一种喷淋管网及其布局优化方法与流程

本发明属于消防安全领域，具体涉及一种喷淋管网及其布局优化方法。

背景技术：

自动喷水灭火系统充分利用水灭火，灭火性能高效。随着我国经济实力的增强，法制的健全以及喷水灭火机理的研究不断深入，自动喷水灭火系统将占据我国消防体系举重若轻的地位。

对于喷淋系统的设计，危险等级的确定，设计流量的计算，喷头的选用及布置，其他各系统组件的选用及设置，配水管的的布置及管径的确定等都是不可缺少的步骤。其中，管网的布置形式至关重要，原因是喷淋系统的管网布置形式会影响管径，二者又会影响管道的水力计算，从而影响到整个系统的设计流量、水泵扬程、作用面积内的喷水强度、灭火效果，同时还影响整个系统的造价。管道布局优化设计是指在给定的布局空间中，对管道的排布进行合理的布置以满足必要的约束条件，从而达到某种最优指标。合理的管道布局设计，有利于管道的安装，操作以及维修，因此在达到最优指标情况下，用料最省，造价最低，进而，如何从技术的角度出发，进行布局优化，是值得研究的。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种喷淋管网及其布局优化方法，该方法利用epanet，进行有压管网的水力计算并且自带工具箱，可用matlab调用epanet的工具箱实现优化布局。

epanet软件主要是应用于有压管网的水力分析，因其可以在windows系统下对未经简化的管网进行建模并计算运行，操作简单，界面清晰。并且当前研究证明，该软件在喷淋系统的配水管网水力计算中，计算结果精确且适用。所以用该软件进行计算合理有效。matlab是由mathworks公司推出的数值计算软件，包含了各个专业设计与科学研究领域的工具箱。matlab可快速实现平台间的数据传输，因此用matlab调用epanet可以快速实现喷淋管网的优化。

为实现上述目的，本发明通过如下技术方案来完成的：

一种喷淋管网布局优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、在cad中绘制喷淋系统中最不利层的管网布置平面图，将其导入epanet。

步骤2、把喷淋系统里的喷头定义为该软件中的喷嘴，具体方法是将喷头的流量计算公式和软件中的喷嘴出水量计算公式联立使其相等。

步骤3、定义喷淋系统中各管段的管径、管长信息以及配水管网起始点的压力，进而建立水力模型进行计算。

步骤4、在matlab中进行喷淋管网的优化，并对求解得到的布局优化方案进行约束条件检验以及布局调整，得到最终布局方案，使得喷水强度达到要求，造价最低。

进一步地，步骤(1)之前还包括：对布局对象进行分析，确定布局对象、约束条件以及评价标准；约束条件是喷水强度达到要求，评价标准是造价最低。

进一步地，步骤(2)按以下进行：

epanet中喷嘴的出流量与压力的关系如式(1)所示：

q＝cp^γ(1)

式中：q-喷嘴出流量，l/s；c-扩散系数；p-喷嘴工作压力，mh2o；γ-压强系数；

喷头的流量公式如式(2)所示：

式中：k-喷头的流量系数；

联立式(1)和式(2)得到：

进一步地，步骤(3)中，具体按以下进行：

步骤3.1：在epanet中定义各管段的管长及管径信息，将局部水头损失折算为管长；

步骤3.2：根据式(3)计算所选用喷头在epanet中的扩散系数c且定义系统作用面积内的节点为喷嘴，其他节点为普通用水节点并定义各节点的基本需水量为0；

步骤3.3：选择管网起端的入口压力进行初次水力计算，校核最不利处的喷头围合面积内的喷水强度，若该喷水强度等于或略大于规范规定，则管网起端管段的流量为设计流量，否则调整管网起端的入口压力；

步骤3.4：根据步骤3.3所得的设计流量计算系统立管的沿程和局部水头损失，则喷淋系统入口供水压力或所需水泵扬程为：

h＝∑h+p0+z；

其中，p0为最不利层管网入口压力，∑h为系统立管的沿程局部水头损失的累计值，z为最不利层管网入口处与消防水池的最低水位高程差。

进一步地，步骤3.3中，入口压力为0.2～0.4mpa。

进一步地，步骤(4)具体按以下进行：

步骤4.1：在matlab中调用epanet程序员工具箱，运行水力模型。

步骤4.2：获取各节点工作压力及喷头出流量。

步骤4.3：校核最不利处4只喷头围合面积内的喷水强度，若该喷水强度等于或略大于规范规定，则管网起端管段的流量为设计流量，否则调整管网起端的入口压力。

步骤4.4：根据喷淋管网所用管道，采用工程量清单的计价方式计算成本造价。

步骤4.5：调整喷淋管网布局，重复步骤4.1-4.4。

本发明还涉及的基于上述的优化方法布局的喷淋管网。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果具体如下：

本发明利用epanet软件中喷嘴模拟喷头实现，通过epanet软件，对喷淋系统建立水力模型进行水力计算的方式是合理高效、科学严谨的。喷淋系统的水力计算较为复杂，尤其是环状管网，计算量大。若采用人工计算，耗时长，误差大，而采用epanet计算机软件建立水力模型，对喷淋系统进行水力计算，可提高效率，是可以大力推广的一种方式。

本发明是在matlab中调用epanet程序员工具箱编程，算法均是基于epanet软件的内置函数完成，无需修改管网系统文件或编写额外代码求解管网水力方程，具有计算效率高及稳定性好的优点。

附图说明

图1为本发明的方法的工艺流程图；

图2为本发明具体实施方式最优布局结果图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本申请实施例中使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“上”、“下”、“左”、“右”、“横”以及“竖”等仅用于相对于附图中的部件的方位而言的，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中的部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。

如图1所示，本实施例的基于智能优化的喷淋管网布局优化方法，首先对布局对象进行分析，确定布局对象、约束条件以及评价标准；约束条件是喷水强度达到要求，评价标准是造价最低，包括以下步骤：

步骤1：在cad中绘制喷淋系统中最不利层的管网布置平面图，利用dxf2epa软件将其导入epanet。

步骤2：把喷淋系统里的喷头定义为该软件中的喷嘴，具体方法是将喷头的流量计算公式和软件中的喷嘴出水量计算公式联立使其相等，具体按以下进行：

步骤2.1：epanet中喷嘴的出流量与压力的关系如式(1)所示：

q＝cp^γ(1)；

式中：q-喷嘴出流量，l/s；c-扩散系数；p-喷嘴工作压力，mh2o；r-压强系数；

喷头的流量公式如式(2)所示：

式中：k-喷头的流量系数；

联立式(1)和式(2)得到

步骤3：定义喷淋系统中各管段的管径、管长信息以及配水管网起始点的压力，进而建立完善的水力模型进行计算，包括以下具体步骤：

步骤3.1：在epanet中定义各管段的管长及管径信息，对局部水头损失的处理可按“喷规”附录c将其折算为管长。

步骤3.2：根据(3)式计算所选用喷头在epanet中的扩散系数c且定义系统作用面积内的节点为喷嘴，其他节点为普通用水节点并定义各节点的基本需水量为0。

步骤3.3：选择管网起端的入口压力(0.2～0.4mpa)进行初次水力计算，校核最不利处4只喷头围合面积内的喷水强度，若该喷水强度等于或略大于规范规定，则管网起端管段的流量为设计流量，否则调整管网起端的入口压力。

步骤3.4：根据步骤3.3所得的设计流量计算系统立管的沿程和局部水头损失，则喷淋系统入口供水压力或所需水泵扬程为：

h＝∑h+p0+z，

其中，p0为最不利层管网入口压力，∑h为系统立管的沿程局部水头损失的累计值，z为最不利层管网入口处与消防水池的最低水位高程差。

步骤4：在matlab中调用epanet程序员工具箱编程进行喷淋管网的优化，并对求解得到的布局优化方案进行约束条件检验以及布局调整，得到最终布局方案，具体按以下进行：步骤4.1在matlab中调用epanet程序员工具箱，运行水力模型。

步骤4.2：获取各节点工作压力及喷头出流量。

步骤4.3：校核最不利处4只喷头围合面积内的喷水强度，若该喷水强度等于或略大于规范规定，则管网起端管段的流量为设计流量，否则调整管网起端的入口压力。

步骤4.4：根据喷淋管网所用管道，采用工程量清单的计价方式计算成本造价。

步骤4.5：调整喷淋管网布局，重复步骤4.1-4.4。

步骤5：根据成本造价对比，对喷淋系统配水管网的经济性进行评估。

本实施例为某办公楼地上14层，层高3.0米，总建筑高度42.45米，其中，地上总建筑面积18496.94平米，单层建筑面积1321.21平米。该办公楼喷淋系统的火灾危险等级为中危险i级，规范要求作用面积160m²，喷水强度6l/min*m²，喷淋系统设计流量30l/s，采用k80喷头。

分别对枝状管网，枝状管网与环状管网结合以及格栅管网采用以上步骤进行分析，对水力计算结果和造价计算结果对比发现，设计流量最小的为格栅状管网，其流量与传统的枝状管网相比，减少了30％，相应的也减小了喷淋水泵的流量和功率；而对于系统起端压力，由于枝状管网中加大了支管管径，减少了水头损失，所以其压力在三种形式管网布置中最优；配水均匀性方面，格栅状管网系数最低，比枝状管网低34.7％；而在工程造价这一项，三种环状管网的造价差距不大，都要比传统的枝状管网要经济，其中格栅状管网比传统枝状管网的造价减少了5.1％，最终布局结果如图2所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。