高層建筑消防給水系統(tǒng)及可靠性研究
高層建筑消防給水系統(tǒng)及可靠性研究
摘要：高層建筑物的火災(zāi)特點，決定了建筑物內(nèi)必須設(shè)置消防給水設(shè)施以自救為主，消防給水系統(tǒng)是高層建筑消防滅火系統(tǒng)中的重要組成部分。闡述了高層建筑消防給水的幾種形式，對高層建筑消防給水系統(tǒng)超壓和泄壓問題進(jìn)行了分析，最后在進(jìn)行消防給水系統(tǒng)可靠性研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了小結(jié)。
1高層建筑消防給水的幾種形式
（1）高位消防水池供水形式。這種供水方式是在高層建筑的屋頂設(shè)置大容量消防水池（水池的容積以滅火災(zāi)延續(xù)時間內(nèi)所需要的全部消防用水為度），平時利用生活加壓水泵將水一次抽升至屋頂消防水池貯存。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，直接依靠水池中的消防貯水，通過室內(nèi)消火栓給水系統(tǒng)和自動噴水滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火。除因屋頂消防水池設(shè)置高度不夠，需要在頂層設(shè)消防增壓泵以滿足建筑最高幾層消防設(shè)施所需的壓力外，無需再設(shè)消防專用水泵和相應(yīng)的控制電器系統(tǒng)。尤其是對于50m以卜，需要分區(qū)減壓供水的高層建筑，該特點尤為突出，只需在分區(qū)的適當(dāng)高度和部位設(shè)置小容量的調(diào)壓水箱，即可滿足消防使用要求。
此種供水方式不存在平時因維護(hù)管理不善、長時期不使用致使消防專用水泵在著火時無法啟動等不利因素。消防的安全可靠性高，控制簡單，使用方便；而且對供電要求不嚴(yán)，無需雙路電源或設(shè)置自備的柴油發(fā)電機(jī)組供電。從而簡化了消防給水系統(tǒng)，有利于設(shè)計、施工和管理。可是該方式消防水池的容積龐大，對建筑外觀和結(jié)構(gòu)計算以及抗震投資等影響較大，不易被接受，因而限制了該供水方式的應(yīng)用。
（2）消防專用水泵一屋頂高位水箱供水形式。這種供水方式是高層建筑消防給水設(shè)計中采用最多、最易接受的一種方式。在高層建筑屋頂設(shè)小容量的高位水箱，一般和生活用水合用，并且滿足10min的消防用水量。在建筑物底層（地下室）或室外設(shè)消防專用水池、水泵及泵房。
與高位消防水池供水方式最大的不同點在于消防供水滅火的任務(wù)主要是由消防專用水泵來完成。從建筑的高度及分區(qū)情況看，該供水方式又可分為一次加壓供水，分區(qū)并聯(lián)加壓供水及分區(qū)串聯(lián)加壓供水3種形式。一次加壓供水適用于建筑高度在50m以下，且不需要分區(qū)供水的高層建筑。分區(qū)并聯(lián)加壓供水或分區(qū)串聯(lián)加壓供水，用于建筑高度超過50m，且需要分區(qū)減壓供水的高層建筑。
分區(qū)并聯(lián)加壓供水，各分區(qū)供水互不影響，消防安全可靠，分區(qū)水箱容積較小；消防專用水泵可集中設(shè)置，便于平時維護(hù)、管理，但對于消防供水管材的質(zhì)量要求較高。分區(qū)串聯(lián)加壓供水，對消防管道壓力要求較低，可減少管道的維修。但各區(qū)供水有聯(lián)系，消防安全可靠性較差。當(dāng)下一區(qū)的消防專用水泵出現(xiàn)故障時，將影響其上區(qū)消防滅火的可靠性。且串聯(lián)供水，水泵安裝分散，平時的維修、管理困難較多。
（3）消防氣壓罐供水形式。該種供水方式與其他供水方式的不同點在于無需另設(shè)高位水箱，使消防管網(wǎng)始終處于常高壓狀態(tài)。消防安全可靠性高，但對供電要求嚴(yán)格，需兩路電源或柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)。
近幾年，該供水方式以其獨特的供水形式，不受高度的限制，安裝靈活方便，操作簡單，具有自動化程度高，消防出水快，技術(shù)上安全可靠等優(yōu)點，為廣大設(shè)計者和使用者青睞。在高層建筑消防給水設(shè)計中不斷被采用。但是，該供水方式耗電較高，日常運行費用大。據(jù)調(diào)杳，該供水方式約有四分之一的能耗被用來維修無效壓力的區(qū)間上而浪費掉。此外，在需要分區(qū)減壓供水的高層建筑消防給水設(shè)計中，山于每分區(qū)都要設(shè)一個存有l(wèi)0min消防用水量的大氣壓罐，可以說是很不經(jīng)濟(jì)，很不合理的。
（4）全自動恒壓變頻調(diào)速供水形式。
這是一種用于生活、消防的新型節(jié)能供水設(shè)備。它采用了最新的交流變頻調(diào)速技術(shù)和自動化技術(shù)，對管網(wǎng)壓力實行檢測，控制水泵轉(zhuǎn)速、揚程等，保證了管網(wǎng)壓力的恒定。其特點是生活、消防供水共用一組水泵，并共用備用水泵，減少了設(shè)備的占地面積，避免了因水泵久置用而銹蝕所引起的不安全因素，增強(qiáng)了消防供水的安全可靠性，該供水方式同消防專用水泵一高位水箱供水方式基本相同。
2高層建筑消防給水系統(tǒng)超壓和泄壓問題分析
（1）給水超壓的問題。超壓是指系統(tǒng)內(nèi)的水壓超過其工作壓力的限值，造成管道、附件、器材和設(shè)備的損壞，或造成給水的不均勻，不利于系統(tǒng)的滅火，影響系統(tǒng)正常運行的現(xiàn)象。超壓問題在高層建筑消防給水中客觀存在，所以應(yīng)當(dāng)引起注意和重視，并采取防治對策。分析超壓的原因主要有以下幾種情況：
①系統(tǒng)小流量出水。在火災(zāi)的初期，自動噴水滅火系統(tǒng)往往只有幾個噴頭動作，或者自動噴水滅火系統(tǒng)在進(jìn)行末端試水時，自動噴水滅火系統(tǒng)所需要的流量都很小，而自動噴水滅火系統(tǒng)的加壓泵是按設(shè)計秒流量來選擇的，兩者相差好幾倍。此時加壓泵在小流量下工作，會造成加壓泵揚程大幅度升高，使自動噴水滅火系統(tǒng)的管網(wǎng)超壓。②豎向分區(qū)不合理。在建筑物高度較高時，給水的豎向分區(qū)未按1.2MPa上作壓力的要求分區(qū)。③水錘超壓。消防泵因故障或停電而突然停轉(zhuǎn)所造成的水錘現(xiàn)象。④水泵結(jié)合器的超壓。當(dāng)消防給水豎向分區(qū)的上區(qū)和下區(qū)共用水泵結(jié)合器，防止串壓的止回閥不嚴(yán)密時，下區(qū)會出現(xiàn)超壓；另一方面，當(dāng)消防車的消防泵向室內(nèi)消防給水管網(wǎng)供水時，有時會造成管網(wǎng)的超壓，特別是消防車的消防泵與系統(tǒng)的消防泵串聯(lián)運行時，這種可能性較大。⑤未設(shè)排氣裝置。自動噴水滅火系統(tǒng)的給水管網(wǎng)中未設(shè)排氣閥或排氣閥的位置設(shè)置不當(dāng)，管網(wǎng)內(nèi)的空氣處于被壓縮的狀態(tài)，可能發(fā)生壓力波動造成超壓。
（2）給水的減壓和泄壓方式。由于在自動噴水滅火系統(tǒng)中，普遍存在著超壓的問題，因此必須采用減壓和泄壓方式解決系統(tǒng)的超壓問題。通過給水的減壓和泄壓，能保證給水的均勻性，有利于作用面積內(nèi)給水的可靠，確保系統(tǒng)設(shè)計流量能正確使用；同時，還有利于系統(tǒng)的設(shè)備和材料的安全，因此給水的減壓和泄壓對系統(tǒng)的給水有著重要的意義。通過對超壓問題的分析，自動噴水滅火系統(tǒng)的給水減壓可通過3方面來解決：
①采取有效的技術(shù)措施來防止超壓的產(chǎn)生。首先，合理布置白動噴水滅火系統(tǒng)的給水管網(wǎng)，盡量將噴頭均勻布置在配水管的兩側(cè)，可均衡各個配水管的水壓。同時合理選擇下放給水系統(tǒng)的分區(qū)，并適當(dāng)減少給水分區(qū)的壓力值。例如，當(dāng)建筑高度低于或等于120m時，消防給水豎向分區(qū)可以采用減壓閥、分區(qū)水泉阿、多出口泉等并聯(lián)消防泉給水系統(tǒng)；建筑物高度達(dá)于120m時，消防給水豎向分區(qū)可以采用多臺消防泵直接串聯(lián)或設(shè)中間水箱轉(zhuǎn)輸?shù)拇?lián)消防泵給水系統(tǒng)。其次，在消防泵的選擇上，可以采用流量一揚程曲線平緩的消防泵。有條件的建筑采用切線消防泵、水冷直聯(lián)消防泵或者變頻調(diào)速消防泵。
②提高整個高層建筑消防給水系統(tǒng)的承壓能力。使之在一般情況卜出現(xiàn)的超壓，在提高承壓能力后在允許工作壓力范圍之內(nèi)。
③采取相應(yīng)的泄壓和穩(wěn)壓措施，使超壓值對給水管網(wǎng)不致造成損壞，如泄壓閥、安全閥、穩(wěn)壓閥、氣罐閥等。
3高層建筑消防給水系統(tǒng)可靠性研究
高層建筑消防給水系統(tǒng)的可靠性，是指高層建筑消防給水系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)，能夠完成規(guī)定的功能的能力。它的可靠性對保證高層建筑消防的作用有舉足輕重的影響。
高層建筑消防給水系統(tǒng)的可靠性通常用可靠度來表示。它是消防給水系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，是一種表示隨機(jī)事件發(fā)生可能性大小的一個量。
（1）消防給水系統(tǒng)的可靠性框圖。為了研究系統(tǒng)的可靠度，首先需要弄清系統(tǒng)的功能、失效模式，準(zhǔn)確地繪出可靠性框圖。通過建立消防給水系統(tǒng)模型，研究系統(tǒng)可靠度與單元（組件）可靠度之間的函數(shù)關(guān)系。單元的可靠度可以通過大量的試驗確定，山此可確定山若干單元相互組合成的復(fù)元體系統(tǒng)的可靠度。
系統(tǒng)可以分為非儲備系統(tǒng)、儲備系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)儲備系統(tǒng)又可分為工作儲備和非工作儲備系統(tǒng)。非儲備系統(tǒng)實際上是一種串聯(lián)系統(tǒng)。消防給水系統(tǒng)對供水的要求較高，需要有足夠的保證率，故常采用儲備系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)的形式。在工作儲備方式中，可分為并聯(lián)系統(tǒng)、混聯(lián)系統(tǒng)、表決系統(tǒng)。在消防給水系統(tǒng)中，主要由消火栓給水系統(tǒng)和自動噴水滅火系統(tǒng)組成，其中一各單元（閥門、消火栓、噴頭、管道等部件）或設(shè)備（水泵、水池、水箱等）的功能，決定了可靠性框圖的關(guān)系。就兩個閥門用管道相連的可靠性框圖而言。如果它們的作用是讓水流通過，則兩閥需同時開啟。從可靠性的角度看，這就是一個串聯(lián)系統(tǒng)；如果其作用是起截斷水流作用，則關(guān)閉其中一個閥門就可完成截流作用，該可靠性框圖為并聯(lián)系統(tǒng)。可見同是一個結(jié)構(gòu)，不同的功能可靠度是不同的。在水泵給水的方式中，雖然同樣的形式但關(guān)系不同，可靠性框圖也不同。
（2）消防給水系統(tǒng)的可靠性度量計算。
消防給水系統(tǒng)的可靠性是由各單元的功能關(guān)系決定的，則系統(tǒng)的可靠度也就由各單元的可靠度組合產(chǎn)生。
4小結(jié)
在選擇消防給水方式時，應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，對與之相關(guān)的各種因素進(jìn)行綜合評估。如：供水可靠性、投資大小、能耗高低、設(shè)備宜集中設(shè)置還是分散設(shè)置、對水箱占用上層使用面積的限制，可能產(chǎn)生的噪聲和一次污染，運行和維護(hù)管理是否方便以及外網(wǎng)供水能力等。同時，應(yīng)咨詢當(dāng)?shù)叵啦块T的意見，從上述各類給水方式中選擇適合于該建筑物特點的消防給水，或者采用幾種消防給水方式的組合，制定出切實可行的方案來。
在以自動噴水滅火系統(tǒng)為主體的高層建筑消防給水系統(tǒng)中，給水系統(tǒng)的超壓是一個不能忽視的重要問題。因此，在給水系統(tǒng)的設(shè)計時，應(yīng)采用有效的減壓和泄壓措施，防止給水超壓現(xiàn)象的發(fā)生。
系統(tǒng)可靠性的選取與分配能保證高層建筑消防給水系統(tǒng)的功能和壽命達(dá)到設(shè)計要求。要使系統(tǒng)在長期使用過程中不間斷地工作，這就要求整個系統(tǒng)與每一個子系統(tǒng)具有一定的可靠度。為了提高系統(tǒng)的可靠度必然要花費一定的費用，但如果系統(tǒng)不可靠使系統(tǒng)發(fā)生故障也將會引起經(jīng)濟(jì)上的巨大損失。因此，設(shè)計者必須在安全與經(jīng)濟(jì)兩者之間求得合理的平衡而得到最優(yōu)的可靠度。
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