醫(yī)院建筑高壓細水霧滅火系統(tǒng)設計分析

黃 慧

(安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引 言

細水霧是水在最小設計工作壓力下，經(jīng)噴頭噴出并在噴頭軸線下方1.0 m處的平面上形成直徑Dv0.50<200 μm，Dv0.99<400 μm的水霧滴。作為一種清潔高效的滅火劑，被應用于撲救可燃固體表面火災、可燃液體火災和帶電設備的火災[1]。細水霧滅火系統(tǒng)的滅火機制主要為冷卻、窒息及衰減熱輻射。在現(xiàn)有消防滅火技術中，細水霧滅火技術因其環(huán)保節(jié)能、滅火效率高的特點，被大量應用在數(shù)據(jù)機房、油浸變壓器配電房、檔案庫(館)、城市管廊、飛機庫煤油池等場所。本文結(jié)合工程實例，在相關規(guī)范及標準的基礎上，從細水霧的滅火特點出發(fā)，對細水霧滅火系統(tǒng)設計進行分析和探討。

1 細水霧滅火系統(tǒng)與氣體滅火系統(tǒng)的比較

高壓細水霧滅火系統(tǒng)以水作為滅火劑，氣體滅火系統(tǒng)以惰性氣體、化學藥劑作為滅火劑，兩種滅火系統(tǒng)實際應用場所存在重疊。在《建筑設計防火規(guī)范》(GB 50016—2014)(2018年版)第8.3.9條規(guī)定了使用氣體滅火系統(tǒng)的場所，同時指出了可采用細水霧滅火系統(tǒng)代替的幾個應用場所。表1對比了幾種常見的氣體滅火系統(tǒng)與高壓細水霧滅火系統(tǒng)的特點。

表1 高壓細水霧滅火系統(tǒng)與常用的氣體滅火系統(tǒng)對比表

1.1 滅火機制對比

高壓細水霧：水在溫度變化和相變過程中需要吸收大量熱，因此高壓細水霧具有較好的吸熱冷卻能力；水經(jīng)過噴嘴的高壓環(huán)境霧化，體積膨脹，降低氧氣濃度，起到隔氧窒息的作用；細水霧覆蓋燃燒物表面，阻斷熱輻射的傳遞，同時對于燃燒的煙塵具有黏合作用，可吸收一部分空氣中的廢氣煙塵，起到清潔的效果。

七氟丙烷：七氟丙烷屬于鹵代烷類物質(zhì)，滅火機制是物理過程與化學反應的結(jié)合，與燃燒過程中的連鎖反應產(chǎn)生的H+、HO-、 O2活性游離基發(fā)生氣相反應，阻斷燃燒，產(chǎn)生大量氫氟酸，降低氧氣濃度。

IG541：IG541由 52%氮氣(N2)，40%氬氣(Ar)和 8%的二氧化碳(CO2)組成，滅火機制為產(chǎn)生大量惰性氣體充斥防護空間，從而降低防護區(qū)的氧氣濃度，起到窒息滅火的作用。當防護區(qū)中的氧氣降至15%以下時，大部分可燃物將停止燃燒。

綜上所述，高壓細水霧滅火系統(tǒng)因其多種方式滅火機制多樣化，具有環(huán)境清潔、人員安全、滅火效率高等特點。

1.2 安全性、適用性及經(jīng)濟型對比

安全性：高壓細水霧、IG541均不破壞臭氧層，也不產(chǎn)生溫室效應，具有清潔環(huán)保的特點。但IG541中8%的CO2的含量，導致在系統(tǒng)設計中，對于有人員工作的場所限制設計濃度為43%，人員撤離時間限制為3min。相較而言，七氟丙烷滅火系統(tǒng)不破壞臭氧層，但溫室效應明顯，產(chǎn)生的氫氟酸對設備具有腐蝕性，對人的呼吸道具有刺激性。環(huán)保安全性上高壓細水霧滅火系統(tǒng)優(yōu)于IG541優(yōu)于七氟丙烷。

適用性：從表1可看出，三種滅火劑的應用場所基本一致，滅火類型較多。但從輸送距離上，高壓細水霧滅火系統(tǒng)由于其管道輸送高壓水的特點，輸送距離具有明顯優(yōu)勢，適應性更廣。

經(jīng)濟性：噴頭是高壓細水霧滅火系統(tǒng)的核心組件，管網(wǎng)采用不銹鋼管材，造價高，需要配合泵組、電氣聯(lián)動系統(tǒng)的建設，初期投資較大。IG541的初期投資取決于防護區(qū)的設置，防護區(qū)多，氣瓶組數(shù)量多，造價較高。七氟丙烷藥劑價格昂貴，初期投資也取決于防護區(qū)，對于小規(guī)模的系統(tǒng)，七氟丙烷的初期投資小于高壓細水霧和IG541，對于較大規(guī)模的系統(tǒng)，七氟丙烷的無初期投資優(yōu)勢[2]。

系統(tǒng)投入使用后，高壓細水霧滅火系統(tǒng)管網(wǎng)系統(tǒng)維護費用小。IG541滅火系統(tǒng)氣體儲瓶的檢驗維修費較高壓細水霧滅火系統(tǒng)高。七氟丙烷藥劑昂貴，定期更換維護費用高。

2 高壓細水霧滅火系統(tǒng)在醫(yī)院建設項目中的應用

2.1 項目概況

某正在建設的三級甲等綜合醫(yī)院。項目總建筑面積約43萬m2，床位數(shù)1900床，一條東西向市政道路將項目用地分為南北兩個地塊。醫(yī)院的門診、治療區(qū)設置貴重醫(yī)療設備用房如CT室、核磁共振和直線加速器等房間、醫(yī)療檔案庫、信息化機房等。根據(jù)《建筑設計防火規(guī)范》(GB50016-2018)8.3.9條的規(guī)定，特殊重要設備室應設置自動滅火系統(tǒng)，可選擇氣體滅火系統(tǒng)或高壓細水霧滅火系統(tǒng)。

2.2 自動滅火系統(tǒng)的選擇

針對超大規(guī)模醫(yī)療建筑，在選擇自動滅火系統(tǒng)時，需重點考慮以下因素：

(1) 此類特殊設備房間在本項目的分布較廣，分散在不同單體的不同樓層內(nèi)。按照一個功能房間一個區(qū)域統(tǒng)計，北區(qū)共有35個房間、南區(qū)共有30個房間需設置自動滅火系統(tǒng)。

(2) 醫(yī)院內(nèi)的此類特殊設備房間基本都安裝有貴重的醫(yī)療設備，具有醫(yī)療診斷功能，為醫(yī)務人員和病患經(jīng)?；顒拥膮^(qū)域。其余的房間為病案庫、UPS室及弱電機房等。

(3) 醫(yī)院的此類特殊設備房間，因考慮輻射因素，房間門、墻壁有圍護要求。氣體滅火系統(tǒng)要求設置泄壓口，對空間完整性存在破壞可能。

(4) 該項目規(guī)模較大，初期投資和后期維護費用應統(tǒng)籌考慮。

綜合上述的四點因素，和本文第1條的分析比較，從建設規(guī)模和人員設備安全角度，首先排除七氟丙烷滅火系統(tǒng)。從投資和維護角度，IG541滅火系統(tǒng)和高壓細水霧滅火系統(tǒng)的建設費用均較大，但高壓細水霧系統(tǒng)后期維護方便、維護成本較小，優(yōu)于IG541。從防護區(qū)的分布，由于IG541與七氟丙烷都有傳輸距離的限制，分散的功能布局增加了系統(tǒng)的鋼瓶數(shù)量和設備房間，對于醫(yī)療建筑整體功能實現(xiàn)存在不利影響。因此，本項目選用高壓細水霧滅火系統(tǒng)作為特殊設備房間的消防保護措施。

2.3 系統(tǒng)形式和適用場所

細水霧的系統(tǒng)形式及適用場所見表2 ?！兑?guī)范》第3.1.3條做了如下規(guī)定：液壓站，配電室、電纜隧道、電纜夾層，電子信息系統(tǒng)機房，文物庫，以及密集柜存儲的圖書庫、資料庫和檔案庫，宜選擇全淹沒應用方式的開式系統(tǒng)。

表2 系統(tǒng)形式及使用場所

本工程采用開式全淹沒滅火系統(tǒng)，采用泵組進行加壓供水。

其中開式系統(tǒng)又分為兩種形式：全淹沒滅火系統(tǒng)(向整個防護區(qū)內(nèi)噴放細水霧，保護其內(nèi)部所有保護對象的系統(tǒng)應用方式)和局部應用方式(向保護對象直接噴放細水霧，保護空間內(nèi)某具體保護對象的系統(tǒng)應用方式)。

2.4 防護區(qū)的劃分

《細水霧滅火系統(tǒng)技術規(guī)范》(GB 50898—2013，以下稱《規(guī)范》)第3.4.5條有如下要求：用全淹沒應用方式的開式系統(tǒng)，其防護區(qū)數(shù)量不應大于3個。單個防護區(qū)的容積，對于泵組系統(tǒng)不宜超過3 000 m3，對于瓶組系統(tǒng)不宜超過260 m3。當超過單個防護區(qū)最大容積時，宜將該防護區(qū)分成多個分區(qū)進行保護，并應符合下列規(guī)定：

(1) 各分區(qū)的容積，對于泵組系統(tǒng)不宜超過3 000 m3，對于瓶組系統(tǒng)不宜超過260 m3；

(2) 當各分區(qū)的火災危險性相同或相近時，系統(tǒng)的設計參數(shù)可根據(jù)其中容積最大分區(qū)的參數(shù)確定；

(3) 當各分區(qū)的火災危險性存在較大差異時，系統(tǒng)的設計參數(shù)應分別按各自分區(qū)的參數(shù)確定；

此項規(guī)定對防護區(qū)的個數(shù)和體積進行了限制，但是同時引入防護分區(qū)的概念。對2、3款的解讀可知，每個房間作為一個防護分區(qū)，設置一個開式閥箱進行控制；分區(qū)內(nèi)的火災危險性可相同，也可存在差異。這讓系統(tǒng)控制的范圍擴大，節(jié)省了泵組的數(shù)量，從而降低造價。本工程以南、北地塊為單位，分別采用兩套泵組，每套泵組服務于各自地塊的高壓細水霧滅火系統(tǒng)，以南地塊為例，分區(qū)見表3。

表3 高壓細水霧滅火系統(tǒng)分區(qū)與設計參數(shù)

2.5 設計參數(shù)的確定

根據(jù)《規(guī)范》第3.4.4條的要求，采用全淹沒應用方式的開式系統(tǒng)，其噴霧強度、噴頭的布置間距、安裝高度和工作壓力，可根據(jù)噴頭的安裝高度按《規(guī)范》表3.4.4確定系統(tǒng)的最小噴霧強度和噴頭的布置間距。根據(jù)防護分區(qū)保護面積以及防護分區(qū)噴頭數(shù)量按照根據(jù)式(1)可校核最小噴霧強度是否滿足《規(guī)范》表3.4.4的要求。最小噴霧強度演算數(shù)據(jù)見表3，在流量系數(shù)K=1，噴頭工作壓力為10 MPa，噴頭布置間距≤3 m的情況下，防護分區(qū)內(nèi)的最小噴水強度均能滿足規(guī)范的要求。

(1)

從表3中可看出，系統(tǒng)最大流量防護區(qū)為骨科樓變電所2，共55只噴頭，設計流量根據(jù)式(2)計算得550 L/min。

(2)

由表3可看出，對于相同的流量系數(shù)取值，系統(tǒng)的噴霧強度較《規(guī)范》表3.4.4的數(shù)值大，此處可按照式(1)對噴頭的流量系數(shù)進行優(yōu)化，從而優(yōu)化系統(tǒng)流量和泵組參數(shù)。不同流量系數(shù)的噴頭在工作壓力為10 MPa的情況下，對應的噴頭流量見表4。以骨科變電所1為例，按照規(guī)范最小噴霧強度為1.2 L/(min·m2)，噴頭工作壓力為10 MPa，在保護面積為306 m2，噴頭數(shù)量為53個的條件下，可算出噴頭的流量為6.9 L/min，同時可根據(jù)式(1)算出或根據(jù)表4得出噴頭的流量系數(shù)最小為0.7。噴頭是細水霧滅火系統(tǒng)的核心技術，通過優(yōu)化計算，可提高系統(tǒng)設計的經(jīng)濟性。

表4 常見噴頭10 MPa工作壓力下噴頭流量系數(shù)與流量的對應關系

《規(guī)范》第3.4.8條規(guī)定開式系統(tǒng)的設計響應時間不應大于30 s；第3.4.9條對設計持續(xù)噴霧時間做出規(guī)定：用于保護電子信息系統(tǒng)機房、配電室等電子、電氣設備間，圖書庫、資料庫、檔案庫，文物庫，電纜隧道和電纜夾層等場所時，系統(tǒng)的設計持續(xù)噴霧時間不應小于30 min。系統(tǒng)儲水箱的設計有效容積按式(3)計算，可得V=16.5 m3。

V=QS·t

(3)

2.6 高壓細水霧滅火系統(tǒng)的控制

《規(guī)范》規(guī)定，泵組系統(tǒng)應具有自動、手動控制方式，開式系統(tǒng)為了減少火災探測器誤報引起的誤動作，要求設置兩路獨立回路的火災探測器以確認火災的真實性。本項目采用自動控制、手動控制及機械應急操作三種方式。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 開式細水霧滅火系統(tǒng)工作原理圖

有工程實例提出了單個功能房間作為防護分區(qū),并以滿足系統(tǒng)響應時間的管道長度來確定防護區(qū)規(guī)模的設計思路[3]，防護區(qū)設置開式分區(qū)控制閥，在每個防護分區(qū)設置開式區(qū)域控制閥，利用第一路探測器聯(lián)動開式分區(qū)控制閥，當接收到第一路探測器報警時，開啟分區(qū)控制閥，對閥后管道預充水，當接收到第二路探測器報警時，開啟區(qū)域控制閥，向噴頭供水。這種控制方式，在防護區(qū)、防護分區(qū)合理劃分的基礎上，滿足了規(guī)范減少系統(tǒng)誤動作的要求，使充水管道長度減少，同時對分區(qū)閥組設置位置、管道沖水時間滿足規(guī)范要求的系統(tǒng)響應時間提出較高要求，對工程設計有一定的借鑒意義。

3 結(jié)束語

高壓細水霧滅火系統(tǒng)由于環(huán)保清潔、滅火效率高、系統(tǒng)適應性廣等特點，可選做大型綜合醫(yī)院貴重設備室的自動滅火系統(tǒng)。設計中，防護區(qū)的合理劃分，可減少泵組數(shù)量，提高工程的經(jīng)濟性。確定系統(tǒng)參數(shù)時，要根據(jù)噴頭布置與噴頭流量系數(shù)校核防護區(qū)域內(nèi)的噴霧強度，滿足《規(guī)范》中最小噴霧強度的要求。噴頭的流量系數(shù)可根據(jù)不同防護區(qū)的噴頭布置對應最小噴霧強度來確定，可優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。