住宅建筑消防应急照明和疏散指示系统设计

2021-12-23 11:18李宇飞

智能建筑电气技术 2021年5期

杨皞，李宇飞

(中国建筑西南设计研究院有限公司，成都 610042)

0 引言

建筑发生火灾威胁着人们的生命安全，特别是住宅建筑，发生火灾的隐患较多，例如厨房用火操作不当，厨房使用的食用油加热时间过长，无人看管极易发生自燃现象；装修使用大量的易燃材料，遇火即燃；家用电器过量使用，导致电器开关过负荷运行，诱发火灾等。消防应急照明和疏散指示系统的设置在火灾时为人们的安全疏散提供保障。合理地选择和布置消防应急照明和疏散指示灯具有利于人员的疏散和及时逃生。目前消防应急照明及疏散指示系统按照系统形式可分为4大类，分别是集中电源集中控制型、自带电源集中控制型、集中电源非集中控制型和自带电源非集中控制型。

本文通过梳理相关规范条文，对高层住宅中消防应急照明和疏散指示系统的类型、供电方式以及灯具种类进行分析。给出集中电源集中控制A型应急照明灯具系统的配电设计、灯具照度范围及配电线路压降计算，并以DC 24V应急照明灯具为例，对典型住宅项目的消防应急照明和疏散指示系统设计进行案例分析。

1 住宅建筑消防应急照明和疏散指示系统的方案确定

根据GB 50016-2014《建筑设计防火规范》(2018年版)、JGJ 242-2011《住宅建筑电气设计规范》以及GB 50368-2005《住宅建筑规范》等相关规范条文对不同高度的住宅建筑的消防应急照明及疏散指示系统设计的相关要求可知，住宅建筑高度为27～54m的二类高层，需在疏散走道、楼梯间、前室或合用前室的公共区域设置应急照明，并宜设置疏散指示标志。住宅建筑高度大于54m的一类高层，应在公共区域设置应急照明和疏散指示标志。

1.1 住宅建筑消防应急照明和疏散指示系统的控制方式及灯具种类的确定

根据GB 50016-2014《建筑设计防火规范》(2018年版)、GB 50067-2011《地车库、修车库、停车场设计防火规范》、以及GB 50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》等规范对消防联动设施以及消控室设置的相关要求可得，住宅建筑高度大于33m时，需要设置消防电梯(属于需要联动控制的消防设施)，因此建筑高度为33～54m的二类高层及大于54m的一类高层均需要设置消防控制室。建筑高度为27～33m的二类高层住宅小区，即使可以不设置消防电梯，但由于配套建设的地下车库停车位数量一般都不小于10辆，根据GB 50067-2014《地车库、修车库、停车场设计防火规范》第7.2.1条规定，需要设置自动灭火系统。对于住宅建筑，该系统一般为自动喷水灭火系统，且消防水池一般设于地下室。为了保证消防系统供水的可靠性，通常会设置配套的消防水泵。因此，也需要设置消防控制室以满足消防水泵的控制要求。

依据GB 51309-2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》可知，设置消防控制室的场所应选择集中控制型的消防应急照明和疏散指示系统。考虑到大部分住宅建筑场所高度小于8m，应选择A型灯具。

因此，本文建议建筑高度不小于27m的住宅建筑采用集中控制型消防应急照明和疏散指示系统，并应采用A型灯具。

1.2 住宅建筑消防应急照明和疏散指示系统的供电方式的确定

消防应急照明和疏散指示系统中灯具的电源由主电源和蓄电池电源组成。蓄电池电源可以采用两种供电方式：集中电源供电方式和灯具自带蓄电池供电方式。蓄电池的质量及寿命周期是影响两种供电方式的主要因素。

以某个33层住宅小区(共计4栋同样的住宅楼)为例，住宅塔楼共有消防应急照明和疏散指示灯具3 300个(其中5W疏散照明灯660个，3W疏散照明灯792个，1W疏散标志灯1 848个)，分别采用集中电源供电和自带蓄电池供电系统的对比如表1所示。

4栋住宅塔楼的消防应急照明和疏散指示系统的两种供电方式的对比表1

灯具采用集中电源时，当蓄电池出现故障或达到使用寿命周期时，蓄电池集中设置有利于人员的检修、维护与更换，但是蓄电池的集中设置会扩大故障的影响范围。灯具采用自带蓄电池时，由于蓄电池随灯具分散设置，不利于人员的检修与更换，但是自带蓄电池灯具的故障仅影响该灯具的正常工作，影响范围较小。综上所述，结合表1，并从后期维护检修方便、节约成本等多重因素考虑，建议高层住宅建筑采用集中电源集中控制型消防应急照明及疏散指示系统。

1.3 住宅建筑消防A型应急照明兼做普通照明的可行性分析

利用DIALux软件对楼梯间普通照明照度进行模拟仿真，结果如图1所示。本次模拟仿真采用某主流品牌的20W吸顶LED荧光灯，光通量为1 800lm。照度的计算区域为半层平台处及楼梯中间踏步，半层平台平均照度计算结果为51lx，楼梯中间踏步平均照度计算结果为35lx。

图1 楼梯间平均照度图

A型应急照明灯具是主电源及蓄电池电源额定工作电压均不大于DC 36V的消防应急灯具。如采用此类灯具兼做普通照明，目前的主流做法是消防应急照明灯配置声或红外、雷达人体动感传感器，取代正常照明灯具；正常状态下灯具不亮，当收到感应时，灯具维持30～60s的高功率点亮状态后自动熄灭。在高功率点亮状态下，灯具功率可达到12～18W，光通量一般可达到1 000～1 800lm，此时可以保证满足地面平均照度的规范标准。

(1)基于开关电源特性分析A型应急照明兼做普通照明的可行性

A型应急照明系统兼做普通照明时，其配电箱接线图如图2所示。220V交流电需通过配电箱内的开关电源转换成DC 24V/36V直流电，给消防应急照明灯具供电。因此开关电源的特性将直接影响应急照明供电可靠性。

图2 A型应急照明配电箱接线示意图

开关电源工作时的发热是影响其工作状态的主要因素。当开关电源处于高负荷工作状态的同时又面临高功率灯具启动的浪涌电流，极易产生过负荷保护关断现象。若开关电源关断进行自我保护，普通照明和应急照明都不能正常工作，将造成巨大的安全隐患。同时开关电源的引入，导致配电箱成本较普通照明配电箱成倍(约10倍左右)增加。

当消防应急照明灯兼做正常照明时，灯具需要经常处于高功率点亮状态，此时整个照明系统的负荷会经常处于较高状态，风扇需要间歇性运行。对于电气竖井或配电小室而言，也需要采取一定的外部散热措施来保证系统的稳定运行。

总之，当消防应急照明灯兼做正常照明时，风扇寿命、竖井或配电小室散热措施、开关电源高热状态、灯具感应启动冲击及灯具经常性高热对蓄电池影响均是设计必须处理的因素。否则这种兼做模式很难保证整个系统的稳定性。

(2)基于施工成本及运行维护分析A型应急照明兼做普通照明的可行性

从施工成本经济性的角度来看，A型应急照明兼做普通照明时，虽然管线及安装成本降低，但由于兼做普通照明需满足普通照明的照度要求，灯具及相关设备的数量需求明显增多，灯具及设备的成本显著增加，从而导致A型应急照明兼做普通照明方案的总成本并不会比两种照明系统分开设计的方案低。

从运行维护的角度来看，照明系统包含了开关电源、通信模块等复杂元器件，需配套厂家的专业维修人员进行维护和检修。若A型应急照明兼做普通照明，当照明系统出现故障时，普通照明和应急照明将同时断电，对住宅业主生活也造成了较大的困扰。当普通照明系统(主要由断路器及普通照明灯具构成)独立设计时，即使其出现故障，非专业维修人员(物业电工等)可及时处理，提高了普通照明系统的故障检修效率。

综上所述，一般情况下，不建议采用集中控制型A型消防应急照明灯具兼做普通照明的形式。

2 A型应急照明灯具系统的配电设计、灯具照度范围及配电线路压降计算

2.1 A型应急照明灯具系统的配电设计

依据GB 51309-2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》的相关规定，配接灯具的额定功率总和不应大于配电回路额定功率的80%；A型灯具配电回路的额定电流不应大于6A；A型应急照明配电箱或集中电源的输出回路不应超过8路。目前A型应急照明灯具的电压规格主要有DC 24V和DC 36V两种。根据上述规范要求，实际每台集中电源可配接的灯具最大容量如表2所示。

DC 24V和DC 36V 的A型应急照明灯具特性表2

2.2 A型应急照明灯具的照度范围计算

地面任意一点的水平照度范围的计算公式如式(1)所示。

(1)

式中，Eθ为灯具正下方的地面水平照度，lx；Iθ为灯具至该点照射方向的光强，cd；R为灯具至计算点的距离，m；θ为地面通过光源的法线与入射光线的夹角，如图3所示。

图3 灯具照度示意图

参照《消防应急照明和疏散指示》附录A，A型应急照明灯具的等照度计算表如表3～4所示。

A型应急照明灯具的等照度半径表(3W灯具) 表3

A型应急照明灯具的等照度半径表(5W灯具) 表4

2.3 A型应急照明灯具系统配电线路压降计算

直流线路采用负荷矩来计算压降，公式如式(2)所示。

(2)

式中，Δu%为线路电压损失百分数；P为有功负荷，kW；l为线路长度，km；S为线芯标称截面，mm2；C为功率因数为1时的计算系数。

以DC 24V的A型应急照明灯具系统为例，配电线路一般采用铜芯导线，导线截面积为2.5mm2。由于配接灯具的额定功率总和不应大于配电回路额定功率的80%，则每个回路的有功负荷为：

(3)

式中，U为系统电压，V；I为回路的额定电流，A；相关参数详见表2。

根据GB 50034-2013《建筑照明设计标准》第7.1.4条要求，照明灯具的端电压压降不得超过5%，即Δu%≤5%，由式(2)可得配电线路长度限值为：

(4)

依据上述分析可得，配电回路长度控制在160m范围内可满足压降要求，保证灯具的正常启动。住宅建筑中，楼梯间应急照明灯具一般采用5W灯具竖向配电，配电线路较长。由于一般住宅建筑高度小于100m，且每个回路最大可接容量为115.2W(以DC 24V为例)，每个回路最多可带灯具数为115.2/5≈23盏。若每层一盏灯具，一个竖向配电回路最多可带23层，考虑到住宅建筑层高一般为3m，则楼梯间内一个竖向配电回路的供电长度最多为3×23=69m<162.7m，满足规范的压降要求。

3 集中电源集中控制型系统的典型住宅项目案例分析

以DC 24V集中电源集中控制型应急照明灯具为例，对典型住宅项目的灯具布置、配电回路设置进行分析。典型住宅项目的设置如下：住宅建筑每层高度为3m，前室、走道、电梯厅等区域(以下简称“公区”)灯具安装高度为2.4m，楼梯间灯具安装高度为3m。

DC 24V 集中电源集中控制型应急照明和疏散指示灯具图例表5

由上文可知，A型应急照明灯具配电回路的额定电流不大于6A，集中电源的输出回路不超过8路。根据GB 51309-2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》的相关规定，住宅建筑楼梯间、前室地面水平最低照度不小于5.0lx，公区走道地面水平最低照度不小于1.0lx。结合安装高度、照度要求以及表3～4，5.0lx照度区域采用5W应急照明灯具，公区走道采用3W应急照明灯具，疏散指示标志灯具均为1W。图例如表5所示，具体案例分析如下所述。