“双水柱”理论在超高层消火栓供水系统中的应用

崔雅珊，杨笑音

（1.大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622；2.哈尔滨工业大学 建筑学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

“双水柱”理论在超高层消火栓供水系统中的应用

崔雅珊1，杨笑音2

（1.大连大学 建筑工程学院，辽宁 大连 116622；2.哈尔滨工业大学 建筑学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

采用理论分析的方法，阐述了“双水柱”理论的建立，对超高层建筑消火栓供水系统中的5种运行工况进行了分析，找出超压判定点。“双水柱”理论是一种计算校核工具，可以计算出分区系统不同竖向高度的受压值。

“双水柱”；受压分析；超压界限；超压判定

0 引言

在系统满水状况下，消火栓水泵启动并打开水泵出口阀门瞬间和水泵运转时消火栓（零流量时）未出水前，实际上，在水泵出口形成最大压力的是两股水柱：一股水柱是系统立管计算总高度的静水柱，另一股水柱是以水泵扬程为主形成的“提升水柱”。在消火栓系统的同一竖向分区内，随着立管高度的变化（提升受压面），“双水柱”的高度也会发生变化。随着立管中受压面高度的提升，静水柱的压力就会降低。不但静水柱压力降低，水泵的“提升水柱”由于能量消耗，也将同时降低，而且两股水柱（静水柱和水泵提升水柱）降低的高度（缩短的长度）是相同的。这样就形成了消火栓系统的“双水柱”理论[1]（见图1）。

图1 立管内的水柱分解图

1 不同高度建筑的“双水柱”长度的比较

“双水柱”理论的应用具有普遍性。无论是多层建筑、高层建筑和超高层建筑内管道系统，凡是用离心水泵从水池吸水，将水提升输送到高处用户的系统立管内，均存在“双水柱”现象，均可用“双水柱”理论进行校核计算，只不过不同的系统所取的各项数值不同而已。随着建筑高度的增加，“双水柱”的长度也在增加。无论什么系统，如果不对立管系统设置转输设备，那么超高层立管内的“双水柱”的长度＞高层立管内的“双水柱”的长度＞多层立管内的“双水柱”的长度。

2 消火栓水泵运转或启动时的受压分析与引用

不论是高层建筑，还是超高层建筑，其消火栓系统在不同的工况下，系统所受内压是不同的。

2.1 消火栓水泵运转时的受压分析

消火栓水泵运转时的受压最大点在水泵出口。水泵正常运转灭火时，（本分区内有消火栓出水）形成出水水流后，由于受水泵提升力产生的上升水流的作用，（立管总高度内的静水柱被抵消）水泵出口只承受水泵扬程减去水泵动压产生的提升压力。消火栓水泵运转，未形成出水水流前（零流量时），由于上升水流未形成，水泵出口同时承受立管总高度内的静水柱压力和水泵扬程产生的提升压力。

2.2 消火栓水泵启动时的受压分析

消火栓水泵启动时的受压最大点同样在水泵出口。水泵启动并打开水泵出口阀门瞬间，在水泵提升力产生的上升水流未形成前（零流量时），在水泵启动并打开水泵出口阀门瞬间，水泵出口同时承受立管总高度内的静水柱压力和水泵扬程产生的提升压力。

3 计算基准

《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95（2005版）规定：超高层民用建筑试验消火栓水枪的充实水柱必须达到13 m；应以此作为超高层建筑消火栓调试的基本要求，同时也应是（高层）超高层建筑消火栓设计计算基准。满足实验消火栓水枪13 m充实水柱的前提是栓口的出水水头≥20.79 m。

4 超压界限的限定

由于工业建筑与民用（含公用）建筑的管材、管件、管道附件（含各类阀门）的使用条件不一样，所以其选用标准自然也不一样。民用建筑选用管材、管件、管道附件的压力等级一般确定在2.5 MPa及其以下。为了降低系统压力，一般在压力超过2.4 MPa（=244.73 m水柱）就采取转输措施。将超压界限定为2.4 MPa是比较合理的，同时也是安全的。因此，将超压界限定为2.4 MPa。

5 超高层建筑室内消火栓系统的5种运行工况分析[2-4]

系统初次注水排气时，只要立管总长度不超过限定值（244.73 m），一般不会出现问题。

消火栓系统在满水静止状态时，只要[试验消火栓出口（或消防高位水箱的有效水位）到消火栓水泵出口的]立管总高差不超过限定值（244.73 m），也不会出现问题。

各个竖向分区内的（消火栓出水）形成出水水流后，水泵提升力转变成上升水流后，立管总高度内的静水柱被上升水流抵消，已不复存在，水泵出口只承受水泵（扬程减去水泵动压）产生的提升压力，系统不存在超压的可能性。

水泵运转时，当系统出水水流未形成前（零流量时），水泵出口同时承受立管总高度内的静水柱压力和水泵（扬程减去水泵动压）产生的提升压力，系统就存在超压的可能性。

在系统主泵启动并打开出口阀门瞬间，水泵出口同时承受立管总高度内的静水柱压力和水泵扬程产生的提升压力。当立管总高度达到一定高度时，由于两种压力的叠加，在水泵启动瞬间，超高层消火栓系统就存在超压可能性。

6 出现超压可能的系统、时间区段、部位（地点）与超压判定点

存在超压可能性的系统首先是消火栓系统所在建筑中的位置最高的竖向分区系统（也是立管计算总高度最长的分区系统）。系统超压的时间区段，水泵启动并打开水泵出口阀门瞬间——消火栓水泵运转，（本分区内没有消火栓出水）未形成出水水流前（零流量时）。出现超压可能的部位就在最高竖向分区系统的消火栓水泵出口及其出口临近的高度范围内。超压判定点就是消火栓水泵出口。

7 “双水柱”理论的应用方法（系统超压判定依据）

判断系统竖向是否超压，利用“双水柱”压力叠加值与2.4 MPa进行换算比较，如果>2.4 MPa，系统就已经超压，如果≯2.4 MPa，系统就没有超压。至于“超压”的立管管段有多长，需要利用“双水柱”理论经过计算确定。应用“双水柱”理论分段计算立管竖向受压情况，通过“抬高”计算受压面的高度（见图2），从下往上地对立管的进行分层逐段递进计算，能准确地根据楼层立管在分区位置与高度，计算出管道所承受的压力等级，进而根据系统该高度实际承压等级合理地选用管材、管件、管道附件和水泵等设备（以下统称为“产品”），使其与在系统中的高度位置相匹配，避免发生因超过“产品”承压能力而造成系统崩溃。

图2 计算受压面提升效果图

8 结论

“双水柱”是一种应用理论，可以用来对超高层建筑的无转输消火栓系统进行校核计算。用“它”来对系统是否超压进行判断。还可用“它”的计算结果来选择管材、管件、管道附件。应用“双水柱”理论，还可以对超高层的给水系统、生活热水系统、自动喷水灭火系统、采暖热水系统及空调水系统进行校核计算。但是，即使在同一幢超高层建筑中，由于不同的系统选用的水泵扬程不同，以水泵扬程为主的提升水柱的高度也会不同，在对同一幢超高层建筑中的不同的管道系统进行竖向分析计算时务必将此点考虑进去。

[1]GB50974-2014消防给水及消火栓系统技术规范[S].

[2]刘炎,贺墨梅.超高层建筑消防给水系统的优化[J].给水排水,2008,34(S2):95-98.

[3]陈露,王修武.浅谈超高层建筑消防系统设计方案[J].建筑科技,2014(11):96-97.

[4]黎承.超高层建筑消防供水系统设计探析[J].给水排水,2014,40(6):58-61.

The Applications of the“Double Water Column”Theory in Ultra-high-rise Fire Hydrant Water Supply System

CUI Ya-shan1,YANG Xiao-yin2
(1.College of Civil andArchitectural Engineering,Dalian University,Dalian 116622,China;2.College ofArchitecture,Harbin Institute of Technology,Harbin 150000,China)

“Double water column”theory is a kind of applied theory,and it is also a check calculation tool.It can analyze the different vertical pressure of the ultra-high-rise fire hydrant separate water supply system,and then accurately calculate the pressure of the water column with different vertical heights.

“double water column”;pressure analysis;overpressure limit;overpressure assessment

TU976+.5

：A

：1008-2395(2016)06-0027-03

2016-10-22

崔雅珊（1963-），女，高级工程师，研究方向：建筑消防给水。