高大空間建筑自動滅火系統設計探討

林小輝，張 騫，張棟喆，燕 博

(西安建筑科技大學設計研究總院有限公司,陜西 西安 710055)

0 引言

高大空間建筑具有可燃物品種類多、火災危險性大等特點,及時控制、撲滅初期火災,防止其蔓延擴大,對消防安全至關重要。根據現行規范、技術標準,可用于高大空間建筑自動滅火的技術措施有:雨淋系統、大空間智能型主動噴水滅火系統、自動噴水滅火系統、自動跟蹤定位射流滅火系統等[1]。其中,雨淋系統因水量大、滅火針對性差、造價高等原因,除了規范要求必須設置雨淋系統的某些特定場所外,在其他高大空間建筑中并不多見。大空間智能型主動噴水滅火系統目前沒有國家統一標準,相關產品標準也不統一,設計人員對該系統的設計比較困惑,另外兩種自動滅火系統在實際工程中的應用則較為廣泛。本文擬對自動噴水滅火系統和自動跟蹤定位射流滅火系統的選擇和設計要求進行分析探討,希望為高大空間建筑自動滅火系統的設計提供參考。

1 高大空間建筑自動滅火系統的選擇

1.1 根據凈空高度選擇

新版GB 50084—2017自動噴水滅火系統設計規范(以下簡稱“噴規”)將民用建筑高大空間場所噴頭的布置高度由8 m～12 m提高到了8 m～18 m,并明確了8 m～18 m民用和工業建筑高大空間場所采用濕式自噴系統的噴水強度、作用面積及噴頭類型等設計參數。GB 51427—2021自動跟蹤定位射流滅火系統技術標準(以下簡稱“自規”)適用于“凈空高度大于12 m及凈空高度大于8 m且不大于12 m,難以設置自噴系統的民用建筑和丙類生產車間、丙類庫房”。由此可見,8 m～18 m范圍內的高大凈空場所自動滅火系統,既可以選用“自噴系統”,也可以選用“自動跟蹤定位射流系統”。

GB 50016—2014建筑設計防火規范(2018版)(以下簡稱“建規”)規定:“難以設置自動噴水滅火系統的高大空間場所”才設置其他自動滅火系統。雖然“自規”對于凈空高度大于12 m的高大空間場所中自動滅火系統的選擇并沒有“難以設置”這個限制條件,但“自噴系統”具有簡單可靠、技術成熟、控制方便等優勢[2],所以建議優先設置“自噴系統”,只有在采用玻璃采光頂棚或是因曲面吊頂導致噴頭無法固定等難以設置“自噴系統”的高大空間場所,才考慮設置“自動跟蹤定位射流系統”。

1.2 根據滅火裝置性能特點和建筑空間效果選擇

“自規”根據單個滅火裝置的流量、出流方式將其分為自動消防炮滅火系統、噴射型自動射流滅火系統、噴灑型自動射流滅火系統3種類型(以下簡稱“水炮型”“射流型”“噴灑型”),具體選型既要考慮火災危險等級、環境條件、凈空高度、保護區域平面尺寸等因素[3],還應結合3種滅火裝置的性能特點和建筑空間效果進行選擇。表1為自動跟蹤定位射流滅火系統各種滅火裝置的性能特點。

表1 各種滅火裝置的性能參數

“噴灑型”類似于“自噴系統”的大流量噴頭,適用于面源火災場所,一般安裝在保護場所的正上方。若安裝位置過高,水霧飄損導致噴水強度降低,影響滅火效果,故限定安裝高度和凈空高度均不超過25 m。“水炮型”和“噴射型”水流為射流型,適用于點源火災,可以在保護場所的正上方懸空安裝,也可以在側墻、柱子上安裝,只要在水柱的保護半徑范圍內即可,設置場所的凈空高度不限。因此,首先從凈空高度方面考慮,對于小于25 m的場所,3種滅火系統都可以使用;對于大于25 m的場所,只能選擇“水炮型”和“噴射型”滅火系統。其次,從表1可以看出,“水炮型”系統的額定工作壓力、額定流量及最大保護半徑均整體最大,“噴灑型”系統的相關參數最小。從經濟性方面考慮,候車廳、展廳等大跨度場所,只有“水炮型”系統才能以較少數量的滅火裝置滿足使用要求,而中庭等保護面積較小的場所,設置“噴射型”裝置完全可以達到保護效果。如圖1所示,富平縣體育館活動場地及觀眾席區域范圍約121 m×82 m,最大凈空高度約為19.8 m,內部為無柱空間,頂部為網架結構,設計選用自動消防炮滅火系統,單臺流量20 L/s,工作壓力1.0 MPa,保護半徑42 m,系統設計流量40 L/s。消防炮吊裝于網架下,安裝高度約19 m。

2 自動滅火系統的設計流量

2.1 自動噴水滅火系統的設計流量

自動滅火系統的設計流量對于保證系統可靠、安全運行十分重要。自動噴水滅火系統的設計流量應滿足噴水強度、作用面積的要求,按最不利點處作用面積內噴頭同時噴水的總流量確定[4]。在高大空間場所布置成3 m×3 m噴頭間距,支管為DN50不變徑管網,最不利噴頭壓力為0.1 MPa,通過特性系數法計算,并考慮安全性、經濟合理性,各種情況下設計流量見表2。

表2 自動噴水滅火系統設計流量

2.2 自動跟蹤定位射流滅火系統的設計流量

“噴灑型”系統的設計流量計算與“自噴系統”類似,根據保護場所的噴水強度、作用面積及開啟的滅火裝置數量共同確定。在輕危險級場所的設計流量為20 L/s～30 L/s,在中危險Ⅰ級場所的設計流量為30 L/s～45 L/s(單臺裝置流量為5 L/s)或30 L/s～50 L/s(單臺裝置流量為10 L/s),在中危險Ⅱ級場所的設計流量為40 L/s～60 L/s。若保護場所的面積不足300 m2,則根據單臺裝置流量與同時開啟的滅火裝置數量乘積確定。

“水炮型”和“射流型”單臺裝置保護面積較大,一旦故障,影響嚴重,故“自規”從消防冗余設計的角度規定:“水炮型”和“射流型”滅火系統應至少有2股水柱可以到達被保護區域的任一部位,其設計流量按同時開啟的滅火裝置的流量之和計算。“水炮型”系統用于民用建筑時的最小設計流量為40 L/s,用于工業建筑時的最小設計流量為60 L/s;“噴射型”系統在輕危險級場所的最小設計流量為10 L/s,在中危險級場所的最小設計流量為20 L/s。

2.3 合用系統的設計流量

對于一個防火分區同時設有“自噴系統”和“自動跟蹤定位射流系統”的情況,應結合具體場景分析是否同時作用,以確定系統設計流量。

1)同一防火分區設置“水炮型”系統與“自噴系統”的設計流量。按“自規”要求,“水炮型”系統的消防主泵及供水管網應獨立設置,任何情況下兩個系統的設計流量均分別取值,只是在兩個系統同時作用時,一次滅火用水量按兩者之和疊加計算;反之,一次滅火用水量按大值計算。若“水炮型”裝置布置不受縱向障礙物遮擋影響,“自噴系統”的保護范圍完全在“水炮型”裝置的保護半徑內,火災發生時“水炮型”裝置快速精確定位噴水滅火,臨近噴頭的熱敏元件未到達爆裂溫度,自噴系統不會啟動,這種情況下的一次滅火用水量按“水炮型”系統的設計流量進行計算;若“水炮型”裝置布置受縱向障礙物遮擋影響,且火災發生在兩個系統的邊界處,初期火災未能及時撲滅且向外部發展時,自噴系統會繼續啟動,此時“自噴系統”與“水炮型”系統會同時動作,一次滅火用水量按兩者之和的最不利情況計算。

2)同一防火分區設置“射流型”系統與“自噴系統”的設計流量。“噴射型”“噴灑型”系統宜獨立設置消防水泵及供水管網,在實際工程設計中,特別是針對設備用房無法擴容的改擴建項目,為了節約成本,將“噴射型”“噴灑型”系統與“自噴系統”共用消防水泵及供水管網也是滿足規范的。當兩個系統同時作用時,設計流量、一次滅火用水量應滿足兩個系統同時作用的要求。反之,滿足較大一個系統使用的要求即可。“噴射型”裝置的動作特點與“水炮型”類似,只是額定流量、額定壓力及保護半徑較小,其與“自噴系統”同一防火分區同時作用時,設計流量計算方法相同。

3)同一防火分區設置“噴灑型”系統與“自噴系統”的設計流量。“噴灑型”與“自噴系統”合用時,若按上述方法,將兩者的設計流量疊加計算,則計算作用面積為460 m2。兩種系統在同一保護區域同時作用時,滅火效果是相互輔助的,任何一個系統動作,都會減少另一個系統噴水裝置的啟動數量。對于凈空高度不大于8 m的場所,“噴灑型”與“自噴系統”對應火災危險等級的噴水強度相同,作用面積分別為300 m2,160 m2。對于凈空高度介于8 m～18 m的場所,“自噴系統”的噴水強度大于“噴灑型”系統的噴水強度,所以既要滿足“噴規”和“自規”對作用面積及噴水強度的要求,又要考慮“噴灑型”裝置會同時啟動的實際情況,可以將“自噴系統”以160 m2作用面積計算出自噴的設計流量Q1,然后以300 m2(不足300 m2按實際面積)與160 m2面積之差和噴水強度計算出“噴灑型”系統的設計流量Q2,并結合單臺滅火裝置的流量q來取整確定最大啟動數量N2,以同時啟動滅火裝置的流量作為“噴灑型”系統的設計流量Q3,最后將兩種系統的流量疊加計算即為設計流量Q。如圖2所示,某酒店大堂(h=20 m,中危險Ⅰ級)面積為124 m2,“自噴系統”的設計流量Q1=26 L/s,“噴灑型”系統的設計流量Q2=(300-124)×6/60=18 L/s,單臺滅火裝置的流量q=10 L/s,則N2=18/10=1.8,取整為2臺,Q3=10×2=20 L/s,則一次滅火流量為Q=Q1+Q3=26+20=46 L/s,取50 L/s。

3 穩壓泵的設計流量和設計壓力

3.1 穩壓泵的設計流量

穩壓泵的設計流量和設計壓力決定著臨時高壓消防給水系統的供水可靠性和合理性。GB 55026—2022消防設施通用規范(以下簡稱“通規”)規定穩壓泵的設計流量不應小于臨時高壓消防給水系統管網的泄流量,以確保系統始終處于充滿有壓水的狀態,同時應小于管網泄流量與水力最不利點處一個滅火單元的最小出流量之和[5],以防止消防主泵不能及時啟動。系統的泄漏量與管材類型、連接方式、施工條件、系統工作壓力及系統設計流量有關,且這些影響因素一般難以具體量化。“自規”在滿足“通規”強制性要求的前提下,規定穩壓泵的流量宜為1 L/s～5 L/s,考慮到“自動跟蹤定位射流系統”的管網容量一般較小,建議穩壓泵的流量取1 L/s～2 L/s。《消防給水及消火栓系統技術規范》規定消防給水系統穩壓泵流量為系統設計流量的1%～3%,且不宜小于1 L/s,建議按上限取1.5 L/s～2.5 L/s,這樣既滿足設計、調試的要求,也有利于未知風險的控制。反之如果取下限,可能會導致穩壓泵頻繁啟動,縮短穩壓泵和電機的使用壽命,同時也可能因補水流量小于泄流量,導致消防主泵誤動作。“自動跟蹤定位射流系統”與“自噴系統”合用時,穩壓泵流量取2 L/s～3 L/s,可滿足泄漏量及自動啟動的要求。

3.2 穩壓泵的設計壓力

自動滅火系統完全依靠系統自身的能力發現、撲救火災,所以需要時刻處于臨戰狀態,其穩壓裝置應提供設施開啟所需的壓力。“噴規”規定,當臨時高壓自動噴水滅火系統高位消防水箱最低水位不能滿足最不利點噴頭的工作壓力時,應設增壓穩壓設施,穩壓泵的揚程應滿足最不利點噴頭的工作壓力;同樣,“自規”也指出,自動跟蹤定位射流系統的穩壓泵供水壓力應保證最不利點滅火裝置的設計工作壓力。所以,自動滅火系統穩壓泵的設計壓力并不是要滿足最不利點準工作狀態時靜水壓力大于0.15 MPa,而是應滿足系統最不利點滅火裝置的設計工作壓力。這樣相當于系統時刻處于穩高壓狀態,有利于主泵及時啟動。不同滅火裝置的工作壓力應根據系統設計進行選擇。穩壓泵的設計壓力P0與消防主泵壓力P、消防主泵零流量時出口壓力Pmax、高位水箱最低水位與最不利點滅火裝置的安裝高度只差H1、最不利點滅火裝置的設計工作壓力P2的關系見表3。

表3 穩壓泵設計壓力

4 結語

對于8 m～18 m的高大空間建筑,優先采用自動噴水滅火系統,只有當設置困難的情況下,才考慮采用自動跟蹤定位射流滅火系統;對于18 m以上的高大空間建筑,可根據自動跟蹤定位射流滅火裝置的性能特點和建筑空間效果進行選擇,若凈空高度小于25 m的場所,3種滅火系統都可以使用,若大于25 m的場所,只能選擇“水炮型”和“噴射型”滅火系統。在實際工程設計中,多種影響因素和條件是交織在一起的,需要綜合考慮來選擇。

對于一個防火分區同時設有“自噴系統”和“自動跟蹤定位射流系統”的情況,應結合管網設置情況及具體場景分析是否同時作用,以確定系統設計流量。同一防火分區設置“水炮型”系統與“自噴系統”時,各系統的設計流量均分別取值。同一防火分區設置“射流型”系統與“自噴系統”時,合用系統的設計流量為:1)當兩個系統同時作用時,為兩個系統的設計流量之和;2)當兩個系統不同時作用時,為最大一個系統的設計流量。同一防火分區設置“噴灑型”系統與“自噴系統”時,系統的設計流量要根據作用面積、噴水強度、“噴灑型”裝置啟動數量等具體條件計算。“自動跟蹤定位射流系統”“自噴系統”合用系統穩壓泵推薦流量分別為1 L/s～2 L/s,1.5 L/s～2.5 L/s,2 L/s～3 L/s。穩壓泵的公稱壓力應滿足最不利點滅火裝置的設計工作壓力,具體值可參考表3進行選取。