摘要：本文通过探讨喷淋系统配水管道设计水流速度及系统最不利点喷头水压的大小对喷淋系统水力计算的影响作用来合理优化喷淋系统设计。
关键词：喷淋系统；经济流速；配水管径；最不利点喷头水压
Abstract The purpose of this article is to optimize the design of sprinkler system，with the methods of discussions on the influence of hydraulic calculation from water flow rare of distribution pipeline and nozzle the pressure of the most negative point in sprinkler system.
Key words：sprinkler system，economic flow rate，diameter of distribution pipeline，nozzle pressure of the most negative point
喷淋系统水力计算是关系系统可靠性、合理性和经济性的一项重要设计内容。影响喷淋系统水力计算结果的因素主要有：（1）喷头流量系数K、（2）喷头的布置密度、（3）最不利作用面积的形状及位置、（4）设计管道的水流速度、（5）最不利点喷头水压力大小。
本文主要讨论设计流速及设计最不利点喷头水压大小对喷淋系统水力计算的影响。
1设计流速对水力计算的影响
自动喷水灭火系统最主要的组成部分是配水管道，而配水管道管径的大小，影响到整个系统的造价。根据《自动喷水灭火系统设计规范》GB 50084-2017（以下简称《喷规》）9.1.3，系统管段的设计流量，应按该管段下游最不利作用面积内喷头同时喷水的总流量确定，由水力学公式Q=A*V可知，流量、管径和流速三者之间是互相影响互相制约的关系，在管段流量确定的条件下，管径与流速有反比关系，采用较小管径则设计流速就大，同时，管道水损变大，配水管道起端水压变大，系统流量变大。喷淋系统的水力计算，并不是通过水力计算算出一个确定的管径数值，而是通过预设的管径赋值计算管道流速、水损及配水管道起端水压等，通过不断调整预设管径值，反复试算，寻求最经济合理的设计管径。
《喷规》9.2.1条规定"管道内的水流速度宜采用经济流速，必要时可超过5m/s，但不应大于10m/s"。什么样的流速才是规范所指的“经济流速”？所谓经济流速是一次投资与经常运行费用之和最小时的流速为经济流速，由于喷淋系统不是经常运行的系统，因此可以忽略经常运行费用，那么规范所要求的经济流速可以理解为令系统设计总造价最低的流速，影响喷淋系统总体造价的主要因素有：水泵设备造价、配水管网及消防水池造价。当设计配水管采用较高流速，可以有效地减小管径，从而降低管道建设成本，但由于管径小，管网水头损失大水泵扬程高，喷头出水不均匀，系统设计流量增大，会导致水泵流量增大及消防水池容积变大，从而间接增加了设备及土建造价。设计流速对水力计算的影响因素如下表：
表一：设计流速对水力计算及工程造价的影响
选择较大设计流速还是较小设计流速，应视实际工程项目而定，如果所设计的喷淋系统只是个小面积小规模的系统，管道成本占喷淋系统的整体造价比例不高，可以尝试采用较小的流速（即选用较大的配水管径），从而减小消防泵的流量扬程及消防水池容积，有可能可以从总体造价上节约整体建设成本；如果喷淋系统是个很大面积的系统，配水管径大小对系统造价影响成为主因，可考虑采用较大流速，通过减少配水管径从而减少总投资，但当采用较大流速时，应注意满足《喷规》8.0.5规定的“轻危险，中危险级场所中各配水管入口的压力均不宜大于0.4MPa”的规定。
2最不利点的喷头水压的选择对水力计算的影响
《喷规》表5.0.1 中规定，喷头的工作压力不低于0.05 MPa，英国、美国、德国、日本等国的喷淋系统最不利点压力均采用不低于0.05 MPa。
最不利点水压取0.05 MPa和0.10 MPa对水力计算有多大的差别？并不是仅仅使水泵扬程增加5米，实际计算可以证明，在相同的管道配置情况下最不利点水压由0.05 MPa提高到0.10 MPa将使设计流量及水泵扬程大幅度增加。
以中危险等级II级，边长3400的正方形布置喷头为例，配水管径按《喷规》表8.0.9的规定支管及配水管控制最大喷头数目配管，最不利点喷头水压按0.05 MPa的条件下用软件进行水力计算，计算结果：所选作用面积：160.7平方米；总流量：22.15 L/s；平均喷水强度：8.27 L/min.m2；入口（水流指示器位置）压力：0.38MPa。
《喷规》9.1.5条规定，最不利点处作用面积内任意4个喷头围合范围内的平均喷水强度，轻、中危险级不应低于本规范表5.0.1规定值的85％。需校核最不利作用面积最末端4个喷头围合的面积的平均喷水强度，由计算校核此范围内平均喷水强度为6.96 L/min.m2是《喷规》表5.0.1规定值的87％，喷水强度也是满足《喷规》对喷水强度的要求的。由于，计算是在3400X3400的最大喷头距离的理想条件下布置的，实际工程中由于受建筑物尺寸的影响，布置会比这个尺寸更密些，喷水强度可以满足规范要求。
如果将最不利点水压改为0.10 MPa重新计算，计算结果：所选作用面积：160.7平方米；总流量：31.34 L/s；平均喷水强度：11.70 L/min.m2；入口（水流指示器位置）压力：0.76MPa。
比较以上两种计算结果，可以看出，在管网不变的情况下，当最不利点水压由0.05MPa增大为0.10MPa时，系统总流量增加了9.2L/S，消防水池容积将增加大约33立方米（按储存1小时喷淋系统用水计算），管网入口（水流指示器位置）压力增加了0.38MPa（入口压力增加了一倍），入口压力将上升至0.76MPa，远远超出《喷规》8.07条“不宜大于0.4MPa”的要求，而不是仅仅增加了5米的水压。由此可见，当最不利点水压采用0.10 MPa时，如配水管径按《喷规》表8.0.9的规定支管及配水管控制最大喷头数目配管的话，管径明显偏小了，为了均衡系统管道的水力特性及降低入口处水压，就必须将管径进行适当放大处理，势必引起工程造价的增高。
对于某些类型的喷淋系统（地下车库等），其喷头布置受结构柱网限制和其他障碍物的影响，喷头一般都布置得较密，而此时末端喷头水压再按0.10MPa 来计算，就会产生设计流量过大、水头损失过大等问题。因此对于地下车库这类喷头布置较密的场所，最不利喷头水压宜取下限值0.05 MPa，这样做能在满足现行规范的要求的前提下节省投资，但应注意到，由于喷头布置较密（比如考虑梁位常用的2800X2800的矩形布置），即使最不利喷头水压取0.05 MPa，如果按《喷规》表8.0.7的规定支管及配水管控制最大喷头数目配管的话，喷水强度和入口压力均偏高，此时，应该对配水管管径适当放大以降低系统压力及喷水强度。
为了跟直观地对比不同的喷头布置密度、不同的管径配置及不同末端最小水压对水力计算结果的影响，将几种计算结构列表如下：
表二
经对上表进行对比分析，可得以下结论：
[1]对比序号第1行与2行及第4与第6行可知，管道系统不变，将末端最不利喷头压力由0.05 MPa提高到0.10MPa，入口压力几乎成倍增加，而不是仅仅增加5米。
[2]对比序号第2行与3行及第4与第5行可知，将配水管径适当放大，将会使入口压力下降明显，系统总流量有小幅度下降。
[3]对比序号第1行与4行可知，按《喷规》表8.0.9中中危险级配置管径，最不利喷头水压取0.05MPa，喷头按中危险II最大允许距离3.4X3.4布置时，喷水强度能达到规范允许最低值，入口压力也未超过规范值0.4 MPa，当喷头布置密度加密为2.8X2.8时（这种情况在车库结构为井字梁时比较常见）时，入口水压略超过0.4 MPa，观察第5行可知，将第4行的管径适当放大，末端水压下降比较明显，可控制在规范要求的合适值之内，观察第6行可知，如在第4行的基础上，直接将末端水压提升到0.10 MPa，系统平均喷水强度17.29远大于规范要求下限值8，入口压力0.92 MPa也远远大于规范要求的不宜大于0.40 MPa。
[4]综合观察表二，可知，一般情况下，末端喷头压力预设为0.05 MPa能满足大多数场合下的喷水强度要求，不宜随意提高末端最不利喷头水压，当喷头布置间距比规范允许的最大间距大时，通常需要适当放大规范允许的最小管径来控制入口压力不大于0.4 MPa，从而满足规范并实现均匀配水。
综上所述，喷淋系统最不利点喷头压力的取值及配水管流速的控制（或者理解为配水管管径的控制）对喷淋系统的水力计算及综合造价影响较大，应结合工程的实际情况，通过水力计算，在满足《喷规》要求的喷水强度及《喷规》8.0.7规定的“轻危险，中危险级场所中各配水管入口的压力均不宜大于0.4MPa”的规定的条件下，合理设计最不利点喷头压力并合理配置配水管径，从而既使系统设计合理同时使工程总造价最低，达到优化设计的目的。
论文作者:梁成开
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
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