自1985年颁布《自动喷水灭火系统设计规范》 (GBJ 84-85) 以来, 后续的GB 50084-2001、GB50084-2001 (2005年版) 以及最新的GB 50084-2017修订版, 都对配水管入口压力做了要求, 并在规范中列入了减压孔板、节流管的计算公式及设置规定, 如GB 50084-2017中8.0.7条规定:“配水管道的布置, 应使配水管入口的压力均衡。中、轻危险级场所中各配水管入口的压力不宜大于0.40MPa。”为满足该条文要求, 在过往及目前的设计中, 特别是高层建筑中, 在同一系统分区的低层部位水流指示器后都大量采用了减压孔板减压。目前最普遍的理解是, 通过水流指示器后减压孔板的设置, 减少超压值, 将各配水管入口的压力控制在0.40MPa左右, 可使各层或各防火分区配水管入口压力更加均衡, 以减少超过设计喷水强度的喷水量, 节约自动喷水灭火系统用水量, 使自动喷水灭火系统用水量满足设计火灾延续时间的要求, 最终目的是提高灭火效能, 更有利于火灾的控制与扑灭。本文从自动喷水灭火系统基本设计参数、火灾发生时自动喷水灭火系统实际运行工况分析入手, 以及对有无设置减压孔板情况下系统参数进行模拟计算分析后, 对设置减压孔板的作用及对灭火的影响、减压孔板设置的必要性进行探讨。下面仅讨论自动喷水灭火系统减压孔板设置对灭火的作用与影响及必要性, 对是否通过优化系统管网设计、在满足规范要求的情况下, 适当减小系统的安全冗余度及配水管管径, 以换取设计更好的经济性;以及设置减压孔板后, 是否会减小系统工作时对管网受力的影响及必要性不做讨论。

(1) 自动喷水灭火系统设置场所的火灾危险等级是根据建筑用途、容纳物品的火灾负荷及室内空间条件等因素确定, 而由不同的火灾危险等级确定的喷水强度、作用面积等基本设计参数, 是根据“大强度喷水有利于迅速控灭火和有利于缩小喷水作用面积”的试验与经验的总结, 是安全性与经济性平衡的结果。灭火曲线上喷水强度与作用面积的乘积即为系统的设计流量, 也就是单位时间的供水能力。确定基本设计参数的目的, 其实质是根据不同的火灾危险等级, 确定一个合适的设计流量, 适当高于这个设计流量对控灭火显然是有利的。

(2) 对规范规定的自动喷水灭火系统喷水时间或火灾延续时间, 也是考虑到控灭火的安全性与经济性, 在保证一定的作用面积及喷水强度即设计流量下, 保证系统连续供水的时间, 其实质是对不同的火灾危险等级, 保证自动喷水灭火系统必须具有的最小用水总量。

(3) 显然, 喷水强度、作用面积及火灾延续时间是按不同的火灾危险等级, 根据火灾试验及以往灭火经验, 在保证一定的灭火成功率下, 考虑系统的经济性, 经综合平衡后人为确定的数据, 仅是一个设计指标, 与具体某次火灾的系统喷水强度、作用面积、火灾延续时间及火灾实际所需的供水要求或自动喷水灭火系统实际作用面积、有效作用时间是两个概念。自动喷水灭火系统的有效作用时间还和火灾蔓延速度与实际作用面积有关, 如果设计作用面积为160m², 设计火灾延续时间为1h, 在可能出现的比较极端的情况下, 比如一场短时间, 例如半小时内快速蔓延至300m²或更大面积的火灾, 由于系统供水能力的限制, 系统喷水强度将大大小于设计喷水强度或火灾曲线上的有效喷水强度, 此时的喷淋用水必然是低效能的, 只要条件允许, 应该在更早的时间内将尽可能多的喷淋用水供至实际火灾作用面积内。在设计作用面积内已成功灭火的情形除外, 后文将进行讨论。

规范规定的相应火灾危险等级下的喷水强度、作用面积是对最不利作用面积喷水强度的要求, 对其他有利作用面积内, 系统将具有更大供水能力或设计流量, 即安全冗余度, 对控灭火是有益的。

(4) “节约消防用水”是值得商榷的概念, 既然设计流量及总用水量仅是根据火灾危险性、灭火安全性及经济性确定的单位时间最小供水能力及总供水能力, 在灭火系统有效的条件下, 只要消防用水是作用在火灾面积内的, 在实际火灾现场应该没有“节约消防用水”的概念, 火灾发生时应尽快供应火灾所需的用水量以尽可能达到更好的灭火效果, 不应该为满足人为设定的设计火灾延续时间而减少火灾现场所需的供水量。

(1) 由于规范规定的作用面积并非火灾发生时的实际蔓延面积, 一场尚未得到有效控灭的火灾, 一定是从点到面、从小到大发展的, 扩散速度一般也是由慢到快的过程。而设计作用面积也仅是火灾蔓延过程中的一个时点;同样, 自动喷水灭火系统正常工作时, 实际喷水强度也非设计喷水强度, 由于管道阻力的变化, 实际喷水强度变化一定是从大变小的过程。

(2) 在最不利作用面积内, 当实际火灾面积由小到大蔓延时, 火灾面积内实际平均喷水强度将由大变小, 当火灾蔓延至设计作用面积时, 实际喷水强度将近似于设计喷水强度, 此后系统供水能力将不再明显增加, 当火灾没有得到有效控灭继续蔓延时, 实际作用面积大于设计作用面积, 喷水强度将小于设计喷水强度。根据前面提到“大强度喷水有利于迅速控灭火和有利于缩小喷水作用面积”的原理, 随着火灾的继续蔓延, 喷水强度将越来越小于设计喷水强度, 自动喷水灭火系统用水的效能及作用将减小, 火灾控灭将更为困难。即以高喷水强度短时间无法控灭的火灾, 用低强度长时间是更难控灭。

(3) 对非最不利作用面积, 特别是同一系统分区的低层区域配水管入口压力大于0.4 MPa, 也就是通常认为需要设置减压孔板的作用区域, 喷头喷水强度将大于最不利作用面积的喷水强度, 在该区域内, 由于供水泵在低扬程时能提供更大的供水量, 在相同的火灾面积下, 系统将提供更大的实际平均喷水强度, 或在满足设计喷水强度下, 提供更大的有效作用面积。例如根据《消防给水及消火栓系统技术规范》 (GB 50974-2014) 5.1.6条第6点“消防水泵出流量为设计流量150%时, 其出口压力不应小于设计工作压力的65%”, 当火灾发生楼层与最不利作用面积楼层高差大于35%的水泵工作压力加上因管道流量增加而增加的阻力损失时, 喷淋泵能多提供50%的供水量, 即火灾面积蔓延至设计作用面积150%时, 仍能近似保证设计喷水强度, 或者是实际火灾面积小于或接近设计作用面积时, 实际是提高了喷水强度, 有利于快速控火灭火。

这种系统的安全冗余度, 显然对控灭火是有益的, 不应该在没有任何经济效益的情况下, 人为通过限制系统的供水量来消除这种安全冗余度。

(4) 由于设计喷水时间或火灾延续时间是一个人为设定的数据, 实际火灾时间或蔓延速度与火灾负荷及室内空间条件、自动喷水灭火系统设置的合理性及供水状况、现场其他灭火设施及灭火进展有关。对某次特定的火灾, 在其他因素特定的情况下, 实际火灾蔓延时间 (或达到设计作用面积的时间) 仅与供水条件有关, 与设计火灾延续时间没有必然联系。例如设计火灾延续时间为1h, 实际火灾蔓延至作用面积的时间有可能是0.25h、0.5h、1h或其他时间, 需要做的是尽可能满足火灾现场供水量, 直至判断系统失效关闭系统或自动喷水灭火系统用水用完为止。因为随着喷头不断打开, 说明火灾没有得到有效控灭, 现场需要更大的用水量才能控灭火灾, 此时为满足设计火灾延续时间而人为的控制供水量或供水强度, 并不能有效减少火灾现场实际需要的用水量, 由于供水强度的减小, 反而使火灾蔓延到更大的面积, 需要更大的用水量才能控灭火灾, 也就相对降低了原有自动喷水灭火系统用水量的灭火效能。如果一场还没有得到有效控灭的特定火灾, 火灾30min达到160m²的设计作用面积, 并继续蔓延至200m²或250 m², 不是尽量保持原有喷水强度, 随着火灾的蔓延, 在单位时间内尽快的供给更多自动喷水灭火系统用水;而是为了使系统达到1h的喷水时间, 在配水管口加设减压孔板, 使系统供水能力保持在作用面积160m²的设计供水量, 以这种方式来节约自动喷水灭火系统用水量, 对控灭火是否有利, 很值得探讨。

所以, 不应人为控制或减少自动喷水灭火系统供水量, 把系统需要的高强度供水变成低强度及延长灭火时间供水。可以设想, 10min高强度供水无法控灭的某次特定火灾, 很难按前10min以1/2的供水强度, 接下来的10min还是以1/2的供水强度供水将其扑灭, 除非火灾现场已无可燃物或火灾负荷。同样, 对自动喷水灭火系统, 一场30 min内供水100m³无法控灭的火灾, 不可能以前30 min供水50m³, 接下来的30min再供水50m³达到更好的灭火效果, 因为在火灾发生30 min时点上, 供水50m³的火灾现场必定比供水100 m³的火灾蔓延至更大面积, 后50m³的自动喷水灭火系统用水灭火效能将更低。

(5) 另一个火灾发生时不应人为控制自动喷水灭火系统供水能力的理由是, 系统运行时只能通过自动喷水灭火系统泵出口压力值, 来判断水泵流量及预估系统工况和系统运行情况, 只要火灾没有得到有效控灭, 由于无法深入火场, 无法知道确切的实际火灾作用面积、喷头开启数量、甚至无法知道自动喷水灭火系统是否在发挥有效作用。由于一般情况消防水池中消火栓用水与自动喷水灭火系统用水为合用水池, 除了人为关闭自动喷水灭火系统泵外, 在消防水池用水用完前, 无法也没必要识别或控制自动喷水灭火系统用水量, 只要这些用水是作用在火灾面积内的, 都应该认为是有效的消防用水。除非消火栓用水与自动喷水灭火系统用水水池分隔, 消防泵也无法区分水池中哪些是消火栓用水、哪些是自动喷水灭火系统用水, 现场能做的只是让市政管网或消防车等尽快、尽量多补充消防用水, 当预判自动喷水灭火系统不起作用时, 将自动喷水灭火系统泵关闭。

下面通过某建筑的自动喷水灭火系统运行的模拟, 分析减压孔板对系统的作用与影响。某建筑火灾危险性为中危险级Ⅱ级, 喷水强度8 L/ (min·m²) , 设计作用面积160m², 火灾延续时间1h。各层平面及自动喷水灭火系统布置相同, 最高层与最低层喷头位置及泵房水池最低水位高差皆为50m, 最不利作用面积附近喷头布置及计算示意见图1, 竖向系统示意见图2。

经计算, 最高层配水管入口处压力要求为0.35MPa, 选取水泵流量为30L/s, 自动喷水灭火系统总用水量为108m³, 自动喷水灭火系统泵扬程为100m, 零流量时扬程为120m, 流量45L/s时扬程为65m, 最低层配水管入口计算压力0.85 MPa, 由于《消防给水及消火栓系统技术规范》规定系统工作压力以水泵零流量压力计, 喷头处最高压力不应大于1.2 MPa, 最低层喷头工作压力已到达1.2MPa, 为规范规定的最大值, 该楼层为本建筑超压值最大楼层。在最低层配水管入口设置DN150/45减压孔板, 减压孔板在各流量下的减压值、各流量下的水泵扬程、配水管口计算压力 (非实际工况压力) 等数据见表1。

(1) 当最不利作用面积发生火灾, 假设系统先打开最不利点喷头A, 随着火灾的蔓延, 再逐步打开区域B (4只喷头) 、区域C (9只喷头, 面积约为设计作用面积的60%) 、区域D (15只喷头, 为设计作用面积) 、区域E (19只喷头, 面积约为设计作用面积的125%) 、区域F (23只喷头, 面积约为设计作用面积的150%) , 实际工况下由水泵的性能特性曲线和管道阻力曲线得到的实际数值见表2。

通过模拟计算, 可以得到随着火灾面积的扩大, 图3中近似的火灾面积 (打开喷头数) -系统流量曲线Q1, 图4中近似的火灾面积 (打开喷头数) -喷水强度曲线q1。

(2) 对最低层相应的作用面积, 当没有设置减压孔板时, 实际工况下由水泵的性能特性曲线和管道阻力曲线得到的实际数值见表3, 可以得到图3中近似的火灾面积 (打开喷头数) -系统流量曲线Q2, 图4中近似的火灾面积 (打开喷头数) -喷水强度曲线q2。

(3) 对最低层相应的作用面积, 当设置减压孔板时, 实际工况下由水泵的性能特性曲线和管道阻力曲线得到的实际数值见表4, 可以得到图3中近似的火灾面积 (打开喷头数) -系统流量曲线Q3, 图4中近似的火灾面积 (打开喷头数) -喷水强度曲线q3。

根据上述计算及图表, 可以看到:在建筑最不利作用面积内, 火灾初期系统有比设计喷水强度大得多的实际喷水强度及喷头流量, 系统喷水强度将随着火灾面积的扩大而降低, 系统流量随火灾面积的扩大而增大, 当火灾面积为设计作用面积时, 系统作用面积内平均喷水强度为规范规定值的1.3倍, 符合设计规律, 当火灾面积继续扩大至设计作用面积的1.5倍时, 由于管网阻力的增加及自动喷水灭火系统泵供水能力的限制, 流量增加有限, 喷水强度将随火灾面积的扩大呈近似反比例减小。

对最低层相应作用面积, 火灾各阶段喷水强度及系统流量将大于最不利作用面积喷水强度及系统流量, 由于喷水强度及系统流量与系统压力为平方根成正比, 各阶段的喷水强度及系统流量与最不利作用面积的相应数值约为1.3倍, 在火灾面积大于设计作用面积时, 系统能提供更高的喷水强度及系统流量。由于实例中该作用面积已是系统分区的最大值 (喷头工作压力1.2MPa) , 在其他楼层, 由于大流量使水泵扬程的降低及管网阻力的增大的叠加作用, 喷水强度及系统流量将小于以上约1.3倍的数值。

对最低层相应作用面积, 设置了减压孔板后, 火灾初期系统的喷水强度及喷头流量接近于最低层相应作用面积未设置孔板时的数值, 当火灾面积接近或超过设计作用面积时, 喷水强度及喷头流量更接近于最高层最不利作用面积的数值, 即火灾初期提供与不设减压孔板时相近的喷水强度, 火灾面积接近或超过设计作用面积时, 有效限制了系统供水能力, 使火灾面积内的灭火条件与灭火能力更接近于最高层最不利作用面积。

下面根据上述计算对最低层相应作用面积附近不同的火灾场景下, 减压孔板设置对系统灭火效能的影响及减压孔板设置的必要性进行分析。

(1) 当火灾在设计火灾延续时间内没有蔓延至设计作用面积附近或没有蔓延至设计作用面积已成功控灭时, 由于此时打开的喷头数较少, 不论是否设置减压孔板, 系统实际喷水强度皆远大于设计喷水强度, 但系统流量仍小于设计流量, 如系统分别打开1只、4只、9只喷头时, 当没有设置减压孔板时, 作用面积内平均喷水强度分别为20.4L/ (min.m²) 、18L/ (min·m²) 、15.3L/ (min·m²) , 系统流量分别为3.7L/s、13.7L/s、25L/s;当设置DN150/45减压孔板时, 作用面积内平均喷水强度分别为20.4L/ (min·m²) 、17.4L/ (min·m²) 、13.8L/ (min·m²) , 系统流量分别为3.7L/s、12.65L/s、22.5L/s。减压孔板的设置, 对喷水强度及系统流量影响较小, 此时自动喷水灭火系统水量在设计延续时间内一般将不会大于设计总水量, 减压孔板的设置对系统的灭火效能没有明显影响, 也不存在自动喷水灭火系统用水不到设计火灾延续时间已用完的问题。

(2) 当火灾在设计火灾延续时间内蔓延至设计作用面积附近, 按火灾蔓延速度分两种情况分析:

第1种情况:以面积计, 前期火灾蔓延速度较慢, 后期火灾蔓延速度较快, 该情景符合火灾蔓延规律, 比如初期火灾面积为1m²时, 向周边扩大1倍为增加1m²;火灾面积为10m²时, 向周边扩大1倍为增加10m²;火灾面积为50m²时, 向周边扩大1倍为增加50m²;并且火灾后期产生的热量将明显大于火灾初期产生的热量, 也会使火灾蔓延速度越来越快。所以火灾前期打开的喷头数将小于后期打开的喷头数, 由表3可知, 系统最大流量约为39L/s。设计火灾延续时间内, 大部分时间系统流量将小于设计流量, 在设计火灾延续时间内, 自动喷水灭火系统总用水量将不会明显超过设计总用水量, 此时也就没有设置减压孔板, 人为控制系统流量的必要性了。

第2种情况:前期火灾迅速蔓延至作用面积附近, 并在作用面积附近基本保持不变, 比如火灾在前20min快速蔓延至160m², 后40min或更长时间既没有进一步蔓延也没有被有效控灭, 这种情况一般为特例, 更大的可能是可燃物范围只有160 m², 或火灾被有效分割控制在该作用面积内。此时对一定的自动喷水灭火系统用水总量, 由于高强度喷水可以达到更好的灭火效果, 适当的增加喷水强度 (按前所述, 一般最大约增加1.3倍, 实例中为39L/s, 配水管口压力为72m) , 对火灾控灭并不会有不好的作用, 设置减压孔板, 人为控制系统流量, 使流量更接近设计流量 (实例中为30L/s) , 对火灾控灭看不出有何作用。另外在设计火灾延续时间内 (如1h的后部分时间) , 由于大部分工程中消火栓用水与自动喷水灭火系统用水为合用水池, 只要自动喷水灭火系统有效, 将适量的消火栓用水通过自动喷水灭火系统投入到火灾面积内, 也不会对火灾控灭起不好的作用, 本实例中最底层相应作用面积在设计火灾延续时间内影响的消火栓用水量为 (20×60×19.5+39×60×40) /1 000-108≈9 (m³) (前20min平均流量以19.5L/s计, 后40min流量以39L/s计) ;另根据计算, 在与建筑最高层最不利作用面积高差为30m楼层的相应作用面积内, 没有设减压孔板时, 火灾蔓延到设计作用面积时的系统流量约为35L/s, 配水管口压力为66.5m, 设计火灾延续时间内影响的消火栓用水量为 (17.5×60×20+35×60×40) /1 000-108≈-3 (m³) , 说明此时设计火灾延续时间没有影响消火栓用水量 (前20min平均流量以17.5L/s计, 后40 min流量以35L/s计) 。根据上述计算, 说明在该情景下, 没有设置减压孔板时, 影响的消火栓用水量在有限的范围内。

(3) 对前期火灾迅速蔓延至作用面积附近, 并继续迅速蔓延扩大时, 比如实例中最底层相应作用面积火灾内前20 min已蔓延至160 m²左右, 再10min后蔓延至240m²左右或更大面积, 当没有设置减压孔板时, 系统平均喷水强度将由14.3L/ (min·m²) 下降至10.6L/ (min·m²) 或更多, 系统流量将从39L/s增加至44.4L/s, 并继续保持较小变化。当设置减压孔板时, 系统平均喷水强度将11L/ (min·m²) 下降至8L/ (min·m²) 或更多, 系统流量将从30L/s增加至33.5L/s, 并继续保持较小变化。在前面已经用较大的篇幅讨论了这种情况, 由于在火灾初期高强度喷水仍未有效控灭火灾, 并在设计火灾延续时间内快速蔓延至作用面积并继续快速蔓延时, 应该将火灾面积内所需要的自动喷水灭火系统用水尽快供至火灾面积内, 直至消防用水用完为止, 如果在火灾蔓延至设计作用面积附近后, 设置减压孔板, 人为将自动喷水灭火系统用水量控制在设计流量附近, 人为的进一步降低喷水强度, 将会造成火灾以更快的速度蔓延, 是不利于系统控灭火的。

由以上分析可以看到, 在自动喷水灭火系统压力较高的配水管口设置减压孔板, 对初期火灾不产生影响或影响较小, 也不会有效提高设计火灾延续时间内蔓延至设计作用面积附近的火灾的控灭效果, 而对设计火灾延续时间内快速蔓延并继续扩大的火灾, 设置减压孔板对火灾的控灭是不利的。建议可不在自动喷水灭火系统配水管口设置减压孔板。