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水喷雾设计、消火栓设计探讨
福州市建筑设计院    陈 芬
    提 要   本文主要探讨高层建筑内柴油发电机房水喷雾灭火系统设计、建筑室内消水栓布置设计。
   关键词   水喷雾   柴油发电机房    直接喷射   完全覆盖  室内消火栓  设计  灭火系统
一、    柴油发电机房水喷雾灭火系统设计
（一）概 述
    根据《高层民用建筑设计防火规范》（以下简称《高规》）GB50045－95－1997年局部修订条文第7.6.6条“高层建筑内的下列房间应设置水喷雾灭火系统：…… 7.6.6.4自备发电机房”，故现在应对设在高层建筑内的自备发电机房进行水喷雾灭火系统设计，而以往发电机房则是设计气体灭火系统。采用水喷雾灭火系统比采用气体灭火系统投资要小得多，还省去气体贮瓶间面积，而且其灭火时对人造成的伤害几乎降到零。现设计柴油发电机房水喷雾灭火系统一般采用二种方法布置喷头（1）立体布置方法；（2）平面布置方法。下面就这二种方法进行探讨。
  （二）设计内容
   以某一16层的办公楼为例，该楼在地下室内设一组YGS－588型470kW自启动柴油发电机组，发电机组外形详附图一，发电机房内柴油发电机组平面布置详附图二。
 1、采用立体布置方法
（1）确定保护对象的设计喷雾强度：
柴油发电机房火灾应定性为液体火灾。柴油的闪点60－110。C，根据柴油发电机组产品样本介绍，柴油发电机组燃油选用原则应使燃油凝固点较气温低10。C，一般为0号柴油。0号柴油的闪点不低于65。C。查《水喷雾灭火系统设计规范》（以下简称《喷雾规范》）表3.1.2，柴油发电机房水喷雾灭火系统防护目的——属灭火，保护对象——属闪点60—120。C的液体，故设计喷雾强度W为20L/mim·m2，持续喷雾时间为0．5h.。
   （2）计算保护面积S：
    根据《喷雾规范》第3.1.5条，保护面积应按保护对象外表面积确定。从附图一可以看出，发电机组右侧是风机排风口，排风口用管道加帆布直接与排风井道相接，故此侧无法安装侧喷喷头，但该侧表面积应计算，可将喷头设在排风口与排风井道相接的管道上方。发电机组最大外形尺寸长＊宽＊高＝3800＊1594＊1963（单位mm）。发电机组外表面是不规则的，保护面积应按包容发电机组的最小规则形体的外表面积来计算。
  S发电机=（3.8+1.594）＊1.963＊2＋3.8＊1.594≈27.3Ｍ３
    通常在储油间内设储有8h所需柴油的油箱，油箱外形尺寸一般为1m＊1ｍ＊1ｍ，有的设一个油箱，有的设二个油箱。油箱一般架高1m，以便油靠重力流入发电机组。本设计实例燃油耗量94L/h，贮油量为94＊8＝752L。柴油比重0.8－0.87按0.85计,油箱容积=752 /0.85≈885L,故设1m＊１ｍ＊１ｍ油箱1个。油箱布置图详附图二。由于贮油间设在发电机房内，火灾时对发电机组威胁大，且其面积不大，故可视其与发电机房为同一保护区，即水雾喷头同时喷雾。
    S储油=（1+1）＊2＋1＊1＝5ｍ２
    (3)计算水雾喷头的流量q：
    要计算水雾喷头的流量q，首先要确定水雾喷头型号。由于发电机房保护面积不大，故不要选大流量喷头。为了节约投资应选雾化角较大的喷头，其在相同的水压下保护面积较大。现发电机房水雾喷头一般选用ZSTG10/114型高速喷射器（黄铜材料），其喷射曲线详附图三。该喷射器雾化角较大，流量适中，适用于保护闪点66。C以上的易燃液体，K=43. 8。
    q=K·（10·P）0．5 ，Ｐ＝0.35 MPa (《喷雾规范》要求的最小灭火压力)
    ｑ＝43.8＊（10＊0.35）0．5 ≈81.94L/ min
    (1)计算所需水雾喷头的最小数量Ｎ：
    Ｎ发电机＝Ｓ发·W /q=27.3＊20/81.94≈7个 
N储油间=S储·W/ｑ＝5＊20/81.94≈2个
    (1)喷头布置
合理地布置水雾喷头，可以使喷雾均匀地完全覆盖保护对象，确保喷雾强度。《喷雾规范》第3.2.3条规定“水雾喷头与保护对象之间的距离不得大于水雾喷头的有效射程。”第3．2．4条规定“水雾喷头的平面布置方式可为矩形或菱形。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。”故应根据喷头有效射程、水雾锥度圆半径来布置喷头，也就是说水雾要直接喷射到保护对象并完全覆盖。根据”上消厂家介绍水雾喷头用于灭火时，其水平射程宜算到喷头水平喷射曲线上线最高点止，详附图三C点，也就是说当P=0.35 MPa时，ZSTG10/114型喷头的水平有效射程为1.70m上线1.71m，下线2．5m；其垂直有效射程为3m。本设计实例按矩形布置喷头，喷头平面布置详附图二。
    从布置图可以看出，为了达到直接喷射的目的，发电机组设了8个喷头，比计算结果多高了1个喷头。储油间若按油箱每个面设喷头，得设5个喷头，计算保护面积仅为5m2 要设5个喷头，显然不合理。由于油箱高度仅为1m，在油箱顶设一个喷头、底设一个喷头，应该也可达到直接喷射的目的。
   喷头布置后，应校核喷头间距、水雾覆盖情况。校核喷头布置简图详附图四。
   a.发电机组上方垂直喷射喷头间距1.9m，喷头距发电机组1.3m，查曲线图（详附图三A点），
水雾锥底圆半径R为1.5m。
间距：1.4Ｒ＝1.4＊1.5＝2.1ｍ＞1.9ｍ（喷头间距）
四个角：（0.95＊0.95＋0.797＊0.797）0.5≈1.24m＜1.5m（Ｒ）
    b.发电机组南北侧水平喷射喷头间距1．9m，喷头距发电机组1.2m，喷头离地1.1m，查曲线图（详附图三Ｆ点），水雾水平喷射上线为1.64m，下线为2.5m，水雾锥底圆半径Ｒ为1.4ｍ（详附图三B点）。
    间距：1.4R=1.4＊1.4＝1.96m.＞1.9m（喷头间距）
    上方角：（0.863＊0.863+0.95＊0.95）0．5≈1．28m＜1.64m（水雾上线）
下方角（1.1＊1.1＋0.95＊0.95）0.5≈1.45m＜2.5ｍ（水雾下线）
    C.发电机组西侧水平喷射喷头距发电机组1.2m，喷头离地1.1m，查曲线,参数同南北侧喷头，省略。
    上方角：（0.863＊0.863+0.797＊0.797）0.5≈1.18m＜1.64m(水雾上线)
    下方角：(0.797＊0.797+1.1＊1.1）0.5≈1.36m＜2.5m(水雾下线)
    d.油箱上方垂直喷头距油箱0.7m(《喷雾规范》规定的值），查曲线图（详附图三D点），水雾锥底圆半径R为0.94 m。油箱下方垂直喷头距油箱0.7m，校核同上方喷头。
    四个角：（0.5＊0.5＋0.5＊0.5）0.5≈0.71m＜0.94m（Ｒ）
    (6)水力计算：
     水力计算详水喷雾管道水力计算表（一）。《喷雾规范》第3．1．3条规定“水雾喷头的工作压力，当用于灭火时不应小于0.35 MPa”，故计算最不利喷头的起始压力按35m计。由于水喷雾系统采用开式喷头，故应根据特性系数法计算系统的实际流量、水头损失等，若用估算法，偏差会较大，可能导致喷出的不是水雾。
    计算中应随便时校核喷头的设计值是否在其正常值的范围内，ZSTG10/114型高速喷射器正常工作压力为0.28－0.5 MPa，相对应正常流量为1.22L/s－1.63 L/s。从附图五中可以看出每个喷头的流量均在此范围内。计算完毕，还应校核每个管段流速。校核每个管段流速详表1。从表1可以看出各管段流速V均小于5m/s，符合《喷雾规范》规定。
    (7)选泵计算：
     选ZSFY100/D型雨淋阀，雨淋阀局部水头损失hr查厂家提供的流量——压力损失曲线得，当Q=13.91L/s=834.6L/min时，hr=0.042 MPa=4.2m（H2O）．
7点至6点的沿程水头损失Σh7-6=h7-9+h9-3+H3-4+H4-5+H5-6=4.14+0.68+1.30+0.18+2.79=9.09m
7点至6点的局部水头损失Σhi=0.3Σh7-6=0.3＊9.09≈2.73m.
　  泵扬程Ｈ≥ｈ6＋hr＋Σhi=45.19+4.2+2.73=52.12m.
    泵流量Q=QS=K·Qj＝1.1＊13.91=15.3L/S≈55.1m3/h。
    可根据上述Ｈ、Q值来选泵的型号。
表1 
管段
管径（mm）
流量Ｑ（L/s）
Kc
流速V（m/s）
管段
管径（mm）
流量Q（L/s）
Kc
流速V（m/s）
1－2
DN25
1．375
1.883
2.59
16－5
DN25
1．43
1．883
2．69
2－3
DN32
2．75
1．05
2.89
9－3
DN32
2．77
1．05
2．91
3－4
DN50
8．29
0.47
3.90
15－4
DN32
2．76
1．05
2．90
4－5
DN70
11．05
0.203
3.13

5－6
DN100
13．91
0.115
1.60

V=K C·Q  
(8)管道布置：
    对于水喷雾灭火系统，管道布置应尽量考虑喷雾管网的均匀性，配水支管宜在配水管两侧均匀分布，这样既便于计算，又利于每个喷头的喷雾流量大小相近。若管道按附图六布管，水力计算详水喷雾管道水力计算表（二）。从附图六可以看出计算结果Q总=14．13L/S，各喷头流量1．37L/S—1．46L/S。从附图五可以看出计算结果Q总=13．91L/S，各喷头流量1．37L/S—1．42L/S。说明管网均匀，则各喷头流量较均匀。当然也可采用放大配水支管管径的作法来使管网均匀。，但这样做要增加投资。
    采用平面布置方法
    由于高层建筑物内的自备发电机组高度不大，油箱也不高，故可用平面布置方
法来设计高层建筑物内柴油发电机房水喷雾灭火系统。
    (1)确定保护对象的设计喷雾强度：同立体法。
    (2)计算保护面积S：
    发电机房的保护面积按机房实际使用面积来计算，计算时应扣除墙、柱的面积，
经计算S发电机房=50．15M2。
    储油间的保护面积为储油间的实际使用面积，经计算S储油间=3．20M2。
    (3)计算水雾喷头的流量q：同立体法
    (4)计算所需水雾喷头的最小数量N：
    N发电机房=S发·W/q=50．15＊２０／81．94≈12个
    N储油间=S储·W/q=3．2＊20/81．94≈1个
    (5)喷头布置：
    喷头平面布置详附图七。校核喷头间距、水雾覆盖情况下：
    a、发电机房：
    发电机组高度按2m计，喷头安装高度距发电机组1.3 m，水雾锥底圆半径R为1.5 m（详附图三A点）。
    间距：1.4R=1.4＊1.5=2.1ｍ＝2.1ｍ（喷头间距）
    ＞1.9ｍ（喷头间距）
    角ａ：［（0.95－0.2）2+1.25＊1.25］0.5≈1.46m＜1.5m（R）
    角b：[0.95＊0.95+（1.25－0.25）2] ≈1.21m＜1.5ｍ（R）
    油箱顶面离地高度按2m计，喷头安装高度距油箱0.7ｍ，水雾锥底圆半径为0.94m（详附图三D点）。喷头距地2.7m，水雾锥底圆半径R为2.3m（详附图三E点）。储油间为三角形，油箱安装位置长度需1m，油箱只可放在f-g-h-i-j范围内，故可按R=0.94m来按核ｆ、g、h、i、j点的水雾覆盖情况。考虑储油间地面通常设有集油沟，故还应按R=2.3ｍ来校核ｃ、d、e水雾覆盖情况。
    角f：（0.53＊0.53+0.529＊0.529）0.5≈0.75m＜0.94m（R）
    角e：（1.53＊1.53+0.529＊0.529）0.5≈1.62m＜2.3m（R）
    角c：（1.571＊1.571+1.029＊1.029）0.5≈1.88m＜2.3m（R）
    角d：（1.83＊1.83+0.829＊0.829）0．5≈2.01m＜2.3m（R）
    （6）水力计算：
    水力计算详水喷雾管道水力计算表（三）
    （三）两种设计计算方法比较
    从前面计算结果可以看出，采用立体布置方法：Ｑ总＝13.91Ｌ/s，所需压力H6＝45.19ｍ，共设10个喷头。采用平面布置方法：Ｑ总＝18.17Ｌ/s，所需压力H7=46.5m。共设13个喷头。采用前者计算方法设计流量较小，所设喷头数较少，而采用后者计算方法则相反。采用后者计算法比前者更安全，计算的设计流量更大，对于设在室内的小型发电机组，由于其高度不高，可以达到直喷的效果。采用后者计算方法发电机房内的发电机组布置可较灵活，不会因为机组挪位或施工临时改机组型号而要改机房内的水喷雾系统，而且常常设计选用的发电机组厂家与甲方购买的不同，导致发电机组外形尺寸不同，这是设计水喷雾灭火系统采用立体布置法的难处。本设计实例就是这样的，设计时原本采用300kW自启动柴油发电机组，而到施工时由于甲方加大用电负荷，改成了470kW自启动柴油发电机组。采用后者计算方法，由于喷头安装高度基本一致，计算简单，施工也不容易弄错。采用前者计算方法，配水支管绕着发电机组布置，妨碍日常操作，而后者则无此缺陷。故本人推荐建筑物内的自备发电机房水喷雾灭火系统采用平面方法来设计。
   （四）其它
    1、控制
   《喷雾规范》第6.0.1条规定“水喷雾灭火系统应设有自动控制、手动控制和应急操作三种控制方式”。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，有采用二组定温火灾探测器等等，由于前二者较繁琐，故现设计一般采用第三种作法。手动控制设在消防控制中心。应急操作设在雨淋阀处，故雨淋阀不可离发机房太远，现雨淋阀一般设在发电机房附近的雨淋阀室内，也有的设在发电机房附近的水泵房内。
    2、响应时间
    《喷雾规范》第3.1.4条规定“水喷雾灭火系统响应时间，当用于灭火时不应大于45S”。故设计时，水喷雾消防泵房、雨淋阀不可离发电机房太远，设计中应校核响应时间。现用前面平面布置方法的设计实例来校核水喷雾灭火系统的响应时间如表2：
表2 
管段
管径（mm）
流量Ｑ（L/s）
Kc
流速V（m/s）
管长L      m
时间t
1－2
DN25
1.37
1.883
2.58
2.17
0.84
2－3
DN32
2.77
1.05
2.91
0.95
0.33
3－4
DN50
5.54
0.47
2.60
2.10
0.81
4－5
DN80
11.12
0.204
2.27
1.18
0.52
5－6
DN80
12.55
0.204
2.56
0.92
0.36
6－7
DN100
18.17
0.115
2.09
47
22.49

V=Kc·Q

t =L/V

∑25.35
    从定温火灾探测器感温动作发出火灾信号，并将信号输入控制盘，到控制盘将信号分别送给自动阀、自动启动水喷雾消防泵大约要10s时间，系统响应时间t=25.35+10=35.35s＜45s。
3、屋顶水箱供水管
    水喷雾灭火系统应设屋顶水箱供水管，可按十分钟水喷雾灭火系统设计流量来考虑顶水箱容积，以保证系统迅速启动。当屋顶水箱供水压力大于系统工作压力时，水箱供水管接雨淋阀前应设圆缺型减压孔板来减压。当屋顶水箱供水压力小于系统工作压力时，应设气压罐。
   屋顶水箱供水管可与自动喷水灭火系统合用。由于水喷雾灭火系统与自动喷水灭火系统不需要用同时开启，也就是说不要考虑同时使用二个系统，故其消防泵也可以合用。但系统应采取防超压措施，且雨淋阀后、湿式报警阀后的管道应当严格分开，以免影响两个系统的正常使用。当然，水喷雾消防泵与喷水消防泵分开设置更好，更利于系统的控制，而且二个系统的设计流量值不同，存在较大的差值。当水喷雾消防泵与喷水消防泵分开设置时，水箱供水管接雨淋阀、湿式报警阀前应分别设置单向阀，消防泵供水管则分别设在单向阀后，以防二个系统消防泵供水通过屋顶水箱供水管串水，也就是说，分就得分清楚一点，不要藕断丝连。屋顶水箱出水管与两个系统的接管详附图九。
    二、建筑室内消火栓布置设计
    建筑室内消火栓的布置应满足有关的建筑设计防火规范的要求。建筑室内消火栓的位置应明显，其间距应通过计算确定，但不能大于有关的建筑设计防火规范的要求。设计中应注意按建筑物类别正确确定室内消火栓的用水量。室内消火栓的口径应按每支水枪流量来确定，水枪流量小于3L/s时，应采用SN50消火栓。水枪流量大于3L/s时应采用SN65消火栓。设有消防给水的建筑物，其各层（无可燃物的设备层除外）均应设置室内消火栓。消防电梯前室应设室内消火栓。低层建筑屋顶应设试验消火栓，高层建筑屋顶应设试验消火栓和压力显示装置。
    就下面几点谈谈个人的布置：
   1、住宅消火栓的布置：
   现住宅消火栓一般设在梯间半层平台处，消防立管设在平台内或平台外。由于半层平台在标准层标高处有梁，故消防箱只得明设，不太美观。这种布置最好要加大半层平台的宽度，以便行走。本人建议住宅采用这种布置方法，若半层平台外挑，在二侧设砖墙，消火栓可暗设，则更好。
   也有的将消火栓设在入户平台处，消防箱暗设在墙内，较美观，消防立管设在入户平台或住户卫生间内。此处墙体一般与厅相连，现住户厅地面采用木装修的很多，消防箱暗设在墙内，日常使用中消火栓漏水（住户装修期间常有人开启消火栓取水）造成木装修发霉的甚多，住户叫苦连天。
    现住宅底层一般为杂特间、商业网点、自行车停放处、汽车库，设有消火栓给水系统的住宅楼，该部分也应设置消火栓。现住宅梯间底层入口处一般设有防盗门，故设计时应注意梯间半层平台的消火栓不能计入底层用房的消火栓数量。对于底层设有汽车库的住宅楼，还应注意该楼所有消火栓均应采取SN65型消火栓，因车库要求每支水枪的流量应大于5L/s。
2、布置在防烟楼梯间内的消火栓：
    现有人将防护场所需设置的消火栓设在防烟楼梯间内。防烟楼梯间主要作用是火灾时供人员疏散，其与防护场所采用防火门相连，火灾时防火门紧闭，可供人员疏散又可档住烟气，故防火门处一个缝隙也不可有。若将消火栓设在防烟楼梯间内，防护场所失火，消防水龙带得穿过防火门才可到达防护场所救火，防火门则关不严，防烟楼梯间会充满烟气，失去其安全可靠性。故防护场所的消火栓应设在防护区内，不可设在防烟楼梯间内，否则将失去其灭火作用。
    3、按防火分区布置消火栓：
    若建筑物每层面积较大，则每层平面要分成若干个防火分区，一般采用防火卷帘、防火墙加防火门等形成若干个防火分区。此时应注意要按防火分区来设置消火栓，也就是说消火栓不可跨防火分区使用（无论是平面分区还是竖向分区）。因为火灾时相邻的防火卷帘落下至底，起防火墙的作用，消防水龙带根本无法从该处通过，而防火门需紧闭，也不允许消防水龙带通过。
    4、双阀双出口消火栓布置：
    《高规》第7．4．2条规定“十八层及十八层以下，每层不超过8户、建筑面积不超过650m2的塔式住宅，当设两根消防竖管有困难时，可设一根竖管，但必须采用双阀双出口型火栓。”《高规》此条规定，本人体会是对象住宅这种火灾危险性较小的场所给予适当放宽处理。可现的有设计，不管设竖管有无困难，不管是否是每层不超过8户、建筑面积不超过650m2的塔式住宅，均采用双阀双出口消火栓。甚至有的二十多层的高层综合楼也全部采用双阀双出口消火栓布置，这是不合理的。实际上双阀双出口消火栓无法满足《高规》第7．4．2条的要求“消防竖管的布置，应保证同层相邻两个消火栓的水枪的充实水柱同时达到被保护范围内的任何部位”。若火灾发生在双阀双出口消火栓处，则两支水枪均失去作用，该双阀双出口消火栓设计所保护的场所则无一股水柱可到达，造成了一定火灾隐患。故应慎用双阀双出口消火栓，特别在火灾危险性较大的场所不可使用双阀双出口消火栓。
有的设计，消火栓间距已满足同层任何部位有两个消火栓的水枪充实水柱同时到达，却全部采用双阀双出口消火栓，本人认为这样做也无必要，造成一定浪费。
双阀双出口消火栓可用于某些受建筑条件限制的高层住宅内。《高规》允许单元式住宅户门采用乙级防火门后直接开向前室，还允许每个单元设有一座通向屋顶的疏散楼梯，且从第十层起每层相邻单元设有连通阳台或凹廊的单元式住宅可只设一个安全出口。按这些要求设计的单元式住宅，由于可设计安装消火栓的场所仅是小小的消防前室，要在此处设二个消火栓，一是无墙面可设，二是无此必要，故只能采用双阀双出口消火栓。由于十层以上设了连通阳台或凹廊，故十层以上的相邻梯间的消火栓可通过凹廊或连通阳台隔梯灭火，故住宅高层部分基本上也达到了二股灭火水柱的要求。
5、屋顶消火栓的布置：
屋顶应设试验消火栓。可有的设计工程，在屋顶上还设有一个热交换站、音像控制室、锅炉房、实验室等，仅设一个试验消火栓是不够的。这种情形下，对于高层建筑来说，屋顶消火栓的布置应保证该层任何部位有两个消火栓的水枪充实水柱同时到达。
 6、消防卷盘的布置：
《高规》7．2．4条规定“高层旅馆、重要的办公楼、一类建筑的商业楼、展览楼、综合楼和建筑高度超过100ｍ的其它高层建筑，应设消防卷盘。”《建筑设计防火规范》第8．6．2条推荐“设有空气调节系统的旅馆、办公楼，以及超过1500个座位的剧院、会堂、其闷顶内安装有面灯部位的马道处，宜增设消防水喉设备“。从规范条文要求可以看出，火灾危险性较大的场所应设消防卷盘。
《高规》第7．4．9规定“消防卷盘的间距应保证有一股水流能到达室内地面任何部位”。也就是说建筑内无需所有消防箱内均设消防卷盘。消防卷盘主要用于扑灭初期火灾，只供本楼人员使用，消防队员不使用这种设备进行灭火，故无需按消火栓布置要求来设置消防卷盘。对于按同层二股消火栓的水枪充实水柱同时到达的要求布置的消火栓，只要有50%的消防箱增设消防卷盘即可。消防电梯前室可不增设消防卷盘，这样既可节省投资，也已满足规范要求，使用要求。
三、结束语
总之消防设计应严格按照有关设计防火规范的要求来设计，以保证设计工程防火的安全、可靠性。
参考文献：
 1．《水喷雾灭火系统设计规范》
 2．《高层民用建筑设计防火规范》
 3．《建筑给水排水设计手册》
 4．《建筑设计防火规范》

 附图二   发电机房水喷雾布置平面（立体法）

附图五   立体布置法计算简图（一）

附图7   发电机房水喷雾布置平面（平面布置法）

 附图八  平面布置法计算简图