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自动喷水灭火系统支管特性系数水力计算法

摘要鉴于目前常用的自动喷水灭火系统特性系数水力计算法所存在的缺

陷，在理论推导了配水支管起端水压与同支管末端喷头出流量关系的基础上，提

出了支管特性系数水力计算法，并介绍了利用 EXCEL 软件简化计算的方法。

关键词自动喷水灭火系统；支管特性系数水力计算法；EXCEL

Hydraulic Calculation Method on Range Pipe

Characteristic Coefficient for Fire Protection Sprinkler

System

Abstract：Due to a defect in the common hydraulic calculation method of

fire protection sprinkler system on characteristic coefficient ， hydraulic

calculation method on range pipe characteristic coefficient is put forward based

on theoretical deduction on relationship between pressure at starting point of a

range pipe and nozzle flow at the end of the pipe ，also by using software of

EXCEL ways are introduced to simplify calculation.

Key words：Fire Protection Sprinkler System；Hydraulic Calculation Method on Range

Pipe Characteristic Coefficient；EXCEL

1 问题的提出

便捷准确、便于设计人员应用的自动喷水灭火系统的水力计算方法，对于提高设计质

量、保证系统在火灾时有效运行具有重要意义。目前，自动喷水灭火系统的水力计算通常

采用文献

～

介绍的两种方法：作用面积法和特性系数法。作用面积法假定作用面积内每只

喷头喷水量均相等，计算虽简便，但与实际水力工况相差甚大，也不符合《自动喷水灭火

系统设计规范》（GB50084-2001，2005 版，以下简称“规范”）

[3]

第 9.1.1 条规定，即自动

喷水灭火系统中喷头出流量应按式（1）计算：

q K 10P

（1）

式中 q－喷头流量（L/min）；

Ｋ

－喷头流量系数；

Ｐ

－作用于喷头的工作压力（ＭＰａ）

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特性系数法考虑了喷头工作压力的不同，采用式（1）计算作用面积内各喷头流量，显

然更符合“规范”的精神。由于特性系数法计算较为繁琐，文献

[1]

基于最不利作用面积内各配水支管设计条件完全相同的假定，

最不利作用面积

引入配水支管简化流量修正系数，给出了一种目前通用的计算方

法（姑称为“简化算法”，下同）。但是，实际工程的设计中，

有较多情况并不能满足上述假定，以下为几种常见情形：①建筑

平面不规则，最不利作用面积内支管上布置喷头数量不相等，如

图 1；②各配水支管布置均相同，但最不利作用面积为不规则形

状如图 2；③最不利作用面积所包围配水管两侧的配水支管不对

称，如图 3；④系统同时存在上述两种或两种以上的情况。可见，

简化算法的计算假定决定了其在实际应用上的局限性，为满足工

程设计的实际需求，有必要寻求应用上更具普遍性的水力计算方

法。

2 支管特性系数的引入

2.1 喷头折算流量系数

在使用式（1）时，为计算方便，P 值通常采用喷头连接短

图1

最不利作用面积

图2

最不利作用面积

图3

管与配水支管连接点的压力代入，这与喷头实际作用压力有偏差，如直接以喷头流量系数

代人公式将影响计算的精确性。为此引入喷头折算流量系数来解决，即把喷头与连接短管

视作一个复合喷头，其流量系数称为喷头的折算流量系数，计算公式如下

[4]

：

K  q / 10(P  h

 Z)

（2）

式中：K－喷头折算流量系数；

q－作用面积内第一个喷头出流量，L/min；

P－作用面积内第一个喷头工作压力，MPa；

hs－喷头连接短管水头损失，MPa；

Z－喷头连接短管的几何高差产生的水压，MPa；喷头在支管上方时，取正值，

喷头在支管上方时，取负值。

2.2 配水支管起端水压与支管末端喷头出流量的关系

以任一配水支管为研究对象

（配水支管起端指支管与配水管连

接点，末端为最末一个出水喷头节

点，实际支管上的无出流喷头和零

流量管段不计在内）进行水力分析，

设该支管上共有 n 个喷头出水，经

初定管径后，各喷头及管段相应的

计算参数如图 4 所示。

配水管

Pn+1

n+1

qn q4 q3 q2 q1

An、Ln

D3 D2 D1

A3、L3

A2、L2

A1、L1

K3 K2

K4 K1

图4 自动喷水灭火系统配水支管计算简图

注：Li为本段实际长度与当量长度之和

Ki均为喷头折算流量系数

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各喷头流量均根据式（1）计算：

 K

10P

 K

10P

 K

10(P

 A

)

 K

10A





 K

10P

 K

10[P

 A

 q

)

]

 K



 10 A

(1 



)





由此得出支管上 i 节点处喷头出流量的一般规律：

 K

10P

 K

10[P

i1

 A

i1

 q

   q

i1

)

]

 K



1

i1

10A

i1

(1 



   



i1

)





（i≥2）（2）

对于配水支管与配水管连接点即支管之 n+1 节点，其水压 P 为：

P  P

n1

 P

 A

 q

)

    A

 q

    q

)

（3）

将式（2）代入式（3），整理后得：

P  [  A

 A

(1 



)

     A

(1 



    



)

10K





（4）

式（4）中，

与配水支管各管段 A、l 和各喷头折算流量系数 K 值有关，对于给定的

系统，A、l、K 均为常数，故

也为常数，称之为“支管特性系数”。由是可知，任意配水

支管起端水压与支管末端喷头出流量的平方成正比。

3 支管特性系数水力计算法

对于最不利作用面积所包围的

各配水支管设计条件不同时，基于式

（4），采用支管特性系数水力计算法，

可以得到准确的计算结果。下面以图

5 为示例介绍支管特性系数水力计算

法的计算步骤。

3.1 初定管径

按照“规范”中表 8.0.7 的要求

初步确定配水支管及配水管的管径。

3.2 支管特性系数的计算

以配水支管Ⅰ为例，不妨设末端

DN25

3600

DN25

18001800 1800 180018001800 3600 1800

DN32

DN25

支管Ⅱ

支管Ⅰ

DN32

DN25

支管Ⅳ

配水管

DN32

DN25

支管Ⅵ

支管Ⅴ

DN32

DN32 DN25

支管Ⅷ

支管Ⅶ

注：喷头表示第支管上第个喷头

图5 自动喷水灭火系统最不利作用面积计算简图

支管Ⅲ

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在数值上即为该支管的特性系数

（后续计算中用到此值时，流量、水压单位须

与此一致）。支管Ⅱ也取

＝1L/s，以同样的方法计算其特性系数

。设计条件完全相同

的配水支管特性系数相等，计算一根后，其余设计条件相同的支管不必重复计算，对图 5

有：











，



















。

3.3 最不利配水支管水力计算

初选一根配水支管作为可能最不利支管（如选支管Ⅰ），计算其末端喷头（即系统最

不利喷头）设计出流量 q

（喷头保护面积和“规范”要求喷水强度之乘积），再按式（1）

计算喷头作用水压 P

，并校核其不小于 “规范”要求。然后从支管末端向上游逐点、逐段

计算，可得到支管起端总流量 Q

及其与配水管连接点的水压 P

。

3.4 配水管和其它配水支管水力计算

支管Ⅱ末端喷头设计流量为：

 P



，支管Ⅱ设计总流量 Q

，配水管 a~b

段流量 Q

，据此流量计算 a~b 段水头损失 h

，b 点水压 P

，

 P



，

 P



，再根据 q

值对支管Ⅲ由末端向上游逐步进行水力计算得到 Q

。依此类推，

逐步对 b~c 段、支管Ⅴ、支管Ⅵ、c~d 段、支管Ⅶ、支管Ⅷ进行水力计算，可得到作用面积

内所有喷头的流量和水压、各管段的流量及系统总设计流量。

3.5 计算修正

计算结果中如有喷头流量小于初定的系统最不利喷头流量，则应以此喷头为最不利喷

头，重复上述 3.3、3.4 步骤进行计算。

4 利用 EXCEL 简化计算

尽管支管特性系数水力计算法有完善的理论基础，但手工计算时工作量还是很大，又

容易出错，可能使很多设计人员望而却步。如果采用 EXCEL 电子表格替代手工计算，则可

以使大部分计算工作交由软件完成，且可以根据需要随时调整设计条件，很容易得到不同

方案下的计算结果。

4.1 表格制作

“规范”第 8.0.6 条规定，配水支管控制的标准喷头数不应超过 8 只，所以可按配水支

管共有 8 只喷头来制作 EXCEL 计算表（表 1），此表可作为通用配水支管计算表，对喷头

不足 8 只的配水支管，删除下部多余行即可。

表 1 中，B、C、F、G、H 诸列均根据支管设计条件填写，其中 C 列按式（2）计算得

到，I 列按“规范”附录 C“当量长度表”填写，单元格 E3 为支管末端喷头流量，用于计

算支管特性系数时，填入 1.00，用于设计工况计算时，填入喷头设计流量值。E4 为支管末

管段流量，故其值等于 E3 值。以下单元格可依次输入下列公式计算，D3：36000*E3^2/C3^2

（“^”为指数符号，输入时公式前均加“＝”，下同）； J4：4000*E4/3.14/G4^2；K4：

0.00107*J4^2/(G4/1000)^1.3；L4：(H4+I4)*K4；D4：D3+L4。完成输入后，将第 4 行复制

到第 5 行后（ A 、 B 列可另行复制修改，下同），并修改单元格 E5 公式为：

E4+C4*(0.1*D4)^0.5/60，再将第 5 行由上向下复制到 6～11 行即可。

表 1 自动喷水灭火系统通用配水支管 EXCEL 计算表（管段起点指水流上游节点）

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