應急照明集中電源系統蓄電池組容量選擇探討

倪守雨

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

集中控制型消防應急照明和疏散指示系統主要造價,在于應急照明燈具及蓄電池設置的選擇。消防應急燈具按照蓄電池供電方式分類，可分為集中電源應急燈具和自帶電源應急燈具，設計時需對比兩種供電方式的優劣，根據工程實際情況合理選擇。在實際工程設計時，集中電源或燈具自帶蓄電池系統的容量(額定輸出功率)選型，主要目的在于選出既能滿足《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》GB51309-2018[1](以下簡稱“技術標準”)的規范要求，又不造成蓄電池容量的冗余設置。基此，本文結合《技術標準》進一步分析。

1 兩種集中控制型消防應急照明與疏散指示系統的比較

根據《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》(GB51309-2018)[1]，當采用集中控制型系統時，消防應急照明和疏散指示系統的組成分類如圖1所示。

圖1 集中控制型系統組成

根據對相關消防應急照明廠家產品的調查匯總，集中電源與自帶電源集中控制型系統比較，如表1所示。

“技術標準”[1]第3.2.4條中規定的應急照明持續工作時間不小于1.0h或1.5h的民用建筑，其應急照明蓄電池的持續工作時間較長，所需蓄電池容量較大。因此，當采用燈具自帶電源供電方式時，每個燈具蓄電池容量欲滿足要求，則需相應增大燈具體積，且應通過安全質量監督部門的檢測。

綜上所述：通過表1供電方式、系統可靠性、使用壽命、安全性和后期維護等幾個方面的分析比較，集中電源集中控制型系統均優于燈具自帶電源集中控制型系統；故當消防應急照明和疏散指示系統采用集中控制型系統時，在條件允許的情況下，建議優先采用集中電源供電方式。

表1 集中控制型消防應急照明和疏散指示系統比較

2 集中電源的設置要求

“技術標準”[1]第3.3.8條第1條款規定：當全樓集中電源設置在消防控制室等場所時，集中電源的額定輸出功率不大于5kW；當設置在電纜豎井或各防火分區配電間時，集中電源的額定輸出功率不大于1kW。

當采用集中控制型系統時，集中設置的集中電源應由消防電源的專用應急回路供電，分布設置的集中電源應由所在防火分區的消防電源配電箱供電，消防電源配電箱采用末端雙電源自動切換裝置。

根據系統的類型及規模，設計時一般在每個防火分區分布設置。并且，除考慮各回路燈具數量和功率外，還應核對各回路燈具功率總和是否滿足集中電源額定輸出功率不大于1kW的要求，若超出則應相應增設集中電源。同一個配電間內，原則上不設置2個以上的集中電源。設置多個集中電源時，應考慮配電間的大小及集中電源的散熱等問題。

3 每回路燈具數量和燈具總功率

根據“技術標準”[1]相關要求：A型應急照明配電箱的輸出回路不應超過8 路，每路容量不超過80%，電流不超過6A，即每路的額定電流不應大于4.8A，且每路配接的燈具數量不宜超過60個。

當采用DC24V供電時，每路的額定功率不應大于115.2W(Pe=U×I=24V×4.8A=115.2W)；當采用DC36V供電時，每路的額定功率不應大于172.8W(Pe=U×I=36V×4.8A=172.8W)。

表2為連接各相同功率大小的燈具各回路所能連接的最大燈具數量，實際工程項目應用中每回路燈具的數量應按該回路實際連接燈具組合的功率大小視情況確定。燈具總功率，為該防火分區中集中電源所接各回路上消防應急照明燈具和消防疏散指示標志的功率總和。

表2 不同功率燈具每回路燈具最大數量

4 供電時的蓄電池電源持續工作時間

(1)火災狀態

火災狀態下，系統應急啟動后，建筑物蓄電池電源供電所需的持續工作時間設為t1。

根據《建筑設計防火規范》GB50016-2014(2018年版)[3]第10.1.5條規定匯總，火災狀態下，蓄電池電源供電持續工作時間t1，如表3所示。

(2)非火災狀態

非火災狀態下，主電源斷電時的燈具持續應急點亮時間設為t2，“技術標準”[1]規定t2≤0.5h。根據國標圖集《應急照明與設計安裝》19D702-7[2](第82頁)，非火災狀態下，主電源斷電時，蓄電池電源供電時持續應急時間t2，如表3所示。

(3)蓄電池電源供電時持續工作時間t1+t2分析

住宅建筑為非人員密集場所，因考慮住宅上部疏散人員基本為本樓住戶，對疏散走道較為熟悉，且非火災狀態下，即使停電住戶一般不會離開住宅，所以時間t2可以適當取小，建議t2=10min；結合表3，國標圖集《應急照明與設計安裝》[2]對一類高層住宅建筑的持續工作時間t2作了適當的提升，t2推薦值取15min。

而住宅地下室，同一防火分區內汽車庫室任一點至最近人員安全出口的疏散距離不應大于45m，當設置自動滅火系統時距離不應大于60m[3]。因為汽車庫屬非人員密集場所，若火災時住戶在地下室，則可以在短時間內疏散至安全出口位置。所以，時間t2可以適當取小，建議t2=10min。

綜上，住宅建筑蓄電池電源供電時的持續工作時間t1+t2可歸納如表4所示。

表4 住宅建筑蓄電池電源供電時的持續工作時間

5 集中電源額定輸出功率計算

根據《民用建筑電氣設計規范》(JGJ16-2008)[4]第6.2.2條第3款和第6.3.3條第2款：消防應急照明和疏散指示系統集中電源當采用鉛酸蓄電池作為備用電源時，其額定輸出功率不應小于所連接的消防應急照明和疏散指示系統負荷總功率的1.3倍，即：

C=1.3Pe

(1)

式(1)中：

C——集中電源(UPS或EPS)的額定輸出功率(容量)，W；

Pe——集中電源各回路燈具的總功率之和，W；

集中電源的額定輸出功率除滿足以上要求外，還需綜合考慮集中電源蓄電池的連續供電時間要求。

集中電源蓄電池主要為鉛酸電池和鋰電池，因鋰電池的生產成本較高，產品價格貴，因此目前大多采用鉛酸蓄電池；影響蓄電池壽命的主要因素包括：蓄電池工作時的環境溫度、電池的衰減系數、蓄電池的定期強制性充放電循環，蓄電池組的標稱容量和實際后備時間非線性關系。

根據“技術標準”[1]配套實施指南《消防應急照明和疏散指示系統》[5]第3.7.1.4條：現有采用鎳氫、鋰離子蓄電池的集中電源容量在壽命期內的最大衰減系數d一般為50%～60%，采用鉛酸蓄電池的集中電源容量在壽命期內最大衰減系數d一般為60%～70%，本文蓄電池衰減系數取鉛酸電池d=60%，鋰電池d=50%。

集中電源蓄電池采用鉛酸蓄電池時，鉛酸電池衰減系數d取值60%，根據“技術標準”[1]配套實施指南《消防應急照明和疏散指示系統》[5]第3.7.1.4條，集中電源容量是其配接額定功率燈具時的持續應急時間；參照《消防應急照明和疏散指示系統》表3.7-2，可得：

P×T×(1-d)≈P2×(t1+t2)

(2)

根據《技術標準》第3.3.6條可得：

(3)

將式(3)代入式(2)可得：

(4)

(5)

式中：P——集中電源初裝額定配接功率W；

T——集中電源初裝應急時間1.5h；

P1——集中電源實際配接燈具總功率W；

P2——集中電源適配功率W；

t1+t2——集中電源蓄電池供電時的持續工作時間(h)。

通過以上公式計算可得：

t1+t2=0.667h(40min)時，P≈1.39P1；

t1+t2=0.75h(45min)時，P≈1.56P1；

t1+t2=1.167h(70min)時，P≈2.43P1；

集中電源的額定輸出功率C≥P；因市場上各消防應急照明生產廠家生產的集中電源額定輸出功率略有不同，設計時，集中電源的額定輸出功率(容量)需根據市場上相應的消防應急照明生產廠家產品規格選擇。

為了設計方便和實用性，根據上述公式推導，筆者繪制了一個EXCEL計算表(表5)。表中輸入集中電源所帶消防應急燈具的總功率P1(實際工程設計獲得值)、蓄電池的衰減系數d、蓄電池供電時的持續工作時間t1+t2、蓄電池初裝應急時間T等數值，可直接得出集中電源初裝額定配接功率P；在表格中選擇集中電源選型廠家,可查出相應廠家相應規格的集中電源的額定輸出功率(容量)。

表5 住宅建筑集中電源額定輸出功率C(W)Excel計算表

2.集中電源初裝應急時間為1.5h；

3.鉛酸電池衰減系數d=60%，鋰電池d=50%；

4.集中電源的容量根據具體消防應急照明生產廠家生產的集中電源型號規格確定。

通過調查，目前市場上消防應急照明生產廠家生產的分散式集中電源最大規格為1.0kW，即P=C=1000W，因此，根據式(5)，可得：

當t1+t2=0.667h(40min)時，集中電源所帶消防應急燈具的最大額定功率為P1≈0.720P=720W；

當t1+t2=0.75h(45min)時，集中電源所帶消防應急燈具的最大額定功率為P1≈0.64P=640W；

當t1+t2=1.167h(70min)時，集中電源所帶消防應急燈具的最大額定功率為P1≈0.412P=412W；

同理，根據《應急照明與設計安裝》(19D702-7)[2]第120～149頁相關技術資料，歸納匯總市場上部分品牌廠家集中電源的型號規格，對每組不同容量的集中電源所帶的消防應急燈具的總功率數值進行計算，并將其作為設計參考值，如表6～表9所示。

表6 住宅建筑分布式集中電源所帶消防應急燈具的最大功率P1(浙江臺誼) (W)

表7 住宅建筑分布式集中電源所帶消防應急燈具的最大功率P1(北京市崇正華盛) (W)

假設實際工程項目為二類高層住宅建筑上部，根據前文分析，其蓄電池供電時的持續工作時間為40min，集中電源蓄電池采用鉛酸蓄電池，蓄電池初裝應急時間為1.5h，求得上部某集中電源所帶的消防應急燈具總功率為450W，那么，根據表8，當參照沈陽宏宇選型時，集中電源額定輸出功率需選擇900W，即0.9kVA規格的集中電源。

6 實際工程應用

住宅地下室各防火分區或住宅上部配電豎井的集中電源容量為各回路消防應急照明燈具和消防疏散指示標志燈具的額定功率總和。

以某住宅地下室防火分區為例(某廠家的24V集中電源規格為0.20kVA、0.45kVA、0.9kVA)進行分析探討。

某住宅項目地下室局部集中控制型消防應急照明和疏散指示系統圖如圖2所示，地下一層防火分區一為機動車庫，梁下凈高不大于4.5m，采用A型燈具(電壓DC36V或DC24V)，D1FBALE為集中電源；P1(消防應急燈具的總功率)=∑P(D1FBE1～6)=307W。

當地下室總建筑面積不大于20 000m2時，蓄電池供電時持續工作時間t1+t2=40min，則將燈具總功率(P1=307W)輸入表5，可得如表10所示。

表10中，集中電源初裝額定配接功率為426W，集中電源的額定輸出功率為450W，可選擇集中電源的規格為0.45kVA。

圖2 地下室某車庫防火分區消防應急照明和疏散指示系統圖

當地下室總建筑面積大于20 000m2時，蓄電池供電時持續工作時間t1+t2=70min，則將燈具總功率(P1=307W)輸入表5，可得如表11所示。

表11中，集中電源初裝額定配接功率為746W，集中電源的額定輸出功率為900W，應選擇集中電源的規格為0.9kVA。

以某一類高層住宅建筑為例，該住宅建筑上部電井，中間樓層集中控制型消防應急照明和疏散指示系統，6F、12F為集中電源設置區域，梁下凈高不大于4.5m，采用A型燈具(電壓DC36V或DC24V)，6FBAE、12FBAE為集中電源,采用某廠家的集中電源規格為0.2kVA、0.45kVA、0.9kVA，如圖3所示。

表10 集中電源(D1FBAE)額定輸出功率P(W)(1)

表11 集中電源(D1FBAE)額定輸出功率P(W)(2)

圖3 一類高層住宅建筑上部局部樓層消防應急照明和疏散指示系統圖

那么，P16F(消防應急燈具的總功率)=∑P(6FBE1～8)=394W；P112F(消防應急燈具的總功率)=∑P(12FBE1～8)=264W。

一類高層住宅建筑蓄電池供電時的持續工作時間t1+t2=45min，將以上數據輸入表5，則可得表12～表13。

表12中，集中電源(6FBAE)初裝額定配接功率為615.6W，集中電源的額定輸出功率為900W，應選擇集中電源的規格為0.9kVA。

表13中，集中電源(12FBAE)初裝額定配接功率為412.5W，集中電源的額定輸出功率為450W，應選擇集中電源的規格為0.45kVA。

表12 集中電源(6FBAE)額定輸出功率P(W)

表13 集中電源(12FBAE)額定輸出功率P(W)

以上實例也可直接通過表6～表9相關數據選擇集中電源的額定輸出功率。

7 結論

綜上可見，集中控制型消防應急照明和疏散指示系統，按蓄電池的供電方式比較，集中電源明顯優于燈具自帶電源的供電方式。

集中電源蓄電池組容量(額定輸出功率)的合理選擇，是保證項目有序進行的重要環節，設計師在工程項目實際設計時，應充分考慮工程造價，在遵守國家規范的前提下，合理選擇系統供電方式和蓄電池容量。