建筑消防給水系統(tǒng)是建筑的主要滅火設(shè)施，消防給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理與否，對(duì)撲救火災(zāi)成敗起著決定性作用，消防給水設(shè)計(jì)中不論是設(shè)計(jì)人員還是審核人員，掌握水力計(jì)算的基本原理和計(jì)算方法是至關(guān)重要的。以下就結(jié)合規(guī)范對(duì)消防給水的計(jì)算原理和計(jì)算方法進(jìn)行歸納總結(jié)?！ ?/font>
一、水力計(jì)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(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)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(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)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(dòng)能、壓力能，若將伴隨流體經(jīng)過(guò)截面1輸入的能量用下標(biāo)1標(biāo)明（如圖1），經(jīng)過(guò)截面2輸出的能量用下標(biāo)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 （1）
這里，我們按照理想狀態(tài)下的水進(jìn)行計(jì)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(duì)（1）式通過(guò)恒等式變化即得機(jī)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(chēng)為位頭（位壓頭），反映水的位置高低，u2/2g稱(chēng)為速度頭（動(dòng)壓頭），反映水的流速大小，p/ρg稱(chēng)為壓力頭（靜壓頭），反映水對(duì)容器或管道壁的壓力大小，三項(xiàng)之和稱(chēng)為總壓頭，△z稱(chēng)為機(jī)械能損失（水流動(dòng)時(shí)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(guān)的，其中任意一個(gè)值發(fā)生變化，其它值也相應(yīng)變化。例如：消防給水中的常高壓給水系統(tǒng)，規(guī)范中對(duì)最不利點(diǎn)的給水壓力有最低要求，對(duì)流量有最低要求，對(duì)流速有最高流速要求，最不利點(diǎn)的高度由建筑物的高低確定，管道阻力可以計(jì)算得出（下面具體介紹），這樣就可以通過(guò)柏努利方程推算出給水壓力多大才能達(dá)到常高壓給水要求?！ ?/font>
二、消防給水量計(jì)算
計(jì)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(guān)系。壓差影響流速的大小，而流速的大小關(guān)系到流量的大小。管徑不變時(shí)，水流量與壓力基本成正比，壓力越大流量越大。如充實(shí)水柱是 7米 時(shí)栓口出水壓力是0.09MPa，用65-19的消火栓流量是 3.8L /S；充實(shí)水柱是 10米 時(shí)栓口出水壓力是0.135MPa，流量是 4.6L /S；充實(shí)水柱是 13米 時(shí)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(dòng)的水存在一定的壓力損失，即水槍要打 7米 的充實(shí)水柱需要0.09MPa出水壓力?！ ?/font>
表1 消火栓口出水壓力和流量、充實(shí)水柱關(guān)系
壓力與流速的關(guān)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?！ ?/font>
由于水的流動(dòng)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(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定，消火栓給水管道內(nèi)的設(shè)計(jì)流速不宜大于 2.5m /s,《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，管道內(nèi)的水流速宜采用經(jīng)濟(jì)流速，不應(yīng)大于 10m /s。一般工程計(jì)算時(shí)，給水管道壓力常見(jiàn)為0.1～0.6MPa，水在管道中流速在1～3m/s，常取 1.5m /s?！ ?/font>
1、流量計(jì)算
①自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)流量有兩種計(jì)算方法:
a作用面積法: 系統(tǒng)設(shè)計(jì)秒流量QS=1.15～1.3QC （3）
QC=噴水強(qiáng)度×作用面積 （4）
式中噴水強(qiáng)度和作用面積可以由《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)不同設(shè)置場(chǎng)所直接查得。
b逐點(diǎn)法: 噴頭流量q=k （5）
式中p—噴頭工作壓力，經(jīng)計(jì)算得；k—噴頭流量系數(shù)，由所選噴頭類(lèi)型確定?！ ?/font>
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)秒流量應(yīng)按最不利點(diǎn)處作用面積內(nèi)噴頭同時(shí)噴水的總流量確定：
系統(tǒng)設(shè)計(jì)秒流量QS= × （6）
式中qi—最不利點(diǎn)處作用面積內(nèi)各噴頭節(jié)點(diǎn)的流量，是由（5）式計(jì)算所得;n—最不利點(diǎn)處作用面積內(nèi)的噴頭數(shù),根據(jù)設(shè)置場(chǎng)所火災(zāi)危險(xiǎn)級(jí)計(jì)算可得?！ ?/font>
②消火栓系統(tǒng)設(shè)計(jì)秒流量由規(guī)范直接查得?！ ?/font>
當(dāng)一座建筑物內(nèi)或同一部位設(shè)有消火栓、自動(dòng)噴水滅火設(shè)備、雨淋滅火設(shè)備、水噴霧滅火設(shè)備、泡沫噴灑滅火設(shè)備和水幕設(shè)備時(shí)，其建筑消防用水量應(yīng)按需要同時(shí)開(kāi)啟的各種消防設(shè)備用水量之和計(jì)算。當(dāng)高級(jí)舞臺(tái)上設(shè)有閉式自動(dòng)噴水滅火設(shè)備和雨淋滅火設(shè)備時(shí)，考慮到兩種設(shè)備同時(shí)開(kāi)啟的機(jī)率不大，可選用兩者中用水量較大者作為計(jì)算流量。舞臺(tái)消防給水設(shè)計(jì)流量應(yīng)為消火栓和閉式自動(dòng)噴水滅火設(shè)備（或雨淋滅火設(shè)備）以及水幕等的用水量之和。
系統(tǒng)的用水量＝流量×火災(zāi)延續(xù)時(shí)間 （7）
式中火災(zāi)延續(xù)時(shí)間可以由規(guī)范直接查得?！ ?/font>
2、消防水箱容量計(jì)算：消防水箱的儲(chǔ)水量應(yīng)不少于10分鐘室內(nèi)消防用水量。當(dāng)消防流量不超過(guò) 25L /s，經(jīng)計(jì)算水箱的消防儲(chǔ)水量超過(guò) 12m3 時(shí)，仍可采用 12m3??；當(dāng)消防流量超過(guò) 25L /s時(shí)，經(jīng)計(jì)算水箱的消防儲(chǔ)水量超過(guò) 18m3 時(shí)，仍可采用 18m3 ?！ ?/font>
3、消防水池容量計(jì)算：消防水池的容量應(yīng)滿(mǎn)足在火災(zāi)延續(xù)時(shí)間內(nèi)室內(nèi)外消防用水總量的要求，在火災(zāi)情況下能保證連續(xù)補(bǔ)水時(shí)，消防水池的容量可減去火災(zāi)延續(xù)時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充的水量?！ ?/font>
4、消防給水管徑計(jì)算：消防給水系統(tǒng)對(duì)壓力和流量有要求，對(duì)流量的要求也就是對(duì)管徑的要求，流量可以通過(guò)上面方法計(jì)算得?！ ?/font>
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?！ ?/font>
通過(guò)（8）式計(jì)算得管徑：
例如： 500 m3 的消防水池，補(bǔ)水時(shí)間不超過(guò)在48小時(shí)，流速取 1.5m /s,補(bǔ)水管徑不應(yīng)小于 50mm ?！ ?/font>
在設(shè)計(jì)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(dá)不到消防設(shè)計(jì)流量要求，因?yàn)榇蠖喑鞘袕氖姓芫W(wǎng)引水都要繳一定的接點(diǎn)費(fèi)，接點(diǎn)費(fèi)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(dá)不到規(guī)范要求，應(yīng)設(shè)消防水池?！ ?/font>
三、消防給水壓力計(jì)算
要計(jì)算壓力，必須懂得流體力學(xué)原理，機(jī)械能衡算――柏努利方程z1+u12/2g+p1/ρg=z2+u22/2g+p2/ρg+△z，在同一點(diǎn)，靜壓力和出水壓力是有區(qū)別的，靜壓力就是水在靜止時(shí)的壓力，出水壓力是水在流動(dòng)時(shí)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(shí)，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(guān)系了，所以我們?cè)诳聪鹚▔毫Ρ砘蜃詣?dòng)噴水滅火系統(tǒng)末端試水壓力表時(shí)，當(dāng)不放水時(shí)壓力高，當(dāng)打開(kāi)放水閥放水時(shí)，壓力立即下降，是因?yàn)樵诜潘畷r(shí)，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?yàn)⑺畤婎^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)范上要求消火栓最低壓力和自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)最低壓力是指工作壓力（出水壓力），設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這些因素?？茖W(xué)計(jì)算，設(shè)計(jì)壓力要有一定的富余量，但壓力也不能太大，規(guī)范中規(guī)定的最高壓力是指靜壓力。為保證消防給水系統(tǒng)的安全運(yùn)行，建筑高度超過(guò) 100米 的超高層建筑，以及室內(nèi)消火栓處的靜水壓力超過(guò)1.0MPa的高層建筑，室內(nèi)給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)采用分區(qū)給水方式；為防止水槍的反作用力過(guò)大和便于撲救火災(zāi)活動(dòng)，消火栓出水壓超過(guò)0.5MPa時(shí)，應(yīng)在消火栓的接管上設(shè)計(jì)減壓設(shè)施。為保證水槍有足夠的充實(shí)水柱，以利有效控制火災(zāi)，通過(guò)減壓后消火栓處的水壓不應(yīng)小于0.3MPa；高層廠房和庫(kù)房、高架倉(cāng)庫(kù)、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(shí)水柱長(zhǎng)度很大，經(jīng)過(guò)計(jì)算（水槍的上傾角可采用45-60度）后，若消火栓出水壓超過(guò)0.5MPa時(shí)，應(yīng)設(shè)置帶架水槍或固定消防水炮，且應(yīng)保證相鄰兩支帶架水槍或固定消防水炮的充實(shí)水柱同時(shí)到達(dá)室內(nèi)的任何部位?！ ?/font>
1、壓力與高度的關(guān)系：通過(guò)壓強(qiáng)公式P＝F／S和P＝ρgh計(jì)算得 10000mm 水柱＝1kgf/cm2,即 10米 水柱相當(dāng)于1公斤壓力，也就是說(shuō)，管道內(nèi)的水每升高 10米?。ù怪本嚯x），靜水壓力減小1公斤（0.1 MPa）。
2、阻力計(jì)算：水通過(guò)直管、彎頭、變徑、分路、閥門(mén)等都產(chǎn)生阻力損失，總壓頭降低，那么，在設(shè)計(jì)給水壓力時(shí)要考慮到阻力損失，阻力損失在水流動(dòng)時(shí)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(shí)就不產(chǎn)生壓力損失，每米管道的水頭損失應(yīng)按下式計(jì)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(jì)算內(nèi)徑。
管道的局部水頭損失宜采用當(dāng)量長(zhǎng)度法計(jì)算，當(dāng)量長(zhǎng)度可由《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》查得?！ ?/font>
3、壓力計(jì)算：知道最不利點(diǎn)處高度和出水壓力，計(jì)算出阻力損失、流速，通過(guò)柏努利方程，就可以計(jì)算出消防給水所需的壓力。通過(guò)壓力計(jì)算來(lái)判斷系統(tǒng)采用常高壓給水系統(tǒng)還是零時(shí)高壓給水系統(tǒng)?！ ?/font>
4、消防水泵：通過(guò)前面計(jì)算的消防給水流量和壓力來(lái)選消防水泵的揚(yáng)程和流量。消防水泵揚(yáng)程和流量要略大于計(jì)算壓力和流量，但不能太大，系統(tǒng)設(shè)消防水泵時(shí)要設(shè)電接點(diǎn)壓力表或持壓泄壓閥，確保系統(tǒng)的運(yùn)行安全。
通過(guò)上述的計(jì)算方法可以得到消防給水系統(tǒng)的所有有效參數(shù)?！ ?/font>
四、工程實(shí)例
現(xiàn)用上述計(jì)算方法對(duì)嘉峪關(guān)市酒鋼大劇院工程消防給水計(jì)算如下：
酒鋼大劇院位于嘉峪關(guān)市雄關(guān)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(shè)有室內(nèi)外消火栓、自動(dòng)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(jì)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(yīng)略大于計(jì)算值，取 150mm 。
②自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)
a、作用面積法： 噴水強(qiáng)度取 6 L /min.m2，作用面積為 160m2 ,
流量QC=1.3（噴水強(qiáng)度×作用面積）=1.3（6×160）/60= 20.8L /S，取 21 L /S?！ ?/font>
b、逐點(diǎn)法： 最不利點(diǎn)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(shè)計(jì)秒流量QS= × = ×80×13= 17.4 L /S?！ ?/font>
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(dòng)噴水滅火系統(tǒng)給水總干管直徑應(yīng)略大于計(jì)算值。取 150mm ?！ ?/font>
2、壓力計(jì)算
①消火栓水泵揚(yáng)程：最不利點(diǎn)處消火栓充實(shí)水柱 13m ，栓口出水壓力為0.186MPa，最不利點(diǎn)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(mài)＝ 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，最不利點(diǎn)處消火栓至水泵出口的管路總長(zhǎng) 140m ，R1=i1×L1+ i2×L2+…=0.067MPa, 局部水頭損R2= i1×L1+ i2×L2+…=0.0134MPa（L為當(dāng)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(yáng)程也就是泵所產(chǎn)生的總水頭，即z1＝0，消火栓水泵揚(yáng)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(yáng)程應(yīng)略大于計(jì)算值，取 56m ?！ ?/font>
②自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)水泵揚(yáng)程：最不利點(diǎn)處噴頭工作壓力為0.1 MPa，最不利點(diǎn)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(mài)＝ 2.65m /s?！ ?/font>
沿程阻力損失：根據(jù)(9)式i=0.0000107×V2/dj1.3，流速取 2.5m /S，最不利點(diǎn)處噴頭至水泵出口的管路總長(zhǎng) 168m ，R1=i1×L1+ i2×L2+…=0.106MPa, 局部水頭損R2= i1×L1+ i2×L2+…=0.0318MPa（L為當(dāng)量），R=R1+R2=0.138MPa= 13.8m 水柱。
自動(dòng)滅火系統(tǒng)水泵揚(yáng)程H2=z2+u22/2g+p2/ρg+△z＝26+2.652/（2×9.8）+10＋13.8＝ 50.2m ，水泵揚(yáng)程應(yīng)略大于計(jì)算值，取 60m ?！ ?/font>
雨淋系統(tǒng)和水幕系統(tǒng)算法同自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)算法?！ ?/font>
通過(guò)以上計(jì)算，可得出酒鋼大劇院的消防設(shè)計(jì)參數(shù)如表2。
表2 消防設(shè)計(jì)參數(shù)
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消防設(shè)施同時(shí)作用最大 合計(jì)貯水量 | ②+④+⑤=144+288+97= 529 m3 ，大于 500 m3 ，設(shè)成兩個(gè)能獨(dú)立使用的消防水池。消防水池補(bǔ)水時(shí)間＝529/（0.002827×管內(nèi)徑的平方×流速）＝5.6h?！ ?/div> |
| 20+80+27= 127 L /S，超過(guò) 25 L /S時(shí)，消防水箱容量 18 m3 |
| 2臺(tái)Q= 20L /S H1= 56m ，一用一備。 |
| 2臺(tái)Q= 21L /S H1= 60m ，一用一備?！ ?/div> |
結(jié)束語(yǔ)
只有通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算，才能設(shè)計(jì)出安全、可靠、合理的消防給水系統(tǒng)。最后應(yīng)該指出，建筑消防給水設(shè)施能否在撲救火災(zāi)中發(fā)揮應(yīng)有的作用，首先取決于有無(wú)正確的設(shè)計(jì)，同時(shí)施工的質(zhì)量和日常的管理維護(hù)，也具有重要的意義。（推薦）
