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建筑消防給水系統(tǒng)是建筑的主要滅火設施，消防給水系統(tǒng)設計合理與否，對撲救火災成敗起著決定性作用，消防給水設計中不論是設計人員還是審核人員，掌握水力計算的基本原理和計算方法是至關重要的。以下就結(jié)合規(guī)范對消防給水的計算原理和計算方法進行歸納總結(jié)。　　
一、水力計算的基本原理　　
眾所周知，自然界一切物質(zhì)的能量轉(zhuǎn)化均服從能量守恒定律：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中其總量不變。物質(zhì)“水”作為一種流體也遵守能量守恒定律，流體的能量包括內(nèi)能、位能、動能、壓力能，若將伴隨流體經(jīng)過截面1輸入的能量用下標1標明（如圖1），經(jīng)過截面2輸出的能量用下標2注明，則圖中所示水系統(tǒng)的總能量衡算式便為：　　
                          mU1+mgz1+mu12/2+p1v1+mqe+mwe=mU2+mgz2+mu22/2+p2v2
這里，我們按照理想狀態(tài)下的水進行計算，所謂理想狀態(tài)，即不可壓縮和內(nèi)能不變（也就是溫度不變），那么對（1）式通過恒等式變化即得機械能衡算――柏努利方程：　　
                             z1+u12/　2g　+p1/ρg=z2+u22/　2g　+p2/ρg+△z                     （2）　　
（2）式中z稱為位頭（位壓頭），反映水的位置高低，u2/2g稱為速度頭（動壓頭），反映水的流速大小，p/ρg稱為壓力頭（靜壓頭），反映水對容器或管道壁的壓力大小，三項之和稱為總壓頭，△z稱為機械能損失（水流動時的阻力損失）。  　　
由上面柏努利方程可知，水在某一位置的壓力、速度、流量、位置高低等是息息相關的，其中任意一個值發(fā)生變化，其它值也相應變化。例如：消防給水中的常高壓給水系統(tǒng)，規(guī)范中對不利點的給水壓力有低要求，對流量有低要求，對流速有高流速要求，不利點的高度由建筑物的高低確定，管道阻力可以計算得出（下面具體介紹），這樣就可以通過柏努利方程推算出給水壓力多大才能達到常高壓給水要求。　　
二、消防給水量計算　　
計算消防給水流量，首先要弄清流量與管徑、壓力、流速之間的關系。壓差影響流速的大小，而流速的大小關系到流量的大小。管徑不變時，水流量與壓力基本成正比，壓力越大流量越大。如充實水柱是　7米　時栓口出水壓力是0.09MPa，用65-19的消火栓流量是　3.8L　/S；充實水柱是　10米　時栓口出水壓力是0.135MPa，流量是　4.6L　/S；充實水柱是　13米　時栓口出水壓力是0.135MPa，流量是　5.4L　/S。靜水壓0.1MPa約等于　1公斤　壓力，理論上等于　10米　水柱，但流動的水存在一定的壓力損失，即水槍要打　7米　的充實水柱需要0.09MPa出水壓力。　　
表1  消火栓口出水壓力和流量、充實水柱關系　

壓力與流速的關系:出口壓力越大，水的流速也就越大，相同管徑流量也就越大。　　
由于水的流動阻力較大，速度越大阻力越大，也就是能量損耗越大，為了節(jié)能，《建筑設計防火規(guī)范》規(guī)定，消火栓給水管道內(nèi)的設計流速不宜大于　2.5m　/s,《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》規(guī)定，管道內(nèi)的水流速宜采用經(jīng)濟流速，不應大于　10m　/s。一般工程計算時，給水管道壓力常見為0.1～0.6MPa，水在管道中流速在1～3m/s，常取　1.5m　/s。　
1、流量計算　　
①自動噴水滅火系統(tǒng)流量有兩種計算方法:　　
a作用面積法:        系統(tǒng)設計秒流量QS=1.15～1.3QC                                           （3）　　
QC=噴水強度×作用面積                             （4）　　
式中噴水強度和作用面積可以由《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》根據(jù)不同設置場所直接查得。　　
b逐點法:            噴頭流量q=k　 　　　                                （5）　　
式中p—噴頭工作壓力，經(jīng)計算得；k—噴頭流量系數(shù)，由所選噴頭類型確定。　　
系統(tǒng)的設計秒流量應按不利點處作用面積內(nèi)噴頭同時噴水的總流量確定：　　
系統(tǒng)設計秒流量QS=　 　　　×　 　　　                      （6）　　
式中qi—不利點處作用面積內(nèi)各噴頭節(jié)點的流量，是由（5）式計算所得;n—不利點處作用面積內(nèi)的噴頭數(shù),根據(jù)設置場所火災危險級計算可得。　　
②消火栓系統(tǒng)設計秒流量由規(guī)范直接查得。　　
當一座建筑物內(nèi)或同一部位設有消火栓、自動噴水滅火設備、雨淋滅火設備、水噴霧滅火設備、泡沫噴灑滅火設備和水幕設備時，其建筑消防用水量應按需要同時開啟的各種消防設備用水量之和計算。當高級舞臺上設有閉式自動噴水滅火設備和雨淋滅火設備時，考慮到兩種設備同時開啟的機率不大，可選用兩者中用水量較大者作為計算流量。舞臺消防給水設計流量應為消火栓和閉式自動噴水滅火設備（或雨淋滅火設備）以及水幕等的用水量之和。
系統(tǒng)的用水量＝流量×火災延續(xù)時間                    （7）　　
式中火災延續(xù)時間可以由規(guī)范直接查得。　　
2、消防水箱容量計算：消防水箱的儲水量應不少于10分鐘室內(nèi)消防用水量。當消防流量不超過　25L　/s，經(jīng)計算水箱的消防儲水量超過　12m3　時，仍可采用　12m3　；當消防流量超過　25L　/s時，經(jīng)計算水箱的消防儲水量超過　18m3　時，仍可采用　18m3　。　　
3、消防水池容量計算：消防水池的容量應滿足在火災延續(xù)時間內(nèi)室內(nèi)外消防用水總量的要求，在火災情況下能保證連續(xù)補水時，消防水池的容量可減去火災延續(xù)時間內(nèi)補充的水量。　　
4、消防給水管徑計算：消防給水系統(tǒng)對壓力和流量有要求，對流量的要求也就是對管徑的要求，流量可以通過上面方法計算得。　　
流量=管截面積×流速=0.002827×管內(nèi)徑的平方×流速           （8）　　
式中流量單位m3/h，管內(nèi)徑單位為mm ，流速單位為m/s。　　
通過（8）式計算得管徑：　　
例如：　500 m3　的消防水池，補水時間不超過在48小時，流速取　1.5m　/s,補水管徑不應小于　50mm　。　　
在設計和審核中必須注意：一般建筑從市政給水管網(wǎng)的接口管徑達不到消防設計流量要求，因為大多城市從市政管網(wǎng)引水都要繳一定的接點費，接點費是根據(jù)管徑大小收取的，大多建筑物消防給水管與市政給水管網(wǎng)接口小于　100mm　，達不到規(guī)范要求，應設消防水池。　　
三、消防給水壓力計算　　
要計算壓力，必須懂得流體力學原理，機械能衡算――柏努利方程z1+u12/2g+p1/ρg=z2+u22/2g+p2/ρg+△z，在同一點，靜壓力和出水壓力是有區(qū)別的，靜壓力就是水在靜止時的壓力，出水壓力是水在流動時的壓力，由公式：z1+u12/2g+p1/ρg=z2+u22/2g+p2/ρg+△z可以看出，水靜止時，速度為零，壓力損失也為零，柏努利方程就變?yōu)閦1+ p1/ρg=z2+ p2/ρg，只有壓力和高度的關系了，所以我們在看消火栓壓力表或自動噴水滅火系統(tǒng)末端試水壓力表時，當不放水時壓力高，當打開放水閥放水時，壓力立即下降，是因為在放水時，管道內(nèi)水有了流速，且產(chǎn)生了阻力損失，出水的消火栓或灑水噴頭越多，水流量越大，流速就越大，阻力損失也就越大，壓力變化就越大。規(guī)范上要求消火栓低壓力和自動噴水滅火系統(tǒng)低壓力是指工作壓力（出水壓力），設計時要考慮這些因素。科學計算，設計壓力要有一定的富余量，但壓力也不能太大，規(guī)范中規(guī)定的高壓力是指靜壓力。為保證消防給水系統(tǒng)的安全運行，建筑高度超過　100米　的超高層建筑，以及室內(nèi)消火栓處的靜水壓力超過1.0MPa的高層建筑，室內(nèi)給水管網(wǎng)設計應采用分區(qū)給水方式；為防止水槍的反作用力過大和便于撲救火災活動，消火栓出水壓超過0.5MPa時，應在消火栓的接管上設計減壓設施。為保證水槍有足夠的充實水柱，以利有效控制火災，通過減壓后消火栓處的水壓不應小于0.3MPa；高層廠房和庫房、高架倉庫、大空間的民用建筑，通常建筑層高很大，因此要求水槍的充實水柱長度很大，經(jīng)過計算（水槍的上傾角可采用45-60度）后，若消火栓出水壓超過0.5MPa時，應設置帶架水槍或固定消防水炮，且應保證相鄰兩支帶架水槍或固定消防水炮的充實水柱同時到達室內(nèi)的任何部位。　　
1、壓力與高度的關系：通過壓強公式P＝F／S和P＝ρgh計算得　10000mm　水柱＝1kgf/cm2,即　10米　水柱相當于1公斤壓力，也就是說，管道內(nèi)的水每升高　10米　（垂直距離），靜水壓力減小1公斤（0.1 MPa）。　　
2、阻力計算：水通過直管、彎頭、變徑、分路、閥門等都產(chǎn)生阻力損失，總壓頭降低，那么，在設計給水壓力時要考慮到阻力損失，阻力損失在水流動時才產(chǎn)生，速度越大阻力損失越大，管徑越小阻力損失越大，靜止時就不產(chǎn)生壓力損失，每米管道的水頭損失應按下式計算　　
i=0.0000107×V2/dj1.3                        （9）　　
式中 i—每米管道的水頭損失，V—管道內(nèi)的平均流速，dj—管道的計算內(nèi)徑。　　
管道的局部水頭損失宜采用當量長度法計算，當量長度可由《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》查得。　　
3、壓力計算：知道不利點處高度和出水壓力，計算出阻力損失、流速，通過柏努利方程，就可以計算出消防給水所需的壓力。通過壓力計算來判斷系統(tǒng)采用常高壓給水系統(tǒng)還是零時高壓給水系統(tǒng)。　　
4、消防水泵：通過前面計算的消防給水流量和壓力來選消防水泵的揚程和流量。消防水泵揚程和流量要略大于計算壓力和流量，但不能太大，系統(tǒng)設消防水泵時要設電接點壓力表或持壓泄壓閥，確保系統(tǒng)的運行安全。　　
通過上述的計算方法可以得到消防給水系統(tǒng)的所有有效參數(shù)。　　
四、工程實例　　
現(xiàn)用上述計算方法對嘉峪關市酒鋼大劇院工程消防給水計算如下：　　
酒鋼大劇院位于嘉峪關市雄關西路，工程總建筑面積　19405m2　，觀眾廳座位數(shù)1175座，地上二層，局部帶四層夾層，建筑主體高度　28.2m　，設有室內(nèi)外消火栓、自動噴水滅火系統(tǒng)、雨淋系統(tǒng)、水幕系統(tǒng)，二路城市給水干管引入兩根DN150給水管，市政給水管網(wǎng)供水壓力為0.25MPa，室外消火栓由市政給水管網(wǎng)直接供水。　　
　　　　1、流量、管徑計算　　
①室內(nèi)消火栓：按照前面所述，水流量取　20L　/S，即　20L　/S=　20 L　/S×3600 S/ h， =　72m3　/h，流速取1.5 m/s；根據(jù)（8）式：D12=72/（0.002827×1.5） , D1=　130.3mm　，室內(nèi)消火栓給水總干管直徑應略大于計算值，取　150mm　。　　
②自動噴水滅火系統(tǒng)　　
a、作用面積法：  噴水強度取　6 L　/min.m2，作用面積為　160m2　,　　
流量QC=1.3（噴水強度×作用面積）=1.3（6×160）/60=　20.8L　/S，取　21 L　/S。　　
b、逐點法：  不利點處噴頭工作壓力為0.1MPa,噴頭流量系數(shù)k為80，作用面積　160 m2　，噴頭數(shù)n=160/12.5=12.8，取13；　　
噴頭流量q=k　 　　　= 80；　　
系統(tǒng)設計秒流量QS=　 　　　×　 　　　=　 　　　×80×13=　17.4 L　/S。　　
管徑：流量取　21 L　/S，流速取　1.5m　/S根據(jù)（8）式，21×3600/1000 =0.002827×D22×1.5，得 D2=　133.5mm　，自動噴水滅火系統(tǒng)給水總干管直徑應略大于計算值。取　150mm　。　　
2、壓力計算　　
①消火栓水泵揚程：不利點處消火栓充實水柱　13m　，栓口出水壓力為0.186MPa，不利點處消火栓口距水泵高　21m　，消火栓流量　5.4 L　/s，消火栓口徑為　65mm　，根據(jù)公式：流量＝管橫截面積×流速， 5.4×3600/1000＝0.002827×652×u，消火栓口流速u＝　1.63m　/s。　　
沿程阻力損失：根據(jù)(9)式i=0.0000107×V2/dj1.3 ，流速取　1.5m　/S，不利點處消火栓至水泵出口的管路總長　140m　，R1=i1×L1+ i2×L2+…=0.067MPa, 局部水頭損R2= i1×L1+ i2×L2+…=0.0134MPa（L為當量），R=R1+R2=0.0805MPa=　8.05m　水柱。　　
在柏努利方程z1+u12/2g+p1/ρg=z2+u22/2g+p2/ρg+△z中，取消火栓泵出水口處截面為1，消火栓水槍口處截面為2，泵的揚程也就是泵所產(chǎn)生的總水頭，即z1＝0，消火栓水泵揚程H1=u12/2g+p1/ρg=z2+u22/2g+p2/ρg+△z＝21+1.652 /（2×9.8）+18.6＋8.05＝　47.8m　，水泵揚程應略大于計算值，取　56m　。　　
②自動噴水滅火系統(tǒng)水泵揚程：不利點處噴頭工作壓力為0.1 MPa，不利點處噴頭距水泵高　26m　，噴頭流量q= k　 　　　= 　80 L　/min＝　1.33 L　/s，噴頭前管徑為　25mm　，根據(jù)公式：流量＝管橫截面積×流速，1.33×3600/1000＝0.002827×252×u，短立管內(nèi)流速u＝　2.65m　/s。　　
沿程阻力損失：根據(jù)(9)式i=0.0000107×V2/dj1.3 ，流速取　2.5m　/S，不利點處噴頭至水泵出口的管路總長　168m　，R1=i1×L1+ i2×L2+…=0.106MPa, 局部水頭損R2= i1×L1+ i2×L2+…=0.0318MPa（L為當量），R=R1+R2=0.138MPa=　13.8m　水柱。　　
自動滅火系統(tǒng)水泵揚程H2=z2+u22/2g+p2/ρg+△z＝26+2.652 /（2×9.8）+10＋13.8＝　50.2m　，水泵揚程應略大于計算值，取　60m　。　　
雨淋系統(tǒng)和水幕系統(tǒng)算法同自動噴水滅火系統(tǒng)算法。　　
通過以上計算，可得出酒鋼大劇院的消防設計參數(shù)如表2。 　　
表2  消防設計參數(shù)　 

結(jié)束語　　
只有通過準確計算，才能設計出安全、可靠、合理的消防給水系統(tǒng)。后應該指出，建筑消防給水設施能否在撲救火災中發(fā)揮應有的作用，首先取決于有無正確的設計，同時施工的質(zhì)量和日常的管理維護，也具有重要的意義.

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