高大空间建筑自动灭火系统设计探讨

林小辉，张 骞，张栋喆，燕 博

(西安建筑科技大学设计研究总院有限公司,陕西 西安 710055)

0 引言

高大空间建筑具有可燃物品种类多、火灾危险性大等特点,及时控制、扑灭初期火灾,防止其蔓延扩大,对消防安全至关重要。根据现行规范、技术标准,可用于高大空间建筑自动灭火的技术措施有:雨淋系统、大空间智能型主动喷水灭火系统、自动喷水灭火系统、自动跟踪定位射流灭火系统等[1]。其中,雨淋系统因水量大、灭火针对性差、造价高等原因,除了规范要求必须设置雨淋系统的某些特定场所外,在其他高大空间建筑中并不多见。大空间智能型主动喷水灭火系统目前没有国家统一标准,相关产品标准也不统一,设计人员对该系统的设计比较困惑,另外两种自动灭火系统在实际工程中的应用则较为广泛。本文拟对自动喷水灭火系统和自动跟踪定位射流灭火系统的选择和设计要求进行分析探讨,希望为高大空间建筑自动灭火系统的设计提供参考。

1 高大空间建筑自动灭火系统的选择

1.1 根据净空高度选择

新版GB 50084—2017自动喷水灭火系统设计规范(以下简称“喷规”)将民用建筑高大空间场所喷头的布置高度由8 m～12 m提高到了8 m～18 m,并明确了8 m～18 m民用和工业建筑高大空间场所采用湿式自喷系统的喷水强度、作用面积及喷头类型等设计参数。GB 51427—2021自动跟踪定位射流灭火系统技术标准(以下简称“自规”)适用于“净空高度大于12 m及净空高度大于8 m且不大于12 m,难以设置自喷系统的民用建筑和丙类生产车间、丙类库房”。由此可见,8 m～18 m范围内的高大净空场所自动灭火系统,既可以选用“自喷系统”,也可以选用“自动跟踪定位射流系统”。

GB 50016—2014建筑设计防火规范(2018版)(以下简称“建规”)规定:“难以设置自动喷水灭火系统的高大空间场所”才设置其他自动灭火系统。虽然“自规”对于净空高度大于12 m的高大空间场所中自动灭火系统的选择并没有“难以设置”这个限制条件,但“自喷系统”具有简单可靠、技术成熟、控制方便等优势[2],所以建议优先设置“自喷系统”,只有在采用玻璃采光顶棚或是因曲面吊顶导致喷头无法固定等难以设置“自喷系统”的高大空间场所,才考虑设置“自动跟踪定位射流系统”。

1.2 根据灭火装置性能特点和建筑空间效果选择

“自规”根据单个灭火装置的流量、出流方式将其分为自动消防炮灭火系统、喷射型自动射流灭火系统、喷洒型自动射流灭火系统3种类型(以下简称“水炮型”“射流型”“喷洒型”),具体选型既要考虑火灾危险等级、环境条件、净空高度、保护区域平面尺寸等因素[3],还应结合3种灭火装置的性能特点和建筑空间效果进行选择。表1为自动跟踪定位射流灭火系统各种灭火装置的性能特点。

表1 各种灭火装置的性能参数

“喷洒型”类似于“自喷系统”的大流量喷头,适用于面源火灾场所,一般安装在保护场所的正上方。若安装位置过高,水雾飘损导致喷水强度降低,影响灭火效果,故限定安装高度和净空高度均不超过25 m。“水炮型”和“喷射型”水流为射流型,适用于点源火灾,可以在保护场所的正上方悬空安装,也可以在侧墙、柱子上安装,只要在水柱的保护半径范围内即可,设置场所的净空高度不限。因此,首先从净空高度方面考虑,对于小于25 m的场所,3种灭火系统都可以使用;对于大于25 m的场所,只能选择“水炮型”和“喷射型”灭火系统。其次,从表1可以看出,“水炮型”系统的额定工作压力、额定流量及最大保护半径均整体最大,“喷洒型”系统的相关参数最小。从经济性方面考虑,候车厅、展厅等大跨度场所,只有“水炮型”系统才能以较少数量的灭火装置满足使用要求,而中庭等保护面积较小的场所,设置“喷射型”装置完全可以达到保护效果。如图1所示,富平县体育馆活动场地及观众席区域范围约121 m×82 m,最大净空高度约为19.8 m,内部为无柱空间,顶部为网架结构,设计选用自动消防炮灭火系统,单台流量20 L/s,工作压力1.0 MPa,保护半径42 m,系统设计流量40 L/s。消防炮吊装于网架下,安装高度约19 m。

2 自动灭火系统的设计流量

2.1 自动喷水灭火系统的设计流量

自动灭火系统的设计流量对于保证系统可靠、安全运行十分重要。自动喷水灭火系统的设计流量应满足喷水强度、作用面积的要求,按最不利点处作用面积内喷头同时喷水的总流量确定[4]。在高大空间场所布置成3 m×3 m喷头间距,支管为DN50不变径管网,最不利喷头压力为0.1 MPa,通过特性系数法计算,并考虑安全性、经济合理性,各种情况下设计流量见表2。

表2 自动喷水灭火系统设计流量

2.2 自动跟踪定位射流灭火系统的设计流量

“喷洒型”系统的设计流量计算与“自喷系统”类似,根据保护场所的喷水强度、作用面积及开启的灭火装置数量共同确定。在轻危险级场所的设计流量为20 L/s～30 L/s,在中危险Ⅰ级场所的设计流量为30 L/s～45 L/s(单台装置流量为5 L/s)或30 L/s～50 L/s(单台装置流量为10 L/s),在中危险Ⅱ级场所的设计流量为40 L/s～60 L/s。若保护场所的面积不足300 m2,则根据单台装置流量与同时开启的灭火装置数量乘积确定。

“水炮型”和“射流型”单台装置保护面积较大,一旦故障,影响严重,故“自规”从消防冗余设计的角度规定:“水炮型”和“射流型”灭火系统应至少有2股水柱可以到达被保护区域的任一部位,其设计流量按同时开启的灭火装置的流量之和计算。“水炮型”系统用于民用建筑时的最小设计流量为40 L/s,用于工业建筑时的最小设计流量为60 L/s;“喷射型”系统在轻危险级场所的最小设计流量为10 L/s,在中危险级场所的最小设计流量为20 L/s。

2.3 合用系统的设计流量

对于一个防火分区同时设有“自喷系统”和“自动跟踪定位射流系统”的情况,应结合具体场景分析是否同时作用,以确定系统设计流量。

1)同一防火分区设置“水炮型”系统与“自喷系统”的设计流量。按“自规”要求,“水炮型”系统的消防主泵及供水管网应独立设置,任何情况下两个系统的设计流量均分别取值,只是在两个系统同时作用时,一次灭火用水量按两者之和叠加计算;反之,一次灭火用水量按大值计算。若“水炮型”装置布置不受纵向障碍物遮挡影响,“自喷系统”的保护范围完全在“水炮型”装置的保护半径内,火灾发生时“水炮型”装置快速精确定位喷水灭火,临近喷头的热敏元件未到达爆裂温度,自喷系统不会启动,这种情况下的一次灭火用水量按“水炮型”系统的设计流量进行计算;若“水炮型”装置布置受纵向障碍物遮挡影响,且火灾发生在两个系统的边界处,初期火灾未能及时扑灭且向外部发展时,自喷系统会继续启动,此时“自喷系统”与“水炮型”系统会同时动作,一次灭火用水量按两者之和的最不利情况计算。

2)同一防火分区设置“射流型”系统与“自喷系统”的设计流量。“喷射型”“喷洒型”系统宜独立设置消防水泵及供水管网,在实际工程设计中,特别是针对设备用房无法扩容的改扩建项目,为了节约成本,将“喷射型”“喷洒型”系统与“自喷系统”共用消防水泵及供水管网也是满足规范的。当两个系统同时作用时,设计流量、一次灭火用水量应满足两个系统同时作用的要求。反之,满足较大一个系统使用的要求即可。“喷射型”装置的动作特点与“水炮型”类似,只是额定流量、额定压力及保护半径较小,其与“自喷系统”同一防火分区同时作用时,设计流量计算方法相同。

3)同一防火分区设置“喷洒型”系统与“自喷系统”的设计流量。“喷洒型”与“自喷系统”合用时,若按上述方法,将两者的设计流量叠加计算,则计算作用面积为460 m2。两种系统在同一保护区域同时作用时,灭火效果是相互辅助的,任何一个系统动作,都会减少另一个系统喷水装置的启动数量。对于净空高度不大于8 m的场所,“喷洒型”与“自喷系统”对应火灾危险等级的喷水强度相同,作用面积分别为300 m2,160 m2。对于净空高度介于8 m～18 m的场所,“自喷系统”的喷水强度大于“喷洒型”系统的喷水强度,所以既要满足“喷规”和“自规”对作用面积及喷水强度的要求,又要考虑“喷洒型”装置会同时启动的实际情况,可以将“自喷系统”以160 m2作用面积计算出自喷的设计流量Q1,然后以300 m2(不足300 m2按实际面积)与160 m2面积之差和喷水强度计算出“喷洒型”系统的设计流量Q2,并结合单台灭火装置的流量q来取整确定最大启动数量N2,以同时启动灭火装置的流量作为“喷洒型”系统的设计流量Q3,最后将两种系统的流量叠加计算即为设计流量Q。如图2所示,某酒店大堂(h=20 m,中危险Ⅰ级)面积为124 m2,“自喷系统”的设计流量Q1=26 L/s,“喷洒型”系统的设计流量Q2=(300-124)×6/60=18 L/s,单台灭火装置的流量q=10 L/s,则N2=18/10=1.8,取整为2台,Q3=10×2=20 L/s,则一次灭火流量为Q=Q1+Q3=26+20=46 L/s,取50 L/s。

3 稳压泵的设计流量和设计压力

3.1 稳压泵的设计流量

稳压泵的设计流量和设计压力决定着临时高压消防给水系统的供水可靠性和合理性。GB 55026—2022消防设施通用规范(以下简称“通规”)规定稳压泵的设计流量不应小于临时高压消防给水系统管网的泄流量,以确保系统始终处于充满有压水的状态,同时应小于管网泄流量与水力最不利点处一个灭火单元的最小出流量之和[5],以防止消防主泵不能及时启动。系统的泄漏量与管材类型、连接方式、施工条件、系统工作压力及系统设计流量有关,且这些影响因素一般难以具体量化。“自规”在满足“通规”强制性要求的前提下,规定稳压泵的流量宜为1 L/s～5 L/s,考虑到“自动跟踪定位射流系统”的管网容量一般较小,建议稳压泵的流量取1 L/s～2 L/s。《消防给水及消火栓系统技术规范》规定消防给水系统稳压泵流量为系统设计流量的1%～3%,且不宜小于1 L/s,建议按上限取1.5 L/s～2.5 L/s,这样既满足设计、调试的要求,也有利于未知风险的控制。反之如果取下限,可能会导致稳压泵频繁启动,缩短稳压泵和电机的使用寿命,同时也可能因补水流量小于泄流量,导致消防主泵误动作。“自动跟踪定位射流系统”与“自喷系统”合用时,稳压泵流量取2 L/s～3 L/s,可满足泄漏量及自动启动的要求。

3.2 稳压泵的设计压力

自动灭火系统完全依靠系统自身的能力发现、扑救火灾,所以需要时刻处于临战状态,其稳压装置应提供设施开启所需的压力。“喷规”规定,当临时高压自动喷水灭火系统高位消防水箱最低水位不能满足最不利点喷头的工作压力时,应设增压稳压设施,稳压泵的扬程应满足最不利点喷头的工作压力;同样,“自规”也指出,自动跟踪定位射流系统的稳压泵供水压力应保证最不利点灭火装置的设计工作压力。所以,自动灭火系统稳压泵的设计压力并不是要满足最不利点准工作状态时静水压力大于0.15 MPa,而是应满足系统最不利点灭火装置的设计工作压力。这样相当于系统时刻处于稳高压状态,有利于主泵及时启动。不同灭火装置的工作压力应根据系统设计进行选择。稳压泵的设计压力P0与消防主泵压力P、消防主泵零流量时出口压力Pmax、高位水箱最低水位与最不利点灭火装置的安装高度只差H1、最不利点灭火装置的设计工作压力P2的关系见表3。

表3 稳压泵设计压力

4 结语

对于8 m～18 m的高大空间建筑,优先采用自动喷水灭火系统,只有当设置困难的情况下,才考虑采用自动跟踪定位射流灭火系统;对于18 m以上的高大空间建筑,可根据自动跟踪定位射流灭火装置的性能特点和建筑空间效果进行选择,若净空高度小于25 m的场所,3种灭火系统都可以使用,若大于25 m的场所,只能选择“水炮型”和“喷射型”灭火系统。在实际工程设计中,多种影响因素和条件是交织在一起的,需要综合考虑来选择。

对于一个防火分区同时设有“自喷系统”和“自动跟踪定位射流系统”的情况,应结合管网设置情况及具体场景分析是否同时作用,以确定系统设计流量。同一防火分区设置“水炮型”系统与“自喷系统”时,各系统的设计流量均分别取值。同一防火分区设置“射流型”系统与“自喷系统”时,合用系统的设计流量为:1)当两个系统同时作用时,为两个系统的设计流量之和;2)当两个系统不同时作用时,为最大一个系统的设计流量。同一防火分区设置“喷洒型”系统与“自喷系统”时,系统的设计流量要根据作用面积、喷水强度、“喷洒型”装置启动数量等具体条件计算。“自动跟踪定位射流系统”“自喷系统”合用系统稳压泵推荐流量分别为1 L/s～2 L/s,1.5 L/s～2.5 L/s,2 L/s～3 L/s。稳压泵的公称压力应满足最不利点灭火装置的设计工作压力,具体值可参考表3进行选取。