在对自动喷水灭火系统进行水力计算时,宜结合项目实际需求,对喷头布置、管径选择、消防泵组选型等进行比选以期达到节材降耗的目的。鉴于此,笔者结合实际工程,采用海澄-威廉公式对常见的8.4 m×8.4 m柱网地下车库的自动喷水灭火系统编制水力计算书,对比不同的排布方式,分析其中利弊,以期对优化地下车库自动喷水灭火系统设计有一定的参考价值。

《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084—2017,以下简称“喷规”)^[1]中海澄-威廉公式见式(1):

$i=6.05(q{}_{\text{g}}{}^{1.85}/C{}_{\text{h}}{}^{1.85}d{}_{\text{j}}{}^{4.87})\times 10{}^7(1)$

式中 i——管道单位长度的水头损失,kPa/m;

q_g ——管道的设计流量,L/min;

d_j ——管道的计算内径,mm;

C_h ——海澄-威廉系数,镀锌钢管取值120。

为简化计算,式(1)可用式(2)表示:

$i^{\prime }=S{q}^{\prime }{}_g{}^{1.85}(2)$

式中 i′——水力坡度,mH₂O/m;

S ——水力坡度系数;

q′_g ——管道的设计流量,L/s。

不同管径镀锌钢管的水力坡度系数S见表1。

首先计算地下车库8.4 m×8.4 m柱网井字梁布置9只K=80标准喷头,160 m²作用面积内共有21只喷头,配水支管DN50,计算示意如图1,喷水强度为8 L/(min·m²)。水力计算中配水支管上的三通管件直通流当量长度可按文献[2]第275页的提示选取。

1只喷头保护面积F=2.8×2.8=7.84(m²),喷头数n=160/7.84≈21(只),作用面积的长边尺寸$L=1.2\times \sqrt{160}=15.18(\text{m})$,每根配水支管的动作喷头数n=15.18/2.8≈6(只),实际长边长度为2.8×6=16.8(m),作用面积短边尺寸B=160/16.8=9.5(m),支管数量9.5/2.8=3.4(排),取3排,计算喷头数为18只,再增补3只喷头。

系统最不利点处喷头的工作压力应由计算确定,喷头的流量按式(3)计算:

$q={\rm K}\sqrt{10{\rm P}}(3)$

式中 q——喷头流量,L/min;

P ——喷头工作压力,MPa;

K ——喷头流量系数。

作用面积内第一只喷头的出流量q₀=7.84×8=62.72(L/min),则该喷头处的工作压力为P₀=1×62.72/80²/10=0.061 5(MPa)=6.15 mH₂O。DN25短立管与喷头连接的异径接头DN25×DN15的当量长度为0.2 m,异径接头DN50×DN25的当量长度为0.2×2=0.4(m)。与配水支管连接的90°弯头的当量长度按侧向流三通当量长度3 m计,短立管高度0.7 m,则总当量长度L=0.2+0.4+3+0.7=4.3(m),DN25管道水力坡度系数S=0.215 mH₂O/m,短立管水头损失SL=0.215 ×4.3=0.93(mH₂O),节点1工作压力P₁=6.15+0.93=7.08(mH₂O)。

表3中节点12—10,只开放3只喷头的配水支管流量按照文献[4]算法计算:已知表4中节点10的压力为9.52 mH₂O;在表3中节点10的压力为6.88 mH₂O,对应的配水支管流量为3.1 L/s;则节点12—10,只开放3只喷头的配水支管流量$q{}_{12-10}=3.1\times \left(\frac{9.52}{6.88}\right){}^{\frac{1}{1.85}}=3.69(\text{L}/\text{s})$。

对比文献[3]中配水支管管径依次为DN25-32-40-50-50-50,配水管管径依次为DN70-80-100-100-100的排布方式(管径如图1括号内标注所示),11节点压力由14.52 mH₂O降低到9.82 mH₂O,配水管流量由26.27 L/s降低到22.25 L/s。

对8.4 m×8.4 m柱网十字梁布置4只K=115直立型扩大覆盖面积洒水喷头进行水力计算,160 m²作用面积内共有10只喷头,喷水强度为8 L/(min·m²)。1只喷头保护面积F=4.2×4.2=17.64(m²)(“喷规”表7.1.2中规定,中危险级Ⅱ级1只喷头的最大保护面积为17.5 m²,与此处计算所得的17.64 m²有微小的出入,合规性有待探讨)。喷头数n=160/17.64≈10(只),作用面积的长边尺寸$\mathit{L}=1.2\times \sqrt{160}=15.18(\mathbf{m})$,每根配水支管的动作喷头数n=15.18/4.2≈4(只),实际长边长度为4.2×4=16.8(m),作用面积短边尺寸B=160/16.8=9.5(m),支管数量9.5/4.2=2.26,取2排,计算喷头数为10只,应增补2只喷头,计算示意如图2所示。

系统的计算方法和8.4 m×8.4 m柱网井字梁布置相同,在此不再赘述,具体计算结果见表5～表8。

计算发现,8.4 m×8.4 m十字梁柱网使用K=115直立型扩大覆盖面积洒水喷头起点压力偏大。若改变喷头型号,采用4个K=161直立型扩大覆盖面积洒水喷头,其相应水力计算结果见表9、表10。

将上述计算结果进行列表比较,并对各种管道排布形式进行造价估算,对各布置形式的最佳适用场所进行推荐,供同行参考。具体见表11。

(1)对比单跨井字梁变径与不变径布置9只K=80标准喷头的2种排布方式,不变径形式作用面积入口处压力和流量都有显著的减小,其在实际工程中有以下优势:①拥有较小的配水管管径(“喷规”中规定DN100最多控制64只喷头,如水力条件满足,控制多于64只喷头的配水管是否也可采用DN100管径有待探讨),降低地下车库的层高。②系统的水力条件得到改善,配水更加均匀,设计流量减小,消防用水量少。③虽然系统造价有所增加,但管道管件规格少,安装维护方便,安装效率提高。这些在实际工程中都可供参考。

(2)对比8.4 m×8.4 m柱网井字梁不变径布置9个K=80标准喷头和十字梁不变径布置4个K=115扩大覆盖面积洒水喷头2种排布方式,前者配水管起点压力较低、配水管流量较小,但作用面积内使用管材的数量和规格较多,造价偏高;后者起点压力高,但配水管流量没有超过30 L/s,同样的作用面积内在保证喷水强度的情况下管材数量少,管材、管件规格种类少,提高了安装效率且造价较低,同时,对于地上建筑设有自动喷水灭火系统的地下车库,其所需要的20 mH₂O的压力很容易满足。所以,当地上建筑设有自动喷水灭火系统,地下车库采取十字梁的结构形式可以有效节省管材、管件数量,降低人工成本,有效降低工程造价。

(3)针对第(2)条问题,如果地下车库上方没有需要设置自动喷水灭火系统的建筑,地下车库采用十字梁结构形式,其自动喷水灭火系统选用十字梁不变径布置4个K=161扩大覆盖面积洒水喷头,系统入口压力为15.51 mH₂O,配水流量为28.87 L/s,这个流量也是可以接受的,因其较小的系统入口压力在实际工程中可以考虑选用。