Showingthecalculationofleadlossofapipesysteminbuildingfireprotectionandprevention
许晓峰
（机械工业第一设计研究院上海分院200333）
【摘要】消防管道沿程水头损失的计算方法。对消防管道局部水头损失，采用不同的方法进行估算，并且做出比较。
【关键词】沿程水头损失局部水头损失舍维列夫计算公式
Abstract:Givingthewayincalculationoffrictionalleadlossofapipesysteminbuildingfireprotectionandprevention.Selectingawayincalculationoflocalleadlossofapipesysteminbuildingfireprotectionandprevention.
Keywords:frictionalleadloss,localleadloss,theformulafromΦ.A.Shevelev(CCCP)
1水头损失计算的重要性
1．1水泵是给排水专业最具典型性的设备，它将电能转换为水的动能和势能（机械能），即静止或者低能量状态的水通过水泵能量增加，专业上我们用扬程表示这个能量增加值，所以扬程是水泵最重要的指标性参数。消防系统中水泵扬程需经过计算确定，其中对消防管道水头损失的计算是重点之一。
1．2以国内某地区的消火栓系统为例，为计算系统扬程，我们使用如下公式：H=Σhx+Hxh+0.01Zx-hc，Σhx为局部水头损失和沿程水头损失之和，Hxh为栓口所需压力，Zx为最不利点消火栓栓口中心线与市政进水管中心线的高程差，hc为当从市政管网直接抽水时为市政管网的最低水压。公式中除Σhx较难确定外，其它数据均可根据常规数据及几何高差较容易获得，故此水头损失的计算也就成为了消防系统水泵扬程的重点及相对难点。
2水头损失相关学科的发展历程
在论述如何计算水头损失前，不妨简单介绍下相关学科的历史发展过程。在管渠中流水的能量损失计算，属于水力学范畴。水力学的发展笔者认为可分三个时期。第一个时期，15至18世纪通过数学分析建立了液体运动的系统理论，代表人物牛顿、伯努利、欧拉等。由于数学分析中的预先假设与实际很难相符，19世纪科学家通过实验结合古典理论创建了新的发展方法，即理论分析和试验研究相结合的方法，这可认为第二个时期，这个时期里最有代表性的科学家是雷诺，他通过系统实验引出影响至今的层流、紊流概念。第三个时期，从上世纪30年代至今，在不同领域，专家学者从大量试验中总结出一系列的流体规律，前苏联科学家舍维列夫为代表之一，他于1953年发表的金属管道损失系数的试验成果沿用至今，虽然该成果有局限性，但理论仍然具有现实意义。
3水头损失的计算依据选择
在我国，沿程水头损失的计算方法常用舍维列夫(Φ.A.Shevelev)公式和海澄-威廉(A.Hazen,G.S.Williams)公式，不同规范其取舍不同。《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003）使用海澄-威廉公式计算给水管道的沿程水头损失，根据不同管道采用不同的海澄-威廉系数，得到的计算结果近似实际，满足工程要求。《自动喷水灭火系统设计规范》（（GB50084-2001）2005版）、《水喷雾灭火系统设计规范》（GB50219-95）以及上海本地的《民用建筑水灭火系统设计规程》（DGJ08-94-2007）等使用舍维列夫公式。比较而言，海澄-威廉公式对于内壁光滑的管道较为适用，但是根据相关资料对于数十年的老管道海澄-威廉公式与实际有一定的偏差，有其局限性；而舍维列夫公式相对保守，计算结果相对海澄-威廉公式大，考虑到当今中国处在高速发展的阶段，相当多的建筑新建于最近10~20年，这些建筑还要存在相当长的一段时期，消防系统改建翻新的几率不大，针对消防系统采用相对保守的原则，在我国现阶段消防工程的设计中，舍维列夫公式有其存在的现实性及必要性，笔者认为给排水设计师应该重视上述设计依据，并切实贯彻到设计当中。
4水头损失的计算
4.1消防管道系统的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，沿程水头损失的计算相对容易。假定圆管水流以层流方式运动，层流紊流的边界以“下临界雷诺数（简称雷诺数）”确定，经过圆管的反复试验，其值比较固定，约为Re=2320，为保证水流以层流运动，雷诺数不得大于2320，以此确定管道的最大速度，计算时将低于最大速度的流速(可认为层流)、管径及水头损失系数等，代入舍维列夫公式，即可得出沿程水损。
4.2.1然而局部水头损失计算相对有难度，这主要是根据材料选用及安装过程的不确定性有关。设计中对使用材料的连接件及管件的使用数量无法精确，想获得不同阀门的具体参数也有难度，这些连接件及管件阀门等都对局部水头损失有显著影响。
4.2.2针对前述情况，老工程师告诉我们，计算局部水损时可以估算，局部水损经常按照沿程水损的10%选取，这就是百分数法。笔者查阅了相关规范、规程等，2001版《自动喷水灭火系统设计规范》有20%的说法；《水喷雾灭火系统设计规范》按20%~30%计算；《民用建筑水灭火系统设计规程》分得比较细，生活、消防合用给水管或者生产、消防合用给水管为20%，消火栓给水系统管网为10%，自动喷水灭火系统管网为20%。对于工程设计者，10%~30%的范围未免有些宽泛，难于取舍。不过各消防规范都提到了局部水头损失按照沿程水头损失的当量长度法计算，具体就是各种管件阀门等相当于几米的沿程水头损失，计算时把所有的局部水头损失累加得出结果。当量长度法与百分数法都是估算方法，但是当量长度法计算出的结果更接近实际，提倡设计师优先使用。
4.2.3对于局部水头损失，为了进一步认识上述两种方法，笔者举出实例详细说明。以某地的11层小高层单元式住宅消火栓系统为例，为便于计算，层高按3.0米计，消火栓栓口离地1.1米，进户引入管-0.9米，引入点至立管底部2.0m，管径DN100，流量10L/s。如图1。
按舍维列夫公式先计算沿程水损，
图1
按当量长度法计算局部水头损失，其结果让人吃惊，局部水头损失比沿程水头损失大20%（大0.25MPa）。若按照百分比法30%计算却比当量长度法计算结果小的多。对于消防工程不管是0.37mH2O还是1.49mH2O，其占消火栓系统所需扬程的比例均非常小，可是我们仍然可以预见到，当体量大的建筑或者消防系统复杂的工程，水头损失将会比较可观，特别是局部水头损失应该引起我们的关注。
5结论
消防系统关乎生命，水泵扬程的选取是设计师的重要责任，在考虑经济性时也需要我们注重细节，完善设计，合理选择设计方法，尽可能将工程实际情况反映在我们的设计中，但同时，由于工程的复杂性、多样性及新工艺新方法的层出不穷，还需要大量的试验来验证理论或者提出新理论，我们仍有很多工作需要做。在这里笔者抛砖引玉，也建议相关建设工程管理单位、科研单位乃至所有工程领域的参与者提供更多资料为设计做出有利依据。
【参考文献及资料】
[1]《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003）2009版
[2]《自动喷水灭火系统设计规范》（（GB50084-2001）2005版）
[3]《水喷雾灭火系统设计规范》（GB50219-95）
[4]《民用建筑水灭火系统设计规程》（DGJ08-94-2007）
[5]《给水排水设计手册-第2册-建筑给水排水》第二版中国建筑工业出版社
[6]赵振兴，何建京。《水力学》清华大学出版社
[7]陈礼洪，程宏伟，蔡礼权，董斌，陈鲲。镀锌钢管沿程水头损失计算的试验研究《给水排水》2006年第12期