防火分隔水幕在工程运用中的问题探讨

杨静 黄丹

摘要：结合现阶段防火分隔水幕系统试验研究成果及工程设计实际情况，提出了防火分隔水幕设计方法，对今后的防火分隔水幕设计具有参考价值。当采用水幕喷头的防火分隔水系统应根据喷头布水曲线图与喷头洒水量的分布曲线图进行设计;当采用开式洒水喷头的防火分隔水幕系统可按喷水强度为20 L/（min·m2）进行设计。

关键词：防火分隔水幕; 水幕喷头; 开式洒水喷头; 喷水强度

1   引言

防火分隔水幕由开式洒水喷头或水幕喷头、雨淋报警阀组或感温雨淋阀，以及水流報警装置（水流指示器或压力开关）等组成。通过喷头密集喷洒形成水墙或水帘，用于阻火、冷却、隔离作用的自动喷水灭火系统。在建筑设计中结构防火分隔设计是防火设计的重要内容，有时会遇到需要设置防火分隔但又不便于设置防火墙、防火卷帘等分隔措施的开口部位，如工业厂房中不能中断的生产线、民用建筑需消防车穿行的通道等，这种情况下通常采用设置防火分隔水幕系统的方式作为传统防火分隔措施的等效替代，既不会破坏原有建筑的格局，又能满足火灾发生后受困人员和消防人员的通行需求，同时具有防火分隔功能。

目前，防火分隔水幕系统在工程中存在若干问题。一方面，暂无相关的教材、手册及规范对其设计计算详细的介绍，这使得喷头布置间距缺乏计算数据支撑，更无法核实在实际的工作压力下喷头布置是否满足规范相关要求;另一方面，采用开式洒水喷头的防火分隔水幕系统喷头的选型原则（直立型或下垂型）及适用条件均无相关的规定，这容易造成在某些特殊情况下选择喷头不当影响水幕的隔热阻烟的效果而危害人身财产安全。为此，在防火分隔水幕系统相关试验研究基础上，结合工程设计中的实际情况，探索防火分隔水幕设计计算方法，旨在为防火分隔水幕的设计提供必要的指导价值。

2   现状

2.1  研究现状

因防火分隔水幕系统在实际工程中运用的普遍性，以及其在设计过程中存在若干问题。业内专业人士尝试通过喷水试验来探索水幕系统适用领域、隔烟阻热效果及其影响因素来指导工程设计与实施。其中，王辉通过对高大空间防火分隔水幕试验研究得出按常规设置仍然能够有效阻止火灾蔓延，具有一定的隔热降温效果;同时大型水幕启动时，水幕带动空气产生较大的侧向风，风速可达4m/s，能够有效阻止烟气向相邻防火分区蔓延。李涛等人通过对受限空间水幕隔热阻烟性能研究得出水幕对火灾上层空间高温空间隔热降温效果明显。同时，对火灾前期烟气的阻挡效果明显，火灾后期烟气穿透能力增强，存在少量烟气穿透现象。此外，喷洒形成的水雾粒径越小、分布越密集，对热辐射的吸收和散射作用越强。仲晨华等人对水幕系统性能研究中得出影响水幕防火分隔效果的主要因素是水幕用水量、厚度以及水幕水滴的密集程度，同时大跨度大空间采用防火分隔是可行的。杨丙杰[4]等认为喷头安装高度超过规范的高度后，水幕系统仍具有较好的防火隔热性能。但在相同的喷水强度下，其防火隔热性能也有所降低。当喷头安装高度为 18 m 时，需将防火分隔水幕系统的喷水强度提高至 2.2 L/（s·m），才能达到不低于喷头安装高度为 12 m 时的防火隔热效果。

综上所述，业内专业人士通过研究水幕的隔热阻烟机理、效果及适用范围，评价喷头压力、保护高度、保护宽度等重要参数对水幕隔热阻烟性能的影响，为消防水幕隔热阻烟性能研究提供理论依据及工程设计提供重要参数。但仍存在诸多不足，对工程设计指导具有一定的局限性。主要体现在一下几个方面：1）所有试验中喷头布置间距均未按规范中所要求的喷水有效洒水宽度不低于6m来试验，同时未对重要设计参数的选择（喷头布置间距）做相关的试验研究，以及未实测喷水强度;2）均未对开式洒水喷头的布置方向做对比研究。目前对防火分隔水幕中的开式洒水喷头采用直立型还是下垂型存在争议。若采用直立型存在梁系阻挡影响，尤其是钢结构等梁系复杂的情况阻挡更加明显，是否需要增设喷头，对水幕系统而言目前无规范要求。若采用下垂型喷头，在喷头与梁之间就存在空隙，则6m宽度水幕是否能隔离热辐射，喷头喷水时产生的下降气流是否能阻止烟气通过等问题还待试验研究来证明。作者认为在未提供相关的试验数据情况下，采用下垂型较为合适，必定水幕喷头均是向下喷射;3）对于采用水幕喷头的防火分隔水幕，均未对单排喷头的有效覆盖宽度做相关的试验研究。若覆盖宽度较薄时容易受气流破坏幕墙，尤其是处于上升式的栈桥等构筑物对空气抽吸较强的情况。目前对水幕喷头布水线有效覆盖区域暂无手册、规范及规程记录，这对采用水幕喷头的防火分隔水幕设计来讲缺少理论的支撑。为此，应结合工程实际情况进一步针对性的做相关试验研究来完善现阶段理论上的不足。

2.2  设计现状

目前对于防火分隔水幕系统设计而言，无论教材、设计手册还是设计规范对其计算过程均无详细的介绍。仅有的设计依据为《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084-2017）中对防火分隔水幕的两条要求：1）5.0.14条防火分隔水幕喷点高度≤12m;喷水强度2L/（s·m）;喷头工作压力0.1MPa。2）7.1.16条防火分隔水幕的喷头布置，应保证水幕的宽度不小于6m;采用水幕喷头时，喷头不应少于3 排;采用开式洒水喷头时，喷头不应少于2 排。可供防火分隔水幕系统设计参考的为《给水排水标准图集》04S206]（见图2.1-图2.2）及《华北地区标准图集》91SB12-1（2007），但部分业内人士[8～9]对于华北标准图集中防火分隔水幕喷头布置要求存在争议。主要体现在当采用开式洒水喷头时，水幕有效宽度是否达到6m有待考证。为此，防火分隔水幕的设置为满足国家相关标准，寻求合理的设计参数作为工程设计的首要任务。

基于上述原因，业内专业人士通过推理的方法，提出了基于开式洒水喷头设置条件下的防火分隔水幕系统设计计算公式。如下：

其中（以下参数类同）：

作者对以上计算方法的提出存在异议。主要体现在一下几个方面。公式一存在以下问题有：1）喷头的有效覆盖面积非喷头的洒水面积，使得有效喷水强度偏小;2）规范中的喷水强度并非单排喷头出流量达到整个分隔水幕所需的流量，这又使得喷水强度偏大;3）无法核实有效覆盖宽度达到6m以及每排喷头间是否存在空隙。公式二存在的问题如下：1）公式的推导过程按门洞结构特征的防火分隔水幕系统，同时只设置2排喷头，这使得其他结构特征（如隧道等）及设置3排喷头的水幕系统计算而言，完全不适用;2）同样无法核實有效喷洒宽度等。鉴于此，寻求合理的计算方法迫在眉睫。

3   水幕系统设计

对于防火分隔水幕而言，选择不同的喷头，其布置要求与计算方法均不同。对于采用水幕喷头的防火分隔水幕系统设计计算，目前因缺乏足够的理论支撑，且无详细的计算过程。作者认为现阶段水幕喷头的布置应根据厂家提供的水幕喷头布水曲线图与水幕喷头洒水量的分布曲线图共同确定。因《给排水标准图集》04S206推荐防火分隔水幕采用开式洒水喷头，为此，防火分隔水幕采用水幕喷头时的详细设计过程暂不作介绍。本文重点讨论采用开式喷头时防火分隔水幕的设计方法。

3.1  开式洒水喷头设置

3.1.1   计算方法探讨

《自动喷水灭火设计规范》GB50084-2017中要求防火分隔水幕喷水强度2L/（s·m），而该喷水强度为线喷水强度，这就给设计带来较大的困惑。首先，无法核实所设计喷头有效覆盖宽度是否达到6m，其次，无法核实喷洒强度是否满足设计要求。鉴于此，为了满足喷洒强度与覆盖宽度，作者认为应将规范中的线喷水强度转换为面喷洒强度。设水幕宽度为L，其水量Q=2L，需保护的面积为M=6L，则最低喷洒强度q’=2L×60/6L=20L/（min·m²）。其设计计算方法按喷水强度为20L/（min·m²）下的常规自喷系统设计方法进行。计算公式如下：

（1）当采用正方形布置时，喷头间距

（2）喷头矩形布置计算公式如下：

（3）菱形布置计算公式如下：

3.1.2   喷头最小间距

本文以K=80、工作压力为0.1MPa探讨开式洒水喷头各类型布置最小间距要求。

经复核，三排喷头布置时能满足6m宽度的要求，若仅布置两排喷头，则设计压力需要0.51MPa。即使采用K=115的喷头，压力也需要0.25MPa，其喷头间距A=3m。

（2）矩形布置

为满足规范中所要求的覆盖宽度6m，则B≥2m（喷头三排布置）或B≥3m（喷头二排布置）。

有此可知，当喷头布置三排时，间距A≤2m均满足设计要求;若布置两排，工作压力为0.1MPa时无法满足设计要求。要实现两排矩形布置，其压力等级不低于方形布置时的要求。

二排喷头布置：

覆盖宽度为：2.1×2=4.2m<6m （不满足设计要求）。为了使其满足设计要求则：B=3m，即：R=2m，所需最低工作压力为0.4MPa。

综上，对于《华北地区标准图集》91SB12-1中的要求（工作压力为0.1MPa，每排喷头间距与喷头排距S值为1.05m（三排）与1.40m（二排））而言，是不满足规范中所要求的有效覆盖宽度不小于6m的条件。

4   结论

本文结合现阶段防火分隔水幕系统相关的试验研究成果以及工程运用中存在的若干问题，通过推理提出了防火分隔水幕系统设计计算方法，同时得出以下结论：1）采用水幕喷头的防火分隔水幕喷头间距的应根据喷头布水曲线图与喷头洒水量的分布曲线图共同确定;2）采用开式洒水喷头的防火分隔水幕的可按喷水强度为20L/（min·m²）进行设计;3）K=80开式洒水喷头，工作压力为0.1MPa时，至少需要布置三排喷头。若仅布置两排喷头时，则工作压力要增加大0.51MPa（方形/矩形布置）或0.40MPa（菱形布置）。

虽然部分专业人士对防火分隔水幕隔烟阻热性能及影响因素等做了大量的研究以及对防火分隔水幕设计方法进行了推导，但仍存在大量的问题有待进一步试验，以及需对防火分隔设计方法进一步探索。主要体现在一下几个方面。1）下垂型喷头与梁之间的间隙宽度对隔烟阻热性能的影响;2）采用水幕喷头时，寻求气流对水幕破坏条件及单排水幕最优喷水宽度;3）采用水幕喷头时，探索防火分隔水幕的计算方法。

参考文献：

[1]   王辉.高大空间大型水幕系统防火分隔效果试验研究[J].消防技术与产品信息，2014，（6）：9-13.

[2]   李涛，谢玮，苏紫敏，李嘉钰，王飞，张玉春，苏永栋.受限空间水幕隔热阻烟性能的试验研究[J].中国安全生产科学技术，2016，12（12）：154-159.

[3]   仲晨华，孙洪江，梁俊，龙寅，殷沐德.水幕防火分隔的试验研究[J].海军工程大学学报，2005，17（3）：47-51.

[4]   杨丙杰，倪照鹏，尹亮，刘鑫，李毅，于东兴，韩光.水幕系统防火分隔性能试验研究[J].消防科学与技术，2017，36（10）：1382-1384.