《自动喷水灭火系统设计规范》 (GB 50084-2017, 以下简称“喷规”) ^[1]对民用建筑净空场所高度适用范围由8～12 m, 扩大到8～18 m, 作用面积为160 m², 喷水强度较普通中危险Ⅱ级有较大提高。

　　 根据《泡沫灭火系统设计规范》 (GB 50151-2010) ^[2], 对于闭式泡沫—水喷淋系统, 作用面积465 m², 喷水强度不小于6.5 L/ (min·m²) , 设计流量有较大提高。

　　 根据《建筑设计防火规范》 (GB 50016-2014) ^[3], 建筑内设置中庭, 且上下层面积叠加计算后超过防火分区面积上限时, 与周围空气连通空间应进行防火分隔, 当采用耐火完整性不低于1 h的非隔热性防火玻璃时, 应设置自动喷水灭火系统进行保护。餐饮、商铺等商业设施通过有顶棚的步行街连接时, 步行街两侧的商铺, 其面向步行街一侧的围护结构耐火极限不应低于1 h, 当采用耐火完整性不低于1 h的非隔热性防火玻璃墙时, 应设置闭式自动喷水灭火系统进行保护。

　　 以往, 在计算喷淋系统设计流量时, 一般根据喷水强度、作用面积、安全系数相乘得出。但“喷规”指出, 系统的设计流量按最不利点作用面积内同时喷水总流量确定, 取消了安全系数一说, 这就增加了计算难度。石小飞等^[4]通过一系列的假设及计算, 得出高大净空场所中, 设计喷水强度为12 L/ (min·m²) 和15 L/ (min·m²) 的场所喷淋系统设计流量取45 L/s, 喷水强度为20 L/ (min·m²) 的场所喷淋系统设计流量取60 L/s。相关计算得出来的流量还是较大, 高大净空场往往在一个项目中出现的部位比较少, 如果能够在喷淋系统布置上进行优化, 可以大幅降低相关指标要求, 也使得计算较为简便。

　　 喷淋系统计算的难度在于各喷水点流量不一致, 若采用对称法布置, 使得主管通往任意一个喷头的路程、管径、水头损失一致, 那么均衡布置后所有喷头的流量均一致, 喷淋系统设计的总流量可直接按喷水强度与作用面积相乘得出, 见式 (1) 。

　　 $Q=\frac{1}{60}q{}_{\text{p}}S{}_{\text{z}}(1)$

　　 式中 Q——喷淋设计流量, L/s;

　　 q_p ——喷水强度, L/ (min·m²) ;

　　 S_z ——作用面积, m²。

　　 每个喷头流量计算见式 (2) :

　　 $q=q{}_{\text{p}}\frac{S}{{\rm N}}(2)$

　　 式中 q——单个喷头流量, L/min;

　　 S ——喷头布置面积, m²;

　　 N ——布置面积内喷头数量, 个。

　　 每个喷头对应的压力值由喷头流量公式, 反推导出式 (3) :

　　 ${\rm P}=\frac{1}{10}\times q{}^2/{\rm K}{}^2(3)$

　　 式中 P——喷头工作压力, MPa;

　　 K ——喷头流量系数。

　　 某项目IMAX电影厅喷淋系统平面布置如图1所示, 24 m×24 m布置, 高度15 m, 喷水强度按规范选20 L/ (min·m²) , 设计布置64个K161喷头, 成3 m×3 m间距排列, 管道全按对称布置, 如此, 每个喷头的流量均一致, 项目设计总流量$Q=\frac{1}{60}\times 20\times 160=53.34(\text{L}/\text{s})$。每个喷头平均保护面积为9 m², 所以单个喷头的流量q=9×20=180 (L/min) =3 (L/s) 。由喷头流量公式, 反推导出最不利点喷头压力:P=0.125 MPa。

　　 再根据每个喷头相同的流量, 计算出计算管段的流量, 本项目为避免末端压力过大, 起点管管径为DN50, 具体标注如图1所示。

　　 然后根据各管段流量计算出各管段水头损失, 最终得出总的入口压力要求。各喷淋管道水头损失公式采用海澄-威廉公式计算, 见式 (4) 。

　　 $i=6.05\left(\frac{q{}_{\text{g}}^{1.85}}{C{}_{\text{h}}^{1.85}d{}_{\text{j}}^{4.87}}\right)\times 10{}^7(4)$

　　 式中 i——管道单位长度的水头损失, kPa/m;

　　 d_j ——计算管道内径, mm;

　　 q_g ——管道设计流量, L/min;

　　 C_h ——海澄-威廉系数。

　　 管道水头损失采用EXCEL进行计算, 具体见表1。以上计算得出, 喷淋系统入口压力需维持0.178 MPa, 流量满足53.34 L/s, 若全部采用水泵供给, 根据水泵流量范围, 一般取5或5的倍数, 故设计可以取55 L/s。

　　 实际上, 对于大部分项目, 因现行“喷规”喷头布置的幅度比较大, 可以根据规范要求采用对称法布置, 进而减少设计流量。各喷水强度对应的计算流量及建议设计流量见表2。

　　 防护冷却水幕根据“喷规”9.1.4条, 当“喷淋”作用面积为160 m²时, 计算长度可按$\mathit{l}=1.2\sqrt[]{160}=15.2(\mathbf{m})$。由此根据防护冷却水幕高度的不同, 计算得出表3数据。

　　 防护冷却水幕系统根据“喷规”5.0.15条要求, 要求系统独立设置, 通过表3数据可以得出其一次火灾用水量比较少。若高位水池距用水点高度合适, 满足防护冷却水幕系统压力要求, 该部分可以考虑利用屋顶重力流水箱供给, 设置2根DN100供水管并在裙楼屋顶或地下室设置报警阀组, 用于水幕冷却防护。屋顶高位水池或水箱有效容积可以按表3的一次火灾用水量相应地增加。该方案较传统的独立水泵供水节约了水泵及地下室场地限制, 增加的高位水池容积有限, 节约了造价投资。

　　 一般中危险Ⅱ级的喷淋系统设计项目, 设计常用取值为30 L/s, 并按此来设计选取水泵, 针对项目存在局部的高大净空场所、地下室泡沫喷淋系统的选用, 理论计算流量往往无法选择合适的消防水泵, 还需要适当加以放大 (一般厂家消防泵流量均是5或10的整数倍) 。同时因为局部设计流量过大, 造成整个系统设计的流量扬程超标, 会对整个管网造成压力。

　　 采用局部高位水池与水泵联合供水, 仅在局部流量增加的区域, 设置2根消防管网至相应报警阀前, 联合供水。系统整体的喷淋流量可以固定, 节约了水泵的一次性投入及电气容量。

　　 高位水池容量应按《消防给水及消火栓系统技术规范》^[5]5.2.1条规定选取, 并增加额外利用高位水池联合供水产生的增量。高位水池计算流量按实际计算流量与水泵流量之差考虑, 高位水池容积再乘以灭火时间及需额外增加的储存容积。具体以某综合体项目为例, 裙楼24 m, 塔楼95 m, 喷淋水泵按30 L/s、H=140 m考虑, 地下室设置有泡沫喷淋、裙楼设置有防护冷却水幕系统 (最高处6 m层高) 、并设置有15 m高的IMAX影厅, 以上系统均不在统一个防火分区同时启动, 高位消防水池计算如表4所示。

　　 高位水池与水泵联合供水, 应确保系统满流量运行时, 从高位水池至报警阀前、水泵至报警阀前压力一致, 高位水池至报警阀前管道设置2根管道, 一根故障时仍然可通过100%的高位水池流量。因每个项目实际情况不一致, 相关计算本文不再展开。

　　 在低流量运行阶段, 根据消防规范要求, 零流量时消防水泵的压力不应大于工作压力的140%, 且宜大于设计压力的120%, 而高位水池供水压力相对恒定, 该联合供水机制低流量时优先由水泵供水, 当流量超过一定范围内才转为联合供水, 不会存在优先高位水池供水的情况, 如此联合供水, 高位消防水池的容量计算是合理的。

　　 (1) 采用对称法布置, 可以有效减少喷淋系统流量, 得出了对称法计算喷头总流量等于喷水强度与作用面积之乘积, 同时得出了单个喷头流量计算、单个喷头压力计算, 并采用EXCEL计算对称法管道水头损失, 方便水泵压力选定。

　　 (2) 采用对称法计算得出了严重危险级、高大净空场所、地下室泡沫喷淋等计算流量及建议设计流量。

　　 (3) 采用局部高位水池及水泵联合供水系统, 仅在局部系统设置2根消防管从高位消防水池供水, 不会影响整个消防供水系统, 系统设计流量可以直接按计算流量选取, 不需要根据消防泵流量取5或10的整数倍。

　　 (4) 防护冷却水幕供水, “喷规”要求独立性, 根据计算, 该管段流量较少, 建议设计可考虑直接由高位消防水池供水。

　　 (5) 高位水池与水泵联合供水需确保满负荷流量运行时, 双水源至报警阀前的压力一致, 根据水泵特性曲线特点, 该联合供水机制下低流量将优先水泵供水。