医院放射科气体灭火后排风系统设计的探讨

刘波 霍亭 初正鹏

山东省建筑设计研究院有限公司

医院放射科室主要包括X 光机、CT、CR、DR、数字胃肠、钼靶等功能房间，这些房间内医疗设备一般比较贵重，一旦发生火灾，需要避免用水扑救，一般情况下就采用气体灭火方式[1]。目前气体灭火常用的介质为IG-541 混合气体、七氟丙烷和热气溶胶。IG-541混合气体的GWP=0，ODP=0，对人体也没有毒性。七氟丙烷的GWP=0.6，ODP=0，对大气基本没有影响，对人体为低毒性。热气溶胶的GWP=0，ODP=0，对大气没有影响，对人体为低毒性。由于有些气体灭火介质有毒，为了安全起见，GB50370-2005《气体灭火系统设计规范》第6.0.4 条作为强制性条文规定：“灭火后的防护区应通风换气，地下防护区和无窗或设固定窗扇的地上防护区，应设置机械排风装置，排风口宜设在防护区的下部并应直通室外。通信机房、电子计算机房等场所的通风换气次数应不小于每小时5 次”。医院影像科室一般为无窗房间，设置机械排风装置在所难免。为叙述方便，本文在此定义此排风方式为气体灭火后排风。由于热气溶胶释放后会形成烟雾，影响火场人员逃生。IG541 气体压力大，不利于运输、储存，安装也较为困难，工程造价高，故医院放射科室气体灭火介质主要采用七氟丙烷[2-3]。在本文中，笔者将结合自己的工作实践，阐述一下医院放射科室七氟丙烷灭火后排风系统的设计。

1 七氟丙烷灭火后排风特性

1.1 七氟丙烷灭火后排风理论模型

假设七氟丙烷灭火后排风过程中七氟丙烷在防护区内分布是均匀的，某时刻排出介质气体质量为：

式中：G 为单位时间排出气体介质质量流量，kg/s；τ 为时间，s；V 为房间净体积，m3；S 为介质气体质量体积，m3/kg；C 为介质气体在防护区内体积浓度，%。

其中：

式中：A 为房间面积，m2；匀 为房间净高，m；n 为七氟丙烷灭火后排风房间设计换气次数，次/h。

将式（2）、（3）代入式（1）中积分后得式（4），泄压口置于防护区净高2/3 以上，泄压口以上七氟丙烷含量极少，整个房间介质气体初始浓度应为。

式中：C0为七氟丙烷在防护区内灭火设计浓度，%。

图1、图2 和图3 分别表示n=2 次/h、n=5 次/h、n=10 次/h 时理想状态下七氟丙烷气体体积浓度随时间变化曲线。由图中可以看出：1）初始时刻排除七氟丙烷浓度急剧下降，随着时间推移，浓度下降速度越来越小。这是初始时刻七氟丙烷浓度大，单位风量排出七氟丙烷多的缘故。2）当n=2 次/h、n=5 次/h 和n=10 次/h 时，七氟丙烷降到初始浓度的一半的时间分别大约为525 s，210s 和105 s。

图1 七氟丙烷气体体积浓度随时间变化曲线(n=2 次/h)

图2 七氟丙烷气体体积浓度随时间变化曲线(n=5 次/h)

图3 七氟丙烷气体体积浓度随时间变化曲线(n=10 次/h)

GB50370-2005《气体灭火系统设计规范》第6.0.7条强制性规定“有人工作防护区的灭火设计浓度或实际使用浓度。不应大于有毒性反应浓度（LOAEL 浓度），该值应符合本规范附录G 的规定。”规范中所述七氟丙烷的有毒性反应浓度（LOAEL 浓度）为10.5%，无毒性反应浓度（NOAE 浓度）为9%[4]。根据笔者经验医院影像科中灭火设计浓度一般为8%～9%。理论上，气体灭火后防护区无需通风七氟丙烷浓度就在NOAE 浓度以下。

1.2 七氟丙烷灭火后排风实际特性

由于七氟丙烷密度比空气密度大，气体灭火后七氟丙烷沉积在防护区下部，防护区内七氟丙烷分布不均匀，泄压口置于防护区净高2/3 以上，可以认为泄压口以上基本没有七氟丙烷气体。因此，气体灭火后防护区某些区域七氟丙烷浓度很有可能会超过LOAEL浓度，七氟丙烷灭火后排风很有必要。实际排风过程方程为：

图4、图5 和图6 分别表示n=2 次/h、n=5 次/h、n=10 次/h 时实际状态下七氟丙烷气体体积浓度随时间变化曲线。考虑到气体灭火后进入防护区人员的安全性，取七氟丙烷灭火后排风终止浓度为无毒性反应浓度（NOAE 浓度）的一半，一般医院影像科中灭火设计体积浓度为9%，终了体积浓度为4.5%。由图4、图5和图6 可以看出，当n=2 次/h、n=5 次/h 和n=10 次/h时，七氟丙烷降到初始浓度的一半的时间分别大约为1250 s、500 s 和250 s。

图4 七氟丙烷气体体积浓度随时间变化曲线(n=2 次/h)

图5 七氟丙烷气体体积浓度随时间变化曲线(n=5 次/h)

图6 七氟丙烷气体体积浓度随时间变化曲线(n=10 次/h)

2 七氟丙烷灭火后排风方式设计探讨

根据对七氟丙烷灭火后排风的设计及思索，认为该排风方式可分为三类：借用平时排风系统的排风方式、独立的七氟丙烷灭火后排风方式和可拆装式七氟丙烷灭火后排风方式。

2.1 借用平时排风系统的排风方式

根据GB 51039-2014 规定，“医疗用房的集中空调系统的新风量每人不应低于40 m3/h，或新风量不应小于2 次/h”[5]，影像科排风量一般等于新风量。条件合适时，可以利用已有的排风系统配合一些自控措施为放射科室进行七氟丙烷灭火后排风。根据平时排风口与七氟丙烷灭火后排风口是否共用，一般分为利用平时排风口排风和另设七氟丙烷灭火后排风口两种方式。还可以根据平时排风系统服务房间是否全是气体灭火房间，可分为部分房间为气体灭火房间排风系统和所有房间为气体灭火房间排风系统。

2.1.1 按照排风口是否共用分类

利用平时排风口进行七氟丙烷灭火后排风要兼顾平时排风与七氟丙烷灭火后排风两种情况，由于七氟丙烷密度比空气大，排风需要做下排风方式，两者兼用时平时排风也需要做成下排风方式。如图7 所示，进入房间支管上加电动风阀，平时常开，对应房间气体灭火时关闭，七氟丙烷灭火后排风时开启。

图7 风口共用排风方式

该种方式优点是省掉一套进入房间的风管支管、风阀和排风口，减少了投资和施工工作量。缺点是排风口未设置在功能房间的设备上方，平时设备散热导致的上升空气不能及时排走，气流组织不佳。此外，GB50370-2005 规定排风口“宜”设置在防护区下部，下部排风不算强制性要求，当条件不允许时，也可以将排风口设置于吊顶上。这样做的优点是平时设备散热导致的上升空气可以及时排走，气流组织好。缺点便是七氟丙烷灭火后排风效果不佳，根据上文分析，如果要达到下排风的同等效果，需要增大气体灭火时换气次数或增加排风时间。风口共用的排风方式还存在一个问题是：末端风管及风口选型一般根据平时排风量设计，平时排风量一般为2 次换气次数，七氟丙烷灭火后排风规范规定换气次数为5 次/h，有可能存在末端排风管及末端风口风速超速以及产生的噪音问题。笔者认为七氟丙烷密度比空气密度大，风速适当大一些更有利于排除七氟丙烷气体，况且七氟丙烷灭火后排风无需考虑噪音问题，所以排风管道及风口可以按照平时排风要求设计。

另设七氟丙烷灭火后排风口的方式如图8 所示，平时排风末端支管上风阀选常开电动风阀，对应房间气体灭火时关闭。七氟丙烷灭火后排风末端支管上风阀选常闭电动风阀，对应房间气体灭火时开启。另设七氟丙烷灭火后排风口的方式规避了风口兼用排风的弊端，但是增加了一套进入房间的风管支管、风阀和排风口，增加了投资与施工工作量。

图8 另设七氟丙烷灭火后排风口方式

2.1.2 平时排风统服务房间是否全是气体灭火房间

对于一个平时排风系统所服务的房间中只有几个房间是需要做七氟丙烷灭火后排风，其他房间不需要做气体灭火的情况，如图9 所示。根据规范要求，房间平时的换气次数设计为2 次/h，气体灭火房间的七氟丙烷灭火后排风的换气次数为5 次/h，如果气体灭火房间面积和小于平时排风系统房间面积的40%，此种情况可采取如下设计方法：普通房间排风支管设置电动风阀，常开，七氟丙烷灭火后排风时关闭；气体灭火房间排风支管设置电动风阀，常开，气体灭火时关闭，七氟丙烷灭火后排风时开启。排风干管和排风风机与平时排风系统共用，气体灭火房间排风支管以及排风口按照平时排风量大小设置。

图9 平时排风系统服务两种房间类型示意图1

当气体灭火房间总面积大于平时排风系统服务总面积的40%时，如图10 所示，此时需要根据具体情况将七氟丙烷灭火后排风系统划分两个排风子系统，配合控制挨个系统进行七氟丙烷灭火后排风，由前面分析可知，当换气次数为5 次/h 时，一个子系统进行七氟丙烷灭火后排风至排风终止浓度需要8.5 分钟。8.5 分钟之后进行下一个子系统七氟丙烷灭火后排风。图10 所示排风系统进行七氟丙烷灭火后排风时可以将气体灭火房间1、2、3 划分为一个子系统，气体灭火房间4、5、6 划分为另一个子系统，每个气体灭火房间排风支管上设电动风阀，子系统进行七氟丙烷灭火后排风时，子系统内房间排风支管阀门开启，其他气体子系统房间支管阀门关闭，挨个子系统进行排风。当然，也可以根据总的气体灭火房间灭火后排风量和平时排风量配置双速风机，平时排风时风机低速运行，七氟丙烷灭火后排风时高速运行。此外，已建成建筑如果没有装设自控系统，按照平时排风换气次数为2 次/h进行七氟丙烷灭火后排风，只要时间足够长（按照前面分析大约为21 分钟），也是可以将七氟丙烷体积浓度降到无毒性反应浓度（NOAE 浓度）的一半，但违背了规范GB50370-2005《气体灭火系统设计规范》第6.0.4条换气次数的要求。

图10 平时排风系统服务两种房间类型示意图2

当平时排风系统服务房间全是气体灭火房间时，按照规范气体灭火后最小排风总风量是平时排风的2.5 倍，可以将七氟丙烷灭火后排风系统分为三个子系统，按照上文所述方法进行排风。

借用平时排风系统的排风方式节省了一套排风系统，降低了施工工作量及初投资，但控制复杂，风阀数量多，对自控要求高。

2.2 独立的七氟丙烷灭火后排风方式

该种方式对气体灭火房间单独设置一套七氟丙烷灭火后排风系统，风机、风管和风口等与平时排风系统互相独立，互不影响。根据系统大小和科室具体情况还可以分有子系统和无子系统的七氟丙烷灭火后排风系统。

对于气体灭火面积小的区域，如图11 所示情形。设置一套七氟丙烷灭火后排风系统足矣，为降低压低吊顶的程度，七氟丙烷灭火后排风管道可以适当的减小尺寸。

图11 独立的七氟丙烷灭火后排风方式示意图1

对于气体灭火面积大的区域，如图12 所示情形，如果七氟丙烷灭火后排风不分子系统，配置的排风机以及排风管道会很大，必然会增加初投资以及安装难度，参照前面所述，将排风系统分为多个子系统，减小排风管道尺寸，挨个子系统进行排风，这样既可以降低初投资，也可以方便安装。当然，相应代价的是自控方面变复杂了。

图12 独立的七氟丙烷灭火后排风方式示意图2

2.3 可拆装式七氟丙烷灭火后排风

考虑到上述七氟丙烷灭火后排风自控系统复杂，风管安装会压低吊顶导致空间净高降低，且此系统在平时和火灾时不使用，只在火灾结束后开启排放七氟丙烷。结合上述特点，笔者在设计过程中，思索出一种“可拆装式七氟丙烷灭火后排风系统”。其基本原理如下：在需七氟丙烷灭火后排风的房间与走廊之间的墙上留洞，洞底距离地面200～300 mm，洞口大小根据具体气体排风量大小与风速确定，洞口平时用可拆卸的密封材料封堵。当需要进行七氟丙烷灭火后排风时，将封堵拆掉，接上钢丝波纹塑料软风管，风管连接风机。一般情况下可以将排风风机置于新风机房，新风机房预留电源，通过新风机房外窗排出室外。房间补风可以通过人为开门进行补风，先开启排风风机再人为开门补风。一般放射科室房间40～50 m2，净高3 m，按照5 次/h 换气次数计算，排风量为750 m3/h，按照最不利房间到新风机房阻力选择风机，风机风量可选850 m3/h。一般一个影像科室只需配置一个排风机即可，如有多个房间需要排风，可挨个房间进行排风，对于50 m2房间，8.5 分钟即可将七氟丙烷浓度降到初始浓度的一半，然后进行下一房间排风。

3 七氟丙烷灭火后排风机供电设计

《2009 全国民用建筑工程设计技术措施-暖通空调动力》第4.4.4 条指出事故风机应由消防电源供电。也可能源于此很多工程设计中将七氟丙烷灭火后排风电源设计为消防电源[6]，笔者认为这是不正确的。首先，七氟丙烷灭火后排风不是事故排风。其次，事故排风机也不是消防设备。具体原因可以参考文献[7-8]中详细阐述，笔者在此只列出结论：七氟丙烷灭火后排风机不是消防设备，不应列入消防负荷。此外，根据《医疗建筑电气设计规范》第4.2.1 要求，影像科七氟丙烷灭火后排风负荷等级应为一级[9]。

4 结论

1）通过理论分析可知，当换气次数为5 次/h 时，七氟丙烷浓度降到初始浓度的一半的时间分别大约为8.5 分钟。

2）本文中提出了几种七氟丙烷灭火后排风系统设计方案，排风方案没有固定格式，各有优缺点，需遵从设计规范，结合具体建筑布局，灵活设计。

3）提出一种拆装式七氟丙烷灭火后排风的想法。

4）七氟丙烷灭火后排风机不是消防设备，不应列入消防负荷。