新版《自动喷水灭火系统设计规范》 (GB50084—2017, 以下简称新“喷规”) ^[1]特别强调根据设置场所进行系统选型, 以及根据喷头类型设计系统。新“喷规”增加了扩大覆盖面积洒水喷头、家用喷头、特殊应用喷头等非标准型喷头的技术内容, 但目前规范中一些参数仅适用于标准型喷头 (流量系数K=80) 的系统, 对非标准型喷头在设计中的运用具有局限性。本文将K>80的喷头视为大流量系数喷头, 为优化采用大流量系数喷头的自动喷水灭火系统 (以下简称喷淋系统) 设计, 结合国内外相关规范规定对系统进行详细水力计算, 供设计参考。

　　 喷头的流量系数K反应喷头的喷水特性, 与其公称口径和构造有关, 使喷头流量和压力具有一定的相关性。美国NFPA规范^[2]中指出大流量系数喷头有3个显著特征:第一, 大流量系数喷头孔径大, 增加喷头出流量性能;第二, 在高压试验中, 大流量喷头的渗透水量小;第三, 由于喷头流量越大, 所需压力越大, 相同喷水强度时大流量喷头有利于降低系统压力。其中规定的大流量系数喷头主要有K=115、160、200、240、280、320、360、400等系列。

　　 目前我国新“喷规”中涉及到的大流量系数喷头有K=115、160、202、242、320、363。不同类型喷头也包含多种流量系数的喷头, 例如扩大覆盖面积喷头有K=80、115、160、200系列^[3];早期抑制快速响应型喷头有K=202、242、320、363等;仓库型特殊应用喷头有K=161、200、242、363等。而新“喷规”仅在表5.0.4-3、表5.0.5和表5.0.6中明确规定了部分喷头的流量系数, 表6.1.1也只规定了最小流量系数 (多数情况为K≥80) ^[1], 这使得在其他很多情况下无法按照新“喷规”第5章和第6章的条款直接确定具体选用哪种流量系数的喷头。另外, 非标准流量喷头的系统其管路的设计也有一定难度, 给工程设计和采购安装工作带来一定困难。

　　 喷头的流量系数K可由国标GB 5135.1—2003中规定方法的试验所得数据^[4], 再经式 (1) 计算确定:

　　 式中P———喷头入口处压力, MPa;

　　 q———喷头的流量, L/min。

　　 根据式 (1) 可以得到喷头的“压力—流量特性曲线”, 图1为具有不同流量系数K的喷头特性曲线。由图1可知, 在规范规定的系统压力范围内, 不同流量系数的喷头具有不同的喷水流量。由式 (1) 可知, 当喷头工作压力相同时, 喷头的出流量与流量系数的大小成正比。

　　 新“喷规”6.1节规定了洒水喷头在不同场所的类型选择, 但对于具体的流量系数K, 只是在表6.1.1中做了最小值的要求, 并不能指导大流量喷头的选型。喷淋系统的末端设计包括确定喷头类型、布置间距、计算设备所需压力, 应该根据新“喷规”第5、6章中的设计基本参数进行计算确定。按照新“喷规”的相关规定, 规范的设计参数给定值有3种情况: (1) 规定了喷水强度与喷头间距, 如新“喷规”表5.0.2; (2) 只规定了喷水强度, 如新“喷规”表5.0.1与表5.0.4-1、表5.0.4-2、表5.0.4-3、表5.0.4-4; (3) 规定了喷头间距、K和喷头最低工作压力, 如新“喷规”表5.0.5与表5.0.6。

　　 在第 (1) 种情况中, 计算方法应根据喷头间距确定每个喷头的保护面积, 按式 (2) 计算喷头所需最小流量, 最后根据图1选择喷头流量系数和喷头的最低工作压力。为了在满足喷水强度时降低系统总的工作压力, 可以采用较大流量系数的喷头来达到目的。

　　 式中A_S———1只喷头的保护面积, m²;

　　 D———喷水强度, L/ (min·m²) 。

　　 其中喷水强度应该取最紧密相邻的4个喷头的总流量 (以L/min计) , 除以这4个喷头的保护面积 (以m²计) 。当一个保护区域的喷头不足4个时, 喷水强度应该按出流量最低的一个喷头对应流量除以该喷头的保护面积。

　　 第 (2) 种情况与第 (1) 种情况相似, 只是没有规定喷头的间距或喷头保护面积。设计中应该首先按新“喷规”第7章的表7.1.2、表7.1.4确定喷头保护面积和喷头间距, 再按照第 (1) 种情况的方法计算工作压力和喷头流量系数等参数。

　　 在前两种情况中, 当设计喷水强度较大时, 系统压力和流量系数K的取值需要掌控一个平衡, 即靠增大系统工作压力还是增大流量系数K来达到高喷水强度要求。

　　 在第 (3) 种情况中, 由于直接规定了喷头间距、K和最低工作压力, 设计参数不需要计算, 但由这3个参数可以计算出喷水强度, 用于校核系统安全性。

　　 3种方法中, 第 (1) 种方法适用于民用建筑和厂房的高大空间场所;第 (2) 种方法适用于民用建筑和厂房、仓库、货架、堆垛;第 (3) 种方法适用于仓库及类似场所中采用早期抑制快速响应喷头时和仓库型特殊应用喷头的系统中。以上3种情况虽然计算方法略有不同, 但核心参数都是喷水强度, 这也符合喷淋系统的设计原则, 即作用面积内开放的洒水喷头, 应按设计选定的喷水强度持续喷水。

　　 国外一些喷淋规范对于不同管径可服务的喷头数量, 可以根据表格规定值选取, 也可以采用水力计算方法确定。但美国NPFA、欧洲CEA4001等规范对于配水管道直径规定更加详细, 不同危险等级、不同布置形式, 甚至不同的管材也有所不同^[2,5]。由于非标准型流量洒水喷头和标准型喷头具有不同的出流特性, 例如, 根据图1可知, 当喷头工作压力相同时, 流量系数K=242与K=363的喷头流量分别为K=80喷头的3倍与4.5倍。因此系统采用大流量系数喷头与标准流量喷头相比, 控制相同数量喷头的管道流量将成倍增加, 由此可知新“喷规”表8.0.9的应用有一定局限性。

　　 向非标准流量喷头供水的喷淋管道直径, 根据下列因素计算确定: (1) 设计喷水强度; (2) 喷头间距和作用面积; (3) 喷头流量系数K; (4) 供水压力。计算中首先应根据工作压力和喷头流量系数确定喷头的出流量。对于管道末端的喷头来说, 喷头出流量等于连接管道的流量。向多个喷头供水的管道流量等于管道下游喷头的流量之和。

　　 新“喷规”9.2.1条规定喷淋系统管道内的水流速度宜采用经济流速, 由于喷淋系统并不是长期运行, 经济流速计算中的经营费用几乎为零, 所以和通常给水系统的经济流速应有所区别。喷淋系统的管径和流速确定主要是从系统压力平衡和运行安全角度考虑, 可适当增加管道流速。根据水力计算确定喷淋管径对应的管道流量和流速, 以及不同管径可控制的喷头数。

　　 由前文可知, 当压力相同时, 喷头的出流量与流量系数成正比。由此可参考轻危险级和中危险级中配水支管、配水管控制的喷头数量来确定非标准流量喷头的参数, 如表1所示。表1数据仅适用于各配水管入口的压力均不宜大于0.4MPa。系统压力较大时并不适用, 如新“喷规”表5.0.5中规定的喷头最低工作压力可达0.5 MPa, 这种情况应该另行计算确定。

　　 在采用大流量系数喷头的喷淋系统中, 通常流量较大, 系统压力较高, 火灾危险性大。为保证其系统的供水可靠性, 对其进行比较准确的水力计算和校核很有必要。

　　 作用面积是以设计为目的, 在一次火灾中, 假设的喷头作用的最大面积, 一般根据不同的危险等级确定, 主要是用于计算喷淋系统的设计流量。欧洲保险委员会喷淋规范把作用面积在计算过程中又分为了最优水力作用面积 (A_F) 与最不利水力作用面积 (A_U) 2种。定义为^[5]:最优水力作用面积, 规定形状的作用面积的位置, 使得在一定水压下, 该特定面积内的喷头喷水流量达到最大;最不利水力作用面积, 规定形状的作用面积的位置, 使得其中的喷头满足规定的设计喷水强度时, 所需供水水压达到最大值。

　　 由于喷淋管道系统压力的不平衡, 在一个系统中必定存在最优水力作用面积和最不利水力作用面积, 其中最优水力作用面积存在于系统低水平位置靠近供水的区域, 而最不利水力作用面积存在于系统高水平位置的末端, 如图2所示。

　　 在管道系统设计完成后, 应该对系统进行水力校核, 在不同区域着火洒水出流时管道水力特性曲线应有所区别, 如图3所示的A_F与A_U2条曲线, 2处作用面积情况下应分别校核水泵的流量和压力, 且都应该满足。同时需要最优水力作用面积处着火洒水时的流量和压力校核。

　　 (1) 完善不同喷头类型产品的规范化、标准化要求, 以适应特殊应用领域的喷淋新技术的不断发展。例如新“喷规”中增加的特殊应用型喷头目前我国还没有具体的产品标准化文件。

　　 (2) 为了解决喷淋系统中压力不均导致的喷水密度和强度的问题, 可以对不同系统压力的作用面积区域采用不同流量系数的喷头。在计算过程中应分别对最优水力作用面积和最不利水力作用面积处的压力、流量进行校核。

　　 (3) 在复杂和采用非标准型喷头的系统中, 可采用专业的喷淋系统水力计算软件进行模拟计算, 如英国CANUTE公司开发的FHC水力计算软件等。