消防水池取水口设计-若干问题详解2
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[声明]：本文为个人学习记录，仅供参考！
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4、水泵接合器
消防水泵接合器组成及安装详见产品标准GB3446-2013《消防水泵接合器》和国标图集99S203《消防水泵接合器安装》。
1）技术要求
a. 5.1 接合器一般应由本体、消防接口、安全阀和水流止回、水流截断装置等组成，结构设计应保证在使用后将消防接口到止回装置间的余水排尽。
b. 5.8 公称通径100mm的地下接合器应选用KWA65型外螺纹固定接口，其他型式的接合器应选用KWS65型外螺纹固定接口。（公称通径150mm-地下KWA80-其他KWS80。）
解读：
a. 水泵接合器均带有2个接口，接口形式为外螺纹式，公称通径DN100水泵接合器设有2个DN65接口，DN150水泵接合器设有2个DN80接口，水泵接合器接口与消防车上携带的车载消防泵出水管连接，出水管形式为消防水带，水带规格与水泵接合器接口及车载消防泵出水口规格匹配。
b. 单个接口过水流量均按4.6~7.5L/s，水泵接合器与车载消防泵2根DN65/DN80出水管连接，单个水泵接合器过水流量按10~15L/s，单个水泵接合器的设计流量与单个室外消火栓的设计流量匹配。
三、常见问题分析及探讨
1、连通管管径计算
目前消防水池与取水口之间的连通管管径设计五花八门，根本原因在于取水口设计流量取值不同，而又未进行细致验算。
在规范已经明确要求“一个取水口宜按一个室外消火栓计算”（《消水规》6.1.5）的前提下，仍有很多相关解读甚至审图要求按室外消防设计流量来考虑，或者按30L/s、甚至40L/s来计算，我个人是比较疑惑的，这种要求无视了规范条文，忽略了取水口的设计目的，忽略了取水口附近的场地条件，忽略了消防车的用水特点，没有落脚到实际使用上来。
本人在不同给排水设计群里，至少见证过十次以上针对连通管管径的讨论，认为管径要按大流量（30L/s、40L/s等）或大管径者（≥DN300，甚至DN400、DN600）的声音占到多数，形成了较大范围的认知偏差，个人认为是有失严谨的。
（注：并不是排斥按更大流量来设计，但应充分考虑场地条件是否允许多辆消防车同时停靠，消防车操作及取水是否方便。最重要的是，个人认为，不应把规范上的设计要求随意扩大，应区分建议性意见和强制性意见。）
1）模型
如下图所示：某项目地下室共2层，消防水池设置于地下一层，取水口设置于大地库内，采用竖向钢筋混凝土井道的形式，井道平面尺寸：1.0m×1.0m，由于连通管设置于地下一层地面，会影响车位布置，故于地下二层悬吊，将消防水池吸水槽与取水井底部连通，连通管低于最低液位。取水井按一台消防车停靠取水设计，取水流量按10~15L/s，连通管长度16m，试求连通管管径！
（注：取水井供几台消防车同时取水的问题详见上文，一般可按1台消防车取水来设计。本例消防车最大吸水高度按标准大气压工况考虑。）
2）分析
a. 从上图可知，平时工况下，取水井液位和消防水池液位相同，连通管中任意一点，来自两侧的静水压力相同，水不会流动。
b. 火灾时，如消防车从取水井内吸水，取水井液位开始下降，与左侧消防水池形成水位差，而消防水池液位更高，此时，左侧消防水池中的水通过连通管流至取水井内。
c. 当连通管过流小于取水流量时，取水井液位进一步降低，两侧水位差扩大促使连通管过流增大，当连通管过流等于消防车取水流量时，两边形成平衡，即形成稳定的液位差。消防车取水流量变化，液位差随之变化，直到达到新的平衡，不同的取水流量对应不同的液位差。
d. 由上述内容可知，在连通管管径一定时，其过流量不是固定的，消防车取水流量越大，两侧液位差越大。上图水流工况符合淹没出流水力特征，可按淹没出流计算。
3）淹没出流（均摘自教材）
《流体力学》-短管的水力计算：
流体经管路流入另一水体中，称为淹没出流，见图5.6。
设断面A-A的总水头为：
式中，H0=H1-H2表示作用水头。由上式可见，作用水头H0完全用于克服能量损失hw。
因此淹没出流时，短管出口断面的流速为：
式中，
为管道系统阻力系数，
中应包括短管出口扩大的局部损失。若忽略上、下游过流断面的流速水头，上、下游液面上的压强等于大气压强，则H0≈H，其中H为上、下游液位的高差。
4）连通管计算
A. 不要看上面一堆公式，其核心结论其实很简单，套用到本案例中，简化来说，就是忽略上、下游过流断面的流速水头，消防水池和取水井的液位差完全用于克服能量损耗hw，设：
a. 消防水池和取水井的液位差为△H
b. 消防水池内的水流经连通管的总水头损失hw（沿程水损hi加局部水损hj）
则：△H=hw
B. 局部阻力系数（%）计算-当量长度法
《喷规》9.2.3条文说明-局部水损换算当量长度表：
本案例中共2个90°弯头和1个闸阀，连通管管径分别按DN150及DN200折算当量长度为：
a. DN150：4.3*2+0.9=9.5，沿程当量为连通管管长16m，局部水损占沿程水损比例为9.5/16=60%。
b. DN200：5.5*2+1.2=12.2，沿程当量为连通管管长16m，局部水损占沿程水损比例为12.2/16=76%。
C. 根据公式△H=hw，可以用计算软件核算，在不同管材、不同管径、不同hw下对应的流量。例如：连通管采用普通钢管，管径为DN200，hw取0.1m，即液位差取0.1m，可得流量Q1=20.8L/s。
（注：当水位差一定时，可通过填入不同的流量，来获取相应的水位差。当流量一定时，例如15L/s，可计算该流量下的水位差，即总水损×100。）
从上表可以看出，消防水池连通管，当采用普通钢管，管道连接见“模型”（确定局部阻力系数），管径为DN200，消防水池与取水井液位差为0.1m时，连通管过流量为20.8L/s，而单个取水井的所需的取水流量为10~15L/s，故连通管在此条件下满足过流要求。当过流量为15L/s时（管长16m），可用软件计算液位差为0.055m，当连通管管长延长至30m时，其液位差为0.1m。
5）结论
上方仅为一种计算示例，实际项目计算时，可以项目要求更换不同的管材、不同的管径、不同液位差、不同连通管连接方式进行核算，此处不再一一列举计算结果。其核心结论是：
a. 对于绝大多数实际项目，采用DN200连通管、液位差不大于0.1m，可满足取水口15L/s的取水要求。
注：本例中连通管连接采用了2个90°弯头，其局部阻力系数较大，单个90°弯头其当量长度为5.5，当采用45°弯头，仅为2.7，可以有效降低水损，增加连通管过流，当连通管完全是直管时，其管段局部阻力系数仅为7.5%，上述条件下的连通管过流量可以增加到24.5L/s。
b. 当采用沿程阻力系数更小的管材，如无缝钢管、涂塑钢管、不锈钢管等其他管材时，其连通管过流可明显增加，上述管径、液位差等参数可进一步缩小。例如在与上述其他条件完全一致时，采用涂塑钢管、液位差为0.1m时，连通管过流可达30L/s。
c. 当在某管径下0.1m液位差不能满足过流要求时，液位差会持续扩大，直到达到新的平衡，更大的液位差可提供更大的过流量，连通管的过流能力与管材阻力系数、管径、局部水损占比、连通管管长、液位差等均相关，非定值。
注：不排斥采用更小管径的连通管，例如：采用DN150涂塑钢管，当其局部阻力系数为50%，液位差为0.1m，管长为16m时，连通管过流量同样可满足15L/s。
未完待续~