醫院建筑高壓細水霧滅火系統設計分析

黃 慧

(安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

細水霧是水在最小設計工作壓力下，經噴頭噴出并在噴頭軸線下方1.0 m處的平面上形成直徑Dv0.50<200 μm，Dv0.99<400 μm的水霧滴。作為一種清潔高效的滅火劑，被應用于撲救可燃固體表面火災、可燃液體火災和帶電設備的火災[1]。細水霧滅火系統的滅火機制主要為冷卻、窒息及衰減熱輻射。在現有消防滅火技術中，細水霧滅火技術因其環保節能、滅火效率高的特點，被大量應用在數據機房、油浸變壓器配電房、檔案庫(館)、城市管廊、飛機庫煤油池等場所。本文結合工程實例，在相關規范及標準的基礎上，從細水霧的滅火特點出發，對細水霧滅火系統設計進行分析和探討。

1 細水霧滅火系統與氣體滅火系統的比較

高壓細水霧滅火系統以水作為滅火劑，氣體滅火系統以惰性氣體、化學藥劑作為滅火劑，兩種滅火系統實際應用場所存在重疊。在《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)(2018年版)第8.3.9條規定了使用氣體滅火系統的場所，同時指出了可采用細水霧滅火系統代替的幾個應用場所。表1對比了幾種常見的氣體滅火系統與高壓細水霧滅火系統的特點。

表1 高壓細水霧滅火系統與常用的氣體滅火系統對比表

1.1 滅火機制對比

高壓細水霧：水在溫度變化和相變過程中需要吸收大量熱，因此高壓細水霧具有較好的吸熱冷卻能力；水經過噴嘴的高壓環境霧化，體積膨脹，降低氧氣濃度，起到隔氧窒息的作用；細水霧覆蓋燃燒物表面，阻斷熱輻射的傳遞，同時對于燃燒的煙塵具有黏合作用，可吸收一部分空氣中的廢氣煙塵，起到清潔的效果。

七氟丙烷：七氟丙烷屬于鹵代烷類物質，滅火機制是物理過程與化學反應的結合，與燃燒過程中的連鎖反應產生的H+、HO-、 O2活性游離基發生氣相反應，阻斷燃燒，產生大量氫氟酸，降低氧氣濃度。

IG541：IG541由 52%氮氣(N2)，40%氬氣(Ar)和 8%的二氧化碳(CO2)組成，滅火機制為產生大量惰性氣體充斥防護空間，從而降低防護區的氧氣濃度，起到窒息滅火的作用。當防護區中的氧氣降至15%以下時，大部分可燃物將停止燃燒。

綜上所述，高壓細水霧滅火系統因其多種方式滅火機制多樣化，具有環境清潔、人員安全、滅火效率高等特點。

1.2 安全性、適用性及經濟型對比

安全性：高壓細水霧、IG541均不破壞臭氧層，也不產生溫室效應，具有清潔環保的特點。但IG541中8%的CO2的含量，導致在系統設計中，對于有人員工作的場所限制設計濃度為43%，人員撤離時間限制為3min。相較而言，七氟丙烷滅火系統不破壞臭氧層，但溫室效應明顯，產生的氫氟酸對設備具有腐蝕性，對人的呼吸道具有刺激性。環保安全性上高壓細水霧滅火系統優于IG541優于七氟丙烷。

適用性：從表1可看出，三種滅火劑的應用場所基本一致，滅火類型較多。但從輸送距離上，高壓細水霧滅火系統由于其管道輸送高壓水的特點，輸送距離具有明顯優勢，適應性更廣。

經濟性：噴頭是高壓細水霧滅火系統的核心組件，管網采用不銹鋼管材，造價高，需要配合泵組、電氣聯動系統的建設，初期投資較大。IG541的初期投資取決于防護區的設置，防護區多，氣瓶組數量多，造價較高。七氟丙烷藥劑價格昂貴，初期投資也取決于防護區，對于小規模的系統，七氟丙烷的初期投資小于高壓細水霧和IG541，對于較大規模的系統，七氟丙烷的無初期投資優勢[2]。

系統投入使用后，高壓細水霧滅火系統管網系統維護費用小。IG541滅火系統氣體儲瓶的檢驗維修費較高壓細水霧滅火系統高。七氟丙烷藥劑昂貴，定期更換維護費用高。

2 高壓細水霧滅火系統在醫院建設項目中的應用

2.1 項目概況

某正在建設的三級甲等綜合醫院。項目總建筑面積約43萬m2，床位數1900床，一條東西向市政道路將項目用地分為南北兩個地塊。醫院的門診、治療區設置貴重醫療設備用房如CT室、核磁共振和直線加速器等房間、醫療檔案庫、信息化機房等。根據《建筑設計防火規范》(GB50016-2018)8.3.9條的規定，特殊重要設備室應設置自動滅火系統，可選擇氣體滅火系統或高壓細水霧滅火系統。

2.2 自動滅火系統的選擇

針對超大規模醫療建筑，在選擇自動滅火系統時，需重點考慮以下因素：

(1) 此類特殊設備房間在本項目的分布較廣，分散在不同單體的不同樓層內。按照一個功能房間一個區域統計，北區共有35個房間、南區共有30個房間需設置自動滅火系統。

(2) 醫院內的此類特殊設備房間基本都安裝有貴重的醫療設備，具有醫療診斷功能，為醫務人員和病患經常活動的區域。其余的房間為病案庫、UPS室及弱電機房等。

(3) 醫院的此類特殊設備房間，因考慮輻射因素，房間門、墻壁有圍護要求。氣體滅火系統要求設置泄壓口，對空間完整性存在破壞可能。

(4) 該項目規模較大，初期投資和后期維護費用應統籌考慮。

綜合上述的四點因素，和本文第1條的分析比較，從建設規模和人員設備安全角度，首先排除七氟丙烷滅火系統。從投資和維護角度，IG541滅火系統和高壓細水霧滅火系統的建設費用均較大，但高壓細水霧系統后期維護方便、維護成本較小，優于IG541。從防護區的分布，由于IG541與七氟丙烷都有傳輸距離的限制，分散的功能布局增加了系統的鋼瓶數量和設備房間，對于醫療建筑整體功能實現存在不利影響。因此，本項目選用高壓細水霧滅火系統作為特殊設備房間的消防保護措施。

2.3 系統形式和適用場所

細水霧的系統形式及適用場所見表2 。《規范》第3.1.3條做了如下規定：液壓站，配電室、電纜隧道、電纜夾層，電子信息系統機房，文物庫，以及密集柜存儲的圖書庫、資料庫和檔案庫，宜選擇全淹沒應用方式的開式系統。

表2 系統形式及使用場所

本工程采用開式全淹沒滅火系統，采用泵組進行加壓供水。

其中開式系統又分為兩種形式：全淹沒滅火系統(向整個防護區內噴放細水霧，保護其內部所有保護對象的系統應用方式)和局部應用方式(向保護對象直接噴放細水霧，保護空間內某具體保護對象的系統應用方式)。

2.4 防護區的劃分

《細水霧滅火系統技術規范》(GB 50898—2013，以下稱《規范》)第3.4.5條有如下要求：用全淹沒應用方式的開式系統，其防護區數量不應大于3個。單個防護區的容積，對于泵組系統不宜超過3 000 m3，對于瓶組系統不宜超過260 m3。當超過單個防護區最大容積時，宜將該防護區分成多個分區進行保護，并應符合下列規定：

(1) 各分區的容積，對于泵組系統不宜超過3 000 m3，對于瓶組系統不宜超過260 m3；

(2) 當各分區的火災危險性相同或相近時，系統的設計參數可根據其中容積最大分區的參數確定；

(3) 當各分區的火災危險性存在較大差異時，系統的設計參數應分別按各自分區的參數確定；

此項規定對防護區的個數和體積進行了限制，但是同時引入防護分區的概念。對2、3款的解讀可知，每個房間作為一個防護分區，設置一個開式閥箱進行控制；分區內的火災危險性可相同，也可存在差異。這讓系統控制的范圍擴大，節省了泵組的數量，從而降低造價。本工程以南、北地塊為單位，分別采用兩套泵組，每套泵組服務于各自地塊的高壓細水霧滅火系統，以南地塊為例，分區見表3。

表3 高壓細水霧滅火系統分區與設計參數

2.5 設計參數的確定

根據《規范》第3.4.4條的要求，采用全淹沒應用方式的開式系統，其噴霧強度、噴頭的布置間距、安裝高度和工作壓力，可根據噴頭的安裝高度按《規范》表3.4.4確定系統的最小噴霧強度和噴頭的布置間距。根據防護分區保護面積以及防護分區噴頭數量按照根據式(1)可校核最小噴霧強度是否滿足《規范》表3.4.4的要求。最小噴霧強度演算數據見表3，在流量系數K=1，噴頭工作壓力為10 MPa，噴頭布置間距≤3 m的情況下，防護分區內的最小噴水強度均能滿足規范的要求。

(1)

從表3中可看出，系統最大流量防護區為骨科樓變電所2，共55只噴頭，設計流量根據式(2)計算得550 L/min。

(2)

由表3可看出，對于相同的流量系數取值，系統的噴霧強度較《規范》表3.4.4的數值大，此處可按照式(1)對噴頭的流量系數進行優化，從而優化系統流量和泵組參數。不同流量系數的噴頭在工作壓力為10 MPa的情況下，對應的噴頭流量見表4。以骨科變電所1為例，按照規范最小噴霧強度為1.2 L/(min·m2)，噴頭工作壓力為10 MPa，在保護面積為306 m2，噴頭數量為53個的條件下，可算出噴頭的流量為6.9 L/min，同時可根據式(1)算出或根據表4得出噴頭的流量系數最小為0.7。噴頭是細水霧滅火系統的核心技術，通過優化計算，可提高系統設計的經濟性。

表4 常見噴頭10 MPa工作壓力下噴頭流量系數與流量的對應關系

《規范》第3.4.8條規定開式系統的設計響應時間不應大于30 s；第3.4.9條對設計持續噴霧時間做出規定：用于保護電子信息系統機房、配電室等電子、電氣設備間，圖書庫、資料庫、檔案庫，文物庫，電纜隧道和電纜夾層等場所時，系統的設計持續噴霧時間不應小于30 min。系統儲水箱的設計有效容積按式(3)計算，可得V=16.5 m3。

V=QS·t

(3)

2.6 高壓細水霧滅火系統的控制

《規范》規定，泵組系統應具有自動、手動控制方式，開式系統為了減少火災探測器誤報引起的誤動作，要求設置兩路獨立回路的火災探測器以確認火災的真實性。本項目采用自動控制、手動控制及機械應急操作三種方式。系統工作原理如圖1所示。

圖1 開式細水霧滅火系統工作原理圖

有工程實例提出了單個功能房間作為防護分區,并以滿足系統響應時間的管道長度來確定防護區規模的設計思路[3]，防護區設置開式分區控制閥，在每個防護分區設置開式區域控制閥，利用第一路探測器聯動開式分區控制閥，當接收到第一路探測器報警時，開啟分區控制閥，對閥后管道預充水，當接收到第二路探測器報警時，開啟區域控制閥，向噴頭供水。這種控制方式，在防護區、防護分區合理劃分的基礎上，滿足了規范減少系統誤動作的要求，使充水管道長度減少，同時對分區閥組設置位置、管道沖水時間滿足規范要求的系統響應時間提出較高要求，對工程設計有一定的借鑒意義。

3 結束語

高壓細水霧滅火系統由于環保清潔、滅火效率高、系統適應性廣等特點，可選做大型綜合醫院貴重設備室的自動滅火系統。設計中，防護區的合理劃分，可減少泵組數量，提高工程的經濟性。確定系統參數時，要根據噴頭布置與噴頭流量系數校核防護區域內的噴霧強度，滿足《規范》中最小噴霧強度的要求。噴頭的流量系數可根據不同防護區的噴頭布置對應最小噴霧強度來確定，可優化系統參數，提高系統經濟性。