关于某人员密集场所的自动喷水灭火系统设计

薛仲卿 王 宇

太原工业学院 （山西太原 030008）

自动喷水灭火系统是一种在火灾发生时，能自动打开喷头喷水灭火并同时发出火警信号的消防灭火系统[1-3]。该系统具有结构简单、使用可靠，系统施工简单，灭火速度快、控火效率高，系统投资省、经济性高，适用范围广等特点[4]，是用于消防灭火的重要方式之一。

自动喷水灭火系统在近几十年中得到了飞速的发展。国内，倪照鹏等[5]通过研究得出快速响应喷头在反应动作时间、火场环境温度控制和燃料的热损量等方面优于特殊响应喷头的自动喷水灭火系统；杨琦[6]通过平均喷水强度和设计喷水半径等相关要素的定性与定量分析，推出了喷头的最大布置间距和最小布置间距的计算方式；洪宗钦等[7]提出可以通过使喷头和喷水强度满足要求、选取适当的自动喷水灭火系统、提高喷头动作时间和选择合适的水添加剂等方法减少水渍损失，节约水资源。国外，Futrel8]分析了和天气有关的水损害对自动喷水灭火系统的影响；Thomas等[9]研究了自动喷水灭火系统因自身缺陷（比如部分喷头保护不到位、系统冻结等原因）导致火灾事故发生的案例。

针对某人员密集场所，设计一套满足实际应用且符合国家规范的自动喷水灭火系统，来预防火灾事故的发生，减少事故的损失，从而进一步提高场所安全性。

1 设计选型及计算

1.1 某超市简单空间模型的建立

根据现场收集的图片资料及数据资料（包括该超市平面的长、宽，每层的净空高度，每层物料、库房的布置），绘制每层的平面布置图，建立简单的空间模型。其中：该超市空间上长70.6 m，宽50 m；第一层的净空高度为3 m，第二、三层的净空高度皆为7 m。

1.2 场所火灾危险等级设置

根据我国现行标准《自动喷水灭火系统设计规范》[10]（GB 50084—2017）：总建筑面积在5 000 m2以上的商场，其火灾危险等级为中危险级Ⅱ级。该模型的总建筑面积为10 590 m2，大于该规范规定的面积，因此其火灾危险等级确定为中危险级Ⅱ级。

1.3 自动喷水灭火系统选型

根据《建筑设计防火规范》[11]（GB 50016—2014），每层建筑面积超过3000 m2或建筑面积超过9000 m2的百货楼、展览楼宜采用闭式自动喷水灭火系统。该模型的单层面积为3530 m2，总建筑面积为10590 m2，因此确定采用闭式系统。

闭式系统中湿式系统的室内工作温度范围为4～70℃，而该超市存在暖气和空调这类供暖和制冷设备以调节室内温度，满足湿式系统的设计要求，且该系统具有结构简单，施工、管理方便，建筑投资低，管理费用少、节约能源，灭火速度快、扑救效率高等优点，因此确定采用湿式系统。

1.4 基本参数确定

根据《自动喷水灭火系统设计规范》，对于中危险级为Ⅱ级的场所，其基本参数确定为：该自动喷水灭火系统的喷水强度为8 L/(min·m2)，作用面积为160 m2，喷头工作压力为0.10 MPa。

1.5 喷头的选择与管网布置

喷头选择玻璃球型喷头。

喷头选择的一般原则：（1）不作吊顶的场所，当配水支管布置在梁下时，应采用直立型喷头；（2）有吊顶的场所应采用下垂型或吊顶型喷头；（3）闭式系统中的喷头，其公称动作温度应比环境最高温度高30℃。

该超市第一层存在吊顶，而第二、三层无吊顶，因此，第一层选用下垂型喷头，第二、三层都采用直立型喷头。室内环境最高温度约为32℃，因此选择动作温度为62℃。

根据《自动喷水灭火系统设计规范》，对于喷水强度在8/(min·m2)的情况下，喷头若采用正方形布置，边长不能超过3.4 m。因此喷头采用边长为3 m的正方形布置，覆盖整个平面区域。管网采用中央布置，支状布置，从而满足喷头的布置要求。

1.6 管材与管道安装

根据设计规范，管材适宜采用内外壁热镀锌钢管。管道安装：在报警阀组前的钢管采用焊接方式连接，系统其他管道采用沟槽式连接。

1.7 水力计算

1.7.1 矩形面积保护法

矩形面积保护法就是只以确定的矩形区域内包括的所有喷头动作所产生的流量进行水力计算，而矩形区域以外喷头的无需计算。

对于复杂的管路系统，适宜采用矩形面积保护法。矩形的长（L）、宽（B）分别由以下公式确定：

根据规范，矩形的长要平行于配水支管，宽要平行于配水管，由此确定最不利区域矩形范围内的动作喷头数为20个，其实际作用面积为180 m2，超过基本参数的作用面积（160 m2），因此要扣去矩形区域内最有利配水支管的2个喷头，使得实际作用面积为162 m2，最接近基本参数。

1.7.2 水力计算

（1） 喷头的流量

式中：q为喷头出水量，L/s；H为喷头出水压力，MPa；k为喷头流量系数，对于玻璃球喷头，k值取1.33。

（2） 系统设计流量

式中：Q为自动喷水灭火系统设计流量，L/s；qi为最不利点作用面积各个喷头的喷水流量，L/min；n为最不利点作用面积内的喷头数。

（3） 管道流速

v=K0Q

式中：v为管道中的水流速度，m/s；K0为流速系数，m/s；Q为管道水流流量，L/s。其中K0值由所选管道管径确定。

（4） 管道水头损失

①沿程水头损失hg

hg=iL

式中：hg为沿程水头损失，MPa；i为每米管道水流水头损失，MPa/m；L为管道计算长度，m。其中管道的计算长度由管段长度和管件当量长度之和确定。

根据设计经验，每米管道水头损失i可以由舍维列夫公式计算，即：

式中：v为水流速度，m/s；dj为管道计算内径，m。

②报警阀产生的压力损失Hk

Hk=SkQ2

式中：Hk为报警阀产生的压力损失，MPa；Sk为报警阀阻力系数（对于公称直径为100 mm的湿式报警阀，Sk=0.000 030 2；对于公称直径为150 mm的湿式报警阀，Sk=0.000 008 69）；Q为通过报警阀的流量，L/s。

（5）水泵扬程

H=p0+0.01Z+Σh+Hk

式中：H为水泵扬程，MPa；p0为最不利点喷头压力，MPa；Z为最不利点喷头与消防水池高度差，m；Σh为系统沿程水头损失与所有局部水头损失之和，MPa；Hk为报警阀压力损失，MPa。

（6）配水支管流量

依照相关经验公式，可以参照下式进行计算。

式中：Qi为所计算的配水支管流量，L/s；Q1为最不利点所在配水支管流量，L/s；Hi为所要计算配水支管和配水管之间连接点的节点水压，MPa；H1为最不利点配水支管和配水管连接点的节点水压，MPa。

1.7.3 水力计算结果

根据以上设计方案，存在两个最不利区域，需要对这两个区域的线路分别进行水力计算，根据上述水力计算公式得出计算结果如表1～4所示。

表1 管线1管网水力计算-节点

表2 管线1管网水力计算-管段

2 校核

2.1 流速校核

v=K0Q

式中：v为管道中水流速度，m/s；K0为流速系数，m/s；Q为管道水流流量，L/s。其中K0值由所选管道管径确定。

根据规范，管段中水流的流速应当满足小于5 m/s的要求。对管线1和管线2的流速计算结果表明，各个管段流速皆满足要求，该方案设计合理。

2.2 喷水强度校核

2.2.1 作用面积内平均喷水强度校核

式中，Q为系统的设计流量，L/min；A为实际作用面积，m2；为平均喷水强度，L/(min·m2)。

计算出两个管线的平均喷水强度大于基本参数规定的8 L/(min·m2)，满足设计要求。

2.2.2 最不利作用面积内任意相邻4只喷头的喷水强度校核

经过计算，4只喷头的流量近似于1.33 m/s，作用面积为46.255 m2。由4只喷头的流量和除以该作用面积得出其喷水强度为6.918 L/(min·m2)，大于基本参数喷水强度8 L/(min·m2)的85%，符合规范，表明该方案设计合理。

2.3 其他构件的选择

2.3.1 水泵的选择

根据水力计算得出的流量和扬程，选用型号为ISG80-200(I)和ISG80-100(I)A的两种泵，由于扬程不足，因此两泵需要进行串联以满足扬程设计要求。

表4 管线2管网水力计算-管段

2.3.2 气压罐选择

根据设计规范，适宜采用SQL 800×0.6气压罐用于给水。

2.3.3 水泵接合器

水泵接合器型号选用SQB 150。该型号的水泵结合器流量为15 L/s，而设计流量约为30 L/s，因此需要2个水泵接合器。

3 结论

对所设计某超市简单空间模型进行分析，在该模型的基础上进行自动喷水灭火系统的设计。根据前面所述设计方案，可以得出以下结论。

（1）自动喷水灭火系统选型为闭式自动喷水灭火系统中的湿式系统。

（2）对于系统设置：喷头第一层选择下垂型喷头，第二层和第三层选择直立型喷头，均为玻璃球型喷头，动作温度为62℃；喷头布置为正方形布置，正方形边长为3 m，管网布置为枝状管网；管道采用内外壁热镀锌钢管，管道安装采用沟槽式连接和法兰连接；经一系列水力计算，可得该自动喷水灭火系统的设计流量为31.49 L/s，扬程为0.57 MPa；经过选择，采用ISG管道离心泵，型号为80-200(I)和80-100(I)A，连接方式为串联；在水箱和最不利喷头之间安装SQL 800×0.6气压罐用于加压；该系统需要设置2个水泵接合器，型号为SQB 150。

（3）管道水流速度和喷水强度校核结果符合规范要求，表明方案设置合理可行。