关于小空间喷头布置问题的探讨

出自：《 上海消防》，总第 285 期， 2002 年第 10 期，
发表时间：2002-10

周雪松 高乃云 黄怡
(同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092)

摘要 ：喷头布置是自动喷水灭火系统设计的一个重要环节。针对目前在小空间喷头布置中常用的计算算法，本文提出了不同意见，并特别强调了点喷水强度在设计保护平面面积中的作用。

关键词 ：保护面积、平均喷水强度、点喷水强度、保护半径、充实半径、时间响应指数（ RTI ）

1. 简介

　　喷头布置是自动喷水灭火系统设计至关重要的一个环节。喷头布置是否合理，不仅影响着系统的建设成本，还决定了系统能否及时有效地扑灭火灾，最大程度地减少火灾和浸渍损失。早期的喷头，人们仅重视开启和喷出的水量，并不考虑洒水分布，在长期的实际使用和研究中，发现自动喷水的喷头的灭火效果不仅仅与喷头的洒水量有关，而且与喷头喷出水的均匀程度有关，即平均喷水强度有关，目前建筑行业普遍使用的“标准型”喷头就是在此基础上问世的，已有足足半个世纪的历程。本文认为，随着科学技术的发展，当今仅考虑上述这些方面已经不够，应该增加各危险等级下喷头的最迟响应时间和最小点喷水强度的限制。

2. 常用计算法

　　在实际工程中，由于功能上的需要，各个建筑层面总是被分隔成许多各种各样的小房间 , 诸如图 1 所示的小房间。这些分隔小间的 面积一般比较小，喷头数量也少，但喷头布置却颇为麻烦，主要表现在：各个小房间不能从面积和尺寸直接套用《自动喷水灭火系统设计规范》 第 7.1.2 条 得出喷头布置 [1] ，需要计算后确定。如图 1 中房间的面积只有 12.33 ㎡，小于中危险 级Ⅰ 级的单个喷头保护面积 12.5 ㎡。但若仅在房间中间布置一只喷头，那么喷头与墙边的距离分别约为 2.15m 和 1.6m 。显然，需要布置几只喷头，只有计算后才能确定。 为方便计算，本文假定所讨论的设计平面为中危险级Ⅰ 级，保护面积内所需平均喷水强度 I 为 6.0 L /min.m 2 ； 喷头采用标准闭式喷头，流量系数 K=80 。

　　 2001年7月1日开始施行的《自动喷水灭火系统设计规范（ GB 50084-2001）》，在第 7.1.2 条中 [1] ，明确提出喷头应根据系统的喷水强度、喷头的流量系数和工作压力来确定布置喷头。规范在 5.0.2 条的条文说明中，提出了走道仅布置单排喷头的计算法。按照该算法，对于小空间的喷头布置，通常的做法是通过水力计算，确定喷头的工作压力，再根据规范 9.1.1 条中喷头流量公式 q=k(10P)^0.5 计算喷头流量。由此流量得到喷头保护面积对应的保护半径，最后根据保护半径外是否留下漏喷空白点确定采用喷头数。假定喷头处工作压力 p 是 0.1 MPa ，具体计算步骤如下：
　　喷头流量 q ＝ k(10P)^0.5 ＝ 80(10×0.1)0.5＝ 80 L /min; （ 1 ）
　　保护面积 S=q/I ＝ 80/6 ＝ 13.33 ㎡ （ 2 ）
　　保护半径 r ＝ 2 m
　　以 r ＝ 2 m 作圆，从图 1 中可以看出，房间内还存在相当面积的漏喷空白点，所以在 0.1MPa 时一只喷头不能满足要求，需要布置两只喷头。若只布置一只喷头，由图 1 可见，则需要：
　　保护半径 R= 2.69 m
　　保护面积 S=22.72 ㎡
　　喷头流量 q= 136.33 L /min
　　工作压力 P=0.29 MPa
　　结论是喷头工作压力不小于 0.29 MPa 。
　　仅从计算过程本身来看，并没有什么问题；但若根据它来布置喷头，却有点不够全面了。

3. 常用算法的遗漏点

　　我们知道，自动喷水灭火系统要具有足够的可靠性，首先喷头应该能够及时有效地动作，然后在一定的喷水强度下持续喷水直至扑灭火灾。灭火是一个很复杂的物理和化学过程，绝非单靠一个 6.0L /min.m 2 的平均喷水强度就可以的。
3.1 点喷水强度
　　关于喷水强度的要求，规范只提及保护面积内平均喷水强度。但是，喷头灭火时，起作用的应该是着火处的点喷水强度，而不是平均喷水强度。即使平均喷水强度满足要求，如果喷水不均匀，点喷水强度不够，同样也不能有效扑灭火灾。规范在计算时，为方便起见，假定标准喷头在喷水平面上是连续均匀喷洒的。但实际上，在喷水范围内，如果没有空气流的影响，点喷水强度是一个连续函数，随着到喷头距离的增大而减小。上面的计算过程仅仅考虑了平均喷水强度，而忽略了点喷水强度的作用，这至少是不全面的。尽管喷头工作压力增大时，点喷水强度也会增加，但若喷头距离着火点太远，还是会出现点喷水强度不够的问题。
3.2 实际喷水半径与保护半径
　　前面计算保护半径时，假定所有喷水集中在以保护半径所作的圆内。然而，实际喷水半径并不等于保护半径，前者远大于后者。这说明在工作压力 0.29Mpa 时，保护半径 R= 2.69m 的圆内总喷水量小于 136.33 L/min ，因此保护面积内平均喷水强度是小于 6.0L /min.m 2 的。由于点喷水强度是一个连续函数，因此存在某一个以喷头为中心的圆内平均喷水强度是 6.0L /min.m 2 ，如果将该圆所对应的半径称作充实半径 Rs ，很明显， Rs 是小于 2.69m 的。
　　其实，将实际喷水半径与保护半径的概念等同起来的做法，在规范条文说明 5..0.2 条中同样存在。按条文说明中那样计算走道喷头间距，至少是不全面的。
3.3 喷头响应时间的要求
　　闭式喷头的热敏性指标是由响应时间指数 RTI（response time index ）来度量的。 RTI 既独立于空气温度，又独立于空气流速， RTI 值越小，喷头启动越快。标准喷头的 RTI 范围是 124 － 386 s 1/2 /m 1/2 。火灾初期，热烟羽流上升至顶棚后，在其约束下形成沿顶棚表面辐射状平行流动的顶棚射流。当顶棚射流受到墙壁的阻挡后，沿墙壁向下流动不长的距离后又上升，重新上升的热烟气先在墙壁附近积聚起来，到达一定厚度时慢慢向室内中部扩展，不久在顶棚下方形成逐渐增厚的热烟气层，顶棚温度越来越高。如果火灾发生在小房间角落，喷头距离着火点越远，在喷头处形成厚热烟气层的时间越长，喷头感温元件的温升速率越小，喷头动作时间也越长。时间越长，所需要的喷水强度越大。火灾初期，较小的喷水强度就能扑灭火灾；而在火灾轰燃阶段或充分燃烧阶段，所需要的喷水强度就会大于 6.0L /min.m 2 。因此，在小空间内只布置一只喷头时，必须要保证喷头在火灾初期增长阶段动作。对于 RTI 值确定的喷头，在确定的环境下，喷头与着火点的最大距离是随压力的增函数。但是，不管喷头工作压力有多大，喷头距离着火点和墙壁的最大距离是个确定量，不随压力增加而无限制增加。不仅如此，该距离还与喷头安装高度和房间开口有关。
　　所以，不能仅仅根据压力，计算出平均喷水强度不小于 6.0L /min.m 2 就可以无限制地放大喷头间距。忽略喷头响应时间的要求，就无法保证自动喷水系统的有效性。

4. 结论

　　① 在进行水力学计算的同时，要考虑燃烧学、传热学等方面的因素。
　　② 设计平面不仅要满足平均喷水强度，也要满足点喷水强度的要求。
　　③ 充分利用喷头工作压力增大喷头与喷头之间、喷头与墙之间的距离，减少喷头数量，降低工程造价，但不能因此就随意增大喷头间距而忽视喷头响应时间的要求。
　　为了便于设计人员进行自动喷水系统设计，规范应该明确各危险等级下喷头的最迟响应时间和最小点喷水强度，而不是仅仅给出平均喷水强度。

参考文献

1 自动喷水灭火系统设计规范（ GB 50084-2001 ）及条文说明，国家质量技术监督局、中华人民共和国建设部联合发布，2001年4月5日 ， 2001年7月1日 实施。
2. 霍然、胡源和李元洲，《建筑火灾安全工程导论》，中国科学技术大学出版社，
3. 张松淘，《工程燃烧学》，上海交通大学出版社