防火分隔水幕在工程運用中的問題探討

楊靜 黃丹

摘要：結合現階段防火分隔水幕系統試驗研究成果及工程設計實際情況，提出了防火分隔水幕設計方法，對今后的防火分隔水幕設計具有參考價值。當采用水幕噴頭的防火分隔水系統應根據噴頭布水曲線圖與噴頭灑水量的分布曲線圖進行設計;當采用開式灑水噴頭的防火分隔水幕系統可按噴水強度為20 L/（min·m2）進行設計。

關鍵詞：防火分隔水幕; 水幕噴頭; 開式灑水噴頭; 噴水強度

1 ? 引言

防火分隔水幕由開式灑水噴頭或水幕噴頭、雨淋報警閥組或感溫雨淋閥，以及水流報警裝置（水流指示器或壓力開關）等組成。通過噴頭密集噴灑形成水墻或水簾，用于阻火、冷卻、隔離作用的自動噴水滅火系統。在建筑設計中結構防火分隔設計是防火設計的重要內容，有時會遇到需要設置防火分隔但又不便于設置防火墻、防火卷簾等分隔措施的開口部位，如工業廠房中不能中斷的生產線、民用建筑需消防車穿行的通道等，這種情況下通常采用設置防火分隔水幕系統的方式作為傳統防火分隔措施的等效替代，既不會破壞原有建筑的格局，又能滿足火災發生后受困人員和消防人員的通行需求，同時具有防火分隔功能。

目前，防火分隔水幕系統在工程中存在若干問題。一方面，暫無相關的教材、手冊及規范對其設計計算詳細的介紹，這使得噴頭布置間距缺乏計算數據支撐，更無法核實在實際的工作壓力下噴頭布置是否滿足規范相關要求;另一方面，采用開式灑水噴頭的防火分隔水幕系統噴頭的選型原則（直立型或下垂型）及適用條件均無相關的規定，這容易造成在某些特殊情況下選擇噴頭不當影響水幕的隔熱阻煙的效果而危害人身財產安全。為此，在防火分隔水幕系統相關試驗研究基礎上，結合工程設計中的實際情況，探索防火分隔水幕設計計算方法，旨在為防火分隔水幕的設計提供必要的指導價值。

2 ? 現狀

2.1 ?研究現狀

因防火分隔水幕系統在實際工程中運用的普遍性，以及其在設計過程中存在若干問題。業內專業人士嘗試通過噴水試驗來探索水幕系統適用領域、隔煙阻熱效果及其影響因素來指導工程設計與實施。其中，王輝通過對高大空間防火分隔水幕試驗研究得出按常規設置仍然能夠有效阻止火災蔓延，具有一定的隔熱降溫效果;同時大型水幕啟動時，水幕帶動空氣產生較大的側向風，風速可達4m/s，能夠有效阻止煙氣向相鄰防火分區蔓延。李濤等人通過對受限空間水幕隔熱阻煙性能研究得出水幕對火災上層空間高溫空間隔熱降溫效果明顯。同時，對火災前期煙氣的阻擋效果明顯，火災后期煙氣穿透能力增強，存在少量煙氣穿透現象。此外，噴灑形成的水霧粒徑越小、分布越密集，對熱輻射的吸收和散射作用越強。仲晨華等人對水幕系統性能研究中得出影響水幕防火分隔效果的主要因素是水幕用水量、厚度以及水幕水滴的密集程度，同時大跨度大空間采用防火分隔是可行的。楊丙杰[4]等認為噴頭安裝高度超過規范的高度后，水幕系統仍具有較好的防火隔熱性能。但在相同的噴水強度下，其防火隔熱性能也有所降低。當噴頭安裝高度為 18 m 時，需將防火分隔水幕系統的噴水強度提高至 2.2 L/（s·m），才能達到不低于噴頭安裝高度為 12 m 時的防火隔熱效果。

綜上所述，業內專業人士通過研究水幕的隔熱阻煙機理、效果及適用范圍，評價噴頭壓力、保護高度、保護寬度等重要參數對水幕隔熱阻煙性能的影響，為消防水幕隔熱阻煙性能研究提供理論依據及工程設計提供重要參數。但仍存在諸多不足，對工程設計指導具有一定的局限性。主要體現在一下幾個方面：1）所有試驗中噴頭布置間距均未按規范中所要求的噴水有效灑水寬度不低于6m來試驗，同時未對重要設計參數的選擇（噴頭布置間距）做相關的試驗研究，以及未實測噴水強度;2）均未對開式灑水噴頭的布置方向做對比研究。目前對防火分隔水幕中的開式灑水噴頭采用直立型還是下垂型存在爭議。若采用直立型存在梁系阻擋影響，尤其是鋼結構等梁系復雜的情況阻擋更加明顯，是否需要增設噴頭，對水幕系統而言目前無規范要求。若采用下垂型噴頭，在噴頭與梁之間就存在空隙，則6m寬度水幕是否能隔離熱輻射，噴頭噴水時產生的下降氣流是否能阻止煙氣通過等問題還待試驗研究來證明。作者認為在未提供相關的試驗數據情況下，采用下垂型較為合適，必定水幕噴頭均是向下噴射;3）對于采用水幕噴頭的防火分隔水幕，均未對單排噴頭的有效覆蓋寬度做相關的試驗研究。若覆蓋寬度較薄時容易受氣流破壞幕墻，尤其是處于上升式的棧橋等構筑物對空氣抽吸較強的情況。目前對水幕噴頭布水線有效覆蓋區域暫無手冊、規范及規程記錄，這對采用水幕噴頭的防火分隔水幕設計來講缺少理論的支撐。為此，應結合工程實際情況進一步針對性的做相關試驗研究來完善現階段理論上的不足。

2.2 ?設計現狀

目前對于防火分隔水幕系統設計而言，無論教材、設計手冊還是設計規范對其計算過程均無詳細的介紹。僅有的設計依據為《自動噴水滅火系統設計規范》（GB50084-2017）中對防火分隔水幕的兩條要求：1）5.0.14條防火分隔水幕噴點高度≤12m;噴水強度2L/（s·m）;噴頭工作壓力0.1MPa。2）7.1.16條防火分隔水幕的噴頭布置，應保證水幕的寬度不小于6m;采用水幕噴頭時，噴頭不應少于3 排;采用開式灑水噴頭時，噴頭不應少于2 排。可供防火分隔水幕系統設計參考的為《給水排水標準圖集》04S206]（見圖2.1-圖2.2）及《華北地區標準圖集》91SB12-1（2007），但部分業內人士[8～9]對于華北標準圖集中防火分隔水幕噴頭布置要求存在爭議。主要體現在當采用開式灑水噴頭時，水幕有效寬度是否達到6m有待考證。為此，防火分隔水幕的設置為滿足國家相關標準，尋求合理的設計參數作為工程設計的首要任務。

基于上述原因，業內專業人士通過推理的方法，提出了基于開式灑水噴頭設置條件下的防火分隔水幕系統設計計算公式。如下：

其中（以下參數類同）：

作者對以上計算方法的提出存在異議。主要體現在一下幾個方面。公式一存在以下問題有：1）噴頭的有效覆蓋面積非噴頭的灑水面積，使得有效噴水強度偏小;2）規范中的噴水強度并非單排噴頭出流量達到整個分隔水幕所需的流量，這又使得噴水強度偏大;3）無法核實有效覆蓋寬度達到6m以及每排噴頭間是否存在空隙。公式二存在的問題如下：1）公式的推導過程按門洞結構特征的防火分隔水幕系統，同時只設置2排噴頭，這使得其他結構特征（如隧道等）及設置3排噴頭的水幕系統計算而言，完全不適用;2）同樣無法核實有效噴灑寬度等。鑒于此，尋求合理的計算方法迫在眉睫。

3 ? 水幕系統設計

對于防火分隔水幕而言，選擇不同的噴頭，其布置要求與計算方法均不同。對于采用水幕噴頭的防火分隔水幕系統設計計算，目前因缺乏足夠的理論支撐，且無詳細的計算過程。作者認為現階段水幕噴頭的布置應根據廠家提供的水幕噴頭布水曲線圖與水幕噴頭灑水量的分布曲線圖共同確定。因《給排水標準圖集》04S206推薦防火分隔水幕采用開式灑水噴頭，為此，防火分隔水幕采用水幕噴頭時的詳細設計過程暫不作介紹。本文重點討論采用開式噴頭時防火分隔水幕的設計方法。

3.1 ?開式灑水噴頭設置

3.1.1 ? 計算方法探討

《自動噴水滅火設計規范》GB50084-2017中要求防火分隔水幕噴水強度2L/（s·m），而該噴水強度為線噴水強度，這就給設計帶來較大的困惑。首先，無法核實所設計噴頭有效覆蓋寬度是否達到6m，其次，無法核實噴灑強度是否滿足設計要求。鑒于此，為了滿足噴灑強度與覆蓋寬度，作者認為應將規范中的線噴水強度轉換為面噴灑強度。設水幕寬度為L，其水量Q=2L，需保護的面積為M=6L，則最低噴灑強度q’=2L×60/6L=20L/（min·m²）。其設計計算方法按噴水強度為20L/（min·m²）下的常規自噴系統設計方法進行。計算公式如下：

（1）當采用正方形布置時，噴頭間距

（2）噴頭矩形布置計算公式如下：

（3）菱形布置計算公式如下：

3.1.2 ? 噴頭最小間距

本文以K=80、工作壓力為0.1MPa探討開式灑水噴頭各類型布置最小間距要求。

經復核，三排噴頭布置時能滿足6m寬度的要求，若僅布置兩排噴頭，則設計壓力需要0.51MPa。即使采用K=115的噴頭，壓力也需要0.25MPa，其噴頭間距A=3m。

（2）矩形布置

為滿足規范中所要求的覆蓋寬度6m，則B≥2m（噴頭三排布置）或B≥3m（噴頭二排布置）。

有此可知，當噴頭布置三排時，間距A≤2m均滿足設計要求;若布置兩排，工作壓力為0.1MPa時無法滿足設計要求。要實現兩排矩形布置，其壓力等級不低于方形布置時的要求。

二排噴頭布置：

覆蓋寬度為：2.1×2=4.2m<6m （不滿足設計要求）。為了使其滿足設計要求則：B=3m，即：R=2m，所需最低工作壓力為0.4MPa。

綜上，對于《華北地區標準圖集》91SB12-1中的要求（工作壓力為0.1MPa，每排噴頭間距與噴頭排距S值為1.05m（三排）與1.40m（二排））而言，是不滿足規范中所要求的有效覆蓋寬度不小于6m的條件。

4 ? 結論

本文結合現階段防火分隔水幕系統相關的試驗研究成果以及工程運用中存在的若干問題，通過推理提出了防火分隔水幕系統設計計算方法，同時得出以下結論：1）采用水幕噴頭的防火分隔水幕噴頭間距的應根據噴頭布水曲線圖與噴頭灑水量的分布曲線圖共同確定;2）采用開式灑水噴頭的防火分隔水幕的可按噴水強度為20L/（min·m²）進行設計;3）K=80開式灑水噴頭，工作壓力為0.1MPa時，至少需要布置三排噴頭。若僅布置兩排噴頭時，則工作壓力要增加大0.51MPa（方形/矩形布置）或0.40MPa（菱形布置）。

雖然部分專業人士對防火分隔水幕隔煙阻熱性能及影響因素等做了大量的研究以及對防火分隔水幕設計方法進行了推導，但仍存在大量的問題有待進一步試驗，以及需對防火分隔設計方法進一步探索。主要體現在一下幾個方面。1）下垂型噴頭與梁之間的間隙寬度對隔煙阻熱性能的影響;2）采用水幕噴頭時，尋求氣流對水幕破壞條件及單排水幕最優噴水寬度;3）采用水幕噴頭時，探索防火分隔水幕的計算方法。

參考文獻：

[1] ? 王輝.高大空間大型水幕系統防火分隔效果試驗研究[J].消防技術與產品信息，2014，（6）：9-13.

[2] ? 李濤，謝瑋，蘇紫敏，李嘉鈺，王飛，張玉春，蘇永棟.受限空間水幕隔熱阻煙性能的試驗研究[J].中國安全生產科學技術，2016，12（12）：154-159.

[3] ? 仲晨華，孫洪江，梁俊，龍寅，殷沐德.水幕防火分隔的試驗研究[J].海軍工程大學學報，2005，17（3）：47-51.

[4] ? 楊丙杰，倪照鵬，尹亮，劉鑫，李毅，于東興，韓光.水幕系統防火分隔性能試驗研究[J].消防科學與技術，2017，36（10）：1382-1384.