高層建筑消防給水系統及可靠性研究
高層建筑消防給水系統及可靠性研究
摘要：高層建筑物的火災特點，決定了建筑物內必須設置消防給水設施以自救為主，消防給水系統是高層建筑消防滅火系統中的重要組成部分。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超壓和泄壓問題進行了分析，最后在進行消防給水系統可靠性研究基礎上進行了小結。
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置大容量消防水池（水池的容積以滅火災延續時間內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。當火災發生時，直接依靠水池中的消防貯水，通過室內消火栓給水系統和自動噴水滅火系統進行滅火。除因屋頂消防水池設置高度不夠，需要在頂層設消防增壓泵以滿足建筑最高幾層消防設施所需的壓力外，無需再設消防專用水泵和相應的控制電器系統。尤其是對于50m以卜，需要分區減壓供水的高層建筑，該特點尤為突出，只需在分區的適當高度和部位設置小容量的調壓水箱，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，無需雙路電源或設置自備的柴油發電機組供電。從而簡化了消防給水系統，有利于設計、施工和管理。可是該方式消防水池的容積龐大，對建筑外觀和結構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計中采用最多、最易接受的一種方式。在高層建筑屋頂設小容量的高位水箱，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主要是由消防專用水泵來完成。從建筑的高度及分區情況看，該供水方式又可分為一次加壓供水，分區并聯加壓供水及分區串聯加壓供水3種形式。一次加壓供水適用于建筑高度在50m以下，且不需要分區供水的高層建筑。分區并聯加壓供水或分區串聯加壓供水，用于建筑高度超過50m，且需要分區減壓供水的高層建筑。
分區并聯加壓供水，各分區供水互不影響，消防安全可靠，分區水箱容積較小；消防專用水泵可集中設置，便于平時維護、管理，但對于消防供水管材的質量要求較高。分區串聯加壓供水，對消防管道壓力要求較低，可減少管道的維修。但各區供水有聯系，消防安全可靠性較差。當下一區的消防專用水泵出現故障時，將影響其上區消防滅火的可靠性。且串聯供水，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高位水箱，使消防管網始終處于常高壓狀態。消防安全可靠性高，但對供電要求嚴格，需兩路電源或柴油發電機供電系統。
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，技術上安全可靠等優點，為廣大設計者和使用者青睞。在高層建筑消防給水設計中不斷被采用。但是，該供水方式耗電較高，日常運行費用大。據調杳，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間上而浪費掉。此外，在需要分區減壓供水的高層建筑消防給水設計中，山于每分區都要設一個存有l0min消防用水量的大氣壓罐，可以說是很不經濟，很不合理的。
（4）全自動恒壓變頻調速供水形式。
這是一種用于生活、消防的新型節能供水設備。它采用了最新的交流變頻調速技術和自動化技術，對管網壓力實行檢測，控制水泵轉速、揚程等，保證了管網壓力的恒定。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超壓和泄壓問題分析
（1）給水超壓的問題。超壓是指系統內的水壓超過其工作壓力的限值，造成管道、附件、器材和設備的損壞，或造成給水的不均勻，不利于系統的滅火，影響系統正常運行的現象。超壓問題在高層建筑消防給水中客觀存在，所以應當引起注意和重視，并采取防治對策。分析超壓的原因主要有以下幾種情況：
①系統小流量出水。在火災的初期，自動噴水滅火系統往往只有幾個噴頭動作，或者自動噴水滅火系統在進行末端試水時，自動噴水滅火系統所需要的流量都很小，而自動噴水滅火系統的加壓泵是按設計秒流量來選擇的，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的管網超壓。②豎向分區不合理。在建筑物高度較高時，給水的豎向分區未按1.2MPa上作壓力的要求分區。③水錘超壓。消防泵因故障或停電而突然停轉所造成的水錘現象。④水泵結合器的超壓。當消防給水豎向分區的上區和下區共用水泵結合器，防止串壓的止回閥不嚴密時，下區會出現超壓；另一方面，當消防車的消防泵向室內消防給水管網供水時，有時會造成管網的超壓，特別是消防車的消防泵與系統的消防泵串聯運行時，這種可能性較大。⑤未設排氣裝置。自動噴水滅火系統的給水管網中未設排氣閥或排氣閥的位置設置不當，管網內的空氣處于被壓縮的狀態，可能發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，有利于作用面積內給水的可靠，確保系統設計流量能正確使用；同時，還有利于系統的設備和材料的安全，因此給水的減壓和泄壓對系統的給水有著重要的意義。通過對超壓問題的分析，自動噴水滅火系統的給水減壓可通過3方面來解決：
①采取有效的技術措施來防止超壓的產生。首先，合理布置白動噴水滅火系統的給水管網，盡量將噴頭均勻布置在配水管的兩側，可均衡各個配水管的水壓。同時合理選擇下放給水系統的分區，并適當減少給水分區的壓力值。例如，當建筑高度低于或等于120m時，消防給水豎向分區可以采用減壓閥、分區水泉阿、多出口泉等并聯消防泉給水系統；建筑物高度達于120m時，消防給水豎向分區可以采用多臺消防泵直接串聯或設中間水箱轉輸的串聯消防泵給水系統。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、水冷直聯消防泵或者變頻調速消防泵。
②提高整個高層建筑消防給水系統的承壓能力。使之在一般情況卜出現的超壓，在提高承壓能力后在允許工作壓力范圍之內。
③采取相應的泄壓和穩壓措施，使超壓值對給水管網不致造成損壞，如泄壓閥、安全閥、穩壓閥、氣罐閥等。
3高層建筑消防給水系統可靠性研究
高層建筑消防給水系統的可靠性，是指高層建筑消防給水系統在規定的條件下，在規定的時間內，能夠完成規定的功能的能力。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的可靠性通常用可靠度來表示。它是消防給水系統在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的概率，是一種表示隨機事件發生可能性大小的一個量。
（1）消防給水系統的可靠性框圖。為了研究系統的可靠度，首先需要弄清系統的功能、失效模式，準確地繪出可靠性框圖。通過建立消防給水系統模型，研究系統可靠度與單元（組件）可靠度之間的函數關系。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元體系統的可靠度。
系統可以分為非儲備系統、儲備系統和復雜系統儲備系統又可分為工作儲備和非工作儲備系統。非儲備系統實際上是一種串聯系統。消防給水系統對供水的要求較高，需要有足夠的保證率，故常采用儲備系統和復雜系統的形式。在工作儲備方式中，可分為并聯系統、混聯系統、表決系統。在消防給水系統中，主要由消火栓給水系統和自動噴水滅火系統組成，其中一各單元（閥門、消火栓、噴頭、管道等部件）或設備（水泵、水池、水箱等）的功能，決定了可靠性框圖的關系。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，這就是一個串聯系統；如果其作用是起截斷水流作用，則關閉其中一個閥門就可完成截流作用，該可靠性框圖為并聯系統。可見同是一個結構，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系不同，可靠性框圖也不同。
（2）消防給水系統的可靠性度量計算。
消防給水系統的可靠性是由各單元的功能關系決定的，則系統的可靠度也就由各單元的可靠度組合產生。
4小結
在選擇消防給水方式時，應根據工程的具體情況，對與之相關的各種因素進行綜合評估。如：供水可靠性、投資大小、能耗高低、設備宜集中設置還是分散設置、對水箱占用上層使用面積的限制，可能產生的噪聲和一次污染，運行和維護管理是否方便以及外網供水能力等。同時，應咨詢當地消防部門的意見，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為主體的高層建筑消防給水系統中，給水系統的超壓是一個不能忽視的重要問題。因此，在給水系統的設計時，應采用有效的減壓和泄壓措施，防止給水超壓現象的發生。
系統可靠性的選取與分配能保證高層建筑消防給水系統的功能和壽命達到設計要求。要使系統在長期使用過程中不間斷地工作，這就要求整個系統與每一個子系統具有一定的可靠度。為了提高系統的可靠度必然要花費一定的費用，但如果系統不可靠使系統發生故障也將會引起經濟上的巨大損失。因此，設計者必須在安全與經濟兩者之間求得合理的平衡而得到最優的可靠度。
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