自動(dòng)噴水滅火系統中減壓孔板的設置是否必要？

自1985年頒布《自動(dòng)噴水滅火系統設計規范》（GBJ 84-85）以來(lái)，后續的GB 50084-2001、GB 50084-2001(2005年版）以及最新的GB 50084-2017修訂版，都對配水管入口壓力做了要求，并在規范中列入了減壓孔板、節流管的計算公式及設置規定，如GB 50084-2017中8.0.7條規定：“配水管道的布置，應使配水管入口的壓力均衡。中、輕危險級場(chǎng)所中各配水管入口的壓力不宜大于0.40 MPa。”為滿(mǎn)足該條文要求，在過(guò)往及目前的設計中，特別是高層建筑中，在同一系統分區的低層部位水流指示器后都大量采用了減壓孔板減壓。目前最普遍的理解是，通過(guò)水流指示器后減壓孔板的設置，減少超壓值，將各配水管入口的壓力控制在0.40 MPa左右，可使各層或各防火分區配水管入口壓力更加均衡，以減少超過(guò)設計噴水強度的噴水量，節約自動(dòng)噴水滅火系統用水量，使自動(dòng)噴水滅火系統用水量滿(mǎn)足設計火災延續時(shí)間的要求，最終目的是提高滅火效能，更有利于火災的控制與撲滅。本文從自動(dòng)噴水滅火系統基本設計參數、火災發(fā)生時(shí)自動(dòng)噴水滅火系統實(shí)際運行工況分析入手，以及對有無(wú)設置減壓孔板情況下系統參數進(jìn)行模擬計算分析后，對設置減壓孔板的作用及對滅火的影響、減壓孔板設置的必要性進(jìn)行探討。下面僅討論自動(dòng)噴水滅火系統減壓孔板設置對滅火的作用與影響及必要性，對是否通過(guò)優(yōu)化系統管網(wǎng)設計、在滿(mǎn)足規范要求的情況下，適當減小系統的安全冗余度及配水管管徑，以換取設計更好的經(jīng)濟性；以及設置減壓孔板后，是否會(huì )減小系統工作時(shí)對管網(wǎng)受力的影響及必要性不做討論。

（1）自動(dòng)噴水滅火系統設置場(chǎng)所的火災危險等級是根據建筑用途、容納物品的火災負荷及室內空間條件等因素確定，而由不同的火災危險等級確定的噴水強度、作用面積等基本設計參數，是根據“大強度噴水有利于迅速控滅火和有利于縮小噴水作用面積”的試驗與經(jīng)驗的總結，是安全性與經(jīng)濟性平衡的結果。滅火曲線(xiàn)上噴水強度與作用面積的乘積即為系統的設計流量，也就是單位時(shí)間的供水能力。確定基本設計參數的目的，其實(shí)質(zhì)是根據不同的火災危險等級，確定一個(gè)合適的設計流量，適當高于這個(gè)設計流量對控滅火顯然是有利的。

（2）對規范規定的自動(dòng)噴水滅火系統噴水時(shí)間或火災延續時(shí)間，也是考慮到控滅火的安全性與經(jīng)濟性，在保證一定的作用面積及噴水強度即設計流量下，保證系統連續供水的時(shí)間，其實(shí)質(zhì)是對不同的火災危險等級，保證自動(dòng)噴水滅火系統必須具有的最小用水總量。

（3）顯然，噴水強度、作用面積及火災延續時(shí)間是按不同的火災危險等級，根據火災試驗及以往滅火經(jīng)驗，在保證一定的滅火成功率下，考慮系統的經(jīng)濟性，經(jīng)綜合平衡后人為確定的數據，僅是一個(gè)設計指標，與具體某次火災的系統噴水強度、作用面積、火災延續時(shí)間及火災實(shí)際所需的供水要求或自動(dòng)噴水滅火系統實(shí)際作用面積、有效作用時(shí)間是兩個(gè)概念。自動(dòng)噴水滅火系統的有效作用時(shí)間還和火災蔓延速度與實(shí)際作用面積有關(guān)，如果設計作用面積為160 ㎡，設計火災延續時(shí)間為1 h，在可能出現的比較極端的情況下，比如一場(chǎng)短時(shí)間，例如半小時(shí)內快速蔓延至300 ㎡或更大面積的火災，由于系統供水能力的限制，系統噴水強度將大大小于設計噴水強度或火災曲線(xiàn)上的有效噴水強度，此時(shí)的噴淋用水必然是低效能的，只要條件允許，應該在更早的時(shí)間內將盡可能多的噴淋用水供至實(shí)際火災作用面積內。在設計作用面積內已成功滅火的情形除外，后文將進(jìn)行討論。

規范規定的相應火災危險等級下的噴水強度、作用面積是對最不利作用面積噴水強度的要求，對其他有利作用面積內，系統將具有更大供水能力或設計流量，即安全冗余度，對控滅火是有益的。

（4）“節約消防用水”是值得商榷的概念，既然設計流量及總用水量?jì)H是根據火災危險性、滅火安全性及經(jīng)濟性確定的單位時(shí)間最小供水能力及總供水能力，在滅火系統有效的條件下，只要消防用水是作用在火災面積內的，在實(shí)際火災現場(chǎng)應該沒(méi)有“節約消防用水”的概念，火災發(fā)生時(shí)應盡快供應火災所需的用水量以盡可能達到更好的滅火效果，不應該為滿(mǎn)足人為設定的設計火災延續時(shí)間而減少火災現場(chǎng)所需的供水量。

（1）由于規范規定的作用面積并非火災發(fā)生時(shí)的實(shí)際蔓延面積，一場(chǎng)尚未得到有效控滅的火災，一定是從點(diǎn)到面、從小到大發(fā)展的，擴散速度一般也是由慢到快的過(guò)程。而設計作用面積也僅是火災蔓延過(guò)程中的一個(gè)時(shí)點(diǎn)；同樣，自動(dòng)噴水滅火系統正常工作時(shí)，實(shí)際噴水強度也非設計噴水強度，由于管道阻力的變化，實(shí)際噴水強度變化一定是從大變小的過(guò)程。

（2）在最不利作用面積內，當實(shí)際火災面積由小到大蔓延時(shí)，火災面積內實(shí)際平均噴水強度將由大變小，當火災蔓延至設計作用面積時(shí)，實(shí)際噴水強度將近似于設計噴水強度，此后系統供水能力將不再明顯增加，當火災沒(méi)有得到有效控滅繼續蔓延時(shí)，實(shí)際作用面積大于設計作用面積，噴水強度將小于設計噴水強度。根據前面提到“大強度噴水有利于迅速控滅火和有利于縮小噴水作用面積”的原理，隨著(zhù)火災的繼續蔓延，噴水強度將越來(lái)越小于設計噴水強度，自動(dòng)噴水滅火系統用水的效能及作用將減小，火災控滅將更為困難。即以高噴水強度短時(shí)間無(wú)法控滅的火災，用低強度長(cháng)時(shí)間是更難控滅。

（3）對非最不利作用面積，特別是同一系統分區的低層區域配水管入口壓力大于0.4 MPa，也就是通常認為需要設置減壓孔板的作用區域，噴頭噴水強度將大于最不利作用面積的噴水強度，在該區域內，由于供水泵在低揚程時(shí)能提供更大的供水量，在相同的火災面積下，系統將提供更大的實(shí)際平均噴水強度，或在滿(mǎn)足設計噴水強度下，提供更大的有效作用面積。例如根據《消防給水及消火栓系統技術(shù)規范》（GB 50974-2014）5.1.6條第6點(diǎn)“消防水泵出流量為設計流量150%時(shí)，其出口壓力不應小于設計工作壓力的65%”，當火災發(fā)生樓層與最不利作用面積樓層高差大于35%的水泵工作壓力加上因管道流量增加而增加的阻力損失時(shí)，噴淋泵能多提供50%的供水量，即火災面積蔓延至設計作用面積150%時(shí)，仍能近似保證設計噴水強度，或者是實(shí)際火災面積小于或接近設計作用面積時(shí)，實(shí)際是提高了噴水強度，有利于快速控火滅火。

這種系統的安全冗余度，顯然對控滅火是有益的，不應該在沒(méi)有任何經(jīng)濟效益的情況下，人為通過(guò)限制系統的供水量來(lái)消除這種安全冗余度。

（4）由于設計噴水時(shí)間或火災延續時(shí)間是一個(gè)人為設定的數據，實(shí)際火災時(shí)間或蔓延速度與火災負荷及室內空間條件、自動(dòng)噴水滅火系統設置的合理性及供水狀況、現場(chǎng)其他滅火設施及滅火進(jìn)展有關(guān)。對某次特定的火災，在其他因素特定的情況下，實(shí)際火災蔓延時(shí)間（或達到設計作用面積的時(shí)間）僅與供水條件有關(guān)，與設計火災延續時(shí)間沒(méi)有必然聯(lián)系。例如設計火災延續時(shí)間為1 h，實(shí)際火災蔓延至作用面積的時(shí)間有可能是0.25 h、0.5 h、1 h或其他時(shí)間，需要做的是盡可能滿(mǎn)足火災現場(chǎng)供水量，直至判斷系統失效關(guān)閉系統或自動(dòng)噴水滅火系統用水用完為止。因為隨著(zhù)噴頭不斷打開(kāi)，說(shuō)明火災沒(méi)有得到有效控滅，現場(chǎng)需要更大的用水量才能控滅火災，此時(shí)為滿(mǎn)足設計火災延續時(shí)間而人為的控制供水量或供水強度，并不能有效減少火災現場(chǎng)實(shí)際需要的用水量，由于供水強度的減小，反而使火災蔓延到更大的面積，需要更大的用水量才能控滅火災，也就相對降低了原有自動(dòng)噴水滅火系統用水量的滅火效能。如果一場(chǎng)還沒(méi)有得到有效控滅的特定火災，火災30 min達到160 ㎡的設計作用面積，并繼續蔓延至200 ㎡或250 ㎡，不是盡量保持原有噴水強度，隨著(zhù)火災的蔓延，在單位時(shí)間內盡快的供給更多自動(dòng)噴水滅火系統用水；而是為了使系統達到1 h的噴水時(shí)間，在配水管口加設減壓孔板，使系統供水能力保持在作用面積160 ㎡的設計供水量，以這種方式來(lái)節約自動(dòng)噴水滅火系統用水量，對控滅火是否有利，很值得探討。

所以，不應人為控制或減少自動(dòng)噴水滅火系統供水量，把系統需要的高強度供水變成低強度及延長(cháng)滅火時(shí)間供水?？梢栽O想，10 min高強度供水無(wú)法控滅的某次特定火災，很難按前10 min以1/2的供水強度，接下來(lái)的10 min還是以1/2的供水強度供水將其撲滅，除非火災現場(chǎng)已無(wú)可燃物或火災負荷。同樣，對自動(dòng)噴水滅火系統，一場(chǎng)30 min內供水100 m³無(wú)法控滅的火災，不可能以前30 min供水50 m³，接下來(lái)的30 min再供水50 m³達到更好的滅火效果，因為在火災發(fā)生30 min時(shí)點(diǎn)上，供水50 m³的火災現場(chǎng)必定比供水100 m³的火災蔓延至更大面積，后50 m³的自動(dòng)噴水滅火系統用水滅火效能將更低。

（5）另一個(gè)火災發(fā)生時(shí)不應人為控制自動(dòng)噴水滅火系統供水能力的理由是，系統運行時(shí)只能通過(guò)自動(dòng)噴水滅火系統泵出口壓力值，來(lái)判斷水泵流量及預估系統工況和系統運行情況，只要火災沒(méi)有得到有效控滅，由于無(wú)法深入火場(chǎng)，無(wú)法知道確切的實(shí)際火災作用面積、噴頭開(kāi)啟數量、甚至無(wú)法知道自動(dòng)噴水滅火系統是否在發(fā)揮有效作用。由于一般情況消防水池中消火栓用水與自動(dòng)噴水滅火系統用水為合用水池，除了人為關(guān)閉自動(dòng)噴水滅火系統泵外，在消防水池用水用完前，無(wú)法也沒(méi)必要識別或控制自動(dòng)噴水滅火系統用水量，只要這些用水是作用在火災面積內的，都應該認為是有效的消防用水。除非消火栓用水與自動(dòng)噴水滅火系統用水水池分隔，消防泵也無(wú)法區分水池中哪些是消火栓用水、哪些是自動(dòng)噴水滅火系統用水，現場(chǎng)能做的只是讓市政管網(wǎng)或消防車(chē)等盡快、盡量多補充消防用水，當預判自動(dòng)噴水滅火系統不起作用時(shí)，將自動(dòng)噴水滅火系統泵關(guān)閉。

下面通過(guò)某建筑的自動(dòng)噴水滅火系統運行的模擬，分析減壓孔板對系統的作用與影響。某建筑火災危險性為中危險級Ⅱ級，噴水強度8 L/(min·㎡)，設計作用面積160 ㎡，火災延續時(shí)間1 h。各層平面及自動(dòng)噴水滅火系統布置相同，最高層與最低層噴頭位置及泵房水池最低水位高差皆為50 m，最不利作用面積附近噴頭布置及計算示意見(jiàn)圖1，豎向系統示意見(jiàn)圖2。

經(jīng)計算，最高層配水管入口處壓力要求為0.35 MPa，選取水泵流量為30 L/s，自動(dòng)噴水滅火系統總用水量為108 m³，自動(dòng)噴水滅火系統泵揚程為100 m，零流量時(shí)揚程為120 m，流量45 L/s時(shí)揚程為65 m，最低層配水管入口計算壓力0.85 MPa，由于《消防給水及消火栓系統技術(shù)規范》規定系統工作壓力以水泵零流量壓力計，噴頭處最高壓力不應大于1.2 MPa，最低層噴頭工作壓力已到達1.2 MPa，為規范規定的最大值，該樓層為本建筑超壓值最大樓層。在最低層配水管入口設置DN150/Ø45減壓孔板，減壓孔板在各流量下的減壓值、各流量下的水泵揚程、配水管口計算壓力（非實(shí)際工況壓力）等數據見(jiàn)表1。

（1）當最不利作用面積發(fā)生火災，假設系統先打開(kāi)最不利點(diǎn)噴頭A，隨著(zhù)火災的蔓延，再逐步打開(kāi)區域B（4只噴頭）、區域C（9只噴頭，面積約為設計作用面積的60%）、區域D（15只噴頭，為設計作用面積）、區域E（19只噴頭，面積約為設計作用面積的125%）、區域F（23只噴頭，面積約為設計作用面積的150%），實(shí)際工況下由水泵的性能特性曲線(xiàn)和管道阻力曲線(xiàn)得到的實(shí)際數值見(jiàn)表2。

通過(guò)模擬計算，可以得到隨著(zhù)火災面積的擴大，圖3中近似的火災面積（打開(kāi)噴頭數）-系統流量曲線(xiàn)Q1，圖4中近似的火災面積（打開(kāi)噴頭數）-噴水強度曲線(xiàn)q1。

 （2）對最低層相應的作用面積，當沒(méi)有設置減壓孔板時(shí)，實(shí)際工況下由水泵的性能特性曲線(xiàn)和管道阻力曲線(xiàn)得到的實(shí)際數值見(jiàn)表3,可以得到圖3中近似的火災面積（打開(kāi)噴頭數）-系統流量曲線(xiàn)Q2，圖4中近似的火災面積（打開(kāi)噴頭數）-噴水強度曲線(xiàn)q2。

（3）對最低層相應的作用面積，當設置減壓孔板時(shí)，實(shí)際工況下由水泵的性能特性曲線(xiàn)和管道阻力曲線(xiàn)得到的實(shí)際數值見(jiàn)表4，可以得到圖3中近似的火災面積（打開(kāi)噴頭數）-系統流量曲線(xiàn)Q3，圖4中近似的火災面積（打開(kāi)噴頭數）-噴水強度曲線(xiàn)q3

根據上述計算及圖表，可以看到：在建筑最不利作用面積內，火災初期系統有比設計噴水強度大得多的實(shí)際噴水強度及噴頭流量，系統噴水強度將隨著(zhù)火災面積的擴大而降低，系統流量隨火災面積的擴大而增大，當火災面積為設計作用面積時(shí)，系統作用面積內平均噴水強度為規范規定值的1.3倍，符合設計規律，當火災面積繼續擴大至設計作用面積的1.5倍時(shí)，由于管網(wǎng)阻力的增加及自動(dòng)噴水滅火系統泵供水能力的限制，流量增加有限，噴水強度將隨火災面積的擴大呈近似反比例減小。

對最低層相應作用面積，火災各階段噴水強度及系統流量將大于最不利作用面積噴水強度及系統流量，由于噴水強度及系統流量與系統壓力為平方根成正比，各階段的噴水強度及系統流量與最不利作用面積的相應數值約為1.3倍，在火災面積大于設計作用面積時(shí)，系統能提供更高的噴水強度及系統流量。由于實(shí)例中該作用面積已是系統分區的最大值（噴頭工作壓力1.2 MPa），在其他樓層，由于大流量使水泵揚程的降低及管網(wǎng)阻力的增大的疊加作用，噴水強度及系統流量將小于以上約1.3倍的數值。

對最低層相應作用面積，設置了減壓孔板后，火災初期系統的噴水強度及噴頭流量接近于最低層相應作用面積未設置孔板時(shí)的數值，當火災面積接近或超過(guò)設計作用面積時(shí)，噴水強度及噴頭流量更接近于最高層最不利作用面積的數值，即火災初期提供與不設減壓孔板時(shí)相近的噴水強度，火災面積接近或超過(guò)設計作用面積時(shí)，有效限制了系統供水能力，使火災面積內的滅火條件與滅火能力更接近于最高層最不利作用面積。

 下面根據上述計算對最低層相應作用面積附近不同的火災場(chǎng)景下，減壓孔板設置對系統滅火效能的影響及減壓孔板設置的必要性進(jìn)行分析。

（1）當火災在設計火災延續時(shí)間內沒(méi)有蔓延至設計作用面積附近或沒(méi)有蔓延至設計作用面積已成功控滅時(shí)，由于此時(shí)打開(kāi)的噴頭數較少，不論是否設置減壓孔板，系統實(shí)際噴水強度皆遠大于設計噴水強度，但系統流量仍小于設計流量，如系統分別打開(kāi)1只、4只、9只噴頭時(shí)，當沒(méi)有設置減壓孔板時(shí)，作用面積內平均噴水強度分別為20.4 L/(min·㎡)、18 L/(min·㎡)、15.3 L/(min·㎡)，系統流量分別為3.7 L/s、13.7 L/s、25 L/s；當設置DN150/Ø45減壓孔板時(shí)，作用面積內平均噴水強度分別為20.4 L/(min·㎡)、17.4 L/(min·㎡)、13.8 L/(min·㎡)，系統流量分別為3.7 L/s、12.65 L/s、22.5 L/s。減壓孔板的設置，對噴水強度及系統流量影響較小，此時(shí)自動(dòng)噴水滅火系統水量在設計延續時(shí)間內一般將不會(huì )大于設計總水量，減壓孔板的設置對系統的滅火效能沒(méi)有明顯影響，也不存在自動(dòng)噴水滅火系統用水不到設計火災延續時(shí)間已用完的問(wèn)題。

（2）當火災在設計火災延續時(shí)間內蔓延至設計作用面積附近，按火災蔓延速度分兩種情況分析：

第1種情況：以面積計，前期火災蔓延速度較慢，后期火災蔓延速度較快，該情景符合火災蔓延規律，比如初期火災面積為1 ㎡時(shí)，向周邊擴大1倍為增加1 ㎡；火災面積為10 ㎡時(shí)，向周邊擴大1倍為增加10 ㎡；火災面積為50 ㎡時(shí)，向周邊擴大1倍為增加50 ㎡；并且火災后期產(chǎn)生的熱量將明顯大于火災初期產(chǎn)生的熱量，也會(huì )使火災蔓延速度越來(lái)越快。所以火災前期打開(kāi)的噴頭數將小于后期打開(kāi)的噴頭數，由表3可知，系統最大流量約為39 L/s。設計火災延續時(shí)間內，大部分時(shí)間系統流量將小于設計流量，在設計火災延續時(shí)間內，自動(dòng)噴水滅火系統總用水量將不會(huì )明顯超過(guò)設計總用水量，此時(shí)也就沒(méi)有設置減壓孔板，人為控制系統流量的必要性了。

第2種情況：前期火災迅速蔓延至作用面積附近，并在作用面積附近基本保持不變，比如火災在前20 min快速蔓延至160 ㎡，后40 min或更長(cháng)時(shí)間既沒(méi)有進(jìn)一步蔓延也沒(méi)有被有效控滅，這種情況一般為特例，更大的可能是可燃物范圍只有160 ㎡，或火災被有效分割控制在該作用面積內。此時(shí)對一定的自動(dòng)噴水滅火系統用水總量，由于高強度噴水可以達到更好的滅火效果，適當的增加噴水強度（按前所述，一般最大約增加1.3倍，實(shí)例中為39 L/s，配水管口壓力為72 m），對火災控滅并不會(huì )有不好的作用，設置減壓孔板，人為控制系統流量，使流量更接近設計流量（實(shí)例中為30 L/s），對火災控滅看不出有何作用。另外在設計火災延續時(shí)間內(如1 h的后部分時(shí)間），由于大部分工程中消火栓用水與自動(dòng)噴水滅火系統用水為合用水池，只要自動(dòng)噴水滅火系統有效，將適量的消火栓用水通過(guò)自動(dòng)噴水滅火系統投入到火災面積內，也不會(huì )對火災控滅起不好的作用，本實(shí)例中最底層相應作用面積在設計火災延續時(shí)間內影響的消火栓用水量為（20×60×19.5+39×60×40）/1 000-108≈9（m³）（前20 min平均流量以19.5 L/s計，后40 min流量以39 L/s計）；另根據計算，在與建筑最高層最不利作用面積高差為30 m樓層的相應作用面積內，沒(méi)有設減壓孔板時(shí)，火災蔓延到設計作用面積時(shí)的系統流量約為35 L/s，配水管口壓力為66.5 m，設計火災延續時(shí)間內影響的消火栓用水量為（17.5×60×20+35×60×40）/1 000-108≈-3(m³)，說(shuō)明此時(shí)設計火災延續時(shí)間沒(méi)有影響消火栓用水量（前20 min平均流量以17.5 L/s計，后40 min流量以35 L/s計）。根據上述計算，說(shuō)明在該情景下，沒(méi)有設置減壓孔板時(shí)，影響的消火栓用水量在有限的范圍內。

（3）對前期火災迅速蔓延至作用面積附近，并繼續迅速蔓延擴大時(shí)，比如實(shí)例中最底層相應作用面積火災內前20 min已蔓延至160 ㎡左右，再10 min后蔓延至240 ㎡左右或更大面積，當沒(méi)有設置減壓孔板時(shí)，系統平均噴水強度將由14.3 L/(min·㎡)下降至10.6 L/(min·㎡)或更多，系統流量將從39 L/s增加至44.4 L/s，并繼續保持較小變化。當設置減壓孔板時(shí)，系統平均噴水強度將11 L/(min·㎡)下降至8 L/(min·㎡)或更多，系統流量將從30 L/s增加至33.5 L/s，并繼續保持較小變化。在前面已經(jīng)用較大的篇幅討論了這種情況，由于在火災初期高強度噴水仍未有效控滅火災，并在設計火災延續時(shí)間內快速蔓延至作用面積并繼續快速蔓延時(shí)，應該將火災面積內所需要的自動(dòng)噴水滅火系統用水盡快供至火災面積內，直至消防用水用完為止，如果在火災蔓延至設計作用面積附近后，設置減壓孔板，人為將自動(dòng)噴水滅火系統用水量控制在設計流量附近，人為的進(jìn)一步降低噴水強度，將會(huì )造成火災以更快的速度蔓延，是不利于系統控滅火的。

由以上分析可以看到，在自動(dòng)噴水滅火系統壓力較高的配水管口設置減壓孔板，對初期火災不產(chǎn)生影響或影響較小，也不會(huì )有效提高設計火災延續時(shí)間內蔓延至設計作用面積附近的火災的控滅效果，而對設計火災延續時(shí)間內快速蔓延并繼續擴大的火災，設置減壓孔板對火災的控滅是不利的。建議可不在自動(dòng)噴水滅火系統配水管口設置減壓孔板。