建筑消防给水系统是建筑的主要灭火设施，消防给水系统设计合理与否，对扑救火灾成败起着决定性作用，消防给水设计中不论是设计人员还是审核人员，掌握水力计算的基本原理和计算方法是至关重要的。以下就结合规范对消防给水的计算原理和计算方法进行归纳总结。　　
一、水力计算的基本原理　　
众所周知，自然界一切物质的能量转化均服从能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化或转移的过程中其总量不变。物质“水”作为一种流体也遵守能量守恒定律，流体的能量包括内能、位能、动能、压力能，若将伴随流体经过截面1输入的能量用下标1标明（如图1），经过截面2输出的能量用下标2注明，则图中所示水系统的总能量衡算式便为：　　
                          mU1+mgz1+mu12/2+p1v1+mqe+mwe=mU2+mgz2+mu22/2+p2v2
这里，我们按照理想状态下的水进行计算，所谓理想状态，即不可压缩和内能不变（也就是温度不变），那么对（1）式通过恒等式变化即得机械能衡算――柏努利方程：　　
                             z1+u12/　2g　+p1/ρg=z2+u22/　2g　+p2/ρg+△z                     （2）　　
（2）式中z称为位头（位压头），反映水的位置高低，u2/2g称为速度头（动压头），反映水的流速大小，p/ρg称为压力头（静压头），反映水对容器或管道壁的压力大小，三项之和称为总压头，△z称为机械能损失（水流动时的阻力损失）。  　　
由上面柏努利方程可知，水在某一位置的压力、速度、流量、位置高低等是息息相关的，其中任意一个值发生变化，其它值也相应变化。例如：消防给水中的常高压给水系统，规范中对不利点的给水压力有低要求，对流量有低要求，对流速有高流速要求，不利点的高度由建筑物的高低确定，管道阻力可以计算得出（下面具体介绍），这样就可以通过柏努利方程推算出给水压力多大才能达到常高压给水要求。　　
二、消防给水量计算　　
计算消防给水流量，首先要弄清流量与管径、压力、流速之间的关系。压差影响流速的大小，而流速的大小关系到流量的大小。管径不变时，水流量与压力基本成正比，压力越大流量越大。如充实水柱是　7米　时栓口出水压力是0.09MPa，用65-19的消火栓流量是　3.8L　/S；充实水柱是　10米　时栓口出水压力是0.135MPa，流量是　4.6L　/S；充实水柱是　13米　时栓口出水压力是0.135MPa，流量是　5.4L　/S。静水压0.1MPa约等于　1公斤　压力，理论上等于　10米　水柱，但流动的水存在一定的压力损失，即水枪要打　7米　的充实水柱需要0.09MPa出水压力。　　
表1  消火栓口出水压力和流量、充实水柱关系　

压力与流速的关系:出口压力越大，水的流速也就越大，相同管径流量也就越大。　　
由于水的流动阻力较大，速度越大阻力越大，也就是能量损耗越大，为了节能，《建筑设计防火规范》规定，消火栓给水管道内的设计流速不宜大于　2.5m　/s,《自动喷水灭火系统设计规范》规定，管道内的水流速宜采用经济流速，不应大于　10m　/s。一般工程计算时，给水管道压力常见为0.1～0.6MPa，水在管道中流速在1～3m/s，常取　1.5m　/s。　
1、流量计算　　
①自动喷水灭火系统流量有两种计算方法:　　
a作用面积法:        系统设计秒流量QS=1.15～1.3QC                                           （3）　　
QC=喷水强度×作用面积                             （4）　　
式中喷水强度和作用面积可以由《自动喷水灭火系统设计规范》根据不同设置场所直接查得。　　
b逐点法:            喷头流量q=k　 　　　                                （5）　　
式中p—喷头工作压力，经计算得；k—喷头流量系数，由所选喷头类型确定。　　
系统的设计秒流量应按不利点处作用面积内喷头同时喷水的总流量确定：　　
系统设计秒流量QS=　 　　　×　 　　　                      （6）　　
式中qi—不利点处作用面积内各喷头节点的流量，是由（5）式计算所得;n—不利点处作用面积内的喷头数,根据设置场所火灾危险级计算可得。　　
②消火栓系统设计秒流量由规范直接查得。　　
当一座建筑物内或同一部位设有消火栓、自动喷水灭火设备、雨淋灭火设备、水喷雾灭火设备、泡沫喷洒灭火设备和水幕设备时，其建筑消防用水量应按需要同时开启的各种消防设备用水量之和计算。当高级舞台上设有闭式自动喷水灭火设备和雨淋灭火设备时，考虑到两种设备同时开启的机率不大，可选用两者中用水量较大者作为计算流量。舞台消防给水设计流量应为消火栓和闭式自动喷水灭火设备（或雨淋灭火设备）以及水幕等的用水量之和。
系统的用水量＝流量×火灾延续时间                    （7）　　
式中火灾延续时间可以由规范直接查得。　　
2、消防水箱容量计算：消防水箱的储水量应不少于10分钟室内消防用水量。当消防流量不超过　25L　/s，经计算水箱的消防储水量超过　12m3　时，仍可采用　12m3　；当消防流量超过　25L　/s时，经计算水箱的消防储水量超过　18m3　时，仍可采用　18m3　。　　
3、消防水池容量计算：消防水池的容量应满足在火灾延续时间内室内外消防用水总量的要求，在火灾情况下能保证连续补水时，消防水池的容量可减去火灾延续时间内补充的水量。　　
4、消防给水管径计算：消防给水系统对压力和流量有要求，对流量的要求也就是对管径的要求，流量可以通过上面方法计算得。　　
流量=管截面积×流速=0.002827×管内径的平方×流速           （8）　　
式中流量单位m3/h，管内径单位为mm ，流速单位为m/s。　　
通过（8）式计算得管径：　　
例如：　500 m3　的消防水池，补水时间不超过在48小时，流速取　1.5m　/s,补水管径不应小于　50mm　。　　
在设计和审核中必须注意：一般建筑从市政给水管网的接口管径达不到消防设计流量要求，因为大多城市从市政管网引水都要缴一定的接点费，接点费是根据管径大小收取的，大多建筑物消防给水管与市政给水管网接口小于　100mm　，达不到规范要求，应设消防水池。　　
三、消防给水压力计算　　
要计算压力，必须懂得流体力学原理，机械能衡算――柏努利方程z1+u12/2g+p1/ρg=z2+u22/2g+p2/ρg+△z，在同一点，静压力和出水压力是有区别的，静压力就是水在静止时的压力，出水压力是水在流动时的压力，由公式：z1+u12/2g+p1/ρg=z2+u22/2g+p2/ρg+△z可以看出，水静止时，速度为零，压力损失也为零，柏努利方程就变为z1+ p1/ρg=z2+ p2/ρg，只有压力和高度的关系了，所以我们在看消火栓压力表或自动喷水灭火系统末端试水压力表时，当不放水时压力高，当打开放水阀放水时，压力立即下降，是因为在放水时，管道内水有了流速，且产生了阻力损失，出水的消火栓或洒水喷头越多，水流量越大，流速就越大，阻力损失也就越大，压力变化就越大。规范上要求消火栓低压力和自动喷水灭火系统低压力是指工作压力（出水压力），设计时要考虑这些因素。科学计算，设计压力要有一定的富余量，但压力也不能太大，规范中规定的高压力是指静压力。为保证消防给水系统的安全运行，建筑高度超过　100米　的超高层建筑，以及室内消火栓处的静水压力超过1.0MPa的高层建筑，室内给水管网设计应采用分区给水方式；为防止水枪的反作用力过大和便于扑救火灾活动，消火栓出水压超过0.5MPa时，应在消火栓的接管上设计减压设施。为保证水枪有足够的充实水柱，以利有效控制火灾，通过减压后消火栓处的水压不应小于0.3MPa；高层厂房和库房、高架仓库、大空间的民用建筑，通常建筑层高很大，因此要求水枪的充实水柱长度很大，经过计算（水枪的上倾角可采用45-60度）后，若消火栓出水压超过0.5MPa时，应设置带架水枪或固定消防水炮，且应保证相邻两支带架水枪或固定消防水炮的充实水柱同时到达室内的任何部位。　　
1、压力与高度的关系：通过压强公式P＝F／S和P＝ρgh计算得　10000mm　水柱＝1kgf/cm2,即　10米　水柱相当于1公斤压力，也就是说，管道内的水每升高　10米　（垂直距离），静水压力减小1公斤（0.1 MPa）。　　
2、阻力计算：水通过直管、弯头、变径、分路、阀门等都产生阻力损失，总压头降低，那么，在设计给水压力时要考虑到阻力损失，阻力损失在水流动时才产生，速度越大阻力损失越大，管径越小阻力损失越大，静止时就不产生压力损失，每米管道的水头损失应按下式计算　　
i=0.0000107×V2/dj1.3                        （9）　　
式中 i—每米管道的水头损失，V—管道内的平均流速，dj—管道的计算内径。　　
管道的局部水头损失宜采用当量长度法计算，当量长度可由《自动喷水灭火系统设计规范》查得。　　
3、压力计算：知道不利点处高度和出水压力，计算出阻力损失、流速，通过柏努利方程，就可以计算出消防给水所需的压力。通过压力计算来判断系统采用常高压给水系统还是零时高压给水系统。　　
4、消防水泵：通过前面计算的消防给水流量和压力来选消防水泵的扬程和流量。消防水泵扬程和流量要略大于计算压力和流量，但不能太大，系统设消防水泵时要设电接点压力表或持压泄压阀，确保系统的运行安全。　　
通过上述的计算方法可以得到消防给水系统的所有有效参数。　　
四、工程实例　　
现用上述计算方法对嘉峪关市酒钢大剧院工程消防给水计算如下：　　
酒钢大剧院位于嘉峪关市雄关西路，工程总建筑面积　19405m2　，观众厅座位数1175座，地上二层，局部带四层夹层，建筑主体高度　28.2m　，设有室内外消火栓、自动喷水灭火系统、雨淋系统、水幕系统，二路城市给水干管引入两根DN150给水管，市政给水管网供水压力为0.25MPa，室外消火栓由市政给水管网直接供水。　　
　　　　1、流量、管径计算　　
①室内消火栓：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；根据（8）式：D12=72/（0.002827×1.5） , D1=　130.3mm　，室内消火栓给水总干管直径应略大于计算值，取　150mm　。　　
②自动喷水灭火系统　　
a、作用面积法：  喷水强度取　6 L　/min.m2，作用面积为　160m2　,　　
流量QC=1.3（喷水强度×作用面积）=1.3（6×160）/60=　20.8L　/S，取　21 L　/S。　　
b、逐点法：  不利点处喷头工作压力为0.1MPa,喷头流量系数k为80，作用面积　160 m2　，喷头数n=160/12.5=12.8，取13；　　
喷头流量q=k　 　　　= 80；　　
系统设计秒流量QS=　 　　　×　 　　　=　 　　　×80×13=　17.4 L　/S。　　
管径：流量取　21 L　/S，流速取　1.5m　/S根据（8）式，21×3600/1000 =0.002827×D22×1.5，得 D2=　133.5mm　，自动喷水灭火系统给水总干管直径应略大于计算值。取　150mm　。　　
2、压力计算　　
①消火栓水泵扬程：不利点处消火栓充实水柱　13m　，栓口出水压力为0.186MPa，不利点处消火栓口距水泵高　21m　，消火栓流量　5.4 L　/s，消火栓口径为　65mm　，根据公式：流量＝管横截面积×流速， 5.4×3600/1000＝0.002827×652×u，消火栓口流速u＝　1.63m　/s。　　
沿程阻力损失：根据(9)式i=0.0000107×V2/dj1.3 ，流速取　1.5m　/S，不利点处消火栓至水泵出口的管路总长　140m　，R1=i1×L1+ i2×L2+…=0.067MPa, 局部水头损R2= i1×L1+ i2×L2+…=0.0134MPa（L为当量），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，取消火栓泵出水口处截面为1，消火栓水枪口处截面为2，泵的扬程也就是泵所产生的总水头，即z1＝0，消火栓水泵扬程H1=u12/2g+p1/ρg=z2+u22/2g+p2/ρg+△z＝21+1.652 /（2×9.8）+18.6＋8.05＝　47.8m　，水泵扬程应略大于计算值，取　56m　。　　
②自动喷水灭火系统水泵扬程：不利点处喷头工作压力为0.1 MPa，不利点处喷头距水泵高　26m　，喷头流量q= k　 　　　= 　80 L　/min＝　1.33 L　/s，喷头前管径为　25mm　，根据公式：流量＝管横截面积×流速，1.33×3600/1000＝0.002827×252×u，短立管内流速u＝　2.65m　/s。　　
沿程阻力损失：根据(9)式i=0.0000107×V2/dj1.3 ，流速取　2.5m　/S，不利点处喷头至水泵出口的管路总长　168m　，R1=i1×L1+ i2×L2+…=0.106MPa, 局部水头损R2= i1×L1+ i2×L2+…=0.0318MPa（L为当量），R=R1+R2=0.138MPa=　13.8m　水柱。　　
自动灭火系统水泵扬程H2=z2+u22/2g+p2/ρg+△z＝26+2.652 /（2×9.8）+10＋13.8＝　50.2m　，水泵扬程应略大于计算值，取　60m　。　　
雨淋系统和水幕系统算法同自动喷水灭火系统算法。　　
通过以上计算，可得出酒钢大剧院的消防设计参数如表2。 　　
表2  消防设计参数　 

结束语　　
只有通过准确计算，才能设计出安全、可靠、合理的消防给水系统。后应该指出，建筑消防给水设施能否在扑救火灾中发挥应有的作用，首先取决于有无正确的设计，同时施工的质量和日常的管理维护，也具有重要的意义.

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