《消防给水及消火栓系统技术规范》^[1] (GB50974-2014,以下简称“水消规”)是一本全新的关于水消防系统设计的规范。由于规范实施不久,相关从业人员还处于熟悉、消化与理解阶段,难免对规范中部分条文的理解出现偏差,其中临时高压消防给水系统消防稳压给水设备(以下简称“稳压设备”)的设计计算成为热议的话题之一,需要注意的是,相关的探讨中往往忽略了另外一本非常重要的消防产品规范:《固定消防给水设备第3部分:消防增压稳压给水设备》^[2] (GB 27898.3-2011,以下简称“稳压设备标准”)。根据国家质检总局、公安部、国家认监委联合发布的“2014年第12号公告关于部分消防产品实施强制性产品认证的公告”规定:自2015年9月1日起,凡列入本强制性产品认证目录内的消防产品,未获得强制性产品认证证书和未标注强制性产品认证标志的,不得出厂、销售、进口或者在其他经营活动中使用。强制性产品认证目录中就包含“稳压设备”,也就是说“稳压设备”必须经过消防产品强制性产品认证(即CCCF认证)通过后才能销售,而“稳压设备”强制认证的主要依据就是“稳压设备标准”。实际工程应用中,由于两本现行规范对“稳压设备”的要求有所不同,本文力求找到一个平衡点,使“稳压设备”的设计计算能同时满足两本规范的要求。

　　 根据“水消规”的有关条文规定,当临时高压消防给水系统设置的高位消防水箱不能满足水灭火设施最不利点处的静水压力要求时,应设“稳压设备”。该设备的主要作用是保证消防水灭火设施最不利点在准工作状态(消防主泵启动前)下的静水压力,在消防主泵启动时,该设备应停止运行。

　　 “稳压设备”一般由稳压泵和气压水罐组成,稳压泵的主要作用是补充消防系统管网的正常泄漏量和系统自动启动所需的流量以及保证准工作状态下消防水灭火设施最不利点的静水压力;气压水罐的主要作用是防止稳压泵频繁启动。

　　 《气压给水设计规范》^[4] (CECS76∶95,以下简称“气水规”)规定了“稳压设备”的基本工作原理。“稳压设备”由气压水罐上设定的P₁、P₂、P_S1、P_S24个压力控制点来控制设备的运行。平时准工作状态如消防给水系统有泄漏,压力降至P_S1时,稳压泵启动不断补水稳压,在压力升高至P_S2时,稳压泵停止运行;当发生火灾时,因为消防给水系统大量出水,稳压泵已经不能继续稳压至P_S1以上,压力持续下降至P₂,发出报警信号,立即启动消防主泵供水灭火,消防主泵启动后,稳压泵自动停止运行。“稳压设备”气压水罐的工况示意如图1所示。

　　 图1中P₀为气压水罐起始压力,P₁为气压水罐最低工作压力,P₂为消防主泵的启动压力,P_S1为稳压泵的启动压力,P_S2为稳压泵的停止压力,V为气压水罐总容积,V₀为不动水容积,V_X为消防贮水容积,V_ΔP为缓冲水容积,V_S为稳压水容积,V_XF为消防水总容积(V_XF=V_X+V_ΔP+V_S)。

　　 气压水罐的设计是“稳压设备”设计比较重要的部分,气压水罐一般分为补气式和隔膜式2种,现在比较常用的是隔膜式气压水罐。图1所示是补气式气压水罐的工况示意,隔膜式气压水罐的工况基本一致,只是少了不动水容积V₀(也就是说隔膜式气压水罐没有压力控制点P₀,水罐的充气压力为最低工作压力P₁),因为隔膜式气压水罐内有橡胶隔膜,可以把不动水容积V₀看做是橡胶隔膜所占的体积,这样处理的好处是统一了补气式和隔膜式两种气压水罐计算公式的推导。

　　 气压水罐供水的理论依据是波义耳-马略特定律,即对于一定质量的理想气体,在其温度保持不变时,它的压强和体积成反比。气压水罐是利用密闭罐中压缩空气的压力变化来调节压送水量。

　　 根据波义耳-马略特定律,由图1可得:

　　 基于式(1)可推导出“气水规”中气压水罐总容积的计算公式:

　　 式中β———气压水罐的容积系数,隔膜式水罐取1.05;

　　 α_b———工作压力比,宜取0.5~0.9^[4] 。

　　 其他符号定义见图1。需要注意的是这里的α_b=P₁/P_S2,而不是P₁/P₂;β=P₁/P₀;式(1)、式(2)中的压力均指绝对压力。

　　 式(2)是气压水罐总容积计算中最基本的公式,公式的推导设计手册、大学教材上都有详细介绍,这里就不再赘述。下文详细介绍其他几个对气压水罐的设计非常有用的公式。

　　 同理,可以推导出式(4)、式(5):

　　 把式(3)变形可以得到式(6):

　　 通过上述几个公式可以很方便计算气压水罐的总容积,并核算气压水罐的消防储水容积、缓冲水容积、稳压水容积等是否满足规范要求。

　　 “水消规”实施前,“稳压设备”的设计依据主要是《高层民用建筑设计防火规范》^[3] (GB 50045-95,2005年版,“原高规”)和“气水规”中的相关规定。“原高规”相关条文规定了什么情况下要设置“稳压设备”以及该设备的一些基本参数;“气水规”对“稳压设备”的设计参数做了更深一步的细化。两本规范相辅相成,互有补充。

　　 根据“原高规”、“气水规”相关规定,气压水罐消防贮水容积V_X和稳压水容积V_S应满足消防给水要求:(1)消火栓给水系统V_X不得小于300L;(2)自动喷水灭火系统V_X不得小于150L;(3)消火栓给水系统与自动喷水灭火系统合用时V_X不得小于450L;(4)稳压水容积V_S不得小于50L。

　　 “原高规”对于气压水罐的压力控制点没有详细规定,“气水规”对此有详细的规定:(1)气压水罐最低工作压力P₁应保证最不利处消火栓水枪的充实水柱或自动喷水灭火喷头所需水压的要求;(2)最高工作压力P₂根据消防贮水容积V_X和气压水罐总容积V计算;(3)稳压泵的启动压力P_S1与最高工作压力P₂的压力差,一般取0.02MPa;(4)稳压泵的停止压力P_S2与稳压泵的启动压力P_S1的压力差,一般不小于0.05 MPa。

　　 根据式(6)可以看出,气压水罐的总容积可以通过β、P₁、P₂、V_X4个参数计算,其中:P₁应能保证最不利处消火栓水枪的充实水柱或自动喷水灭火喷头所需水压的要求,计算方法见国标图集《消防增压稳压设备选用与安装》^[5]5[5] (98S205,以下简称“稳压设备图集”);隔膜式气压水罐β=1.05;V_X取值根据前面介绍分3种情况。所以要想计算气压水罐总容积V,必须先求出P₂值,根据“气水规”规定,工作压力比α_b=P₁/P_S2,宜取0.5~0.9,所以P₁/P₂的取值应大于α_b,可以假定一个P₁/P₂的值计算出P₂,通过式(6)求得气压水罐总容积V。根据计算结果,选定某一个厂家的产品型号,得到所选气压水罐实际总容积V。根据式(3)、式(4)、式(5)核算消防贮水容积V_X、缓冲水容积V_△P、稳压水容积V_S是否满足规范要求,最后再计算工作压力比α_b是否满足规范要求。若不满足要求,调整相应的设计参数,重新核算直到满足规范要求为止。上述计算需要一个试算过程,可以通过excel快速实现。

　　 根据规范要求,“稳压设备图集”设计出几种常用的型号供实际工程选用,需要注意的是,目前隔膜式气压水罐的尺寸大小没有统一标准,设计人员应根据所选气压水罐的实际大小核算实际消防贮水容积V_X和稳压水容积V_S。如“稳压设备图集”P6页上型号为ZW(L)-Ⅰ-X-10的“稳压设备”所选用的气压水罐规格为800,某厂家实际生产的800立式隔膜式气压水罐的总容积为0.76 m³,根据图集规定的运行压力参数P₁=0.16MPa,P₂=0.33MPa,P_S1=0.36 MPa,P_S2=0.42 MPa,计算得到V_X=287L,V_S=47L,均不满足规范要求。把压力运行参数调整为P₁=0.16 MPa,P₂=0.35 MPa,P_S1=0.37 MPa,P_S2=0.44 MPa,计算得到V_X=306L,V_S=52L,这样才能满足规范规定的V_X不小于300L,V_S不小于50L的要求。

　　 “水消规”实施后,“稳压设备”的设计参数有了较大的变化。“水消规”第5.2.2(5)、6.1.7、6.1.9(2)条(款)规定了稳压泵的设置条件;5.3节对稳压泵的设计参数做了详细的规定。

　　 “水消规”5.3.2条规定了稳压泵的设计流量技术参数要求,其中第1款作了原则性规定“稳压泵的设计流量不应小于消防给水系统管网的正常泄漏量和系统自动启动流量”;此款条文为强制性条文,必须严格执行。第2款和第3款作了相应的技术规定。从5.3.2条可以看出,“水消规”明确了稳压泵的流量是为了补充管网的泄漏量及自动喷水灭火系统中报警阀压力开关的自动启动流量。实际工程中管网的泄漏量一般很难确定,可以按规范条文取消防给水设计流量的1%~3%且不小于1L/s。根据有关资料,报警阀通过的流量达到60L/min及以上,阀组便连续报警;当该流量在0~15L/min,阀组便不报警;当该流量在15~60L/min,阀组可能报警,也可能不报警(注:报警包括水力警铃动作和压力开关动作)^[6] 。从上述情况可以看出,稳压泵的设计流量取1L/s可满足绝大部分工程的需要。

　　 “水消规”5.3.3条规定了稳压泵的设计压力技术参数要求,其中第1款做了原则性规定“稳压泵的设计压力应满足系统自动启动和管网充满水的要求”(强条)。第2款和第3款作了相应的技术规定,从这两款条文可以看出P_S1=P₂+(0.07~0.10)MPa,且P_S1应保持系统最不利点处水灭火设施在准工作状态时的静水压力应大于0.15 MPa。应注意的是“水消规”规定消防主泵的启动“应由消防水泵出水干管上设置的压力开关……等开关信号应能直接自动启动消防水泵”(“水消规”11.0.4条),“稳压设备”不再有自动启动消防主泵的功能;也就是说P₂并不是启动消防主泵的压力值,消防主泵应由消防泵房内出水干管设置的压力开关启动,具体压力数值应通过P₂计算确定,即出水干管压力开关的启动主泵压力值=P₂-出水干管压力开关与“稳压设备”压力表的标高差(“稳压设备”高时取正值,反之取负值)。P_S2通过“水消规”5.3.4条计算确定,P₁取值“水消规”没有规定。

　　 “水消规”5.3.4条说明了气压水罐的作用及稳压水容积的计算方法。即气压水罐是为了防止稳压泵频繁启动,其稳压水容积(规范条文上措词是“调节容积”,实际就是图1所示的稳压水容积)应根据稳压泵启泵次数不大于15次/h计算确定,且不宜小于150L,计算公式如式(7)所示。

　　 式中V_S———稳压水容积,m³;

　　 q_b———稳压泵的设计流量,m³/h;

　　 α_a———安全系数,宜取1.0~1.3;

　　 n_q———稳压泵在1h内的启动次数,不大于15次。

　　 从上述对“水消规”条文分析可以看出,“水消规”对“稳压设备”的规定与“原高规”相比主要有两个方面的变化:

　　 (1)“水消规”指出“稳压设备”中气压水罐的主要作用是防止稳压泵的频繁启动,另外还储存了P_S1至P₂的缓冲水容积,即气压水罐仅储存图1所示的稳压水容积V_S和缓冲水容积V_ΔP,至于消防储水容积V_X“水消规”并没有相关规定。

　　 (2)“水消规”对稳压泵的流量和扬程的规定与“原高规”的要求不同。

　　 “稳压设备标准”对“稳压设备”的相关规定为气压水罐的最低工作压力(充气压力)P₁不应小于0.15 MPa;气压水罐的缓冲水容积V_ΔP和消防储水容积V_X之和不应小于0.3 m³;气压水罐的稳压水容积V_S应不少于50L;气压水罐缓冲水容积V_ΔP应不少于50L(注:为方便计算公式的统一,以上术语和符号均按图1表示,“稳压设备标准”中的术语和符号与此不完全相同,但表达的意义一样)。稳压泵应在30~180s完成稳压水容积V_S的补给。

　　 从表1可以看出,两本规范对“稳压设备”的要求并不完全一致。这就要求设计人员在实际工程设计中应兼顾2本现行规范的条文,在不一致的地方应采用较高标准要求的条文规定,以确保“稳压设备”能同时满足两本现行规范的要求。下面以工程实例详细介绍“稳压设备”的计算方法。

　　 已知:某高层住宅的室内消火栓用水量为20L/s,最不利消火栓的标高为79.4 m,屋顶设置高位消防水箱和“稳压设备”,“稳压设备”压力开关的标高为83.3m,消防水池和消火栓给水泵位于地下2层,消火栓给水泵出水干管上设置的压力开关标高为-5.9m。计算示意见图2。

　　 由于气压水罐的消防储水容积V_X、缓冲水容积V_ΔP、稳压水容积V_S和气压水罐的4个压力控制点P₁、P₂、P_S1、P_S2相互制约,故气压水罐总容积的计算需要一个试算过程,为方便计算,可以根据式(3)、式(4)、式(5)制作一个自动计算的excel表格,根据计算确定的P₁、P₂、P_S1、P_S2和V值,可以快速计算出消防储水容积V_X、缓冲水容积V_ΔP、稳压水容积V_S及工作压力比α_b;用以校核是否满足规范要求。

　　 根据“水消规”5.3.3条第2、3款要求:P_S1=15-(83.3-79.4)=11.1(m)=0.111(MPa);P₂=P_S1-(0.07~0.1)=0.111-(0.07~0.1)=0.041~0.011(MPa)。

　　 “稳压设备标准”5.1.1条规定,“稳压设备”的充气压力P₁不应小于0.15 MPa。

　　 结合两本规范的条文规定,P₁应取0.15 MPa。P₂=P₁+0.02=0.17MPa;P_S1=P₂+(0.07~0.1)=0.24~0.27 MPa,P_S1取0.24 MPa;P_{S 2}=P_S1+0.05=0.29 MPa。

　　 稳压泵的设计流量=20×(1%~3%)=0.2~0.6(L/s),且不宜小于1 L/s。设计取1 L/s=3.6m³/h。

　　 根据“水消规”5.3.4条规定和式(7),

　　 根据厂家样本,选取Ø1 000隔膜式气压水罐,总容积为1.37m³,把P₁、P₂、P_S1、P_S2、β、V值填入excel计算表格,可以快速求得V_S=0.123 m³,V_ΔP=0.249m³,V_X=0.097 m³。因为V_S不满足规范0.15m³的要求,对压力控制值重新调整。

　　 取P₁=0.15 MPa,P₂=0.17 MPa,P_S1=0.24MPa,P_S2=0.31 MPa计算,求得V_S=0.164 m³,V_ΔP=0.249m³,V_X=0.097m³。V_S>0.15m³,V_ΔP+V_X=0.346m³>0.3m³,V_ΔP>0.05m³,满足“水消规”和“稳压设备标准”的要求。α_b=0.61,满足“气水规”的要求(α_b宜在0.5~0.9取值)。

　　 消火栓给水泵出水干管上设置的压力开关的启泵压力值为:0.17+(83.3+5.9)×0.01=1.062(MPa)。

　　 上述计算压力值均为相对压力(表压),代入计算公式时注意换算成绝对压力。

　　 稳压泵的设计流量为1L/s,能在164s之内完成稳压水容积V_S的补给,满足“稳压设备标准”的要求。稳压泵的设计压力按P_S2取值,为0.3 MPa。根据水泵样本,选取的水泵功率为1.1kW。

　　 “稳压设备”设计计算主要依据是“水消规”和“稳压设备标准”2本现行规范。实际工程设计计算中往往忽略了“稳压设备标准”这本产品标准。这2本规范对“稳压设备”的要求不完全一致,需要在实际工程设计计算中兼顾2本规范的条文,在不一致的地方应采用较高标准要求的条文规定,以确保消防稳压给水设备能同时满足2本规范的要求。

　　 现行规范对“稳压设备”的要求有所变化,原有“稳压设备图集”已不能满足规范要求,在设计中不能像以前那样直接选用“稳压设备图集”上的型号,需要重新计算。并且在设计图纸上应标明气压水罐的总容积V(气压水罐的尺寸大小没有统一标准,不应只标明气压水罐的直径Ø)以及4个压力运行参数P₁、P₂、P_S1、P_S2,方便指导施工单位正确地进行设备的采购和调试。当设计选用厂家提供的通过CCCF认证的成套“稳压设备”时,应注意“水消规”和“稳压设备标准”2本规范的不同,核算成套“稳压设备”的稳压水容积V_S、P_S1与P₂的压力差值以及稳压泵的流量能否满足“水消规”的要求。