对高层建筑合用水池及自动喷淋水箱设计的探讨
时间：2003-6-6 13:34:42
作者：李枝
关键词：高层建筑、合用水池、自动喷淋系统屋顶水箱
摘要： 高层建筑消防、生活给水系统经计算方可决定是否合用水池水箱，但自动喷淋系统应与其合用水池水箱；自动喷淋系统屋顶水箱增压设备应布置于屋顶，否则可考虑不用屋顶水箱。
地下水池和屋顶水箱是消防系统的重要组成部分，特别是高层建筑中，因此相关规范做出了较详细的规定，定义了水池、水箱的容积、设置要求，但在实际设计中仍有不少问题需要解决。
一、 地下水池
众所周知，对高层建筑地下水池的设置几乎是必须的。但地下水池是消防专用还是与生活水池合用，却让设计人员头痛不已：如果是单独设置消防水池，最后储水将变成臭水，如果以此扑救火灾，会造成严重的水渍损失，而且水池中滋生的大量藻类会堵塞喷头，使自动喷水灭火系统形同虚设；如果生活消防用水合用一个水池，又有可能因为消防水量过大，水池存水太多，造成生活水质变坏，达不到用水标准。怎样来解决这一问题？
有些设计人员建议以游泳池水作为消防水源，但笔者不敢苟同，游泳池用水因为混凝、消毒等流程的需要而加入Al2O3、HClO等药剂，即使采用臭氧消毒，PH值仍然较小，呈酸性，对镀锌钢管有一定腐蚀性，会缩短其使用寿命。因此泳池水作消防水源时，除了需对物业管理要提出要求与限制外，还应请厂家根据工艺流程提交水质检测数据。但根据工程实操过程，实际上在设计阶段很难得到相关数据，所以笔者建议不以泳池水作为消防水源。
为了科学地选择系统，笔者推导了一个公式，通过计算临界用水总人数来选择住宅生活消防水池的合用还是分用。根据广州市住宅规范里的数据，最高日用水量为350l/人.d， 即：
qmax＝350 (l/人.d)
取日变化系数kd＝1.5,则有每人平均日用水量：
qv＝350/kd≈233.3 (l/人.d)
设小区规划居住总人数为N，则有小区最高日用水量：
Qmax＝qmax N/1000＝0.35N (m3/d)
根据常规计算，取10％Qmax的调节水量和2小时平均时用水量之和为生活储水容积，因此有：
V1＝10％Qmax＋2 Qmax /24＝0.183 Qmax ＝0.064N （m3）
在广州市，一般情况下，室外消防用水量都由市政管网保证，因此消防用水主要有室内消火栓系统和自动喷水灭火系统，设消防储水量为V2。
为了保证生活用水水质，笔者认为合用水池的存水量不应大于小区一天的日常用水量。在广州市里面的商品房小区，除了少数楼盘外，大多数入住率一般在50％~80％之间。设入住率为A，取其平均值，A=0.65, 则有小区平时一天的日用水量：
V3＝AqvN/1000＝0.152N(m3)
要V1＋V2＝V3，则：
0.064N＋V2＝0.152N
即：N＝V2 /0.088≈11.4 V2 （人）
值得说明的是，由于商业用水计费有别，一般情况下，裙楼及车库用水为独立给水系统，因此地下水池中的储存水量不包括上述用水。
现以广州市常见的消防水量较大的高层建筑为例，一般由兼做人防的地下车库，商业用途的裙楼及超过50m的住宅标准层组成，所以消防储水为2小时室内消火栓用水与1小时中危Ⅱ级用水之和，即有：
V2＝2×20×3.6＋1×21.3×3.6＝220 （m3）
由此可以算出总人数：N＝2516 （人）
也就是说，当此类高层建筑规划总人数超过2516人时，生活消防合用水池，能够保证生活水质。按照每户3.5人计算，规划户数约为719户；假设户均面积为80 m2，则要求居住总面积达到5.75万m2以上，在此规模下，我们可以采用合用水池的消防给水系统是合理可行的。
当工程规模达不到时，笔者建议自动喷淋系统与生活用水合用水池水箱来保证两个系统的水质，则：
V2＝21.3×3.6＝77（m3）
N＝11.4 V2 ＝878（人）
这样250户，约2万m2的居住规模基本上都能达到。
对于酒店、医院等其他高层建筑，我们也可以用类似的方法进行计算，但是对于平均日用水量最好以相似规模建筑的实测数据为依据。笔者认为在给排水工程设计中应该多一点计算工作，以数据说话，减少对经验的依赖。
二、自动喷淋屋顶水箱
根据2001年最新的《自动喷水灭火设计规范》，采用临高压系统的高层建筑应设置屋顶水箱。在前几年，曾经把室内消防临高压系统细分，定义不能经常保证水压水量的消防给水系统为临高压系统，定义能经常保证水压而不能保证水量的消防给水系统定义为准高压系统，但按照规范的定义，除了水压水量均能经常保证的常高压系统外，其余都是临高压系统。事实上在广州的工程实际中，能做到常高压系统的高层建筑几乎没有，因此按照规定都要设置屋顶水箱。
当采用完全独立的消防系统，水池水箱均为消防专用时，屋顶水箱对自动喷淋系统事实上是失效的，因为不流动的水体会滋生大量的杂质，从而堵塞喷头，根本达不到初期扑救的目的，所以自动喷淋屋顶水箱应和生活水池水箱共用。常见的消防系统一般包括消火栓系统和自动喷水灭火系统，在实际工程设计时都可以根据规范要求做到管路系统的独立设置，但一般都会共用地下水池和屋顶水箱，因此屋顶水箱的设置高度有几种情况：1）保证最顶层室内消火栓0.07Mpa静水压，同时也可保证最不利喷头出水压力；2）保证最顶层室内消火栓0.07Mpa静水压，但不能保证最不利喷头出水压力；3）不能保证最顶层室内消火栓0.07 Mpa静水压和最不利喷头出水压力。
第一种情况在住宅设计中较常见，主要是对于一些一梯2～3户的大户型，比如笔者公司开发的深圳星光名庭，前室防火门后是类似内阳台的开敞的前花园，接着是分户门，所以在这样的标准层并未布置喷头，自动喷水灭火系统应用于地下车库和首层室内公用空间，屋顶水箱只要满足消火栓要求即可。但在实际设计中后两种情况更为普遍，比如笔者设计的鸿瑞欧派名庭和东方国际广场，就分别属于这两种情况。
众所周知，一般屋顶水箱的设置高度是很难满足顶层最不利喷头0.05Mpa的工作压力的，以鸿瑞欧派名庭的工程实例，建筑高度近100m，顶层走道布置喷头，湿式报警阀设在首层专用间内，报警阀前管道管径DN100，管长约220m，水力计算时，考虑单侧走道4个喷头（均匀布置于干管两侧）同时作用，我们可以粗略计算水头损失如下：
每个喷头计算流量：q＝K√P＝1.33 （l/s）
4个喷头计算总流量：Q＝1.33×4＝5.32 （l/s）
采用镀锌钢管，1000i＝8.60
4个喷头的水头损失：h1=（1.20＋1.16）×2＝4.72 (104Pa)
沿程水头损失：h2=8.60×220/1000＝1.89(104Pa)
局部水头损失：h3=（h1＋h2）×20％＝1.32 (104Pa)
湿式报警阀、水流指示器水头损失均为：0.02（Mpa）
∑h＝0.12 （Mpa）
因此屋顶水箱的设置高度需要17m才能满足最不利喷头的工作压力需要，在实际中几乎是不可能的，所以增压设备的设置是必须的。当在屋顶设增压泵房，显然对整个系统的供水是有利的，也达到了初期火灾扑救的目的。
但在屋顶设增压泵房往往是甲方不愿接受的：一方面泵房运转的噪音振动对楼下的住户造成了影响；另一方面物业管理也不方便，因此增压设备也较普遍地设在地下泵房内。在这种情况下，屋顶水箱对自动喷淋系统失去了作用。我们都知道，该系统的水泵供水压力Hb由四部分组成：1）最不利喷头处计算压力H（0.05 Mpa）；2）最不利喷头和水泵中心的几何高差Hz；3）管道沿程和局部水头损失之和∑h；4）报警阀的压力损失Hk（0.02 Mpa）。
增压水泵的工作压力范围为：Hb＋0.07～Hb＋0.14（Mpa）
设屋顶水箱出水口和最不利喷头的几何高差为h0，假设屋顶水箱高度能保证室内消火栓0.07 Mpa静水压，则h0大约为0.055 Mpa。当增压水泵停泵状态下，出水口处承受来自屋顶水箱的静水压：
H1＝Hz＋h0 （Mpa）
当增压水泵开泵状态下，出水口处承受其工作压力，至少为：
H2＝Hb＋0.07 （Mpa）
所以其压力差：
ΔH＝H2－H1＝H＋∑h＋Hk＋0.07－h0＝0.085＋∑h（Mpa）
这说明在增压水泵的运行状态下，增压动水压大于水箱静水压，屋顶水箱出水受顶托作用，根本不能出水，只有当增压水泵及备用泵均损坏（这在消防设计、管理中是不允许的），火灾发生部位不在顶层或者最高的两层时，屋顶水箱才能发挥其设计作用。笔者认为，这种情况下屋顶水箱的存在已经没有意义，不如不设。
三、结语
通过上述分析，笔者认为在高层建筑中，消防系统应尽量与生活系统合用地下水池和屋顶水箱，如有困难，至少自动喷水灭火系统应与生活系统合用水池水箱。是否合用？如何合用？应通过计算确定。
高层建筑的自动喷水灭火系统设置屋顶水箱时，应在屋顶设置增压设备；如果不能，建议和有关部门协商，取消屋顶水箱。笔者也建议规范编制组对该条文做更细致的规定，使消防设计在安全的基础上更经济实用。
