医院建筑高压细水雾灭火系统设计分析

黄 慧

(安徽省建筑设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

细水雾是水在最小设计工作压力下，经喷头喷出并在喷头轴线下方1.0 m处的平面上形成直径Dv0.50<200 μm，Dv0.99<400 μm的水雾滴。作为一种清洁高效的灭火剂，被应用于扑救可燃固体表面火灾、可燃液体火灾和带电设备的火灾[1]。细水雾灭火系统的灭火机制主要为冷却、窒息及衰减热辐射。在现有消防灭火技术中，细水雾灭火技术因其环保节能、灭火效率高的特点，被大量应用在数据机房、油浸变压器配电房、档案库(馆)、城市管廊、飞机库煤油池等场所。本文结合工程实例，在相关规范及标准的基础上，从细水雾的灭火特点出发，对细水雾灭火系统设计进行分析和探讨。

1 细水雾灭火系统与气体灭火系统的比较

高压细水雾灭火系统以水作为灭火剂，气体灭火系统以惰性气体、化学药剂作为灭火剂，两种灭火系统实际应用场所存在重叠。在《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)(2018年版)第8.3.9条规定了使用气体灭火系统的场所，同时指出了可采用细水雾灭火系统代替的几个应用场所。表1对比了几种常见的气体灭火系统与高压细水雾灭火系统的特点。

表1 高压细水雾灭火系统与常用的气体灭火系统对比表

1.1 灭火机制对比

高压细水雾：水在温度变化和相变过程中需要吸收大量热，因此高压细水雾具有较好的吸热冷却能力；水经过喷嘴的高压环境雾化，体积膨胀，降低氧气浓度，起到隔氧窒息的作用；细水雾覆盖燃烧物表面，阻断热辐射的传递，同时对于燃烧的烟尘具有黏合作用，可吸收一部分空气中的废气烟尘，起到清洁的效果。

七氟丙烷：七氟丙烷属于卤代烷类物质，灭火机制是物理过程与化学反应的结合，与燃烧过程中的连锁反应产生的H+、HO-、 O2活性游离基发生气相反应，阻断燃烧，产生大量氢氟酸，降低氧气浓度。

IG541：IG541由 52%氮气(N2)，40%氩气(Ar)和 8%的二氧化碳(CO2)组成，灭火机制为产生大量惰性气体充斥防护空间，从而降低防护区的氧气浓度，起到窒息灭火的作用。当防护区中的氧气降至15%以下时，大部分可燃物将停止燃烧。

综上所述，高压细水雾灭火系统因其多种方式灭火机制多样化，具有环境清洁、人员安全、灭火效率高等特点。

1.2 安全性、适用性及经济型对比

安全性：高压细水雾、IG541均不破坏臭氧层，也不产生温室效应，具有清洁环保的特点。但IG541中8%的CO2的含量，导致在系统设计中，对于有人员工作的场所限制设计浓度为43%，人员撤离时间限制为3min。相较而言，七氟丙烷灭火系统不破坏臭氧层，但温室效应明显，产生的氢氟酸对设备具有腐蚀性，对人的呼吸道具有刺激性。环保安全性上高压细水雾灭火系统优于IG541优于七氟丙烷。

适用性：从表1可看出，三种灭火剂的应用场所基本一致，灭火类型较多。但从输送距离上，高压细水雾灭火系统由于其管道输送高压水的特点，输送距离具有明显优势，适应性更广。

经济性：喷头是高压细水雾灭火系统的核心组件，管网采用不锈钢管材，造价高，需要配合泵组、电气联动系统的建设，初期投资较大。IG541的初期投资取决于防护区的设置，防护区多，气瓶组数量多，造价较高。七氟丙烷药剂价格昂贵，初期投资也取决于防护区，对于小规模的系统，七氟丙烷的初期投资小于高压细水雾和IG541，对于较大规模的系统，七氟丙烷的无初期投资优势[2]。

系统投入使用后，高压细水雾灭火系统管网系统维护费用小。IG541灭火系统气体储瓶的检验维修费较高压细水雾灭火系统高。七氟丙烷药剂昂贵，定期更换维护费用高。

2 高压细水雾灭火系统在医院建设项目中的应用

2.1 项目概况

某正在建设的三级甲等综合医院。项目总建筑面积约43万m2，床位数1900床，一条东西向市政道路将项目用地分为南北两个地块。医院的门诊、治疗区设置贵重医疗设备用房如CT室、核磁共振和直线加速器等房间、医疗档案库、信息化机房等。根据《建筑设计防火规范》(GB50016-2018)8.3.9条的规定，特殊重要设备室应设置自动灭火系统，可选择气体灭火系统或高压细水雾灭火系统。

2.2 自动灭火系统的选择

针对超大规模医疗建筑，在选择自动灭火系统时，需重点考虑以下因素：

(1) 此类特殊设备房间在本项目的分布较广，分散在不同单体的不同楼层内。按照一个功能房间一个区域统计，北区共有35个房间、南区共有30个房间需设置自动灭火系统。

(2) 医院内的此类特殊设备房间基本都安装有贵重的医疗设备，具有医疗诊断功能，为医务人员和病患经常活动的区域。其余的房间为病案库、UPS室及弱电机房等。

(3) 医院的此类特殊设备房间，因考虑辐射因素，房间门、墙壁有围护要求。气体灭火系统要求设置泄压口，对空间完整性存在破坏可能。

(4) 该项目规模较大，初期投资和后期维护费用应统筹考虑。

综合上述的四点因素，和本文第1条的分析比较，从建设规模和人员设备安全角度，首先排除七氟丙烷灭火系统。从投资和维护角度，IG541灭火系统和高压细水雾灭火系统的建设费用均较大，但高压细水雾系统后期维护方便、维护成本较小，优于IG541。从防护区的分布，由于IG541与七氟丙烷都有传输距离的限制，分散的功能布局增加了系统的钢瓶数量和设备房间，对于医疗建筑整体功能实现存在不利影响。因此，本项目选用高压细水雾灭火系统作为特殊设备房间的消防保护措施。

2.3 系统形式和适用场所

细水雾的系统形式及适用场所见表2 。《规范》第3.1.3条做了如下规定：液压站，配电室、电缆隧道、电缆夹层，电子信息系统机房，文物库，以及密集柜存储的图书库、资料库和档案库，宜选择全淹没应用方式的开式系统。

表2 系统形式及使用场所

本工程采用开式全淹没灭火系统，采用泵组进行加压供水。

其中开式系统又分为两种形式：全淹没灭火系统(向整个防护区内喷放细水雾，保护其内部所有保护对象的系统应用方式)和局部应用方式(向保护对象直接喷放细水雾，保护空间内某具体保护对象的系统应用方式)。

2.4 防护区的划分

《细水雾灭火系统技术规范》(GB 50898—2013，以下称《规范》)第3.4.5条有如下要求：用全淹没应用方式的开式系统，其防护区数量不应大于3个。单个防护区的容积，对于泵组系统不宜超过3 000 m3，对于瓶组系统不宜超过260 m3。当超过单个防护区最大容积时，宜将该防护区分成多个分区进行保护，并应符合下列规定：

(1) 各分区的容积，对于泵组系统不宜超过3 000 m3，对于瓶组系统不宜超过260 m3；

(2) 当各分区的火灾危险性相同或相近时，系统的设计参数可根据其中容积最大分区的参数确定；

(3) 当各分区的火灾危险性存在较大差异时，系统的设计参数应分别按各自分区的参数确定；

此项规定对防护区的个数和体积进行了限制，但是同时引入防护分区的概念。对2、3款的解读可知，每个房间作为一个防护分区，设置一个开式阀箱进行控制；分区内的火灾危险性可相同，也可存在差异。这让系统控制的范围扩大，节省了泵组的数量，从而降低造价。本工程以南、北地块为单位，分别采用两套泵组，每套泵组服务于各自地块的高压细水雾灭火系统，以南地块为例，分区见表3。

表3 高压细水雾灭火系统分区与设计参数

2.5 设计参数的确定

根据《规范》第3.4.4条的要求，采用全淹没应用方式的开式系统，其喷雾强度、喷头的布置间距、安装高度和工作压力，可根据喷头的安装高度按《规范》表3.4.4确定系统的最小喷雾强度和喷头的布置间距。根据防护分区保护面积以及防护分区喷头数量按照根据式(1)可校核最小喷雾强度是否满足《规范》表3.4.4的要求。最小喷雾强度演算数据见表3，在流量系数K=1，喷头工作压力为10 MPa，喷头布置间距≤3 m的情况下，防护分区内的最小喷水强度均能满足规范的要求。

(1)

从表3中可看出，系统最大流量防护区为骨科楼变电所2，共55只喷头，设计流量根据式(2)计算得550 L/min。

(2)

由表3可看出，对于相同的流量系数取值，系统的喷雾强度较《规范》表3.4.4的数值大，此处可按照式(1)对喷头的流量系数进行优化，从而优化系统流量和泵组参数。不同流量系数的喷头在工作压力为10 MPa的情况下，对应的喷头流量见表4。以骨科变电所1为例，按照规范最小喷雾强度为1.2 L/(min·m2)，喷头工作压力为10 MPa，在保护面积为306 m2，喷头数量为53个的条件下，可算出喷头的流量为6.9 L/min，同时可根据式(1)算出或根据表4得出喷头的流量系数最小为0.7。喷头是细水雾灭火系统的核心技术，通过优化计算，可提高系统设计的经济性。

表4 常见喷头10 MPa工作压力下喷头流量系数与流量的对应关系

《规范》第3.4.8条规定开式系统的设计响应时间不应大于30 s；第3.4.9条对设计持续喷雾时间做出规定：用于保护电子信息系统机房、配电室等电子、电气设备间，图书库、资料库、档案库，文物库，电缆隧道和电缆夹层等场所时，系统的设计持续喷雾时间不应小于30 min。系统储水箱的设计有效容积按式(3)计算，可得V=16.5 m3。

V=QS·t

(3)

2.6 高压细水雾灭火系统的控制

《规范》规定，泵组系统应具有自动、手动控制方式，开式系统为了减少火灾探测器误报引起的误动作，要求设置两路独立回路的火灾探测器以确认火灾的真实性。本项目采用自动控制、手动控制及机械应急操作三种方式。系统工作原理如图1所示。

图1 开式细水雾灭火系统工作原理图

有工程实例提出了单个功能房间作为防护分区,并以满足系统响应时间的管道长度来确定防护区规模的设计思路[3]，防护区设置开式分区控制阀，在每个防护分区设置开式区域控制阀，利用第一路探测器联动开式分区控制阀，当接收到第一路探测器报警时，开启分区控制阀，对阀后管道预充水，当接收到第二路探测器报警时，开启区域控制阀，向喷头供水。这种控制方式，在防护区、防护分区合理划分的基础上，满足了规范减少系统误动作的要求，使充水管道长度减少，同时对分区阀组设置位置、管道冲水时间满足规范要求的系统响应时间提出较高要求，对工程设计有一定的借鉴意义。

3 结束语

高压细水雾灭火系统由于环保清洁、灭火效率高、系统适应性广等特点，可选做大型综合医院贵重设备室的自动灭火系统。设计中，防护区的合理划分，可减少泵组数量，提高工程的经济性。确定系统参数时，要根据喷头布置与喷头流量系数校核防护区域内的喷雾强度，满足《规范》中最小喷雾强度的要求。喷头的流量系数可根据不同防护区的喷头布置对应最小喷雾强度来确定，可优化系统参数，提高系统经济性。