在多层和高层民用建筑的消防给水系统设计中,经常会遇到需要设置消防气压给水设备的情况。在具体设计实践中,笔者发现设计者往往存在对消防规范的条款理解不够,或选用消防气压给水设备不当的问题。现提出来与同行们讨论与交流。

1. 　多层和高层民用建筑何处需要使用消防气压给水设备

    根据《建筑设计防火规范》( GBJ 16 - 87) 1997 年版和《高层民用建筑设计防火规范》( GB50045 - 95)1997 年版的有关条款,室内消防给水系统在下列情况下需要设置气压给水设备。

    (a) 多层或高层建筑室内设有临时高压消防给水系统,并且多层建筑的高部位和高层建筑的屋顶都设有高位消防水箱,但是多层建筑高位消防水箱的设置高度不能满足不利点消火栓的水压要求,而高层建筑高位消防水箱的设置高度不满足以下要求:建筑高度不超过100m 时,不利点消火栓静水压力不低于0.07MPa ;建筑高度超过100m 时,不利点消火栓静水压力不低于0.15MPa 时,消防给水系统需要设置由稳压泵或气压罐组成的增压设备。当消防给水系统只有消火栓时,气压罐的调节水容积为300L ;当消防给水系统的自动喷水灭火系统单独设置时,气压罐的调节水容积为150L ;当消防给水系统同时有消火栓和自动喷水灭火系统时,气压罐的调节水容积为450L 。稳压泵的出水量,对于消火栓系统为5L/ s ,对于自动喷水灭火系统为1L/ s。此时的系统见图1 ,稳压泵需有备用。

    当建筑物顶部有消防水箱,但放置稳压设备有困难时,多层建筑经常将稳压设备放在首层或地下室内,如图2 所示。高层建筑由于高位消防水箱距地面高差较大,若将稳压设备放在首层或地下室时,系统的工作压力较大,可能引起系统超压(超过管道的允许使用压力) ,故推荐采用放在建筑物顶部的方案。

    (b) 多层建筑室内设有临时高压消防给水系统,但在建筑物的顶部不能放置高位消防水箱,此时应该在建筑物的首层或地下层设置气压罐、稳压泵和消防水泵。气压罐内应贮存10min 的消防用水量。当室内消防用水量(包括消火栓和自动喷水灭火系统) 不超过25L/ s , 经计算水箱消防贮水量超过12m3 时,仍可采用12m3 ; 当室内消防用水量超过25L/ s ,经计算水箱消防贮水量超过18m3 时,仍可采用18m3 。消防水泵的出水量即系统的消防用水量。此时的系统如图3 所示。

2. 　成套消防气压给水设备存在的问题

    目前,市场上成套消防气压给水设备存在的主要问题是如“(b) ”情况替代高位水箱作用的气压罐,有的生产厂家提供的产品贮水容量不满足《建规》的有关条款规定。
    对于自动补气式气压罐,其容积的计算公式:V =βV xf / 1 - αb
式中V ———消防气压罐的总容积,m3 ;
V xf ———消防水总容积,等于消防贮水容积与稳压水容积之和。消防贮水容积见表1 ,稳压水容积一般不超过0.05m3 ;
β———气压罐的容积系数,对立式罐取1.10 ;
αb ———气压罐的工作压力比,一般取0.65～0.85 ,当工作压力较小时,可取0.65 。

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   将公式计算出的气压罐的总容积与几家厂家提供的气压罐进行比较,见表2 。从表2 看出,对于多层建筑用于代替高位消防水箱的消防气压设备所配套的气压罐的容积,有的厂家比较接近规范要求的容积,有些厂家则相差很远,如果未经当地消防部门同意不慎选用容积较小的气压罐,将会给建筑物消防验收带来麻烦。另外,市场上用于消防系统的气压给水设备称谓太多、太乱。比如有称消防专用气压给水设备、普通型消防气压给水设备、全自动气压消防供水设备、消防专用增压稳压给水设备、消防补压用气压给水设备、消防应急供水设备等。其实只是两类设备,一类是代替高位水箱作用的消防气压给水设备,另一类是增压稳压用消防气压给水设备。两类设备的名称是否妥当请大家评议,但设备名称好统一是肯定的,只有这样在选用设备时才能正确、合理。

3. 　消防气压给水设备气压罐的计算

    气压罐的计算过程中,有几个参数是待定而不能一次确定的,因此有一个待定参数的试算过程,常用的是预选气压罐尺寸规格的方法,具体运算见下算例。
    例:有一幢建筑高度超过100m 的超高层民用建筑,高位水箱供楼内消火栓和自动喷水灭火系统用水。因受屋顶停机坪的限制,建在屋顶设备层内的高位消防水箱的设置高度不能满足《高规》关于楼内不利点消火栓(不利消防用水设备是消火栓,而不是自动喷水灭火系统的喷头) 静水压力不应低于0.15MPa 的规定。设计拟采用在设备层内设置稳压泵加气压罐的方法解决楼内顶上几层消防水压不足的问题。试计算研究气压罐的规格。楼内设备层的标高见图1 。气压罐采用立式补气式水罐。经计算从水泵出口至不利消火栓,启泵时水头损失为210mH2O(0.02MPa) 。
解:气压罐运行工况下的参数见图4 。

(1) 确定满足不利点消火栓工作压力下气压罐内的低工作压力P1 。
    根据《高规》,不利点消火栓的水枪充实水柱不应小于13m ,采用! 19 水枪,25m 长65mm 口径麻织水带。此时消火栓流量qxh = 5.7L/ s ,消火栓栓口压力为23.59mH2O(0.24MPa) 。此时,罐内低工作压力P1 计算如下:
P1 = (消火栓栓口压力+ 管道水头损失)- (水箱底标高- 高层楼面标高-消火栓栓口距地高度)
= (23.59 + 2.0) - (123.2 - 118.6 - 1.1)
= 22.1 (mH2O)
= 0.221 (MPa ,表压)
= 0.321 (MPa ,绝压)
 

    (2) 求气压罐充水时的初始压力P0 。
取β = 1.1 , P0 =P1/β =0.321/1.1 = 0.292 (MPa ,绝压)

    (3) 预选气压罐规格,确定气压罐的总容积V 。
预选气压罐规格为! 1 000 ×2 180mm(罐体圆柱段长1 600mm) 1 台。查表3 ,气压罐总容积V为:V = 0.162 ×2 + 0.785 ×1.6 = 1.58m3

    (4) 运用气体定律计算各工况点时罐内压力与相应的罐内空气体积。
    低消防工作压力P1 时,气压罐内的空气体积V 1 :
V 1 =(P0/P1)V =(0.292/0.321) ×1.58 = 1.436 (m3)
    由于高位消防水箱同时供给消火栓与自动喷水灭火系统,故气压罐调节水容积V x 取0145m3 。高工作压力下罐内的空气容积V 2 :
V 2 = V 1 - V x = 1.436 - 0.45 = 0.986 (m3)
高工作压力P2 :
P2 =(V 1/V 2)P1 =(1.436/0.986) ×0.321 = 0.468 (MPa ,绝压)
    根据经验,稳压泵的启动压力PS1取值比P2 大0.02MPa ,即: PS1= P2 + 0.02 = 0.488 (MPa ,绝压)
    则稳压泵启动压力下罐内的空气容积V S1:
V S1=(P2/PS1)V 2 =(0.468/0.488 )×0.986 = 0.946 (m3)
    计算时,气压罐的工况还应满足以下条件:
    稳压泵的停泵压力PS2按PS2= PS1+ 0.05MPa取值,同时应符合稳压水容积V S = V S1- V S2不少于0.05m3 的规定。     据此继续计算:
PS2= PS1+ 0.05 = 0.538 (MPa ,绝压)
V S2=(PS1/PS2)VS1=(0.488/0.538 )×0.946 = 0.858 (m3)
V S = V S1- V S2= 01946 - 01858 = 01088 (m3)> 0105 (m3)
　　如不满足要求,可调整气压罐规格重新计算。对于气压罐与稳压泵放在低处的情况,系统稳压工作压力较高,为了避免系统工作压力过高或超压,在计算时一般宜将PS1-P1 值控制在012MPa以内。
    本例气压罐选用! 1 000 ×2 180mm 是合理的,需要时可算出各种工况下罐内水位h1 、h2 、h3 、h4的值。