高等院校的专业教材《建筑给水排水工程》 (第6版, 以下简称“教材”) ^[1]中详细叙述了消火栓栓口所需水压H_xh的计算过程, 明确栓口所需水压由3部分组成, 分别为水枪喷嘴处的压力H_q、水带的水头损失h_d、消火栓栓口水头损失H_k, 公式如式 (1) 所示:

式 (1) 中等号右侧第二项h_d所指的是枪入口前水带部分的水头损失, 未包含水枪部分的水头损失;第一项H_q按字面意思理解所指为水枪喷嘴出口满足充实水柱要求所配置的压力值, 是否包含水枪自身的局部水头损失尚有存疑。其次在对水枪局部水头损失的计算过程中, 发现大量设计参考资料中提供的数据可能存在排版或印刷方面的错误。本文针对以上两点疑问, 逐步展开叙述。

“教材”^[1]中已包含详细的计算公式和计算过程, 本文不重复罗列, 计算结果见表1。

计算参数:孔口流量系数μ取值1.0, 圆周率π取值3.141 59, 重力加速度g取值9.80 665m/s²。

表2摘自《全国民用建筑工程设计技术措施给水排水》 (2009年版) ^[2]第226页表7.1.5-3。

表2中12.5~17m的充实水柱所对应的压力和流量值, 均与表1计算结果不符。经过比对后发现2个排版问题。

其一, 估计是充实水柱中加入了12.5、13.5、15.5三个值, 但未调整对应的流量和压力值, 导致后续计算结果错位。若按表3的对照关系替换充实水柱数值后, 除表2右下角 (33.5) 以外, 其余均可与表1计算结果吻合。

其二, 表2中右下角 (33.5) , 即充实水柱0.17MPa, 水枪喷嘴直径19mm所对应的压力值有误。因为压力值0.335MPa和流量值7.5L/s这两个数据并不符合孔口出流公式, 可能排版时错把35.3写成了33.5。

《全国民用建筑工程设计技术措施给水排水》 (2003年版) ^[3]和2009年版中的表7.1.5-3与《建筑给水排水设计手册》 (1992年) ^[4]中第75页表2.1-3和《建筑给水排水设计手册》 (第2版, 上册) ^[5]中第511页表6.2-15完全一致, 且此表被原封不动地广泛引用在后续出版的其他设计手册或设计资料中。

比1992年更早的设计资料, 笔者能找到的是1986年出版的《给水排水设计手册》^[6], “充实水柱对应压力和流量”对照表位于第2册第82页表2-20。虽然其计算结果与“技术措施”等略有不同, 但很巧合, 也是从12.5m充实水柱后 (见表4) 开始出现计算偏差, 可能跟11.3和11.5这些干扰项有关, 导致排版错位。

排版错位导致计算结果偏差的可能性较大, 但也不排除采用了不同的计算公式, 但在上述设计资料中均未找到采用了哪些特殊公式。

假设确实存在排版错位, 经分析发现所有的偏差均为正偏差, 也就是说表中压力和流量值均大于计算值, 相对而言并不会产生太多不利影响。而且充实水柱越大时偏差才越大, 充实水柱13m时的偏差很小, 而充实水柱13m以上的工程并不多, 故影响也有限。此外国家标准《消防给水及消火栓系统技术规范》 (GB 50974-2014, 以下简称“水消规”) ^[7]已经弱化了水枪充实水柱的相关计算, 代之以较为简洁的消火栓栓口动压, 一定程度上也消弱了影响。至于0.25 MPa和0.35 MPa究竟相当于多少米充实水柱, 下文将继续讨论。

消防水枪的构造近似于渐缩管。一般情况下, 渐缩管中的流线不会脱离壁面, 流动阻力主要由沿线摩擦引起, 水头损失较小。但消防水枪进出口面积差较大, 并且出口断面处的雷诺数为 (3.3~5) ×10⁵ (对应流量5~7.5L/s) , 惯性力对流场的影响大于粘滞力, 流体流动不稳定, 进口断面处压力的微小变化容易发展和增强, 形成紊乱不规则的流场。因此需考虑消防水枪自身的局部水头损失。

由充实水柱高度推求喷口所需水压时需要用到一个与水枪喷口直径有关的试验系数φ, 根据试验结果得到的计算公式为 (其中, df为局部水头损失) 。如图1所示, 对H_q的直观感觉是标注在水枪喷嘴处, 而非水枪入口处, 即为水枪喷嘴处的压力, 而非水枪入口的压力。而且从能收集到的资料无法求证此φ值是否已经包含了水枪的局部水头损失, 有可能只是克服空气阻力的损失。

假定φ值未包含水枪的局部水头损失, 参考《水力计算手册》 (第2版) ^[8]第10页圆形渐缩管的公式计算水枪的水头损失 (见图2) 。

以喷口直径19mm的消防水枪为例, 角度α为9.23°, k₁取值为0.4, 面积比A₂/A₁=0.085, k₂取值为0.4, 则局部水头损失系数ζ=k₁k₂=0.16。

消防水带阻力系数取值为0.001 72, 消防水带长度取值为25m, 消火栓栓口水头损失取值为0.02MPa。

从表5中可以看出, 当室内消火栓出水量大于5L/s (充实水柱为11.5m) 时, 水枪水头损失已经达到2.56m, 比水带和栓口的水头损失均大, 故建议消火栓栓口所需水压H_xh的计算公式中增加一项H_枪, 即增加水枪自身的水头损失, 公式如式 (2) 所示。

以修正后的公式, 按规范规定的栓口动压反算充实水柱, 分单水龙带和双水龙带串接2种情况, 计算结果见表6、表7。

显然表6单水龙带的计算值大于表7。假设允许双水龙带串接并且叠加水枪水头损失时, 表7中充实水柱计算值仍然远远高于规范规定的10m和13m。对于栓口动压与充实水柱的差异, “水消规”^[7]7.4.12条的条文解释为“计算得到消火栓栓口压力H_xh为0.251 MPa, 考虑到其他因素规定消火栓栓口动压不得低于0.35 MPa”, 究竟是哪些其他因素需要将压力提高40%并未详细说明。

虽然大幅提高了栓口动压, 但却严格限制充实水柱应按10 m和13 m计算 (《水消规》^[7]7.4.12条) , 其结果只能是消火栓箱布置数量不减少, 而消火栓分区数量增多、管道耐压等级增高、消防水泵参数增大, 并且室内消火栓保护半径与疏散距离也没法挂钩。那么提高栓口压力究竟能起多少作用?建议栓口动压提高后, 至少应放宽充实水柱的设计值, 按实际计算值可略微增加室内消火栓的保护半径;再综合考虑国际惯例及我国火场灭火实际操控情况, 放宽单栓允许同时使用的水龙带数量, 进一步优化室内消火栓系统的相关规定。

通过对比高等院校的专业教材和相关的设计手册、措施中有关充实水柱所对应的压力、流量值的数据, 设计手册、措施存在印刷错误的可能性较大, 建议再版时核实后修订。若非印刷错误, 而是采用了不同的公式, 建议注明公式以便于使用。

参考圆形渐缩管的公式计算消防水枪的局部水头损失, 其值基本大于水带和栓口的水头损失, 不应忽视。若其已包含在试验参数φ值中建议明确, 若未包含则建议权威机构根据试验测定后纳入规范。

仅单方面提高栓口动压的作用很有限, 相关规定建议与之配套, 减少不必要的浪费, 充分发挥室内消火栓的作用。