شيت الحسابات الهيدروليكية لشبكات إطفاء الحريق ومعادلة هازن ويليامز NFPA 13 إكسيل

إعداد ومراجعة: المكتب الفني الهندسي — بنيان دوكس متوافق مع Excel 2016–365 & Google Sheets الجمعية الوطنية الأمريكية للحماية من الحرائق (NFPA 13 - Standard for the Installation of Sprinkler Systems)
حمل شيت الحسابات الهيدروليكية لشبكات إطفاء الحريق ومعادلة هازن ويليامز NFPA 13 إكسيل لتحديد فواقد الاحتكاك وأقطار الأنابيب ونقطة تشغيل مضخة الحريق وكود SBC 801.
جاري تحميل المعاينة التفاعلية الحية لشيت الإكسيل وكافة الصفحات والمعادلات...

تحميل مجاني مباشر

بدون تسجيل بريد • ملف قابل للتعديل

xlsx
شيت_الحسابات_الهيدروليكية_لشبكات_إطفاء_الحريق_Hazen_Williams_NFPA.xlsx
الحجم: 14 KB • متوافق مع الأوفيس
fx

المعادلات الهندسية ومنطق الحساب المضمن في الشيت

الدوال والمعادلات المبرمجة داخل هذا النموذج (جاهزة للنسخ بنقرة واحدة):

معادلة هازن-ويليامز لفواقد الاحتكاك المترية (Hazen-Williams Metric Formula)
\Delta P_f = 6.05 \times 10^5 \cdot \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \cdot d^{4.87}} \cdot L_{eq} \quad \text{[bar]}

المعادلة الهيدروليكية القياسية المعتمدة في كود NFPA 13 لحساب هبوط الضغط الاحتكاكي، حيث Q التدفق (L/min)، C معامل الخشونة، d القطر الداخلي (مم)، Leq الطول المكافئ الكلي (م).

معادلة تدفق فوهة رشاش الحريق (Sprinkler Discharge Equation)
Q = K \cdot \sqrt{P} \quad \implies \quad P = \left( \frac{Q}{K} \right)^2

معادلة تدفق الرشاش، حيث K معامل التصريف (80 بالوحدات الدولية لـ K=5.6)، P الضغط المتبقي عند الرشاش (bar)، Q التدفق المفرغ (L/min).

ضغط الارتفاع الهيدروستاتيكي للأنابيب الرأسية (Static Elevation Head Loss)
\Delta P_{elevation} = \rho \cdot g \cdot \Delta Z = 0.0981 \cdot \Delta Z \quad \text{[bar]}

ضغط العمود الساكن للماء لمقاومة الجاذبية الأرضية في الصواعد الرأسية، حيث تعادل كل 10 أمتار ارتفاع هبوطاً في الضغط مقداره 0.981 بار تقريباً (حوالي 1.0 بار).

القدرة الهيدروليكية لمحرك مضخة الحريق (Fire Pump Motor Power)
\text{Power (kW)} = \frac{Q \cdot H}{600 \cdot \eta} = \frac{Q_{\text{L/min}} \cdot P_{\text{bar}}}{600 \cdot \eta}

القدرة الميكانيكية والكهربائية المطلوبة لتشغيل مضخة الحريق عند نقطة الأداء التصميمية، حيث eta كفاءة المضخة الإجمالية (عادة 0.65 إلى 0.75).

مقاس الطباعة القياسي A4
معاينة شيت الحسابات الهيدروليكية لشبكات إطفاء الحريق ومعادلة هازن ويليامز NFPA 13 إكسيل - الأعمال الكهروميكانيكية (MEP) بصيغة XLSX جاهز للتحميل والتعديل
File: شيت_الحسابات_الهيدروليكية_لشبكات_إطفاء_الحريق_Hazen_Williams_NFPA.xlsx تحميل الملف الكامل (.XLSX) ←

ما هو شيت الحسابات الهيدروليكية لشبكات إطفاء الحريق بمعادلة هازن ويليامز (NFPA 13)؟

شيت الحسابات الهيدروليكية لشبكات إطفاء الحريق (Fire Protection Hydraulic Calculations & Hazen-Williams Sizing Schedule) هو أداة هندسية تشغيلية متخصصة لمهندسي الميكانيكا، ومصممي أنظمة الحماية من الحريق، والمكتب الفني، واستشاريي السلامة، تهدف إلى إنجاز الحسابات الهيدروليكية التفصيلية لشبكات رشاشات الحريق الأوتوماتيكية (Automatic Sprinkler Systems) وأنظمة الصواعد وخراطيم الإطفاء الرطبة وفق اشتراطات المعيار العالمي NFPA 13 وNFPA 14 وكود البناء السعودي SBC 801.

تعتبر الحسابات الهيدروليكية الركيزة الفنية الإلزامية لاعتماد المخططات التنفيذية لدى إدارات الدفاع المدني ومكاتب السلامة؛ حيث تضمن توفير كميات المياه والضغوط الكافية عند أبعد نقطة في الشبكة (Most Hydraulically Remote Area) لإخماد الحريق بكفاءة في مراحله الأولى، مع تجنب تضخيم أقطار الأنابيب دون داعٍ هندسي أو اختيار مضخات حريق ذات قدرات غير متطابقة تسبب هدراً مادياً أو تلفاً للمحابس والوصلات.


معادلة هازن-ويليامز لحساب فواقد الاحتكاك (Hazen-Williams Equation)

تعتمد معايير NFPA 13 وكود SBC 801 حصرياً معادلة هازن-ويليامز لحساب انخفاض الضغط الناتج عن احتكاك الماء بجدران أنابيب الإطفاء الصلبة والبلاستيكية:

$$p = \frac{4.52 \cdot Q^{1.85}}{C^{1.85} \cdot d^{4.87}} \quad \text{[psi/ft]}$$

وبالتحويل إلى الوحدات المترية الدولية (SI Metric Units):

$$\Delta P_f = 6.05 \times 10^5 \cdot \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \cdot d^{4.87}} \cdot L_{eq} \quad \text{[bar]}$$

حيث:

  • $Q$: معدل تدفق المياه المار في مقطع الأنبوب (لتر/دقيقة L/min).
  • $C$: معامل هازن-ويليامز لخشونة السطح الداخلي (120 لأنابيب الصلب الأسود الرطبة Schedule 40، و 100 لأنابيب الشبكات الجافة، و 150 لأنابيب البلاستيك CPVC).
  • $d$: القطر الداخلي الحقيقي للأنبوب بالمليمتر (وليس القطر الاسمي الخارجي).
  • $L_{eq}$: الطول المكافئ الكلي لمقطع الأنبوب مضافاً إليه الأطوال المكافئة للمحابس والأكواع والوصلات التيهية (Equivalent Lengths).

تدفق الرشاش الحرج والضغط المتبقي (Sprinkler Discharge & K-Factor)

يحدد تدفق مياه الإطفاء المفرغة من رأس الرشاش الواحد بالعلاقة الهيدروليكية القياسية:

$$Q = K \cdot \sqrt{P}$$

حيث:

  • $K$: معامل تصريف فوهة الرشاش (Discharge Coefficient)، وأشهرها المعامل القياسي $K = 5.6 \text{ GPM/psi}^{0.5}$ (ويعادل $80 \text{ L/min/bar}^{0.5}$ بالوحدات المترية).
  • $P$: الضغط المتبقي عند رأس الرشاش (Residual Pressure). وتشترط معايير NFPA 13 ألا يقل الضغط المتبقي عند أبعد وأضعف رشاش في الشبكة عن 0.50 بار (7 psi)، مع الحفاظ على ضغط يتراوح عادة بين 1.0 إلى 1.5 بار لتأمين نمط رذاذ مخروطي كثيف ومتجانس.

منهجية تحديد نقطة تشغيل مضخة الحريق (Fire Pump Duty Point)

تحدد مواصفات مضخة الحريق المطلوبة (Rated Flow & Rated Head) من خلال تجميع أقصى طلب هيدروليكي للمشروع:

  1. معدل التدفق الإجمالي (Total Rated Flow Q): $$Q_{pump} = Q_{sprinklers,(Design,Area)} + Q_{hose,stream}$$ حيث يمثل تدفق الرشاشات حاصل ضرب مساحة التشغيل (1500 قدم2 لخطورة Ordinary 1) في كثافة التصميم (0.15 gpm/ft2) مضافاً إليه تدفق خراطيم الإطفاء الإلزامية (250 GPM)، ليصل الإجمالي النموذجي إلى 500 GPM (1,893 L/min).
  2. الضغط الإجمالي المطلوب (Total Rated Head H): $$P_{pump} = P_{remote,sprinkler} + \Delta P_{elevation} + \sum \Delta P_{friction} + P_{safety,margin}$$ حيث يشمل ضغط الرشاش الحرج (1.2 بار)، وضغط الارتفاع الهيدروستاتيكي لمبنى متعدد الطوابق (حوالي 2.0 إلى 3.0 بار)، ومجموع فواقد الاحتكاك في المسار الحرج (حوالي 2.5 إلى 3.5 بار)، مع إضافة هامش أمان هيدروليكي 10% إلى 15% لمواجهة التقادم وتكلس الأنابيب.

طريقة الاستخدام وخطوات التطبيق العملي

1

معاينة الشيت وتجربة الأرقام أولاً:

استخدم جدول المعاينة التفاعلية الحية أعلاه (أو وضع ملء الشاشة 100%) لتجربة إدخال أرقام مشروعك واختبار المعادلات مباشرة.

2

تحميل الشيت وفتحه على جهازك:

قم بتنزيل الملف عبر زر التحميل المباشر وفتحه بواسطة Microsoft Excel أو Google Sheets.

3

إدخال البيانات الأساسية للمشروع:

قم بتعديل اسم المشروع، التاريخ، وفئات الأسعار في الخلايا المخصصة للإدخال؛ بينما تُحسب كافة الإجماليات تلقائياً.

4

الطباعة المباشرة بمقاس A4:

تم ضبط هوامش الصفحات وحدود الطباعة مسبقاً على مقاس A4، فقط اضغط Ctrl+P للطباعة أو التصدير بصيغة PDF.

الأسئلة الشائعة حول النموذج

ما هو الحد الأدنى لضغط الماء المسموح به عند أبعد رشاش وفق كود NFPA 13؟

تشترط معايير NFPA 13 وكود SBC 801 ألا يقل الضغط المتبقي عند أبعد وأضعف رشاش في الشبكة الهيدروليكية عن 0.5 بار (7.0 psi) أثناء تدفق المياه بمعدل الكثافة التصميمية، ويفضل مهندسو الحماية من الحريق الحفاظ على ضغط يتراوح بين 1.0 إلى 1.5 بار لضمان توزيع قطرات الرذاذ بكفاءة.

ما الفرق بين القطر الاسمي (Nominal Diameter) والقطر الداخلي (Actual Internal Diameter) في الحسابات؟

القطر الاسمي (مثل 2 بوصة أو 4 بوصة) هو مجرد توصيف تجاري للمنتج؛ أما في معادلة هازن-ويليامز فيجب حصراً استخدام القطر الداخلي الحقيقي (d) المحسوب بطرح ضعف سماكة الجدار من القطر الخارجي (OD - 2t). نظراً لأن القطر مرفوع للأس 4.87 في المقام، فإن أي خطأ بسيط بمليمترات في القطر يسبب انحرافاً هائلاً في حسابات الضغط.

كيف يتم التعامل مع فواقد الاحتكاك في الأكواع والمحابس والوصلات؟

يتم تحويل كل كوع أو تيه أو محبس إلى 'طول مكافئ' من نفس قطر الماسورة المستقيمة (Equivalent Length) استناداً إلى جدول 27.2.3.1.1 في كود NFPA 13، ويضاف هذا الطول المكافئ إلى الطول الفيزيائي للماسورة قبل تطبيق معادلة هازن-ويليامز لحساب إجمالي الفاقد.

لماذا تضاف 250 جالون/دقيقة (Hose Stream) إلى حمل مضخة الحريق؟

لأن كود NFPA 13 يشترط عند تصميم شبكات الخطورة العادية (Ordinary Hazard) توفير تدفق مائي إضافي لا يقل عن 250 GPM مخصص لخراطيم الإطفاء اليدوية التي يستخدمها رجال الدفاع المدني أو فرق الطوارئ بالتزامن مع عمل الرشاشات الأوتوماتيكية، لضمان عدم هبوط ضغط الرشاشات أثناء مكافحة الحريق.

ما هي القيمة القياسية لمعامل هازن-ويليامز C المعتمدة لأنابيب الصلب الأسود؟

تعتمد قيمة C = 120 لشبكات الأنابيب الرطبة المصنوعة من الصلب الأسود غير المجلفن (Black Steel Wet Systems)، بينما تنخفض القيمة إلى C = 100 لشبكات الأنابيب الجافة (Dry Pipe Systems) لتوقع معدلات أكسدة وصدأ أعلى، وترتفع إلى C = 150 لأنابيب البلاستيك المقاومة للحريق CPVC والمواسير النحاسية.