自动喷水灭火系统简介

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1  绪论
1.1  自动喷水灭火系统简介
1.1.1 自动喷水灭火系统的组成
自动喷水灭火系统是指由洒水喷头、报警阀组、水流报警装置（水流指示器及压力开关）等组件，以及管道、供水设施组成，并能在发生火灾时喷水的自动灭火系统。
自动喷水灭火系统是人们同火灾斗争中出现和发展起来的一种固定式自动灭火系统，是当今世界上公认的最为有效的自救灭火措施，是应用最为广泛、用量最大的自动灭火系统。它具有自动灭火和自动报警的功能。它用水作灭火剂，平时处于准工作状态，一旦保护区域内发生火灾，火灾发生区域的自动喷水灭火系统会发生动作，喷洒水雾或水滴，起到延缓火势和扑灭火灾的作用。
自动喷水系统的类型较多，从1806年约翰*凯利发明了利用可燃绳控制阀门启动钻孔管道喷水灭火开始发展到现在，它的基本类型包括：湿式、干式、干湿式、雨淋及预作用、喷雾和水幕系统。
1.1.2 自动喷水灭火系统的发展和应用
在自动喷水一百多年的发展应用史中，一些发达国从研究到应用，从局部到推广，积累了许多成功的经验和失败的教训，从中制定了本国的自动喷水灭火系统设计安装规范或标准。现在，自动喷水灭火系统不仅仅应用在高层建筑、公共建筑、工业厂房和仓库，而且已经推广到住宅建筑。在建筑行业中推广自动喷水灭火系统的设计和安装，取得了巨大的成就，在美国1925-1964年间在安装了喷淋灭火系统的建筑物中共发生火灾75290次，灭控火成功率高达96.2%，其中工业厂房和仓库占有比例达87.46%。
推广应用自动喷水灭火系统，不仅可从减少火灾损失中受益，而且可减少消防总开支。例如，在美国加利福尼亚州的费雷诺斯城，在市区制定的建筑条例中，要求在非居住区安装自动喷水灭火系统，结果使这个城市的1955年到1975年的20年间，非居住区火灾损失从占该城市火灾总损失的61.6%降低到43.5%。
20世纪30年代我国开始应用自动喷水灭火系统，至今已有70年的历史。取得了辉煌的成果。50年代，苏联援建的一些厂房装设了自动喷水灭火系统，1956年，我国可自行设计安装自动喷水灭火系统。1958年建的厦门纺织厂，至80年代曾四次成功扑灭火灾，时至今日，该系统以成为国际上公认的最为有效的自动扑救室内火灾的消防设施，在我国的应用范围和使用量也在不断扩展与增长。
1.1.3  自动喷水灭火系统管网计算现状
自动喷水灭火系统管网水力计算是在流体力学和给排水工程基础上发展起来的，经过不断改进，现在已具备一套完整的计算方法，主要包括：沿程法和面积法。已经能够准确计算出管网内各管段的流量、水头损失等，为最终消防给水设施的选择提供科学的依据。但是计算方法中存在计算过程复杂、繁琐和计算费力、耗时、易错等不足。
随着近年来计算机技术突飞猛进的发展，国内也有几家单位开始对此方面进行研究，试图用计算机替代人手工计算，来解决手工计算中的不足以便将设计人员从繁琐的工作中解放出来。但编制的软件存在着许多不足，在一定程度上影响在工程中的使用。
结合上述现状，迫切需要一种适用面广、操作简单、符合工程实际的管网水力计算软件，去减轻工程计算负担和规范自动喷水灭火系统的设计计算。
2  闭式自动喷水灭火系统管网水力设计计算过程及原理
2.1  设置原则
闭式自动喷水灭火系统用于性质重要且火灾危险性大的场所。
⒈ 高层民用建筑
⑴ 建筑高度不超过100m的一类高层民用建筑及其裙房的下列部位（除普通住宅和高层建筑中不宜用水扑救的部位外）
① 舞台、观众厅、展览厅、多功能厅、门厅等公共活动用房；
② 走道、办公室和旅馆的客房；
③ 可燃物品库房；
④ 高级住宅的居住用房；
⑤ 自动扶梯底部和垃圾道顶部。
⑵ 二类高层民用建筑中的商业营业厅、展览厅等公共活动用房和建筑面积超过200m2的可燃品库房。
⑶ 高层民用建筑中经常有人停留或可燃物较多的地下室房间。
⑷ 建筑高度超过100m的高层民用建筑内。
⒉ 工业厂房与低层民用建筑
⑴ 等于或大于50000纱锭的棉纺厂的开包、清花车间；等于或大于5000锭的麻纱厂的分级、梳麻车间；服装、针织高层厂房；面积超过1500m2的木器厂房；火柴厂的烤梗、筛选部位；泡沫塑料厂的预发、成型、切片、压花部位。
⑵ 每座占地面积超过1000m2的棉、毛、丝、麻等及其制品库房；每座面积超过600m2的香烟、火柴库房；建筑面积超过500m2可燃品地下库房；可燃、难燃物品高架库房和高层库房（冷库、高层卷烟成品库房除外）；省级以上或藏书量超过100万册的图书馆书库。
⑶ 超过1500个座位的剧院观众厅、舞台上部（屋顶为金属结构时）；超过2000个座位的会堂或礼堂的观众厅；超过3000个座位的体育馆的观众厅吊顶上部、贵宾室、器材间、运动员休息室。
⑷ 省级邮政楼的邮袋库。
⑸ 每层面积超过3000m2或建筑面积超过9000m2的百货商场、展览大厅。
⑹ 设有空气调节系统的旅馆、综合办公楼内的走道、办公室、餐厅、商店、库房和无楼层服务台的客房。
⑺ 飞机发动机实验台的准备部位。
⑻ 国家级文物保护单位的重点砖木或木结构建筑。
⒊ 汽车停车库
地下停车库、多层停车库和低层停车库应设自动喷水灭火系统。
⒋ 人防工程
⑴ 使用面积超过1000m2的商场、医院、旅馆等公共场所
⑵ 超过800个座位的电影院、礼堂的观众厅，且吊顶下表面至观众席地面高度不超过8m时；舞台面积超过200m2时。
2.2  确定建筑物的危险等级
根据建筑物、构筑物的火灾载荷（由可燃物的性质、数量和分布状况决定）、室内空间条件（面积、高度）、人员密集程度、采用自动喷水灭火系统扑救初期火灾的难易程度，以及疏散及外部增援条件等因素划分设置场所火灾危险等级。
建筑物内存在物品的性质、数量，以及其结构的疏密、包装和分布情况，将决定火灾载荷及发生火灾时的燃烧速度与放热量，是划分自动喷水灭火系统设置场所火灾危险等级的重要依据。
共计：轻危险级、中危险级（其中又分为Ⅰ级和Ⅱ级）、严重危险级（其中又分为Ⅰ级和Ⅱ级）、及仓库危险级（其中又分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级）。
⒈ 严重危险级： 火灾危险性大、可燃物多、发热量大、燃烧猛烈和蔓延迅速的建、构筑物；
⒉ 中危险等级： 火灾危险性较大、可燃物较多、发热量中等、火灾初期不会引起迅速蔓延的建、构筑物；
⒊ 轻危险等级：火灾危险性小、可燃物量少、发热量较小的建、构筑物；
在设计闭式自动喷水灭火系统时应本着遵循“实事求是”和“有的放矢”的原则，按各自的实际情况选择相应设计技术数据。
闭式自动喷水灭火系统管网中的管道种类如图2-1所示，每种管道在系统中的作用是不同的，在计算时，也应作不同处理。
2.2.1  设计作用面积的大小
设计作用面积是指一次火灾中按喷水强度保护的最大面积。
设计时作用面积的选取应按建筑物的火灾危险等级来选取，各危险等级的数据如表2.1所示：
表2.1
危险等级 轻危险级 中危险级 严重危险级
  Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅰ级 Ⅱ级
作用面积 160 160 260
2.2.2  设计作用面积的形状
在火灾发生时，火势由火源点呈辐射状向四周蔓延，只有处于着火区域上方的喷头才能有效地阻止火势蔓延，扑灭火灾。因此在设计面积形状选择上，我们通常采用正方形布置、长方形以及菱形等几种情况。
⑴ 正方形布置：支管的间距和喷头的间距均相等。
L = 
      式中：L——正方形布置时设计作用面积的边长，m
A——设计作用面积，m2
图2-1 管道种类图
图中：
1— 供水管，连接供水水源和报警阀的管段；
2— 总闸阀；
3— 报警阀；
4— 配水立管，连接报警阀并向配水干管供水的管段；
5— 配水干管，报警阀后向配水管供水的管段；
6— 配水管，向配水支管供水的管段
7— 配水支管，直接或通过短立管向喷头供水的管段；
8— 喷头。
⑵ 长方形布置：支管的间距和喷头的间距不相等。
                 L = 1.2 
式中：L——正方形布置时设计作用面积的边长，m
A——设计作用面积，m2
2.2.3  设计作用面积在管网中的位置
由于水力管网末端最不利点处的喷水强度、作用压力较其他点差，因此在管网计算中，通常由管网系统的最不利点处喷头开始选取设计作用面积。
2.3  设计作用面积大小的确定
2.3.1  每个喷头的喷水量计算
q = k  
式中：q——每个喷头的喷水量 ，L/min
      P¬¬——喷头处的工作压力 ，MPa
      K¬——流量特性系数（见表2.2）
表2.2 流量特性系数
喷头公称直径（mm） K
10 57
15 80
20 115
2.3.2  每个喷头的保护面积的计算
A1＝4q0/4qu
式中：A1——每个喷头的保护面积，m2
      q0——最不利点喷头喷水量，L/min
      qu——设计喷水强度，L/(min m2)
2.3.3  根据喷头布置方式确定喷头布置间距
⒈ 正方形布置：
S=
式中：S——喷头呈正方形布置时的边长，m
⒉ 长方形布置：
                S≤1.2
式中：S——喷头呈长方形布置时长边的边长，m
根据以上数据可得出
表2.3
同一根配水支管上喷头的间距及相邻配水支管的间距：
喷水强度
（L/min m2）
正方形布置的边长（m） 矩形或平行四边形布置的边长（m） 一只喷头的最大保护面积（m2） 喷头与端墙的最大距离（m）
4 4.4 4.5 20.0 2.1
6 3.6 4.0 12.5 1.8
8 3.4 3.6 11.5 1.7
12-20 3.0 3.6 9.0 1.5
注：1 仅在走道设置单排喷头的闭式系统，其喷头间距应按走道地面不留空白点确定；
    2 货架内喷头的间距不应小于2.0m，并不应大于3.0m。
2.4  管段水力计算
2.4.1管径的估算
由于工程实际中所采用的管材质量以及施工单位存在差异，在工程设计中通常要求管道内的水流速度不超过5m/s、配水管的入口压力不应大于0.40MPa。根据这个标准再结合工程实践，通常在设计中为简化计算，在对系统进行计算前，根据经验按照不同管径配水管上最多允许安装的喷头数（见表2.4），以及不同危险等级对喷头数量的要求，对管径进行估算：
表2.4 轻危险级、中危险级场所中配水支管、配水管控制的标准喷头数：
公称直径（mm） 控制的喷头数（只）
 轻危险级 中危险级
25 1 1
32 3 3
40 5 4
50 10 8
65 18 12
80 48 32
100 - 64
2.4.2 对管道水流速度的校核
             Vp＝Kp Q(n-1)～n
式中：  Vp——管道流速，m/s
       Q(n-1)～n——管段流量，L/s
         Kp——流速系数
注：管道内的水流速度，必要时可超过5m/s，但不应大于10m/s。
表2.5 流速系数表
管材 管径（mm）
 25 32 40 50 70 80 100 150 200
 流速系数
钢管 1.883 1.05 0.8 0.47 0.283 0.204 0.115 0.053 
铸铁管       0.1273 0.0566 0.0318
2.4.3 管道水头损失计算
管道的水头损失主要包括三个部分：沿程水头损失、局部水头损失和报警阀水头损失。
⒈ 沿程水头损失
             i=0.0000107 V2/(dj)1.3
        式中： i——每米管道的水头损失，MPa/m
            V——管道内水的平均流速，m/s
            dj——管道的计算内径（m），取值应按管道的内径减1mm确定。
⒉ 局部水头损失
             hj=A Ld Q2(n-1)~n
式中：hj——局部水头损失，Pa
            A——管道比阻值（见表2.7）
            Ld——管件阀门当量长度(见表2.6)，m
            Q(n-1)~n——管段流量，L/s
 管道的直径应经水力计算确定。轻危险级、中危险级场所中各配水管入口处的压力均不应大于0.40MPa。