二类高层发电机房水喷雾系统设计

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简介： 介绍了水喷雾灭火系统的组成、灭火特点，结合工程实例阐述了二类高层建筑自备发电机房水喷雾灭火系统的设计。
关键字：水喷雾系统

一、概述

    1995年国家颁布了《水喷雾灭火系统设计规范》（GB50219-95）（以下简称雾规），水喷雾技术有了强制性国家标准。水喷雾灭火系统是利用水雾喷头在一定的水压下将水流分解成细小水滴进行灭火或防护冷却的一种固定灭火系统。水雾喷头喷射的雾状水滴直径约为0.3~0.5mm，且是不连续的间断水滴，具有良好的电气绝缘性能，能较好的解决电气设备、闪点较高的可燃液体火灾的扑灭问题，并以其安全可靠、经济实用、灭火效率高、对环境无不良影响等优越性能可部分取代气体灭火系统。过去认为“电气火灾不允许用水扑救”的传统思想得到解放，水喷雾技术越来越被消防工程技术人员接受、应用和推广。《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95）也在1997年的修订条文中规定高层建筑内的自备发电机房应设置水喷雾灭火系统。

    水喷雾灭火系统的组成与雨淋自动喷水灭火系统相似，主要由水源、高压供水设备、供水管道、雨淋阀组、过滤器和水雾喷头组成。水雾喷头分为中速水雾喷头和高速水雾喷头，发电机房应采用ZSTWB等离心雾化型高速水雾喷头。水喷雾系统应具有自动控制、手动控制和机械应急控制三种启动方式。自动控制是指水喷雾系统的火灾探测、报警部分与供水设备、雨淋阀组等部件自动联锁操作的控制方式。就自动控制而言，有采用缆式线型定温火灾探测器，有采用闭式喷头加传动管，有采用烟感+温感火灾探测器等三种；因闭式喷头设在保护空间内，当喷头感受热气流闭式喷头破裂喷水，其喷出的不是水雾而是水流，尽管雨淋阀的传动管管径较小，出水量有限，但还是会造成一些不良后果，因此发电机房内的水喷雾灭火系统不宜采用；而缆式定温火灾探测器又较烦琐，故一般采用烟感+温感的做法。

二、工程实例

    下面就某工程发电机房的具体实例，介绍水喷雾灭火系统的设计。

    某16层的二类高层商住楼的地下室内设有一组300KW的自启动柴油发电机组，发电机组的最大外型尺寸：

    长×宽×高=3.49m×1.27m×1.90m。

1、确定保护对象的设计喷雾强度W等设计参数：

    自备发电机组一般选用0#柴油，其闪点≥65℃，根据《雾规》第3.1.2条、第3.1.3条、第3.1.4条的规定及《全国民用建筑工程设计技术措施》（给水排水分册）中所述的原则，发电机房的设计参数如下：设计喷雾强度W宜为20L/（min.m²）,持续喷雾时间不宜小于0.5h，水雾喷头的工作压力不应小于0.35Mpa，系统响应时间不应大于45S。

2、喷头布置与选型：

    根据《雾规》第3.1.5条规定，发电机组外型不规则，保护面积按包容机组最大外型尺寸的规则形体的外表面积确定，本工程发电机组的外表面积S_发=22.52m²。

    通常储油间内设储存机组8h所需柴油量的油箱，油箱一般架高1.0m以使柴油靠重力流入发电机组，设计的机组柴油耗量为83L/h，则油箱容量约为0.7m³，故设一个1.0m×1.0m×1.0m油箱。根据《雾规》第3.1.6条规定，储油间的保护面积按储油间的使用面积确定，喷头布置方式可采用平面法布置。其使用面积S_储=2.2×2.8=6.16m²。

    喷头布置应保证水雾的灭火的效率和水雾完全覆盖保护对象的表面、不出现空白点，所以应符合《雾规》第3.2.3条规定：“水雾喷头保护对象之间的距离不得大于水雾喷头的有效射程。”。以及《雾规》第3.2.4条规定：“……。当按矩形布置时，水雾喷头之间的距离不应大于1.4倍水雾喷头的水雾锥底圆半径；当按菱形布置时，水雾喷头之间的距离不应大于1.7倍水雾喷头的水雾锥底圆半径。……。”。并且各保护面上的喷头的间距不应超过3m。

⑴、发电机组喷头的布置、选型：

①、初定水雾喷头的流量：

    为便于喷头的使用、维护，机组各面的水雾喷头宜采用相同的型号，且为节约投资，减少喷头数量，宜选用雾化角较大的喷头以保证在相同的水压下作用面积较大，一般可选用雾化角θ为120º的水雾喷头。所以，本工程拟选用ZSTWB-80-120型水雾喷头，此喷头公称工作压力下（0.35MPa）的额定流量q=80 L/min，雾化角为120º。

②、计算发电机组水雾喷头的最小数量N：

  根据《雾规》7.1.2公式：N=,

   式中 N-----保护对象的水雾喷头的计算数量；

q-----水雾喷头的流量（L/min）；拟选喷头流量为80 L/min

        S-----保护对象的保护面积（m²）；S_发=22.52m²

        W-----保护对象的设计喷雾强度（L/min.m²）；20 L/min.m²

   所以，N_发=≈6个。

    发电机组喷头布置采用立体布置法，根据本工程发电机组的实际尺寸，在机组端面各设1个喷头，顶面和二个侧面各设2个喷头，喷头平面布置见下图。

    从上图可见，为了达到喷头直接喷射按包容机组的规则形体的每个表面，发电机组设了8个喷头，比计算结果多设了2个,保护面积内的喷雾强度增大，可按此方案选择和布置喷头。

③、对喷头与机组的间距进行计算、确定。

    喷头与机组表面的间距不应大于水雾喷头的有效射程（水平、垂直），且为使水雾完全覆盖各保护表面，应满足喷头与机组表面的最小间距。ZSTWB型高速水雾喷头的有效射程与雾化角有关，应根据所选产品厂家的喷射曲线图确定。本工程采用ZSTWB-80-120型水雾喷头，其水平有效射程为1.9m，垂直有效射程为3.0m。

喷头与机组表面的最小间距可根据机组规则形体表面尺寸、喷头位置（为了简化计算、节约投资各喷头的投影宜位于各表面的中心或中轴线上）、喷头雾化角计算出当完全覆盖机组规则形体表面的最小水雾锥底圆半径R，再根据《雾规》3.2.4公式：R=B×tg,求得喷头与机组规则形体表面的最小距离B_min=R÷tg。

    本例中的喷头与机组规则形体表面的最小距离计算结果如下：

A、机组端表面侧喷头的最小距离B_端min；

覆盖机组端表面的最小水雾锥底圆半径R_端min==1.15m

B_端min= R÷tg= 1.15÷tg=0.67m

B、          机组顶表面侧喷头的最小距离B_顶min；

覆盖机组顶表面的最小水雾锥底圆R_顶min==1.10m

B_顶min= R÷tg= 1.10÷tg=0.64m

C、          机组侧表面侧喷头的最小距离B_侧min；

覆盖机组侧表面的最小水雾锥底圆R_侧min==1.29m

B_侧min= R÷tg= 1.29÷tg=0.75m

    根据计算的最小间距及发电机房的维修、交通要求，并保证灭火效率，本工程喷头距机组表面的间距采用1.0m。

    如果各侧的喷头不是位于各保护面的中心、中轴线，或者采用雾化角小于120º的水雾喷头时，喷头与保护面的最小距离增大，喷头与机组表面的间距可根据实际计算调整。

⑵、储油间喷头的布置、选型：

    储油间的保护面积可按建筑的使用面积确定，喷头布置方式采用平面法布置。其使用面积S_储=2.2×2.8=6.16m²。

    为便于喷头的使用、维修，储油间的水雾喷头采用与发电机组相同的型号，即ZSTWB-80-120型。

①、计算储油间水雾喷头的最小数量N：

  根据《雾规》7.1.2公式：N=,

   式中 N-----保护对象的水雾喷头的计算数量；

q-----水雾喷头的流量（L/min）；所选喷头流量为80 L/min

        S-----保护对象的保护面积（m²）；S_储=6.16m²

        W-----保护对象的设计喷雾强度（L/min.m²）；20 L/min.m²

   所以，N_储=≈2个

②、储油间喷头布置：

   油箱顶面距储油间地面高度按2.0m计，喷头安装高度距油箱顶面的距离B_箱=0.9m，水雾锥底圆半径R_箱=B_箱×tg= 0.9×tg=1.55m。喷头距储油间地面2.9m，水雾锥底圆半径R_储=2.9×tg=5.0m。

    储油间仅需2个喷头，喷头的位置只要使喷头距储油箱各点的距离不大于喷头喷射至储油箱顶面的水雾锥底圆半径R_箱=1.55m，且喷头之间的距离不大于1.7倍喷头喷射至储油箱顶面的水雾锥底圆半径即可满足水雾完全覆盖储油箱顶面（喷头仅一排，水雾喷头之间的最大距离按菱形布置考虑），考虑储油间地面通常设有集油沟，喷头的位置还应按喷头距储油间各点的距离不大于喷头喷射至储油间地面的水雾锥底圆半径R_储=2.9m来校核。为使水雾较均匀地覆盖整个储油间，喷头距各点的间距及喷头之间的距离不宜相差太大。

3、水力计算：

    水力计算按《建筑灭火设计手册》中的方法进行计算。由于水喷雾系统采用开式喷头，水力计算参照雨淋系统，按特性系数法计算系统的实际流量、水头损失等。若采用估算法则偏差较大，可能导致喷头喷出的不是水雾。

⑴、水力计算简图见下图。

⑵、水雾喷头的流量计算q：、

按《雾规》7.1.1公式：q=K×,

        式中  q-----水雾喷头的实际流量（L/min）；

              P-----水雾喷头的实际工作压力（MPa）；≥0.35MPa

              K-----水雾喷头的流量系数；按厂家样本，本例选用的喷头流量系数K=43，

⑶、系统的计算流量Q_j：

按《雾规》7.1.3公式：Q_j=,

        式中  Q_j ----系统的计算流量（L/S）；

              n-----系统启动后同时喷雾的水雾喷头的数量；     q_i -----水雾喷头的实际流量（L/min）；

⑷、系统的设计流量Q_s：

按《雾规》7.1.5公式：Q_s=1.05~1.10 Q_j

⑸、水力计算结果为：系统的设计流量Q_s =18L/S，系统所需工作压力H=0.57MPa。（具体计算过程略）

4、水喷雾泵选型：

    如何选择系统加压泵呢？通常有2种方法：①采用独立的消防泵，这种方法增加了消防泵数量，既增加投资又增加泵房的面积，所以设计中很少采用。②与建筑内的其他消防泵共用（流量和压力均满足的前提下），即与消火栓泵共用或喷淋泵共用。因为建筑物内同一时间内的火灾次数按一次考虑，且发电机房采用甲级防火门、防火隔墙等与其他场所隔开，故水喷雾泵可以与喷淋泵共用。

三、问题探讨：

1、雨淋阀组的位置；

    《雾规》第3.1.4条规定：“水喷雾灭火系统的响应时间，当用于灭火时不应大于45S；……”。系统响应时间由信号传输时间（即自动启动水喷雾泵时间）和水流到达时间组成，信号传输时间约需10S，因此必须缩短雨淋阀到最不利水雾喷头的距离，以减小水流到达时间。故雨淋阀组宜设在发电机房附近的雨淋阀室里，这样既保证响应时间，又方便应急操作。

2、稳压泵、屋面水箱的问题；

    《雾规》没有规定必须设稳压泵，也未规定雨淋阀前必须充满恒定压力的水。因为水喷雾系统管网为开式的，喷雾灭火时必须启动消防泵才能工作，雨淋阀前即使充满恒压水，光凭稳压泵的小流量并不能使雨淋阀后的管网正常喷雾灭火。它与闭式喷淋的管网不同，闭式喷淋的报警阀应接通屋面消防水箱的出水管，只要报警阀打开，在消防主泵启动送水前也可保证约10min的紧急灭火，仅仅靠稳压泵使雨淋阀前的管段充满压力水，并不能代替消防主泵来实现紧急喷雾灭火的功能。

    但雨淋阀的开启需要阀瓣前后形成一定的压力差，此压力应保证能克服阀前管网和雨淋阀的水头损失，故雨淋阀前的水源应保证的雨淋阀处的压力不小于0.07~0.10MPa，当水喷雾系统与其他消防系统共用消防泵时，一般能保证阀前的水压要求（因为消火栓系统和均设有屋面消防水箱或增压稳压设备），此时可以不设稳压泵；当水喷雾系统采用独立的系统，又没有与屋面水箱接通或没有与满足不间断供水的室外给水管网接通时，此时的水喷雾系统应设置稳压泵，以保证能顺利的开启雨淋阀。

3、关于水泵接合器的问题；

    《雾规》没有规定必须设置水泵接合器，虽然发电机房水喷雾系统的火灾延续时间为0.5h，消防水池中也存有火灾延续时间内所需的消防水量，但从安全考虑，避免消防水泵发生故障时，系统不能发挥正常的作用，火灾无法及时扑灭，造成火灾蔓延，扩大损失；设置了水泵接合器后，当发生这种情况时，系统可以使用外水源，通过水泵接合器补水，更大的发挥水喷雾系统的作用，而增加的投资不多。所以，水喷雾独立系统宜设有水泵接合器，当共用消防泵系统时可利用其他系统的，不必再设。

4、关于是否需要试喷的问题；

    《雾规》没有明确要求，而水喷雾系统的施工规范尚未颁布，是否试喷让人无所适从。但笔者认为水喷雾系统安装完成后宜进行试喷，尤其是与其他消防系统共用消防泵时，在消防泵的流量和压力无法完全吻合的情况下，检测水喷雾系统布置的喷头是否完全包络发电机组和喷头喷出的水雾滴直径能否达到要求而进行试喷很有必要。施工单位应在施工前制定出周密、详细的试喷方案，根据试喷情况，适当调整喷头的位置和雨淋阀前的总控制阀的开启度，使系统的功能达到设计和规范的要求。

    以上是本人在在参加实际工程设计中的一些个人看法，不足之处请专家、同行给予指正。

注：文中水雾喷头的技术参数采用上海金盾消防安全设备有限公司的产品样本。

参考文献：

1.GB50219-95 水喷雾灭火系统设计规范.北京：中国计划出版社，1995

2.姜文源，等.建筑灭火设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1997

3.《全国民用建筑工程设计技术措施》（给水排水分册）.北京：中国计划出版社，2003