《自动喷水灭火系统设计规范》 (GB 50084-2017, 以下简称“新喷规”) 对很多问题都进行了较大的修改, 如对高大空间场所湿式系统的设计基本参数, 相较于2005版“喷规”增加了厂房类场所并对民用建筑的场所分类进行了调整, 民用建筑场所净空高度范围由8~12m扩大到了8~18m, 喷水强度整体有所提高, 作用面积相应有所减小, 并对不同场所的喷头类型有了要求, 相应地自动喷水灭火系统设计流量也随之会有较大变动。

　　 在进行初步设计或前期估算时, 往往以喷水强度与作用面积的乘积并考虑一定的安全系数估算系统设计流量, 但“新喷规”的实施颠覆了这种估算做法, 特别是对于高大空间场所。根据“新喷规”9.1.3条的规定:“系统的设计流量应按最不利点处作用面积内喷头同时喷水的总流量确定”及表6.1.1喷头流量系数的要求, 经过逐点逐段的水力计算, 得出的设计流量所对应的喷水强度远远大于“新喷规”表5.0.2^[1]的设计喷水强度, 这就对前期估算带来了更大的挑战。我们通过不同的试算, 旨在找出最接近设计喷水强度的计算压力值和喷头管网布置方式, 并为高大空间场所自动喷水灭火系统设计流量的前期估算提供依据性支撑。

　　 通常, 喷头的安装有图1所示的4种方式, 图1a和图1b所示喷头的安装形式, 喷头到支管有局部水头损失或势能差, 喷头的出流量需考虑短立管的影响;图1c和图1d所示喷头的安装形式, 则可不考虑短立管对喷头出流量的影响^[2]。

　　 首先, 按支管管径随喷头数而变径, 流速控制在满足“新喷规”9.2.1条 (个别管段流速超过5m/s, 但不大于10 m/s) , 喷头及管网布置如图2所示。根据“新喷规”9.1.2条, 取最不利点处作用面积160m²所含的计算喷头数, 并对节点1~10编号。根据“新喷规”表6.1.1, 当高大空间场所最大净空高度为8m<h≤12m时, 喷头流量系数分别可取≥115和≥161;当民用建筑高度空间场所最大净空高度为12m<h≤18m时, 应采用非仓库型特殊应用喷头 (流量系数≥161) , 但并未对喷头最小工作压力明确规定。先基于不同高大空间场所喷头流量系数分别取115和161, 喷头最小工作压力按0.05 MPa进行试算, 假定喷头如图1c和图1d的安装方式, 不考虑短立管的影响。按“新喷规”公式9.1.1计算节点1处的流量, 得到管段1-2的流量, 再由海登-威廉公式计算得管段1-2的总水头损失, 得到节点2的水压和流量;以此类推可求节点3、节点4、节点5的水压和流量, 叠加后得管段5-6的流量, 此后支管流量不再增加, 管段6-7流量等于管段5-6的流量, 从而得到节点7的水压;因支管1-6与支管7′-7在喷头类型、布置方式、间距等特性都相同, 可把支管作为一个复合喷头, 通过计算出支管的流量系数从而可得出支管7-7′的流量再叠加管段6-7的流量即得管段7-8的流量;同理可得管段8-9和管段9-10的流量, 从而得到系统的设计流量分别为30.84L/s和47.07L/s (见表1和表2) 。采用上述方法同样可得到喷头最小工作压力为0.1 MPa时, 喷头流量系数为115的系统流量为43.37L/s, 喷头流量系数为161的系统流量为65.98L/s。

　　 将表1和表2与“新喷规”表5.0.2的数据进行对比, 表1所得的系统设计流量30.84L/s (喷头流量系数115, 最不利点工作压力0.05 MPa) 所对应的喷水强度为11.56L/ (min·m²) , 不满足所有场所的设计喷水强度;表2所得的系统设计流量47.07L/s (喷头流量系数161, 最不利点工作压力0.05MPa) 所对应的喷水强度为17.65L/ (min·m²) , 不满足“新喷规”表5.0.2所列棉纺厂等厂房类建筑和净空高度12~18m的影剧院等建筑的设计喷水强度。同样喷头最小工作压力为0.10 MPa时, 喷头流量系数为115的系统流量43.37L/s, 不满足“新喷规”表5.0.2所列棉纺厂等厂房类建筑和净空高度12~18m的影剧院等建筑的设计喷水强度;喷头流量系数为161的系统流量65.98L/s所对应的喷水强度为24.74L/ (min·m²) , 满足并远大于“新喷规”表5.0.2所有场所的设计喷水强度。因系统设计流量较大时, 对消防水泵的选型和消防水池的有效容积都有更高的要求。所以, 系统计算设计流量在满足规定的喷水强度的前提下, 尽量减小, 达到合理经济的目的, 是值得探讨的问题。

　　 再者, 通过调整管径来减小各管段水头损失, 减小各节点压力差异的方式, 来计算设计流量。将图2的各支管不变径 (均为DN50或DN80试算) , 采用相似方法计算结果见表3。以表3与“新喷规”表5.0.2的数值相比较可得, 喷头流量系数115, 最不利点水压0.05 MPa时, 支管为DN50和DN80时均不满足规范要求, 其余均满足要求, 并且支管DN50或DN80, 计算结果相差无几。从工程实际出发, 在设计中可以考虑支管不变径, 均设置为DN50, 以减小系统设计流量。

　　 另外, 如考虑喷头安装形式的影响, 按图1a或图1b所示, 假定短立管长度为0.8 m。由于“新喷规”表5.0.2的高大空间场所属于中危险级, 则根据9.1.5条, 只要计算的最不利作用面积内任意4只喷头围合范围内的平均喷水强度不低于规定值的85%, 即满足要求。通过以上的计算分析, 并与“新喷规”表5.0.2对比列表, 结果见表4、表5。

　　 在实际工程设计中, 在明确各种前提条件下, 可以根据表4、表5选用满足规范要求的准确数值;但往往在设计初期和前提条件难以明确的时候, 这是比较困难的。经过上述的计算, 从表4、表5所示的数值中, 选出满足设计喷水强度的最小流量值及所对应的最不利喷头工作压力, 同时考虑安全性 (实际工程中喷头安装形式多样, 不考虑短立管者为安全流量) 、经济合理性 (支管不变径, 无需变径管件, 增加的管材费用有限, 却减小了消防水池容积并优化加压泵选型流量) , 得出一个可以指导设计应用的取值, 见表6。

　　 表6中各场所的最小设计流量取值, 考虑了是否有短立管时, 两个值中取大值;考虑支管管径时, 两个值中取小值, 由此得出最小设计流量取值。从表6可知, 支管管径为DN50并考虑短立管影响时, 仅个别喷水强度稍小于规范值, 但可以略增大最不利喷头工作压力即可满足规范喷水强度要求。实际工程设计的选泵压力, 往往都是大于计算值的, 所以表6中最小流量取值是合理的。

　　 系统流量的确定直接关系到自动喷水灭火系统加压泵和消防水池自动喷水灭火部分有效容积的确定, 选择过大不经济, 过小则不满足规范和安全使用要求, 如何平衡好这两方面的关系, 对实际工程设计中尤为重要。表6所列的系统流量取值可作为自动喷水灭火系统加压泵流量和消防水池自动喷水灭火部分有效容积计算的依据。

　　 从表6来看, 设计喷水强度20L/ (min·m²) 的场所, 设计流量取60L/s, 自动喷水灭火系统储水量216m³;而加压泵选泵流量则可根据不同情况优化配置, 如大空间场所为独立的加压供水系统, 自动喷水灭火泵流量可选60L/s;对于高层建筑, 往往大空间场所在下部, 而且顶部几层为普通空间场所, 即大流量 (Q_d) 和高扬程 (选泵扬程H) 并不发生在同一场所, 而又为合并的加压系统时, 当消防水泵出流量Q_d为设计选泵流量Q的150%时, 大空间区域所需加压泵出口压力H_d不低于设计选泵压力H的65%^[3], 自动喷水灭火泵流量可选小于60L/s的消防泵, 具体选泵参数根据消防泵的性能曲线确定。设计喷水强度12L/ (min·m²) 和15L/ (min·m²) 的场所, 设计流量取45L/s, 自动喷水灭火系统储水量取162m³。

　　 需要指出的是, 自动喷水灭火系统设计流量与喷头间距和喷头工作压力有关, 喷头间距越小, 作用面积内喷头数越多, 系统设计流量越大。前述内容均以喷头间距为3m并以最不利喷头的工作压力计算所得, 为了不过多的大于“新喷规”表5.0.2中规定的喷水强度, 在实际工程设计中推荐喷头采用3m×3m的布置。建筑中大空间区域往往是大跨度空间, 喷头布置受建筑构件的影响较小, 3 m×3m的喷头布置也是容易实现的。工作压力的控制可以通过在高大净空区域的配水管上设置减压设施 (从表6的计算作用面积最有利支管节点处的控制点压力经计算所得需控制的压力) 来实现。

　　 本文在尽可能考虑实际工程应用情况下, 通过作用面积法结合特性系数法计算高大净空不同场所的系统设计流量, 在与“新喷规”中表5.0.2规定的设计基本参数比较后, 得到各高大净空场所的湿式自动喷水灭火系统设计流量和最不利喷头的工作压力, 如表6所示。

　　 为便于工程设计实际应用, 推荐各高大空间场所布置成3 m×3 m喷头间距且支管为DN50的不变径管网。设计喷水强度12L/ (min·m²) 和15L/ (min·m²) 的高大净空场所, 设计流量取45L/s, 自动喷水灭火系统储水量取162 m³;设计喷水强度20L/ (min·m²) 的高大净空场所, 设计流量取60L/s, 自动喷水灭火系统储水量取216m³, 并考虑大流量和高扬程不在同一场所时, 自动喷水灭火泵流量可选小于60L/s的消防泵。同时需要控制关键节点的压力 (如表6所示控制节点压力值) , 避免压力过大导致实际流量偏大, 使消防水池容积在未达到持续灭火时间即被耗尽。

　　 需要指出的是最具有指导意义的还是完全模拟条件下所得到的数据。本文只是基于一定假设条件下的纯理论计算, 并未经过试验验证, 希望能对实际工程设计具有一定的参考意义。