《消防给水及消火栓系统技术规范》 (GB50974—2014, 以下简称“消水规”) 实施以来, 为设计和审图机构明确了诸多可操作性的条文, 但同时也有个别条文不甚明确、易引起歧义, 也可以说是可由设计师和审图专家充分发挥主观能动性的条文, 其中关于消防水泵自灌式吸水及消防水池最低有效水位的相关条文是引起争议最多的内容之一, 使得设计、审图人员过度理解、过度设计, 给设计人员和建设方都带来了困扰。

　　 “消水规”中4.3.8、4.3.9-1-2、5.1.12-1、5.1.13-4条均是有关消防水池和消防水泵吸水的相关要求, 这些条文之间是相互关联而非独立存在的。条文说明4.3.9图2的4个图示, 引出了模糊不清的不同理解, 15S909《〈消防给水及消火栓系统技术规范〉图示》中补充说明了“喇叭口吸水管也可在最低有效水位上方出池壁”。本文通过对规范条文的解读、理解, 并加以深度思考, 模拟消防系统搭建中试试验平台, 以验证消防水泵自灌式吸水及运行的全过程。

　　 “消水规”实施3年来, 关于消防水池最低有效水位的设计高度与消防水泵自灌式吸水的相关问题, 在设计与施工图审图机构之间引起了较大的争议。争议的目的是为了保证消防水泵及消防备用泵在有效容积的水量用完之前都能正常启动。进而, 争议的焦点演变为如何确定消防水池最低有效水位的设计高度。

　　 首先解读几个水位的概念。

　　 最高水位:即为有效计算容积的最高水位。

　　 自灌水位:“消水规”没有给出术语。

　　 “消水规”5.1.12-1条“消防水泵应采取自灌式吸水”, 其条文说明“为保证消防水泵随时启动并可靠供水, 消防水泵应经常充满水, 以保证及时启动供水, 所以消防水泵应自灌吸水”;4.3.8条“消防水池…平时应保证消防水量不被动用”, 4.3.9条“应设有最高和最低报警水位”, 其条文说明“消防水池设置各种水位的目的是保证消防水池不因放空或各种因素漏水而造成有效灭火水源不足的技术措施”, 其措施是在低于最高水位50~100mm且高于泵体处设水位报警信号 (低水位报警) , 保证消防水源充足, 见图1。从这些条文理解, 关于消防水池水量设计时应满足两点要求: (1) 水池正常水位需保证消防时的有效消防用水量; (2) 水池水位需保证消防时消防水泵的有效启动。

　　 《建筑给水排水设计规范》 (GB 50015-2003, 2009年版) 术语2.1.32条:自灌是指水泵启动时水靠重力充入泵体的引水方式。意即自灌水位是淹没泵体的水位, 权且将淹没泵体的水位称为“自灌水位”。15S909《〈消防给水及消火栓系统技术规范〉图示》35页, “自灌式启泵最低水位”与上述意思相同, 为淹没泵体的水位。但由于不同的泵型其泵体高度不同, 故所谓的“自灌水位”是不确定的。

　　 关于“最低有效水位”, 即为有效计算容积的最低水位。“消水规”5.1.13-4条“…消防水池最低有效水位应淹没消防水泵吸水喇叭口不小于600mm, 当消防水泵吸水管口设置旋流防止器时, 最低有效水位为旋流防止器顶部以上不小于200mm”。非常具体且量化, 便于操作。

　　 由此可见, “自灌水位”不同于“最低有效水位”, 其两者针对的主体不同, 前者针对消防水泵, 后者针对消防水量, 两者的交叉之处在于对消防水池水位的要求。

　　 有人质疑:当水位低于“自灌水位”时, 此时恰巧备用泵启动, 或主泵因故停泵重新启动, 水泵是否能够正常启动运行?由于此类想法, 对消防水池最低有效水位的要求变得五花八门, 有要求高于水泵放气孔的, 有要求高于水泵泵轴的, 还有要求高于泵体顶部的。将满足自灌吸水的最低水位等同于消防水池“最低有效水位”。这样的设置方法无形中把最低有效水位提高了, 增加了无效水深。

　　 那么当消防水池水位降低至低于“自灌水位”时, 切换备用泵是否能够正常运行、消防主泵停泵后是否能够重新启动等问题, 本文将通过模拟试验进行验证, 检测消防泵在各种水位的运行情况, 及水位低于吸水管时二次启泵的运行情况。

　　 通过试验验证自灌水位、最低有效水位及消防泵启泵和切换之间的关系, 为合理、安全、经济地执行现行规范提供帮助, 为现行规范的修编提供基础数据及试验支撑。

　　 按照以上所述的水位关系, 模拟实际火灾扑救时消防泵运行情况, 配置民用建筑室内最大消火栓设计流量的消防泵, 设计试验装置条件见图2, 试验设备材料见表1。

　　 在三利集团厂房内安装完成试验平台, 试验装置安装见图3。

　　 本次中试进行了5次, 试验的重点是: (1) 当水位低于水泵吸水管时, 切换备用水泵, 测试其是否能够正常启泵; (2) 探究可支持备用泵启泵输水正常运行的最低水位。设计试验步骤见表2。

　　 试验数据整理见表3。

　　 试验中, 在水位低于吸水管, 主泵停泵后等待2~20min, 给予吸水管道和泵体充分的进气时间, 同时, 消防泵出水管止回阀下游的消防供水管道充满水, 且向大气开口。在止回阀和消防管道充满消防水的共同作用下, 泵体及其吸水管会一直充满水, 并不进气。

　　 试验验证, 从泵启动到泵出水流量稳定, 约1min;备用泵从接到启泵信号到正常运转的启动时间小于2min, 在“消水规”规定时间内。

　　 试验证明, 水箱满水状态, 消防泵自灌吸水, 正常启动;当消防水位降低至水位1时, 此时水位已低于消防泵的吸水横管, 消防水泵仍可以正常运行。消防主泵停止运行2~20min后, 切换备用消防泵, 备用泵可以正常启泵运行, 从水位1到水位2, 运行稳定。观察流量计和水位计, 从水位2以下, 开始出现流量不稳定, 水位波动大的现象。消防水泵可一直运行至水位降至吸水喇叭口下沿以上50mm处, 此时由于流量大, 水位低, 水泵吸水口开始出现气蚀现象。这一现象证明了, 当消防系统处于消防准备状态时, 不被动用的消防储水量使消防泵体及吸水管路中均是充满水的, 可达到自灌吸水的效果。在消防泵运行过程中, 水位下降到吸水横管以下, 消防泵仍正常运行, 即或是需要切换备用泵投入, 只要水位淹没出水口即可保证水泵吸水管内的满水状态, 备用泵正常运行, 从而消防水池有效容积被全部利用。

　　 在主泵停泵状态, 观察水位计, 水箱水位有少量回升, 在最长的20min静止时间里, 水位回升约50mm, 回流量约190L (试验水箱面积2.5m×1.5m=3.75m²) 。针对这个问题, 笔者分析是由于水泵出水管上止回阀不严所导致。从另一次试验中又验证了止回阀不严的情况:在水位2时强行停泵, 打开了阀门1, 压水管中的水因重力泄入水箱, 20min后再启动另一台泵时, 则水泵无法吸水启动。说明止回阀下游仅有约1 m竖管有水 (DN125, 约12.5L) , 已完全回水, 泵体进气。这只是试验进行的一种极端情况, 实际工程中系统中的水是不能泄空的 (阀门1相当于系统的泄空阀, 是常闭阀门) 。正常情况下, 灭火过程是连续的。即使是需要切换备用泵, 由于实际工程中, 有高位水箱稳压、且管路系统长, 消防泵从接到启泵信号到正常运转不大于2min时间内, 纵使止回阀关闭不严, 整个管网中的水也不可能在2 min的时间内全部回流而使泵体进气。

　　 托里拆利原理是基于流体力学最基础的理论, 介质换成水, 则水柱高度为10.3 m (标准大气压下) , 其特点之一是与管径无关, 能直观反映水泵吸水管内的真空状态 (见图4) 。此工况的特点是灭火开始, 启动消防水泵时满足自灌要求。当水池内水面下降, 在水位低于泵体即或泵吸水管时, 密闭的泵体和吸水管内的水在水池水面大气压作用下, 是充满水的。如连续运行, 水泵可以将水池内设计水量输出完毕;此时如果水泵因各种情况重新启动, 是否能如同连续运转的水泵一样, 在设计的灭火时间内使水泵壳体内一直充满着水, 这是本试验研究的关键。如试验装置 (见图3) 所示, 当止回阀绝对密闭, 根据托里拆利原理, 水泵腔体与吸水管内水体一直充满;当止回阀有少量回流, 系统内的水量给与补偿, 在较长时间内维持泵腔内充满水。

　　 再以水泵的特性来分析, 水泵正常运行而不发生气蚀现象的条件, 是泵进水口的气蚀余量H_sv>水泵样本中提供的必需气蚀余量NPSH。民用建筑中使用的单吸离心泵的NPSH一般为3~4m。

　　 吸水口的汽蚀余量计算式:

　　 式中P_a———大气压力, 约10m, 见图1;

　　 P_av———水池水温下的气化压力, 约0.24m;

　　 ∑h_ab———水泵吸水管路的总水头损失, m;

　　 0.4~0.6———气蚀余量富裕值, 最小取0.4m;

　　 H———水面至泵进水口的高差, m, 满水时 (+) , 低于泵轴时 (-) 。

　　 假设水池底 (吸水坑除外) 与泵房地面同标高时, 水位在最低有效水位 (喇叭口以上600 mm) 时, 低于泵进水口0.5m, 即H=-0.5m;根据“消水规”, 消防水泵吸水管DN≥250mm, 流速为1.2~1.6m/s, 则沿程水损约0.7%;如有100 m的吸水管路 (实际工程中远远达不到这么长的吸水管路) , 总水头损失:1.5×0.7%×100=1.05 (m) (1.5的局部阻力系数已有很大的冗余, 回应了“试验装置的吸水管路短, 不能代表实际工程中的复杂管路”的质疑) 。则有:H_sv=10-0.24-0.4-1.05-0.5=7.81 (m) >消防泵必需气蚀余量3~4 m。说明水泵不发生气蚀现象, 运行正常。再假设水池底低于泵房地面时, 水位低于泵进水口2m时, 即H=-2m, H_sv=10-0.24-0.4-1.05-2=6.31 (m) >消防泵必需气蚀余量3~4m, 说明即使水位低于泵进水口2m, 水泵仍不会发生气蚀现象。

　　 为安全起见, 并不推荐水池底低于泵房地面的做法。

　　 综上可知, 消防水池最低有效水位与消防泵自灌吸水、低水位切换都没有绝对关系, 且在常规的设计中均可满足自灌吸水、低水位切换备用泵启动的要求。

　　 消防设计的安全是必要的, 但安全的“度”在哪里?笔者认为, 不是无端的担心和无度的放大, 没有“度”的安全, 不是本质的安全。在满足消防设计安全要求的前提下, 更应注重设计的合理性, 不能用过度设计的手段, 来弥补对使用安全的不明确认知。消防系统安全一定要以安全管理为前提, 如果不注重系统的日常维护、消防泵的定期巡检, 在需要灭火时消防泵不能正常投入运行, 再过度设计也是不安全的。

　　 消防水池底应与消防泵房地面同标高, 或高于消防泵房地面。消防水池有效水深应充分利用空间高度, 并不应小于2 m, 保证最高水位至少应高于泵体。

　　 通过试验验证, 消防水池的最低有效水位按吸水喇叭口以上600mm或高于旋流防止器上沿200mm设计, 可保证吸水管路中充满水, 保证消防系统作用过程中水泵的正常运行及备用泵切换运行。消防泵启动时, 是自灌工况, 运行中甚至切换启动过程中, 是满足水泵吸上高度的自吸工况。因此, 消防水池的有效容积计算不应扣除最低有效水位至水泵吸水管甚至水泵放气孔间的容积。所以笔者认为, 消防水池最低有效水位按照“消水规”5.1.13-4条执行, 可达到充分利用消防水池有效容积, 减少无效水深的目的, 而与消防泵吸水横管是否高于最低有效水位、水泵放气孔、泵轴等无关。

　　 上述试验结果希望得到业界的质疑、批评、肯定或否定, 期待规范的修订中给出可行性、可操作性、满足性能要求的具体条款。