Fire Water Demand Calculation for Sprinkler System

แสดงความเห็นโดยpongsakorn monturatเขียนแล้วในFire Fighting

การคำนวณหาปริมาณน้ำดับเพลิงที่ต้องการ (Fire Water Demand) อย่างแม่นยำ ถือเป็นขั้นตอนพื้นฐานที่สำคัญที่สุดในการออกแบบระบบดับเพลิงด้วยน้ำที่มีประสิทธิภาพ ไม่ว่าจะเป็นระบบหัวกระจายน้ำดับเพลิงอัตโนมัติ (Automatic Sprinkler System) หรือระบบอื่นๆ การคำนวณนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อรับประกันว่าแหล่งจ่ายน้ำที่เราออกแบบนั้นมีความสามารถเพียงพอที่จะรับมือกับสถานการณ์เพลิงไหม้ที่เลวร้ายที่สุด (Worst-case scenario) ที่อาจเกิดขึ้นในอาคารนั้นๆ ได้ ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของการปกป้องชีวิตและทรัพย์สิน

หลักการสำคัญของการคำนวณหาปริมาณน้ำดับเพลิงคือ การหาอัตราการไหลของน้ำขั้นต่ำที่ต้องการ (ในหน่วยแกลลอนต่อนาที หรือ GPM) และระยะเวลาที่ระบบจะต้องสามารถจ่ายน้ำในอัตราดังกล่าวได้อย่างต่อเนื่อง โดยปริมาณน้ำที่ต้องการนี้จะถูกจ่ายมาจากแหล่งจ่ายน้ำ (Water Supply) ซึ่งอาจเป็นระบบประปาสาธารณะ (City waterworks system), ปั๊มน้ำดับเพลิง (Fire pump) หรือถังอัดความดัน (Pressure tank)

โดยจะแบ่งการออกแบบปริมาณน้ำดับเพลิงที่ต้องการ (Fire Water Demand) ในโรงงานอุตสาหกรรมออกเป็น 2 มาตราฐานหลักๆ

  • มาตราฐาน NFPA 13 ซึ่งเป็นระบบหัวกระจายน้ำ (Sprinkler)
  • มาตราฐาน NFPA 15 ซึ่งเป็นระบบฉีดน้ำฝอยตรึงกับที่ (Fixed spray)

โดยทั้งสองการออกแบบมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ทั้งในแง่ของปรัชญาการออกแบบ, วิธีการคำนวณพื้นที่, และการพิจารณาการทำงานพร้อมกันของระบบ เช่น

  • NFPA 13: ถูกเขียนขึ้นบนสมมติฐานว่าจะเกิดเพลิงไหม้เพียง จุดเดียว (Single Fire) ภายในอาคาร ระบบออกแบบมาเพื่อป้องกันโครงสร้างอาคารและสินค้าที่จัดเก็บโดยรวม โดยใช้วิธีควบคุมเพลิงตามประเภทความอันตรายของพื้นที่ครอบครอง (Occupancy Hazard) เช่น Light, Ordinary หรือ Extra Hazard
  • NFPA 15: มุ่งเน้นการป้องกัน อุปกรณ์หรืออันตรายเฉพาะเจาะจง (Specific Hazards) เช่น ถังเก็บสารไวไฟ, หม้อแปลงไฟฟ้า หรือสายพานลำเลียง การออกแบบไม่ได้มองแค่เพลิงจุดเดียวเสมอไป แต่ต้องพิจารณาปัจจัยเสี่ยงที่ไฟอาจลุกลามไปยังพื้นที่ข้างเคียง หรือก๊าซร้อนที่อาจทำให้ระบบที่อยู่ติดกันทำงานพร้อมกันด้วย

ในบทความนี้จะอธิบายการหาปริมาณน้ำดับเพลิงที่ต้องการ (Fire Water Demand) ตามที่ระบุไว้ในมาตรฐาน NFPA 13 กระบวนการทั้งหมดนี้จะถูกกำกับดูแลด้วยมาตรฐานสากล เพื่อให้แน่ใจว่าระบบมีความน่าเชื่อถือและพร้อมใช้งานเมื่อเกิดเหตุฉุกเฉิน และการที่จะทำการคำนวณได้อย่างถูกต้องนั้น เราจำเป็นต้องทำความเข้าใจสูตรและตัวแปรต่างๆ ที่เกี่ยวข้องเสียก่อน

สรุปสูตรและตัวแปรที่ใช้ในการคำนวณ (Summary of Formulas and Variables)

แม้ว่าแนวคิดเบื้องหลังการคำนวณจะดูตรงไปตรงมา แต่กระบวนการจริงนั้นต้องอาศัยสูตรที่แม่นยำและความเข้าใจในตัวแปรแต่ละตัวอย่างถ่องแท้ ในส่วนนี้ เราจะมาแยกส่วนประกอบของสูตรการคำนวณตามที่กำหนดไว้ในมาตรฐานด้านการป้องกันอัคคีภัย

สูตรหลักที่ใช้ในการคำนวณหาปริมาณน้ำดับเพลิงที่ต้องการทั้งหมด อ้างอิงจากองค์ประกอบในมาตรฐาน NFPA 13 มีดังนี้:

ปริมาณน้ำที่ต้องการทั้งหมด (gpm) = ความต้องการน้ำของสปริงเกลอร์ (gpm) + ปริมาณน้ำสำรองสำหรับสายฉีด (gpm)

โดยที่ ‘ความต้องการน้ำของสปริงเกลอร์’ นั้นเป็นผลคูณของปัจจัยสำคัญสองประการ คือ ความหนาแน่น ของน้ำที่ต้องการสำหรับระดับความอันตรายนั้นๆ และ พื้นที่ ที่เราต้องจ่ายน้ำให้ครอบคลุม ดังนั้น สูตรฉบับเต็มคือ:

​

  • Qtotal​ (Total Water Demand): คือ อัตราการไหลของน้ำทั้งหมดที่ระบบจ่ายน้ำต้องสามารถจ่ายได้ มีหน่วยเป็น แกลลอนต่อนาที (Gallons per Minute – GPM)
  • D (Density): คือ อัตราความหนาแน่นของน้ำที่ต้องใช้ในการควบคุมเพลิง มีหน่วยเป็น แกลลอนต่อนาทีต่อตารางฟุต (gpm/ft²) ค่านี้แสดงถึงปริมาณน้ำที่ต้องโปรยลงบนพื้นที่หนึ่งเพื่อควบคุมไฟ โดยค่านี้จะถูกกำหนดจาก ประเภทความอันตรายของพื้นที่ (Hazard Classification) (เช่น Light Hazard สำหรับโรงเรียนและอาคารสำนักงาน, Ordinary Hazard สำหรับโรงงานอุตสาหกรรมเบา หรือ Extra Hazard สำหรับโรงงานที่มีเชื้อเพลิงปริมาณมาก) ตามที่นิยามไว้ใน NFPA 13, Chapter 4.3.
  • A (Area): คือ พื้นที่ออกแบบ (Design Area) มีหน่วยเป็น ตารางฟุต (ft²) ค่านี้ไม่ใช่พื้นที่ทั้งหมดของอาคาร แต่เป็นพื้นที่สมมติที่ทำให้เกิดความดันน้ำต่ำที่สุดเนื่องจากการสูญเสียแรงดันในท่อ การคำนวณโดยใช้พื้นที่นี้เป็นการรับประกันว่าพื้นที่อื่นๆ ทั้งหมดจะได้รับอัตราการไหลของน้ำที่เพียงพออย่างแน่นอน
  •  Qhose​ (Hose Stream Allowance): คือ ปริมาณน้ำที่สำรองไว้เพิ่มเติมสำหรับให้พนักงานดับเพลิงใช้กับสายฉีดดับเพลิง มีหน่วยเป็น GPM ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่สำคัญอย่างยิ่งสำหรับการดับเพลิงโดยเจ้าหน้าที่ มาตรฐาน NFPA 13, Section 20.15 กำหนดให้ต้องมีปริมาณน้ำสำรองสำหรับสายฉีด โดยค่าที่นิยมใช้ในตัวอย่างคือ 500 GPM

การหาค่า Density และ Area (Determining Density and Area)

ค่าอัตราความหนาแน่นของน้ำ Density (D) และ Area (A) นั้นได้มาจากการเปิดตาราง 19.2.3.1.1 Density/Area Criteria ซึ่งอยู่ในมาตรฐาน NFPA 13

และในส่วนระยะเวลาที่ระบบจะต้องสามารถจ่ายน้ำในอัตราดังกล่าวได้อย่างต่อเนื่อง สามารถดูได้จากตาราง 19.2.3.1.2 ซึ่งอยู่ในมาตรฐาน NFPA 13

ตัวอย่างโจทย์ (Example Problem)

อาคารสำนักงานแห่งหนึ่งมีพื้นที่ 50,000 ตารางฟุต ถูกจัดประเภทเป็น Ordinary Hazard (Group 1) ตามมาตรฐาน NFPA 13 จงคำนวณหาปริมาณน้ำดับเพลิงที่ต้องการทั้งหมด (Total Fire Water Demand) สำหรับอาคารนี้

  • จากโจทย์ประเภทอาคาร (Occupancy Classification) คือ Ordinary Hazard (Group 1)
  • หาค่า D และ A: สำหรับพื้นที่ประเภท Ordinary Hazard (Group 1) เราต้องอ้างอิงจากตาราง 19.2.3.1.1 Density/Area Criteria ของมาตรฐาน NFPA 13 เราจะได้ค่าอัตราความหนาแน่นของน้ำของพื้นที่เกินกว่า 1,500 ft² เท่ากับ Density (D) = 0.15 gpm/ft² บน Design Area (A) = 1,500 ft² (ใช้พื้นที่สูงสุดที่คาดการณ์ว่าสปริงเกลอร์ทั้งหมดจะทำงานพร้อมกัน)
  • คำนวณ Sprinkler Demand: นำค่าที่ได้มาคำนวณหาปริมาณน้ำที่สปริงเกลอร์ต้องการ Sprinkler Demand = 0.15 gpm/ft²×1,500 ft²=225 GPM
  • หาค่า Qhose: ปริมาณน้ำสำรองสำหรับสายฉีด (Hose Stream Allowance) คือ 500 GPM ซึ่งเป็นค่าที่กำหนดไว้อย่างชัดเจนใน NFPA 13, Section 20.15 ซึ่งระบุให้การคำนวณต้องรวม “500 gpm (1900 lpm) for manual hose streams” เข้ากับความต้องการน้ำของระบบสปริงเกลอร์
  • เมื่อเราได้ค่าความต้องการน้ำของสปริงเกลอร์และค่าสำหรับสายฉีดแล้ว เราก็นำมารวมกันเพื่อหาปริมาณน้ำที่ต้องการทั้งหมด Qtotal​=225 GPM+500 GPM=725 GPM

ตัวเลข 725 GPM นี้มีความหมายว่า ระบบจ่ายน้ำของอาคาร (ซึ่งรวมถึงปั๊ม ท่อ และแหล่งน้ำ) จะต้องถูกออกแบบให้สามารถจ่ายน้ำได้อย่างน้อย 725 แกลลอนต่อนาที (164 m3/hr) เพื่อให้สามารถรับมือกับสถานการณ์เพลิงไหม้ตามเกณฑ์การออกแบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ แหล่งจ่ายน้ำจะต้องสามารถจ่ายน้ำในอัตรานี้ได้อย่างต่อเนื่องตามระยะเวลาที่กำหนด ซึ่งสำหรับพื้นที่ประเภท Ordinary Hazard จะอยู่ที่ประมาณ 90 นาที เพื่อให้มีปริมาณน้ำสำรองเพียงพอสำหรับการควบคุมเพลิง