住宅建筑消防應急照明和疏散指示系統設計

2021-12-23 11:18:00李宇飛

智能建筑電氣技術 2021年5期

楊皞，李宇飛

(中國建筑西南設計研究院有限公司，成都 610042)

0 引言

建筑發生火災威脅著人們的生命安全，特別是住宅建筑，發生火災的隱患較多，例如廚房用火操作不當，廚房使用的食用油加熱時間過長，無人看管極易發生自燃現象；裝修使用大量的易燃材料，遇火即燃；家用電器過量使用，導致電器開關過負荷運行，誘發火災等。消防應急照明和疏散指示系統的設置在火災時為人們的安全疏散提供保障。合理地選擇和布置消防應急照明和疏散指示燈具有利于人員的疏散和及時逃生。目前消防應急照明及疏散指示系統按照系統形式可分為4大類，分別是集中電源集中控制型、自帶電源集中控制型、集中電源非集中控制型和自帶電源非集中控制型。

本文通過梳理相關規范條文，對高層住宅中消防應急照明和疏散指示系統的類型、供電方式以及燈具種類進行分析。給出集中電源集中控制A型應急照明燈具系統的配電設計、燈具照度范圍及配電線路壓降計算，并以DC 24V應急照明燈具為例，對典型住宅項目的消防應急照明和疏散指示系統設計進行案例分析。

1 住宅建筑消防應急照明和疏散指示系統的方案確定

根據GB 50016-2014《建筑設計防火規范》(2018年版)、JGJ 242-2011《住宅建筑電氣設計規范》以及GB 50368-2005《住宅建筑規范》等相關規范條文對不同高度的住宅建筑的消防應急照明及疏散指示系統設計的相關要求可知，住宅建筑高度為27～54m的二類高層，需在疏散走道、樓梯間、前室或合用前室的公共區域設置應急照明，并宜設置疏散指示標志。住宅建筑高度大于54m的一類高層，應在公共區域設置應急照明和疏散指示標志。

1.1 住宅建筑消防應急照明和疏散指示系統的控制方式及燈具種類的確定

根據GB 50016-2014《建筑設計防火規范》(2018年版)、GB 50067-2011《地車庫、修車庫、停車場設計防火規范》、以及GB 50116-2013《火災自動報警系統設計規范》等規范對消防聯動設施以及消控室設置的相關要求可得，住宅建筑高度大于33m時，需要設置消防電梯(屬于需要聯動控制的消防設施)，因此建筑高度為33～54m的二類高層及大于54m的一類高層均需要設置消防控制室。建筑高度為27～33m的二類高層住宅小區，即使可以不設置消防電梯，但由于配套建設的地下車庫停車位數量一般都不小于10輛，根據GB 50067-2014《地車庫、修車庫、停車場設計防火規范》第7.2.1條規定，需要設置自動滅火系統。對于住宅建筑，該系統一般為自動噴水滅火系統，且消防水池一般設于地下室。為了保證消防系統供水的可靠性，通常會設置配套的消防水泵。因此，也需要設置消防控制室以滿足消防水泵的控制要求。

依據GB 51309-2018《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》可知，設置消防控制室的場所應選擇集中控制型的消防應急照明和疏散指示系統。考慮到大部分住宅建筑場所高度小于8m，應選擇A型燈具。

因此，本文建議建筑高度不小于27m的住宅建筑采用集中控制型消防應急照明和疏散指示系統，并應采用A型燈具。

1.2 住宅建筑消防應急照明和疏散指示系統的供電方式的確定

消防應急照明和疏散指示系統中燈具的電源由主電源和蓄電池電源組成。蓄電池電源可以采用兩種供電方式：集中電源供電方式和燈具自帶蓄電池供電方式。蓄電池的質量及壽命周期是影響兩種供電方式的主要因素。

以某個33層住宅小區(共計4棟同樣的住宅樓)為例，住宅塔樓共有消防應急照明和疏散指示燈具3 300個(其中5W疏散照明燈660個，3W疏散照明燈792個，1W疏散標志燈1 848個)，分別采用集中電源供電和自帶蓄電池供電系統的對比如表1所示。

4棟住宅塔樓的消防應急照明和疏散指示系統的兩種供電方式的對比表1

燈具采用集中電源時，當蓄電池出現故障或達到使用壽命周期時，蓄電池集中設置有利于人員的檢修、維護與更換，但是蓄電池的集中設置會擴大故障的影響范圍。燈具采用自帶蓄電池時，由于蓄電池隨燈具分散設置，不利于人員的檢修與更換，但是自帶蓄電池燈具的故障僅影響該燈具的正常工作，影響范圍較小。綜上所述，結合表1，并從后期維護檢修方便、節約成本等多重因素考慮，建議高層住宅建筑采用集中電源集中控制型消防應急照明及疏散指示系統。

1.3 住宅建筑消防A型應急照明兼做普通照明的可行性分析

利用DIALux軟件對樓梯間普通照明照度進行模擬仿真，結果如圖1所示。本次模擬仿真采用某主流品牌的20W吸頂LED熒光燈，光通量為1 800lm。照度的計算區域為半層平臺處及樓梯中間踏步，半層平臺平均照度計算結果為51lx，樓梯中間踏步平均照度計算結果為35lx。

圖1 樓梯間平均照度圖

A型應急照明燈具是主電源及蓄電池電源額定工作電壓均不大于DC 36V的消防應急燈具。如采用此類燈具兼做普通照明，目前的主流做法是消防應急照明燈配置聲或紅外、雷達人體動感傳感器，取代正常照明燈具；正常狀態下燈具不亮，當收到感應時，燈具維持30～60s的高功率點亮狀態后自動熄滅。在高功率點亮狀態下，燈具功率可達到12～18W，光通量一般可達到1 000～1 800lm，此時可以保證滿足地面平均照度的規范標準。

(1)基于開關電源特性分析A型應急照明兼做普通照明的可行性

A型應急照明系統兼做普通照明時，其配電箱接線圖如圖2所示。220V交流電需通過配電箱內的開關電源轉換成DC 24V/36V直流電，給消防應急照明燈具供電。因此開關電源的特性將直接影響應急照明供電可靠性。

圖2 A型應急照明配電箱接線示意圖

開關電源工作時的發熱是影響其工作狀態的主要因素。當開關電源處于高負荷工作狀態的同時又面臨高功率燈具啟動的浪涌電流，極易產生過負荷保護關斷現象。若開關電源關斷進行自我保護，普通照明和應急照明都不能正常工作，將造成巨大的安全隱患。同時開關電源的引入，導致配電箱成本較普通照明配電箱成倍(約10倍左右)增加。

當消防應急照明燈兼做正常照明時，燈具需要經常處于高功率點亮狀態，此時整個照明系統的負荷會經常處于較高狀態，風扇需要間歇性運行。對于電氣豎井或配電小室而言，也需要采取一定的外部散熱措施來保證系統的穩定運行。

總之，當消防應急照明燈兼做正常照明時，風扇壽命、豎井或配電小室散熱措施、開關電源高熱狀態、燈具感應啟動沖擊及燈具經常性高熱對蓄電池影響均是設計必須處理的因素。否則這種兼做模式很難保證整個系統的穩定性。

(2)基于施工成本及運行維護分析A型應急照明兼做普通照明的可行性

從施工成本經濟性的角度來看，A型應急照明兼做普通照明時，雖然管線及安裝成本降低，但由于兼做普通照明需滿足普通照明的照度要求，燈具及相關設備的數量需求明顯增多，燈具及設備的成本顯著增加，從而導致A型應急照明兼做普通照明方案的總成本并不會比兩種照明系統分開設計的方案低。

從運行維護的角度來看，照明系統包含了開關電源、通信模塊等復雜元器件，需配套廠家的專業維修人員進行維護和檢修。若A型應急照明兼做普通照明，當照明系統出現故障時，普通照明和應急照明將同時斷電，對住宅業主生活也造成了較大的困擾。當普通照明系統(主要由斷路器及普通照明燈具構成)獨立設計時，即使其出現故障，非專業維修人員(物業電工等)可及時處理，提高了普通照明系統的故障檢修效率。

綜上所述，一般情況下，不建議采用集中控制型A型消防應急照明燈具兼做普通照明的形式。

2 A型應急照明燈具系統的配電設計、燈具照度范圍及配電線路壓降計算

2.1 A型應急照明燈具系統的配電設計

依據GB 51309-2018《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》的相關規定，配接燈具的額定功率總和不應大于配電回路額定功率的80%；A型燈具配電回路的額定電流不應大于6A；A型應急照明配電箱或集中電源的輸出回路不應超過8路。目前A型應急照明燈具的電壓規格主要有DC 24V和DC 36V兩種。根據上述規范要求，實際每臺集中電源可配接的燈具最大容量如表2所示。

DC 24V和DC 36V 的A型應急照明燈具特性表2

2.2 A型應急照明燈具的照度范圍計算

地面任意一點的水平照度范圍的計算公式如式(1)所示。

(1)

式中，Eθ為燈具正下方的地面水平照度，lx；Iθ為燈具至該點照射方向的光強，cd；R為燈具至計算點的距離，m；θ為地面通過光源的法線與入射光線的夾角，如圖3所示。

圖3 燈具照度示意圖

參照《消防應急照明和疏散指示》附錄A，A型應急照明燈具的等照度計算表如表3～4所示。

A型應急照明燈具的等照度半徑表(3W燈具) 表3

A型應急照明燈具的等照度半徑表(5W燈具) 表4

2.3 A型應急照明燈具系統配電線路壓降計算

直流線路采用負荷矩來計算壓降，公式如式(2)所示。

(2)

式中，Δu%為線路電壓損失百分數；P為有功負荷，kW；l為線路長度，km；S為線芯標稱截面，mm2；C為功率因數為1時的計算系數。

以DC 24V的A型應急照明燈具系統為例，配電線路一般采用銅芯導線，導線截面積為2.5mm2。由于配接燈具的額定功率總和不應大于配電回路額定功率的80%，則每個回路的有功負荷為：

(3)

式中，U為系統電壓，V；I為回路的額定電流，A；相關參數詳見表2。

根據GB 50034-2013《建筑照明設計標準》第7.1.4條要求，照明燈具的端電壓壓降不得超過5%，即Δu%≤5%，由式(2)可得配電線路長度限值為：

(4)

依據上述分析可得，配電回路長度控制在160m范圍內可滿足壓降要求，保證燈具的正常啟動。住宅建筑中，樓梯間應急照明燈具一般采用5W燈具豎向配電，配電線路較長。由于一般住宅建筑高度小于100m，且每個回路最大可接容量為115.2W(以DC 24V為例)，每個回路最多可帶燈具數為115.2/5≈23盞。若每層一盞燈具，一個豎向配電回路最多可帶23層，考慮到住宅建筑層高一般為3m，則樓梯間內一個豎向配電回路的供電長度最多為3×23=69m<162.7m，滿足規范的壓降要求。

3 集中電源集中控制型系統的典型住宅項目案例分析

以DC 24V集中電源集中控制型應急照明燈具為例，對典型住宅項目的燈具布置、配電回路設置進行分析。典型住宅項目的設置如下：住宅建筑每層高度為3m，前室、走道、電梯廳等區域(以下簡稱“公區”)燈具安裝高度為2.4m，樓梯間燈具安裝高度為3m。

DC 24V 集中電源集中控制型應急照明和疏散指示燈具圖例表5

由上文可知，A型應急照明燈具配電回路的額定電流不大于6A，集中電源的輸出回路不超過8路。根據GB 51309-2018《消防應急照明和疏散指示系統技術標準》的相關規定，住宅建筑樓梯間、前室地面水平最低照度不小于5.0lx，公區走道地面水平最低照度不小于1.0lx。結合安裝高度、照度要求以及表3～4，5.0lx照度區域采用5W應急照明燈具，公區走道采用3W應急照明燈具，疏散指示標志燈具均為1W。圖例如表5所示，具體案例分析如下所述。