醫(yī)院放射科氣體滅火后排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的探討

劉波 霍亭 初正鵬

山東省建筑設(shè)計研究院有限公司

醫(yī)院放射科室主要包括X 光機、CT、CR、DR、數(shù)字胃腸、鉬靶等功能房間，這些房間內(nèi)醫(yī)療設(shè)備一般比較貴重，一旦發(fā)生火災(zāi)，需要避免用水撲救，一般情況下就采用氣體滅火方式[1]。目前氣體滅火常用的介質(zhì)為IG-541 混合氣體、七氟丙烷和熱氣溶膠。IG-541混合氣體的GWP=0，ODP=0，對人體也沒有毒性。七氟丙烷的GWP=0.6，ODP=0，對大氣基本沒有影響，對人體為低毒性。熱氣溶膠的GWP=0，ODP=0，對大氣沒有影響，對人體為低毒性。由于有些氣體滅火介質(zhì)有毒，為了安全起見，GB50370-2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第6.0.4 條作為強制性條文規(guī)定：“滅火后的防護區(qū)應(yīng)通風(fēng)換氣，地下防護區(qū)和無窗或設(shè)固定窗扇的地上防護區(qū)，應(yīng)設(shè)置機械排風(fēng)裝置，排風(fēng)口宜設(shè)在防護區(qū)的下部并應(yīng)直通室外。通信機房、電子計算機房等場所的通風(fēng)換氣次數(shù)應(yīng)不小于每小時5 次”。醫(yī)院影像科室一般為無窗房間，設(shè)置機械排風(fēng)裝置在所難免。為敘述方便，本文在此定義此排風(fēng)方式為氣體滅火后排風(fēng)。由于熱氣溶膠釋放后會形成煙霧，影響火場人員逃生。IG541 氣體壓力大，不利于運輸、儲存，安裝也較為困難，工程造價高，故醫(yī)院放射科室氣體滅火介質(zhì)主要采用七氟丙烷[2-3]。在本文中，筆者將結(jié)合自己的工作實踐，闡述一下醫(yī)院放射科室七氟丙烷滅火后排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計。

1 七氟丙烷滅火后排風(fēng)特性

1.1 七氟丙烷滅火后排風(fēng)理論模型

假設(shè)七氟丙烷滅火后排風(fēng)過程中七氟丙烷在防護區(qū)內(nèi)分布是均勻的，某時刻排出介質(zhì)氣體質(zhì)量為：

式中：G 為單位時間排出氣體介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；τ 為時間，s；V 為房間凈體積，m3；S 為介質(zhì)氣體質(zhì)量體積，m3/kg；C 為介質(zhì)氣體在防護區(qū)內(nèi)體積濃度，%。

其中：

式中：A 為房間面積，m2；勻 為房間凈高，m；n 為七氟丙烷滅火后排風(fēng)房間設(shè)計換氣次數(shù)，次/h。

將式（2）、（3）代入式（1）中積分后得式（4），泄壓口置于防護區(qū)凈高2/3 以上，泄壓口以上七氟丙烷含量極少，整個房間介質(zhì)氣體初始濃度應(yīng)為。

式中：C0為七氟丙烷在防護區(qū)內(nèi)滅火設(shè)計濃度，%。

圖1、圖2 和圖3 分別表示n=2 次/h、n=5 次/h、n=10 次/h 時理想狀態(tài)下七氟丙烷氣體體積濃度隨時間變化曲線。由圖中可以看出：1）初始時刻排除七氟丙烷濃度急劇下降，隨著時間推移，濃度下降速度越來越小。這是初始時刻七氟丙烷濃度大，單位風(fēng)量排出七氟丙烷多的緣故。2）當(dāng)n=2 次/h、n=5 次/h 和n=10 次/h 時，七氟丙烷降到初始濃度的一半的時間分別大約為525 s，210s 和105 s。

圖1 七氟丙烷氣體體積濃度隨時間變化曲線(n=2 次/h)

圖2 七氟丙烷氣體體積濃度隨時間變化曲線(n=5 次/h)

圖3 七氟丙烷氣體體積濃度隨時間變化曲線(n=10 次/h)

GB50370-2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第6.0.7條強制性規(guī)定“有人工作防護區(qū)的滅火設(shè)計濃度或?qū)嶋H使用濃度。不應(yīng)大于有毒性反應(yīng)濃度（LOAEL 濃度），該值應(yīng)符合本規(guī)范附錄G 的規(guī)定?！币?guī)范中所述七氟丙烷的有毒性反應(yīng)濃度（LOAEL 濃度）為10.5%，無毒性反應(yīng)濃度（NOAE 濃度）為9%[4]。根據(jù)筆者經(jīng)驗醫(yī)院影像科中滅火設(shè)計濃度一般為8%～9%。理論上，氣體滅火后防護區(qū)無需通風(fēng)七氟丙烷濃度就在NOAE 濃度以下。

1.2 七氟丙烷滅火后排風(fēng)實際特性

由于七氟丙烷密度比空氣密度大，氣體滅火后七氟丙烷沉積在防護區(qū)下部，防護區(qū)內(nèi)七氟丙烷分布不均勻，泄壓口置于防護區(qū)凈高2/3 以上，可以認(rèn)為泄壓口以上基本沒有七氟丙烷氣體。因此，氣體滅火后防護區(qū)某些區(qū)域七氟丙烷濃度很有可能會超過LOAEL濃度，七氟丙烷滅火后排風(fēng)很有必要。實際排風(fēng)過程方程為：

圖4、圖5 和圖6 分別表示n=2 次/h、n=5 次/h、n=10 次/h 時實際狀態(tài)下七氟丙烷氣體體積濃度隨時間變化曲線?？紤]到氣體滅火后進入防護區(qū)人員的安全性，取七氟丙烷滅火后排風(fēng)終止?jié)舛葹闊o毒性反應(yīng)濃度（NOAE 濃度）的一半，一般醫(yī)院影像科中滅火設(shè)計體積濃度為9%，終了體積濃度為4.5%。由圖4、圖5和圖6 可以看出，當(dāng)n=2 次/h、n=5 次/h 和n=10 次/h時，七氟丙烷降到初始濃度的一半的時間分別大約為1250 s、500 s 和250 s。

圖4 七氟丙烷氣體體積濃度隨時間變化曲線(n=2 次/h)

圖5 七氟丙烷氣體體積濃度隨時間變化曲線(n=5 次/h)

圖6 七氟丙烷氣體體積濃度隨時間變化曲線(n=10 次/h)

2 七氟丙烷滅火后排風(fēng)方式設(shè)計探討

根據(jù)對七氟丙烷滅火后排風(fēng)的設(shè)計及思索，認(rèn)為該排風(fēng)方式可分為三類：借用平時排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)方式、獨立的七氟丙烷滅火后排風(fēng)方式和可拆裝式七氟丙烷滅火后排風(fēng)方式。

2.1 借用平時排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)方式

根據(jù)GB 51039-2014 規(guī)定，“醫(yī)療用房的集中空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量每人不應(yīng)低于40 m3/h，或新風(fēng)量不應(yīng)小于2 次/h”[5]，影像科排風(fēng)量一般等于新風(fēng)量。條件合適時，可以利用已有的排風(fēng)系統(tǒng)配合一些自控措施為放射科室進行七氟丙烷滅火后排風(fēng)。根據(jù)平時排風(fēng)口與七氟丙烷滅火后排風(fēng)口是否共用，一般分為利用平時排風(fēng)口排風(fēng)和另設(shè)七氟丙烷滅火后排風(fēng)口兩種方式。還可以根據(jù)平時排風(fēng)系統(tǒng)服務(wù)房間是否全是氣體滅火房間，可分為部分房間為氣體滅火房間排風(fēng)系統(tǒng)和所有房間為氣體滅火房間排風(fēng)系統(tǒng)。

2.1.1 按照排風(fēng)口是否共用分類

利用平時排風(fēng)口進行七氟丙烷滅火后排風(fēng)要兼顧平時排風(fēng)與七氟丙烷滅火后排風(fēng)兩種情況，由于七氟丙烷密度比空氣大，排風(fēng)需要做下排風(fēng)方式，兩者兼用時平時排風(fēng)也需要做成下排風(fēng)方式。如圖7 所示，進入房間支管上加電動風(fēng)閥，平時常開，對應(yīng)房間氣體滅火時關(guān)閉，七氟丙烷滅火后排風(fēng)時開啟。

圖7 風(fēng)口共用排風(fēng)方式

該種方式優(yōu)點是省掉一套進入房間的風(fēng)管支管、風(fēng)閥和排風(fēng)口，減少了投資和施工工作量。缺點是排風(fēng)口未設(shè)置在功能房間的設(shè)備上方，平時設(shè)備散熱導(dǎo)致的上升空氣不能及時排走，氣流組織不佳。此外，GB50370-2005 規(guī)定排風(fēng)口“宜”設(shè)置在防護區(qū)下部，下部排風(fēng)不算強制性要求，當(dāng)條件不允許時，也可以將排風(fēng)口設(shè)置于吊頂上。這樣做的優(yōu)點是平時設(shè)備散熱導(dǎo)致的上升空氣可以及時排走，氣流組織好。缺點便是七氟丙烷滅火后排風(fēng)效果不佳，根據(jù)上文分析，如果要達(dá)到下排風(fēng)的同等效果，需要增大氣體滅火時換氣次數(shù)或增加排風(fēng)時間。風(fēng)口共用的排風(fēng)方式還存在一個問題是：末端風(fēng)管及風(fēng)口選型一般根據(jù)平時排風(fēng)量設(shè)計，平時排風(fēng)量一般為2 次換氣次數(shù)，七氟丙烷滅火后排風(fēng)規(guī)范規(guī)定換氣次數(shù)為5 次/h，有可能存在末端排風(fēng)管及末端風(fēng)口風(fēng)速超速以及產(chǎn)生的噪音問題。筆者認(rèn)為七氟丙烷密度比空氣密度大，風(fēng)速適當(dāng)大一些更有利于排除七氟丙烷氣體，況且七氟丙烷滅火后排風(fēng)無需考慮噪音問題，所以排風(fēng)管道及風(fēng)口可以按照平時排風(fēng)要求設(shè)計。

另設(shè)七氟丙烷滅火后排風(fēng)口的方式如圖8 所示，平時排風(fēng)末端支管上風(fēng)閥選常開電動風(fēng)閥，對應(yīng)房間氣體滅火時關(guān)閉。七氟丙烷滅火后排風(fēng)末端支管上風(fēng)閥選常閉電動風(fēng)閥，對應(yīng)房間氣體滅火時開啟。另設(shè)七氟丙烷滅火后排風(fēng)口的方式規(guī)避了風(fēng)口兼用排風(fēng)的弊端，但是增加了一套進入房間的風(fēng)管支管、風(fēng)閥和排風(fēng)口，增加了投資與施工工作量。

圖8 另設(shè)七氟丙烷滅火后排風(fēng)口方式

2.1.2 平時排風(fēng)統(tǒng)服務(wù)房間是否全是氣體滅火房間

對于一個平時排風(fēng)系統(tǒng)所服務(wù)的房間中只有幾個房間是需要做七氟丙烷滅火后排風(fēng)，其他房間不需要做氣體滅火的情況，如圖9 所示。根據(jù)規(guī)范要求，房間平時的換氣次數(shù)設(shè)計為2 次/h，氣體滅火房間的七氟丙烷滅火后排風(fēng)的換氣次數(shù)為5 次/h，如果氣體滅火房間面積和小于平時排風(fēng)系統(tǒng)房間面積的40%，此種情況可采取如下設(shè)計方法：普通房間排風(fēng)支管設(shè)置電動風(fēng)閥，常開，七氟丙烷滅火后排風(fēng)時關(guān)閉；氣體滅火房間排風(fēng)支管設(shè)置電動風(fēng)閥，常開，氣體滅火時關(guān)閉，七氟丙烷滅火后排風(fēng)時開啟。排風(fēng)干管和排風(fēng)風(fēng)機與平時排風(fēng)系統(tǒng)共用，氣體滅火房間排風(fēng)支管以及排風(fēng)口按照平時排風(fēng)量大小設(shè)置。

圖9 平時排風(fēng)系統(tǒng)服務(wù)兩種房間類型示意圖1

當(dāng)氣體滅火房間總面積大于平時排風(fēng)系統(tǒng)服務(wù)總面積的40%時，如圖10 所示，此時需要根據(jù)具體情況將七氟丙烷滅火后排風(fēng)系統(tǒng)劃分兩個排風(fēng)子系統(tǒng)，配合控制挨個系統(tǒng)進行七氟丙烷滅火后排風(fēng)，由前面分析可知，當(dāng)換氣次數(shù)為5 次/h 時，一個子系統(tǒng)進行七氟丙烷滅火后排風(fēng)至排風(fēng)終止?jié)舛刃枰?.5 分鐘。8.5 分鐘之后進行下一個子系統(tǒng)七氟丙烷滅火后排風(fēng)。圖10 所示排風(fēng)系統(tǒng)進行七氟丙烷滅火后排風(fēng)時可以將氣體滅火房間1、2、3 劃分為一個子系統(tǒng)，氣體滅火房間4、5、6 劃分為另一個子系統(tǒng)，每個氣體滅火房間排風(fēng)支管上設(shè)電動風(fēng)閥，子系統(tǒng)進行七氟丙烷滅火后排風(fēng)時，子系統(tǒng)內(nèi)房間排風(fēng)支管閥門開啟，其他氣體子系統(tǒng)房間支管閥門關(guān)閉，挨個子系統(tǒng)進行排風(fēng)。當(dāng)然，也可以根據(jù)總的氣體滅火房間滅火后排風(fēng)量和平時排風(fēng)量配置雙速風(fēng)機，平時排風(fēng)時風(fēng)機低速運行，七氟丙烷滅火后排風(fēng)時高速運行。此外，已建成建筑如果沒有裝設(shè)自控系統(tǒng)，按照平時排風(fēng)換氣次數(shù)為2 次/h進行七氟丙烷滅火后排風(fēng)，只要時間足夠長（按照前面分析大約為21 分鐘），也是可以將七氟丙烷體積濃度降到無毒性反應(yīng)濃度（NOAE 濃度）的一半，但違背了規(guī)范GB50370-2005《氣體滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第6.0.4條換氣次數(shù)的要求。

圖10 平時排風(fēng)系統(tǒng)服務(wù)兩種房間類型示意圖2

當(dāng)平時排風(fēng)系統(tǒng)服務(wù)房間全是氣體滅火房間時，按照規(guī)范氣體滅火后最小排風(fēng)總風(fēng)量是平時排風(fēng)的2.5 倍，可以將七氟丙烷滅火后排風(fēng)系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)，按照上文所述方法進行排風(fēng)。

借用平時排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)方式節(jié)省了一套排風(fēng)系統(tǒng)，降低了施工工作量及初投資，但控制復(fù)雜，風(fēng)閥數(shù)量多，對自控要求高。

2.2 獨立的七氟丙烷滅火后排風(fēng)方式

該種方式對氣體滅火房間單獨設(shè)置一套七氟丙烷滅火后排風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)機、風(fēng)管和風(fēng)口等與平時排風(fēng)系統(tǒng)互相獨立，互不影響。根據(jù)系統(tǒng)大小和科室具體情況還可以分有子系統(tǒng)和無子系統(tǒng)的七氟丙烷滅火后排風(fēng)系統(tǒng)。

對于氣體滅火面積小的區(qū)域，如圖11 所示情形。設(shè)置一套七氟丙烷滅火后排風(fēng)系統(tǒng)足矣，為降低壓低吊頂?shù)某潭?，七氟丙烷滅火后排風(fēng)管道可以適當(dāng)?shù)臏p小尺寸。

圖11 獨立的七氟丙烷滅火后排風(fēng)方式示意圖1

對于氣體滅火面積大的區(qū)域，如圖12 所示情形，如果七氟丙烷滅火后排風(fēng)不分子系統(tǒng)，配置的排風(fēng)機以及排風(fēng)管道會很大，必然會增加初投資以及安裝難度，參照前面所述，將排風(fēng)系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)，減小排風(fēng)管道尺寸，挨個子系統(tǒng)進行排風(fēng)，這樣既可以降低初投資，也可以方便安裝。當(dāng)然，相應(yīng)代價的是自控方面變復(fù)雜了。

圖12 獨立的七氟丙烷滅火后排風(fēng)方式示意圖2

2.3 可拆裝式七氟丙烷滅火后排風(fēng)

考慮到上述七氟丙烷滅火后排風(fēng)自控系統(tǒng)復(fù)雜，風(fēng)管安裝會壓低吊頂導(dǎo)致空間凈高降低，且此系統(tǒng)在平時和火災(zāi)時不使用，只在火災(zāi)結(jié)束后開啟排放七氟丙烷。結(jié)合上述特點，筆者在設(shè)計過程中，思索出一種“可拆裝式七氟丙烷滅火后排風(fēng)系統(tǒng)”。其基本原理如下：在需七氟丙烷滅火后排風(fēng)的房間與走廊之間的墻上留洞，洞底距離地面200～300 mm，洞口大小根據(jù)具體氣體排風(fēng)量大小與風(fēng)速確定，洞口平時用可拆卸的密封材料封堵。當(dāng)需要進行七氟丙烷滅火后排風(fēng)時，將封堵拆掉，接上鋼絲波紋塑料軟風(fēng)管，風(fēng)管連接風(fēng)機。一般情況下可以將排風(fēng)風(fēng)機置于新風(fēng)機房，新風(fēng)機房預(yù)留電源，通過新風(fēng)機房外窗排出室外。房間補風(fēng)可以通過人為開門進行補風(fēng)，先開啟排風(fēng)風(fēng)機再人為開門補風(fēng)。一般放射科室房間40～50 m2，凈高3 m，按照5 次/h 換氣次數(shù)計算，排風(fēng)量為750 m3/h，按照最不利房間到新風(fēng)機房阻力選擇風(fēng)機，風(fēng)機風(fēng)量可選850 m3/h。一般一個影像科室只需配置一個排風(fēng)機即可，如有多個房間需要排風(fēng)，可挨個房間進行排風(fēng)，對于50 m2房間，8.5 分鐘即可將七氟丙烷濃度降到初始濃度的一半，然后進行下一房間排風(fēng)。

3 七氟丙烷滅火后排風(fēng)機供電設(shè)計

《2009 全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施-暖通空調(diào)動力》第4.4.4 條指出事故風(fēng)機應(yīng)由消防電源供電。也可能源于此很多工程設(shè)計中將七氟丙烷滅火后排風(fēng)電源設(shè)計為消防電源[6]，筆者認(rèn)為這是不正確的。首先，七氟丙烷滅火后排風(fēng)不是事故排風(fēng)。其次，事故排風(fēng)機也不是消防設(shè)備。具體原因可以參考文獻[7-8]中詳細(xì)闡述，筆者在此只列出結(jié)論：七氟丙烷滅火后排風(fēng)機不是消防設(shè)備，不應(yīng)列入消防負(fù)荷。此外，根據(jù)《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計規(guī)范》第4.2.1 要求，影像科七氟丙烷滅火后排風(fēng)負(fù)荷等級應(yīng)為一級[9]。

4 結(jié)論

1）通過理論分析可知，當(dāng)換氣次數(shù)為5 次/h 時，七氟丙烷濃度降到初始濃度的一半的時間分別大約為8.5 分鐘。

2）本文中提出了幾種七氟丙烷滅火后排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案，排風(fēng)方案沒有固定格式，各有優(yōu)缺點，需遵從設(shè)計規(guī)范，結(jié)合具體建筑布局，靈活設(shè)計。

3）提出一種拆裝式七氟丙烷滅火后排風(fēng)的想法。

4）七氟丙烷滅火后排風(fēng)機不是消防設(shè)備，不應(yīng)列入消防負(fù)荷。