高大空間建筑自動滅火系統(tǒng)設(shè)計探討

林小輝，張 騫，張棟喆，燕 博

(西安建筑科技大學(xué)設(shè)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(zāi)危險性大等特點,及時控制、撲滅初期火災(zāi),防止其蔓延擴大,對消防安全至關(guān)重要。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),可用于高大空間建筑自動滅火的技術(shù)措施有:雨淋系統(tǒng)、大空間智能型主動噴水滅火系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、自動跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)等[1]。其中,雨淋系統(tǒng)因水量大、滅火針對性差、造價高等原因,除了規(guī)范要求必須設(shè)置雨淋系統(tǒng)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(tǒng)目前沒有國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一,設(shè)計人員對該系統(tǒng)的設(shè)計比較困惑,另外兩種自動滅火系統(tǒng)在實際工程中的應(yīng)用則較為廣泛。本文擬對自動噴水滅火系統(tǒng)和自動跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)的選擇和設(shè)計要求進行分析探討,希望為高大空間建筑自動滅火系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 高大空間建筑自動滅火系統(tǒng)的選擇

1.1 根據(jù)凈空高度選擇

新版GB 50084—2017自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范(以下簡稱“噴規(guī)”)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(yè)建筑高大空間場所采用濕式自噴系統(tǒng)的噴水強度、作用面積及噴頭類型等設(shè)計參數(shù)。GB 51427—2021自動跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“自規(guī)”)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(shè)置自噴系統(tǒng)的民用建筑和丙類生產(chǎn)車間、丙類庫房”。由此可見,8 m～18 m范圍內(nèi)的高大凈空場所自動滅火系統(tǒng),既可以選用“自噴系統(tǒng)”,也可以選用“自動跟蹤定位射流系統(tǒng)”。

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

1.2 根據(jù)滅火裝置性能特點和建筑空間效果選擇

“自規(guī)”根據(jù)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(tǒng)、噴射型自動射流滅火系統(tǒng)、噴灑型自動射流滅火系統(tǒng)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(zāi)危險等級、環(huán)境條件、凈空高度、保護區(qū)域平面尺寸等因素[3],還應(yīng)結(jié)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(tǒng)各種滅火裝置的性能特點。

表1 各種滅火裝置的性能參數(shù)

“噴灑型”類似于“自噴系統(tǒng)”的大流量噴頭,適用于面源火災(zāi)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(dǎo)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?！八谛汀焙汀皣娚湫汀彼鳛樯淞餍?適用于點源火災(zāi),可以在保護場所的正上方懸空安裝,也可以在側(cè)墻、柱子上安裝,只要在水柱的保護半徑范圍內(nèi)即可,設(shè)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(tǒng)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(tǒng)。其次,從表1可以看出,“水炮型”系統(tǒng)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(tǒng)的相關(guān)參數(shù)最小。從經(jīng)濟性方面考慮,候車廳、展廳等大跨度場所,只有“水炮型”系統(tǒng)才能以較少數(shù)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(shè)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(qū)域范圍約121 m×82 m,最大凈空高度約為19.8 m,內(nèi)部為無柱空間,頂部為網(wǎng)架結(jié)構(gòu),設(shè)計選用自動消防炮滅火系統(tǒng),單臺流量20 L/s,工作壓力1.0 MPa,保護半徑42 m,系統(tǒng)設(shè)計流量40 L/s。消防炮吊裝于網(wǎng)架下,安裝高度約19 m。

2 自動滅火系統(tǒng)的設(shè)計流量

2.1 自動噴水滅火系統(tǒng)的設(shè)計流量

自動滅火系統(tǒng)的設(shè)計流量對于保證系統(tǒng)可靠、安全運行十分重要。自動噴水滅火系統(tǒng)的設(shè)計流量應(yīng)滿足噴水強度、作用面積的要求,按最不利點處作用面積內(nèi)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(wǎng),最不利噴頭壓力為0.1 MPa,通過特性系數(shù)法計算,并考慮安全性、經(jīng)濟合理性,各種情況下設(shè)計流量見表2。

表2 自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計流量

2.2 自動跟蹤定位射流滅火系統(tǒng)的設(shè)計流量

“噴灑型”系統(tǒng)的設(shè)計流量計算與“自噴系統(tǒng)”類似,根據(jù)保護場所的噴水強度、作用面積及開啟的滅火裝置數(shù)量共同確定。在輕危險級場所的設(shè)計流量為20 L/s～30 L/s,在中危險Ⅰ級場所的設(shè)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(shè)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(jù)單臺裝置流量與同時開啟的滅火裝置數(shù)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(guī)”從消防冗余設(shè)計的角度規(guī)定:“水炮型”和“射流型”滅火系統(tǒng)應(yīng)至少有2股水柱可以到達被保護區(qū)域的任一部位,其設(shè)計流量按同時開啟的滅火裝置的流量之和計算?！八谛汀毕到y(tǒng)用于民用建筑時的最小設(shè)計流量為40 L/s,用于工業(yè)建筑時的最小設(shè)計流量為60 L/s;“噴射型”系統(tǒng)在輕危險級場所的最小設(shè)計流量為10 L/s,在中危險級場所的最小設(shè)計流量為20 L/s。

2.3 合用系統(tǒng)的設(shè)計流量

對于一個防火分區(qū)同時設(shè)有“自噴系統(tǒng)”和“自動跟蹤定位射流系統(tǒng)”的情況,應(yīng)結(jié)合具體場景分析是否同時作用,以確定系統(tǒng)設(shè)計流量。

1)同一防火分區(qū)設(shè)置“水炮型”系統(tǒng)與“自噴系統(tǒng)”的設(shè)計流量。按“自規(guī)”要求,“水炮型”系統(tǒng)的消防主泵及供水管網(wǎng)應(yīng)獨立設(shè)置,任何情況下兩個系統(tǒng)的設(shè)計流量均分別取值,只是在兩個系統(tǒng)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(tǒng)”的保護范圍完全在“水炮型”裝置的保護半徑內(nèi),火災(zāi)發(fā)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(tǒng)不會啟動,這種情況下的一次滅火用水量按“水炮型”系統(tǒng)的設(shè)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(zāi)發(fā)生在兩個系統(tǒng)的邊界處,初期火災(zāi)未能及時撲滅且向外部發(fā)展時,自噴系統(tǒng)會繼續(xù)啟動,此時“自噴系統(tǒng)”與“水炮型”系統(tǒng)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(qū)設(shè)置“射流型”系統(tǒng)與“自噴系統(tǒng)”的設(shè)計流量?！皣娚湫汀薄皣姙⑿汀毕到y(tǒng)宜獨立設(shè)置消防水泵及供水管網(wǎng),在實際工程設(shè)計中,特別是針對設(shè)備用房無法擴容的改擴建項目,為了節(jié)約成本,將“噴射型”“噴灑型”系統(tǒng)與“自噴系統(tǒng)”共用消防水泵及供水管網(wǎng)也是滿足規(guī)范的。當(dāng)兩個系統(tǒng)同時作用時,設(shè)計流量、一次滅火用水量應(yīng)滿足兩個系統(tǒng)同時作用的要求。反之,滿足較大一個系統(tǒng)使用的要求即可?！皣娚湫汀毖b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(tǒng)”同一防火分區(qū)同時作用時,設(shè)計流量計算方法相同。

3)同一防火分區(qū)設(shè)置“噴灑型”系統(tǒng)與“自噴系統(tǒng)”的設(shè)計流量。“噴灑型”與“自噴系統(tǒng)”合用時,若按上述方法,將兩者的設(shè)計流量疊加計算,則計算作用面積為460 m2。兩種系統(tǒng)在同一保護區(qū)域同時作用時,滅火效果是相互輔助的,任何一個系統(tǒng)動作,都會減少另一個系統(tǒng)噴水裝置的啟動數(shù)量。對于凈空高度不大于8 m的場所,“噴灑型”與“自噴系統(tǒng)”對應(yīng)火災(zāi)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(tǒng)”的噴水強度大于“噴灑型”系統(tǒng)的噴水強度,所以既要滿足“噴規(guī)”和“自規(guī)”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(tǒng)”以160 m2作用面積計算出自噴的設(shè)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(tǒng)的設(shè)計流量Q2,并結(jié)合單臺滅火裝置的流量q來取整確定最大啟動數(shù)量N2,以同時啟動滅火裝置的流量作為“噴灑型”系統(tǒng)的設(shè)計流量Q3,最后將兩種系統(tǒng)的流量疊加計算即為設(shè)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(tǒng)”的設(shè)計流量Q1=26 L/s,“噴灑型”系統(tǒng)的設(shè)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(wěn)壓泵的設(shè)計流量和設(shè)計壓力

3.1 穩(wěn)壓泵的設(shè)計流量

穩(wěn)壓泵的設(shè)計流量和設(shè)計壓力決定著臨時高壓消防給水系統(tǒng)的供水可靠性和合理性。GB 55026—2022消防設(shè)施通用規(guī)范(以下簡稱“通規(guī)”)規(guī)定穩(wěn)壓泵的設(shè)計流量不應(yīng)小于臨時高壓消防給水系統(tǒng)管網(wǎng)的泄流量,以確保系統(tǒng)始終處于充滿有壓水的狀態(tài),同時應(yīng)小于管網(wǎng)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(tǒng)的泄漏量與管材類型、連接方式、施工條件、系統(tǒng)工作壓力及系統(tǒng)設(shè)計流量有關(guān),且這些影響因素一般難以具體量化?！白砸?guī)”在滿足“通規(guī)”強制性要求的前提下,規(guī)定穩(wěn)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(tǒng)”的管網(wǎng)容量一般較小,建議穩(wěn)壓泵的流量取1 L/s～2 L/s?！断澜o水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定消防給水系統(tǒng)穩(wěn)壓泵流量為系統(tǒng)設(shè)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(shè)計、調(diào)試的要求,也有利于未知風(fēng)險的控制。反之如果取下限,可能會導(dǎo)致穩(wěn)壓泵頻繁啟動,縮短穩(wěn)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(dǎo)致消防主泵誤動作?！白詣痈櫠ㄎ簧淞飨到y(tǒng)”與“自噴系統(tǒng)”合用時,穩(wěn)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(wěn)壓泵的設(shè)計壓力

自動滅火系統(tǒng)完全依靠系統(tǒng)自身的能力發(fā)現(xiàn)、撲救火災(zāi),所以需要時刻處于臨戰(zhàn)狀態(tài),其穩(wěn)壓裝置應(yīng)提供設(shè)施開啟所需的壓力?！皣娨?guī)”規(guī)定,當(dāng)臨時高壓自動噴水滅火系統(tǒng)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(yīng)設(shè)增壓穩(wěn)壓設(shè)施,穩(wěn)壓泵的揚程應(yīng)滿足最不利點噴頭的工作壓力;同樣,“自規(guī)”也指出,自動跟蹤定位射流系統(tǒng)的穩(wěn)壓泵供水壓力應(yīng)保證最不利點滅火裝置的設(shè)計工作壓力。所以,自動滅火系統(tǒng)穩(wěn)壓泵的設(shè)計壓力并不是要滿足最不利點準(zhǔn)工作狀態(tài)時靜水壓力大于0.15 MPa,而是應(yīng)滿足系統(tǒng)最不利點滅火裝置的設(shè)計工作壓力。這樣相當(dāng)于系統(tǒng)時刻處于穩(wěn)高壓狀態(tài),有利于主泵及時啟動。不同滅火裝置的工作壓力應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計進行選擇。穩(wěn)壓泵的設(shè)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(shè)計工作壓力P2的關(guān)系見表3。

表3 穩(wěn)壓泵設(shè)計壓力

4 結(jié)語

對于8 m～18 m的高大空間建筑,優(yōu)先采用自動噴水滅火系統(tǒng),只有當(dāng)設(shè)置困難的情況下,才考慮采用自動跟蹤定位射流滅火系統(tǒng);對于18 m以上的高大空間建筑,可根據(jù)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(tǒng)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(tǒng)。在實際工程設(shè)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(qū)同時設(shè)有“自噴系統(tǒng)”和“自動跟蹤定位射流系統(tǒng)”的情況,應(yīng)結(jié)合管網(wǎng)設(shè)置情況及具體場景分析是否同時作用,以確定系統(tǒng)設(shè)計流量。同一防火分區(qū)設(shè)置“水炮型”系統(tǒng)與“自噴系統(tǒng)”時,各系統(tǒng)的設(shè)計流量均分別取值。同一防火分區(qū)設(shè)置“射流型”系統(tǒng)與“自噴系統(tǒng)”時,合用系統(tǒng)的設(shè)計流量為:1)當(dāng)兩個系統(tǒng)同時作用時,為兩個系統(tǒng)的設(shè)計流量之和;2)當(dāng)兩個系統(tǒng)不同時作用時,為最大一個系統(tǒng)的設(shè)計流量。同一防火分區(qū)設(shè)置“噴灑型”系統(tǒng)與“自噴系統(tǒng)”時,系統(tǒng)的設(shè)計流量要根據(jù)作用面積、噴水強度、“噴灑型”裝置啟動數(shù)量等具體條件計算。“自動跟蹤定位射流系統(tǒng)”“自噴系統(tǒng)”合用系統(tǒng)穩(wěn)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(wěn)壓泵的公稱壓力應(yīng)滿足最不利點滅火裝置的設(shè)計工作壓力,具體值可參考表3進行選取。