按照《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB 50974-2014，以下简称“消规”）的规定，临时高压消防给水系统应设置高位消防水箱，高位消防水箱的主要作用是供给建筑初期火灾时的消防用水水量，并应保证相应的水压要求^[1]。当高位水箱不能满足规范要求的静压要求时，应设置稳压泵。消规第5.3.2条对稳压泵的设计要求做了相应的规定，同时国家标准图集《消防给水稳压设备选用与安装》（17S205，以下简称“图集”）也提供了相应的选型方法和稳压设备以便供工程设计选用^[2]。

然而在现有的理论研究中，鲜见关于火灾初期该设备工作过程的研究报告，且在工程实践中设计人员也往往对这一过程认识模糊不清，所以有必要理清这一过程，从而用于指导工程设计以提高火灾初期消防设备的灭火效果。

图1为某10层二类高层公共建筑顶置式消火栓系统增压稳压设备安装情况。

根据工程消防需要从图集中选用了XL-Ⅰ-1.5-20-ADL型消防给水稳压设备，其中气压罐型号：SQL800×0.6，气压罐总容积900L，气压罐初始充装压力P₀=0.16MPa，稳压泵启泵压力P_S1=0.18MPa，停泵压力P_S2=0.25MPa，稳压泵型号：ADL4-3(Q=1.5L/s,H=20m,N=0.55kW）。消防水箱有效容积18 m³，水箱内高低液位差为2m。

当火灾发生时系统中最不利点D点的消火栓打开，最先是在压力的作用下使得储存在气压罐中的水通过管段AD被“挤出”。对AD管段前后两个端点建立伯努利方程如式（1）～式（5）所示。

式中H———相对于D点为基准面的高度，m;

P———相对压强，Pa;

B———标准大气压强，Pa;

γ———水容重；

g———重力加速度；

v———水流速度，m/s;

α———动能修正系数，取1;

λ———沿程阻力系数；

L———过水管道长度（包含阀门等附件的当量长度），m;

n———曼宁系数，取0.013;

R———水力半径；

r———过水管道直径，m。

在同一管径的管段中v_A=v_D，且相对于选定的基准面来说H_D=0m，式（1）整理后得到式（6）。

另外，由于A点处在气压罐的出口处，所以可以将A点的压力近似的等于气压罐中气体压力。气压罐中的压缩气体由波义尔马略特定律可得式（7）。

式中S———气压罐横截面面积，m²;

h———某压力状态下气压罐中压缩气体的高度，m;

P₀———气压罐初始充气压力，Pa。

结合图1以及式（6）、式（7）可得式（8）。

在D点消火栓出流的过程中，某时段dt流出的水的体积应该等于气压罐容器中水体积的减少，所以有式（9）。

式中A———管道横截面面积，m²。

由式（8）、式（9）可得式（10）。

其中、H₁、H₂则分别对应于气压罐在P_S2、P_S1（或P₀）状态下罐体中液面的高度。

β₁和β₂都是和选定的XL-Ⅰ-1.5-20-ADL型消防给水稳压设备及过水管道AD相关的物理参数。将图集中提供的尺寸代入式（10）可计算出消火栓开启后，气压罐内压力从P_S2到P_S1所持续的时间t₁。具体参数取值及计算结果如表1所示。

其实当系统中的压力降至P_S1的时候，气压罐中能量释放的过程并不会戛然而止，而是储存在其中的水完全释放之后才会终止。通过上述方程还可以解得气压罐压力从P_S2降至P₀的时间为t₂=7.439s。同时也可以求得在此阶段D点消火栓的平均出流量Q=30.974L/s。

在D点消火栓开启5.281s之后，系统压力降至P_S1。若压力再继续下降0.07～0.10MPa后，设置在消火栓主泵出水干管上的压力开关就应动作，并联锁启动消防主泵，主泵正常运转后稳压自动停泵。消规11.0.3条规定：“消防水泵应确保从接到启泵信号到水泵正常运转的自动启动时间不应大于2min”^[1]。且有相关资料介绍，在供电正常条件下，功率为55～75kW的消防主泵启动时间不超过23s^[3]。即在信号传输系统以及消防主泵均正常的情况下，短至23s长至2 min的时间段内主要靠消防给水稳压设备和高位消防水箱共同起到灭火作用。

此处将结合本工程实例讨论在稳压泵正常工作的情况下，消防水箱是否可以正常出水。从图1中可知消防水箱最高水位到C点的几何高差约为2m，先假设C点管道内的压力小于2 m，则在富裕的压力水头作用下消防水箱可以正常出水。一般情况下管段内的压降和流量之间满足关系，如式（11）所示。

式中ΔP———管道压降，m;

Ch———海曾威廉系数，取120。

根据式（11）对管段BC、管段EC和管段CD列出管网特性方程并稍做整理后可得到方程分别如式（12）～式（15）所示。

式中H′———稳压泵扬程，m。

由图集中提供的ADL4-3型稳压泵参数绘制其水泵性能曲线并拟合水泵特性曲线方程，如式（16）所示。水泵特性曲线及BD管道特性曲线如图2所示。

将各管段物理参数（见表2），代入式（12）、式（13）、式（14）、式（16）后可得到不同管段中C点压力值和流经该管段的流量之间的关系式，并绘制方程曲线如图3所示。

从图3中发现，在h_c小于2m的情况下并没有合适的流量取值可以满足式（15）。因此“h_c小于2m”的假设不能成立，也就是说当稳压泵正常工作时，由于其工作压力相对消防水箱自由水头较大而导致水箱无法出水。此时只有稳压泵持续独立工作，直至主泵正常运转后稳压泵停泵。在此期间从图2中查得D点消火栓的出流量约为2.700L/s，出口压力约为7.391m。

(1）当火灾发生，启用第一支消火栓后，气压罐里的水将在较大的压力下被暴发式的挤出，这段过程的特点是时间短（约5～7s），水量大（平均水量约30L/s），压力足（约0.25～0.16 MPa）。在过去的《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-94，现已废止）中曾明确要求气压罐中的调节水容积为两只水枪30s的用水量，但从上述计算过程中可以看出，尽管存储300L水量，在气压罐压力的作用下，水枪不可能按照5L/s的理想状态持续喷发30s，而是在较短的时间内暴发式的喷出。

(2）稳压泵启动后，因为稳压泵的出水管和消防水箱的出水管连通，且稳压泵的出水压力较大，所以导致消防水箱不能像预想的那样正常出水以直接提供消防初期的消防水量，而是通过稳压泵间接提供初期消防用水。消火栓出水流量和栓口压力大小和所选用的稳压泵有关，但总体来看这段过程的流量较小（约2.70L/s），不能满足规范要求的一支水枪5L/s的出水流量要求。

(3）若以提高消防水箱的高度来满足最不利点静水压力的要求，则根据消规第5.2.2条规定，图1中的消防水箱最低液面相对于D点消火栓的几何高差应不小于7 m，再结合消防水箱高低液位差2 m，以及水箱有效容积18 m³，出水管径DN100，参照式（1）～式（10）的计算思路可得出在消防水箱变水头出流的情况下，水全部流出的时间大约为17min，其平均流量约为17.68L/s，出口压力从0.09 MPa到0.07 MPa逐步降低。水箱的出流相对来说比较稳定，也有利于扑灭初期火灾。

(4）鉴于以上考虑，相对于设置稳压设施而言，以提高消防水箱相对高度来保证静水压的措施比较有利于初期灭火。