旋转型喷头灭火系统设计

赵宇肖睿书颜日明

一、旋转型喷头灭火系统

《旋转型喷头自动喷水灭火系统技术规程》（以下简称《规程》）自2006年12月1日施行以来，深受建筑消防给水系统设计人员的欢迎。 《规程》指出，旋转型喷头是我国自主开发的新型自动喷水消防产品，具有结构简单、性能稳定、喷洒密度均匀、洒水覆盖面积大、响应快速、灭火效率高的特点。采用旋转型洒水喷头的自动喷水灭火系统，在保证喷水强度的前提下，可以加大喷头布置间距，减少喷头设置数量，从而简化管道系统。它采取了旋转式腔体设计，增添了控制出水和喷淋效果的圆锥活塞分流器，确保射出大水滴，有助于提高大水滴穿透火舌的能力，尽快抵达可燃物表面，借助覆盖喷洒旋转水流形成的强大下压风力，达到迅速吹熄淋灭火舌的效果。

喷头由感应部件和布水部件组成 （详见图1和图2）。感应部件采用玻璃球，布水部件采用胶圈密封圆锥活塞分流器和旋转式腔体。火灾发生时，感温玻璃球受热破碎，分流器在重力作用下 （下垂型）或在水力作用下（直立型、扩展覆盖型）移位，被分流器封闭在管道内的水流进入旋转式腔体，并从喷头喷出，利用两束对称水流的反作用力不停地 （面向调节螺丝）顺时针旋转，将水甩出，称为水力自动旋转大水滴布水旋风灭火方式。非旋转喷头受溅水盘和支架双杆阻挡，喷出小水滴形成狭短带状并有干涸区，短边的两倍射流半径 （相当于保护直径）被约束得很小，入口动压超过0.3MPa时开始半雾化，压力越大，雾化越严重，灭火效率亦越低。而旋转喷头则相反，压力愈大灭火效果愈好。

图1 旋转型喷头结构示意图

图2 LAS-25喷头外观

由于旋转型喷头没有溅水盘和挡板，因此下垂型（含吊顶型）、直立型和扩展覆盖面型喷头的均匀布水和劲旋强风灭火效果都十分良好。笔者主要推荐下垂型，喷头安装高度≤13m（DN15）、 15m （DN20）和18m （DN25～40）。

《规程》报道了LAS-25中口径喷头和标准喷头的对比试验。在喷头工作压力0.25MPa和安装高度5m的条件下，以国家制定1A木垛作为试验的结果表明，前者灭火时间仅为8s～16s，木垛火堆完全熄灭，而后者较难熄灭，前者灭火效果十分明显。由国家消防装备质量监督检验中心完成的试验结果，验证旋转喷头同时兼有强风和大水滴雨淋迅猛交替吹熄淋灭的特殊功能。

二、专利喷头流量公式

旋转型喷头整体技术目前居世界领先水平，具有专利权，亦称专利喷头。由于圆锥活塞分流器和旋转式腔体在两束对称水流相互作用下，喷头均适应0.10～1.20MPa的动压，而其流量受到旋转式腔体的一定影响；以《自动喷水灭火系统设计规范》[2]公式q=K(10P)0.5为模式，根据五种规格专利喷头的多次试验数据，建立下列标准式：

式中：q—专利喷头流量 （L/min）；

K—喷头流量系数；

P—喷头设计动压 （MPa），一般取0.10～0.90；

n—幂指数，n=0.42～0.46＜0.50。

LAS-15～40专利喷头水力参数详见表1。

表1 专利喷头水力参数

表1说明：当P=0.90MPa时，选用K=281喷头对应q=11.8L/s与文献 [2]公式计算结果14.1L/s相差较多，（1）式体现了专利喷头水流动能略比非旋转喷头减少，其差值用于增强下压旋风极快地吹熄和淋灭火舌。R为喷头保护半径 （m）。

三、配水支干管水力计算参数

以内外壁热镀锌 （涂塑消防专用）钢管为例，将LAS-25旋转型喷头 （平均P=0.18MPa）配水支干管流量、管径、控制喷头数等参数列于表2（涂塑钢管可酌情缩小一号管径）。

表2 LAS-25喷头配水支干管流量、管径、控制喷头数 （P=0.18MPa）

四、车库旋转型性价比优越

快速响应旋转型喷头施工安装单价以常用DN20规格为例，高达220元/个正是传统DN15喷头低价20元/个的11倍，建筑竞争市场喜欢按论个销售贵贱来评判系统的经济合理性，误认为前者比后者投资大很多而因循守旧地在车库设计中选用传统喷头系统。根据近几年多项工程统计资料，车库采用旋转型喷头系统造价指标只有40元/m2仅为传统喷头80元/m2的50%，为说明问题，以下引进指标参数如下：

IR—下垂旋转型喷头论个造价指标，960元/个；

IT—直立型传统喷头论个造价指标也是960元/个；

AR—下垂旋转型喷头系统面积造价指标40元/m2；

AT—直立型传统喷头系统面积造价指标80元/m2；

PR—下垂旋转型喷头销售单价220元/个较贵；

PT—直立型传统喷头销售单价20元/个便宜；

nR—IR÷PR旋转喷头升值倍数4.4较低；

nT—IT÷PT传统喷头升值倍数48很高；

SR—下垂旋转型喷头服务面积24m2/个较大；

ST—直立型传统喷头服务面积12m2/个较小。

车库下垂旋转型与直立型传统喷头系统性价比较见表3。

表3 车库下垂旋转型与直立型传统喷头系统性价比较

顺便指出的是传统型配水管DN25～50虽小；但支吊架间距综合平均3.2m/个布置，支吊架数量是旋转型的3倍左右，而旋转型配水管DN40～80虽大，而支吊架间距综合平均4.8m/个布置较疏，支吊架数量是传统型的33%。同时旋转型系统流量QSR一般≤30L/s，是传统型QST≤48L/s的63%，相应水泵与配电功率和消防水池容积等都比传统型小得多，故IR=IT=960元/个持平。注意旋转型喷头系统控制的喷头数按文献 [2]表8.0.7配管径放大两级或以上。

图3 改进前斜屋面直立型传统喷头

图4 改进后斜屋面下垂旋转型喷头

五、斜屋面适用旋转型喷头

大型厂房仓库等采纳斜屋面时，常选用直立型传统喷头 （图3），施工单位强烈要求改变这种落后现状，因管道支吊架受力臂很长的影响难以安装固定，管道运行时振动很大，屋面结构易被破坏。改进后更换下垂旋转型喷头 （图4），配水管紧贴屋面板，施工支架和管道运行质量有了安全保障，深受施工单位欢迎。

六、车库顶板适用旋转型喷头

以柱网间距8400×8400的大型车库为例，当采用直立型传统喷头时，一个大网格 （图5）可能布置喷头多达12个 （尚未包括离RC梁、各种管道含DN25小配水竖支短管和风管及其支吊架等许多障碍物太近而需补设梁底含风管底下垂型喷头在内）以上，此时系统流量QST按开放28个和不均匀系数1.28计算骤增至≤48L/s。而推广应用下垂旋转型，一个大网格 （图6）只需布置喷头2个（不必受任何障碍物影响而附加梁下或风管下喷头），此时系统流量按开放5个和不均匀系数1.10计算QSR≤30L/s。这是值得推荐的举措。下垂旋转型喷头布置在配水管下方，与配水管支吊架无关，直立型传统喷头则相反，喷头水流受许多小管及支吊架障碍物阻挡后雾化而降低灭火效果。此外直立型传统喷头匹配的DN25竖支短管又细又长，施工安装稍有偏差会产生较大的相对扭矩，造成接头漏水，众多林立的DN25竖支短管及小喷头在车库仰视观瞻上很难看，不如下垂旋转型喷头那么整齐划一美观。

图5 改进前车库顶板直立型传统喷头仰视（柱网间距8400×8400）

图6 改进后车库顶板下垂旋转型喷头仰视（柱网间距8400×8400）

七、优选直通式过滤器

根据文献 [3]4.2.3条文规定，自喷系统水泵吸水需设置管道过滤器，以前传统喷头系统常采用Y型，它具有迂回曲折的流道，阻力高达38kPa（图7），自喷泵启动后吸水流量将会大打折扣，达不到输送足够流量实施灭火的效果。笔者建议应优选直通式或桶型过滤闸阀代替Y型 （图8），其水头损失5kPa仅为改进前Y型的13%，且直通式外形尺寸小巧玲珑，十分方便装卸和清通杂物的科学管理。

图7 改进前Y型过滤器结构及过滤器外形尺寸

图8 改进后直通式过滤器结构及过滤器外形尺寸

八、结语

1.十分适宜推广应用各种快速响应旋转型喷头自动喷水灭火系统，确保大空间民用与工业建筑消防给水设施的安全运行。

2.自喷泵吸水管上需加装桶型过滤闸阀，满足文献[3]要求。开式旋转型喷头匹配浮动阀芯电磁阀 （水流可垂直向上）系统代替传统开式喷头匹配雨淋阀或传统电磁阀 （只能卧式安装）系统在无减压阀的条件下，它对水源浑浊度NTU值 （可≤20°）没有严格限制，允许采用经过沉淀的消防水池吸水井作为水源。而普通开式喷头系统对水源浑浊度NTU值要求严格控制在3°以下。

3.本自喷系统匹配的大口径报警阀宜推广应用PN=1.6MPa提高压力级别，代替PN=1.2MPa旧式报警阀匹配的传统喷头系统。

4.新式喷头按右握手状即拇指正对螺丝呈顺时针旋转，洒水越转越紧接口更安全。本文图5和图6所示为仰视，顶板RC梁轮廓画实线；而设计图常按俯视图绘制，RC梁则用虚线表示，作为专利喷头图例仍画实线，下垂旋转喷头俯视逆时针与本文图6仰视顺时针恰好相反。

5.旋转型喷头鼓形旋转式腔体采用铝合金制作，集热能力更强，闭式喷头快速响应时间 （RT）与早期抑制快速响应 （ESFR）喷头基本持平，有利于早期抑制火灾的蔓延。普通车库[2]及机械式立体停车库、复式汽车库[4]的上方布置喷头，都应采用下垂旋转型代替传统直立型，前者不需要设置集热板[4]；侧边布置喷头适宜采用扩展覆盖面旋转型喷头代替传统边墙型扩展覆盖喷头。

6.旋转型喷头图例：

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7.大型货架储物仓库适宜采用下垂型旋转和扩展覆盖面旋转喷头联合系统代替下垂型和内置 （有集热挡水板）非旋转喷头系统。前者流量和储水量可控制在118L/s和850m3左右，降低到后者455L/s和3280m3的大约26%。

注意文献 [2]规定最大作用面积内开放喷头数12个是指≥12个不封顶。以大型货架储物仓库为例，采用K=363、P=0.50MPa和I=22L/min·m2的ESFR喷头系统，最大作用面积200m2布置≥22个应按开放≥22个计算，而不是笼统地取12个；另加内置喷头6个总数量≥28个。而采用K=310、P=0.50MPa和I=22L/min·m2的DN40旋转型喷头，200m2布置8个可按开放8个计算，因文献 [1]无开放喷头数的规定，它与开放喷头数脱钩。故设计宜按ESFR或旋转喷头系统，分别按文献 [2]或文献 [1]选用不同的最大作用面积内开放喷头数并都乘以不均匀系数1.20后确定系统流量。

值得补充的是，ESFR系统喷头最低工作压力0.50MPa与文献 [2]“配水管入口压力不宜＞0.40MPa”的规定发生冲突，而旋转喷头系统与文献 [1]“配水管入口的压力不宜大于1.0MPa”的局部修订条文没有矛盾，后者配水管压力设计控制游刃有余。

[1]CECS 213：，旋转型喷头自动喷水灭火系统技术规程.

[2]GB 50084-2001，自动喷水灭火系统设计规范.

[3]GB 50261-2005，自动喷水灭火系统施工及验收规范.

[4]GB 50067-97，汽车库、修车库、停车场设计防火规范.