa2.108Cdj2Pv1/2 (1)式中：Qa -测试余压时的流量(流量测试消火栓在流速测试管测试的流动压力为 Pv 时的流量)，Lmin；C-消火栓栓口出流系数(通常根据栓口与消火栓外壳的连接方式确定，当为圆角时，C0.9；当为直角时，C0.8；当有突出部位时，C0.7，为保险
7、起见，C 系数在每种情况下均降低 0.1)；dj-室外消火栓栓口直径，通常为 65mm，80mm 和 100 mm；PV-流量测试消火栓在流速测试管测试的栓口动压，MPa。根据上述试验和计算公式，可计算出城市自来水的静压力和余压下的流量，并根据式(2)进行计算：PT=Ps-(PS-Pr) (Qa/QT)(2)式中：PT-城市自来水与消防给水系统接口处的压力，MPa；Ps-消火栓的测试静压(即邻近消火栓不出水时的压力)，MPa；Pr-邻近消火栓出流时，测试消火栓的剩余压力，MPa；QT-自动喷水系统需要的城市自来水的出流量，Lmin。通过式(2)可以绘制出城市自来水的供水压力流量曲线，并求出 1
8、.5 倍设计流量时的压力是否满足额定流量下压力的 65，从而确定城市自来水压力能否满足消防给水系统的压力和流量的要求。目前，我国还没有相应的城市自来水作为消防时的压力和流量测试方法和规范，考虑到城市自来水压力周期性变化的因素，在城市自来水直接作为消防水源时应考虑折减系数或以实测数据为依据。文献1建议取当地静压的 0.7-0.9 倍作为城市自来水直接作为消防用水的压力依据。在老城区，通常管网管径偏小，系数宜为 0.7，而在新建区域，因给水管径足够大，当从不小于 DN400 的给水干管上接管时，建议采用 0.9 的系数。具体可按式(3)计算。PR=p0(3)式中：PR-城市自来水与消防给水系统接口
9、处消防时的实际使用压力，MPa；P0-城市自来水与消防给水系统接口处的静压力，MPa；-系数，建议取 0.70. 9。32 设计计算原则消防水泵直接从城市给水管网吸水，其室外消防给水一般也由城市给水管网直接供水，此时根据文献8813 条“如采用低压给水系统，管道的压力应保证灭火时最不利点消火栓的水压不小于 0.10MPa“的规定，当消防水泵直接从城市给水管网吸水时，一是城市自来水直接作为消防用水，应依据本文 31 的要求确定室内的消防用水的压力和流量；二是应满足室外消防给水管道上消火栓处的压力不应低于 0.10MPa。建筑物或小区给水干管与城市给水管网相接处的压力应根据本文 31 提供的方法计
10、算确定，消防水泵吸水口的压力应根据建筑物或小区给水管网的具体情况进行计算，见式(4)。Pp=PR-h1-Z/100 (4)式中：Pp-为消防水泵吸水口处的压力，MPa；h1-城市自来水与消防给水系统接口处至消防水泵吸水口的水头损失(包括沿程和局部水头损失)，MPa； Z-消防水泵吸水管中心线在城市自来水与消防给水系统接口处的几何高差，m。若附近城市给水管网上有消火栓，或小区内消防给水管网上有消火栓，则应验证消火栓处的压力不应小于 0.10MPa。当 PR 小于 0.10MPa 时，不允许消防水泵直接从城市给水管网吸水，当 PR 大于 0.10 MPa 时，应由式(5)验证消防水泵是否能直接从城
11、市管网吸水。PxPR-hx-Zx100 (5)式中：Px-小区最不利室外消火栓处的压力(从地面计算起)，MPa；hx-城市自来水与消防给水系统接口处至小区最不利室外消火栓处的水头损失(包括沿程和局部)，MPa；Zx-小区最不利室外消火栓地面至城市自来水与消防给水系统接口处的几何高差，m。当 Px (小于 0.10 MPa 时，不允许消防水泵直接从城市给水管网吸水；当 Px 大于0.10MPa 时，允许消防水泵直接从城市管网吸水。33 计算举例一建筑面积为 5 万 m2 的一类高层办公楼建筑，室内消火栓用水量为 30Ls，室外消火栓用水量为 40Ls，自动喷水灭火系统设计流量为 26 Ls。该建
12、筑四周道路上有 2 条来自不同城市给水环状管网的给水干管，管径分别为 DN300 和 DN400，供水压力约为0.20MPa，设计建筑室外环状给水管网的管径为 DN200，该建筑的室内生活设计秒流量为 32 Ls，室内的生活和消防水流量均从 10 点接出。室外环状给水管网的距离是：1-2 为8m，2-3 为 30m，3-4 为 40m，4-5 为 42m，5-6 为 55m，6-7 为 65m，7-8 为 42m，8-9 为40m，9-2 为 90m，2-10 与 8-10 的距离相等，H1、H2、H3、H4 四个消火栓分别邻近3、5、7、8 接点。管网的布置形式有两种，一是自成一个环网，见图
13、 1；二是与城市给水管网形成一个环网，见图 2。图 1 室外管网（一）图 2 室外管网(二)城市给水干管为 DN300 和 DN400，假设当 DN300 的城市给水干管不能供水，消防时仅有 DN400 的城市给水干管供水，根据本文 3.2 的有关内容，取 0.80，根据式(3)，室外消防给水管与城市自来水连接处消防时的压力为 PR0.16 MPa，即节点 6 的压力为0.16MPa。四个室外消火栓的流量按每个 10 Ls 考虑，接点 10 输出的流量为 88 Ls，消防时从节点 6 输入的流量为 128Ls。图 1 仅有 6 节点处供城市自来水，管网是 1 个水源 2 环的供水环状管网。图
14、2 仅有节点 6 处供城市自来水，系统是一个枝状管网。经计算可知，当系统为自身环状管网时，则计算管网为环状，环状管网的管径为 DN200 时，即能满足系统最不利点压力 0.10 MPa 要求。如果采用与城市给水管网形成的环状管网，则计算管网为枝状管网，给水干管的管径为DN250 时才能满足室外消火栓最不利点的水压为 0.10MPa。因此，采用自身环状管网时更经济。4 结 论本文首次提出关于消防水泵直接从城市自来水管网吸水的设计原则，一是考虑城市自来水静压乘以 0.70.9 的折减系数后方可作为城市自来水管网的计算压力；二是应保证灭火时室外最不利点消火栓的水压不小于 0.10MPa。当消防水泵直
15、接从城市自来水管网吸水时，建筑物周围或小区设置自身成环的室外给水管网。系统管网设计应经过管网设计计算，否则有可能不满足室外最不利点消火栓的水压不小于 0.10 MPa 的要求。参考文献：1 黄晓家，姜文源，等自动喷水灭火系统设计手册M北京：中国建筑工业出版社，20022 NFPA 20Standard for the Installation of Stationary PumpsforFirc Protections，1999 Edition American3 潘德琦水灭火系统规程M上海：上海市标准化办公室，20014 GB50045-95，高层民用建筑设计防火规范(2001 年版)s北京
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