出自：《 上海消防》，總第 285 期， 2002 年第 10 期，
發(fā)表時(shí)間：2002-10

周雪松 高乃云 黃怡
(同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

摘要 ：噴頭布置是自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。針對(duì)目前在小空間噴頭布置中常用的計(jì)算算法，本文提出了不同意見(jiàn)，并特別強(qiáng)調(diào)了點(diǎn)噴水強(qiáng)度在設(shè)計(jì)保護(hù)平面面積中的作用。

關(guān)鍵詞 ：保護(hù)面積、平均噴水強(qiáng)度、點(diǎn)噴水強(qiáng)度、保護(hù)半徑、充實(shí)半徑、時(shí)間響應(yīng)指數(shù)（ RTI ）

1. 簡(jiǎn)介

　　噴頭布置是自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。噴頭布置是否合理，不僅影響著系統(tǒng)的建設(shè)成本，還決定了系統(tǒng)能否及時(shí)有效地?fù)錅缁馂?zāi)，最大程度地減少火災(zāi)和浸漬損失。早期的噴頭，人們僅重視開(kāi)啟和噴出的水量，并不考慮灑水分布，在長(zhǎng)期的實(shí)際使用和研究中，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)噴水的噴頭的滅火效果不僅僅與噴頭的灑水量有關(guān)，而且與噴頭噴出水的均勻程度有關(guān)，即平均噴水強(qiáng)度有關(guān)，目前建筑行業(yè)普遍使用的“標(biāo)準(zhǔn)型”噴頭就是在此基礎(chǔ)上問(wèn)世的，已有足足半個(gè)世紀(jì)的歷程。本文認(rèn)為，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今僅考慮上述這些方面已經(jīng)不夠，應(yīng)該增加各危險(xiǎn)等級(jí)下噴頭的最遲響應(yīng)時(shí)間和最小點(diǎn)噴水強(qiáng)度的限制。

2. 常用計(jì)算法

　　在實(shí)際工程中，由于功能上的需要，各個(gè)建筑層面總是被分隔成許多各種各樣的小房間 , 諸如圖 1 所示的小房間。這些分隔小間的 面積一般比較小，噴頭數(shù)量也少，但噴頭布置卻頗為麻煩，主要表現(xiàn)在：各個(gè)小房間不能從面積和尺寸直接套用《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》 第 7.1.2 條 得出噴頭布置 [1] ，需要計(jì)算后確定。如圖 1 中房間的面積只有 12.33 ㎡，小于中危險(xiǎn) 級(jí)Ⅰ 級(jí)的單個(gè)噴頭保護(hù)面積 12.5 ㎡。但若僅在房間中間布置一只噴頭，那么噴頭與墻邊的距離分別約為 2.15m 和 1.6m 。顯然，需要布置幾只噴頭，只有計(jì)算后才能確定。 為方便計(jì)算，本文假定所討論的設(shè)計(jì)平面為中危險(xiǎn)級(jí)Ⅰ 級(jí)，保護(hù)面積內(nèi)所需平均噴水強(qiáng)度 I 為 6.0 L /min.m 2 ； 噴頭采用標(biāo)準(zhǔn)閉式噴頭，流量系數(shù) K=80 。

　　 2001年7月1日開(kāi)始施行的《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范（ GB 50084-2001）》，在第 7.1.2 條中 [1] ，明確提出噴頭應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的噴水強(qiáng)度、噴頭的流量系數(shù)和工作壓力來(lái)確定布置噴頭。規(guī)范在 5.0.2 條的條文說(shuō)明中，提出了走道僅布置單排噴頭的計(jì)算法。按照該算法，對(duì)于小空間的噴頭布置，通常的做法是通過(guò)水力計(jì)算，確定噴頭的工作壓力，再根據(jù)規(guī)范 9.1.1 條中噴頭流量公式 q=k(10P)^0.5 計(jì)算噴頭流量。由此流量得到噴頭保護(hù)面積對(duì)應(yīng)的保護(hù)半徑，最后根據(jù)保護(hù)半徑外是否留下漏噴空白點(diǎn)確定采用噴頭數(shù)。假定噴頭處工作壓力 p 是 0.1 MPa ，具體計(jì)算步驟如下：
　　噴頭流量 q ＝ k(10P)^0.5 ＝ 80(10×0.1)0.5＝ 80 L /min; （ 1 ）
　　保護(hù)面積 S=q/I ＝ 80/6 ＝ 13.33 ㎡ （ 2 ）
　　保護(hù)半徑 r ＝ 2 m
　　以 r ＝ 2 m 作圓，從圖 1 中可以看出，房間內(nèi)還存在相當(dāng)面積的漏噴空白點(diǎn)，所以在 0.1MPa 時(shí)一只噴頭不能滿(mǎn)足要求，需要布置兩只噴頭。若只布置一只噴頭，由圖 1 可見(jiàn)，則需要：
　　保護(hù)半徑 R= 2.69 m
　　保護(hù)面積 S=22.72 ㎡
　　噴頭流量 q= 136.33 L /min
　　工作壓力 P=0.29 MPa
　　結(jié)論是噴頭工作壓力不小于 0.29 MPa 。
　　僅從計(jì)算過(guò)程本身來(lái)看，并沒(méi)有什么問(wèn)題；但若根據(jù)它來(lái)布置噴頭，卻有點(diǎn)不夠全面了。

3. 常用算法的遺漏點(diǎn)

　　我們知道，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)要具有足夠的可靠性，首先噴頭應(yīng)該能夠及時(shí)有效地動(dòng)作，然后在一定的噴水強(qiáng)度下持續(xù)噴水直至撲滅火災(zāi)。滅火是一個(gè)很復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，絕非單靠一個(gè) 6.0L /min.m 2 的平均噴水強(qiáng)度就可以的。
3.1 點(diǎn)噴水強(qiáng)度
　　關(guān)于噴水強(qiáng)度的要求，規(guī)范只提及保護(hù)面積內(nèi)平均噴水強(qiáng)度。但是，噴頭滅火時(shí)，起作用的應(yīng)該是著火處的點(diǎn)噴水強(qiáng)度，而不是平均噴水強(qiáng)度。即使平均噴水強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，如果噴水不均勻，點(diǎn)噴水強(qiáng)度不夠，同樣也不能有效撲滅火災(zāi)。規(guī)范在計(jì)算時(shí)，為方便起見(jiàn)，假定標(biāo)準(zhǔn)噴頭在噴水平面上是連續(xù)均勻噴灑的。但實(shí)際上，在噴水范圍內(nèi)，如果沒(méi)有空氣流的影響，點(diǎn)噴水強(qiáng)度是一個(gè)連續(xù)函數(shù)，隨著到噴頭距離的增大而減小。上面的計(jì)算過(guò)程僅僅考慮了平均噴水強(qiáng)度，而忽略了點(diǎn)噴水強(qiáng)度的作用，這至少是不全面的。盡管?chē)婎^工作壓力增大時(shí)，點(diǎn)噴水強(qiáng)度也會(huì)增加，但若噴頭距離著火點(diǎn)太遠(yuǎn)，還是會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)噴水強(qiáng)度不夠的問(wèn)題。
3.2 實(shí)際噴水半徑與保護(hù)半徑
　　前面計(jì)算保護(hù)半徑時(shí)，假定所有噴水集中在以保護(hù)半徑所作的圓內(nèi)。然而，實(shí)際噴水半徑并不等于保護(hù)半徑，前者遠(yuǎn)大于后者。這說(shuō)明在工作壓力 0.29Mpa 時(shí)，保護(hù)半徑 R= 2.69m 的圓內(nèi)總噴水量小于 136.33 L/min ，因此保護(hù)面積內(nèi)平均噴水強(qiáng)度是小于 6.0L /min.m 2 的。由于點(diǎn)噴水強(qiáng)度是一個(gè)連續(xù)函數(shù)，因此存在某一個(gè)以噴頭為中心的圓內(nèi)平均噴水強(qiáng)度是 6.0L /min.m 2 ，如果將該圓所對(duì)應(yīng)的半徑稱(chēng)作充實(shí)半徑 Rs ，很明顯， Rs 是小于 2.69m 的。
　　其實(shí)，將實(shí)際噴水半徑與保護(hù)半徑的概念等同起來(lái)的做法，在規(guī)范條文說(shuō)明 5..0.2 條中同樣存在。按條文說(shuō)明中那樣計(jì)算走道噴頭間距，至少是不全面的。
3.3 噴頭響應(yīng)時(shí)間的要求
　　閉式噴頭的熱敏性指標(biāo)是由響應(yīng)時(shí)間指數(shù) RTI（response time index ）來(lái)度量的。 RTI 既獨(dú)立于空氣溫度，又獨(dú)立于空氣流速， RTI 值越小，噴頭啟動(dòng)越快。標(biāo)準(zhǔn)噴頭的 RTI 范圍是 124 － 386 s 1/2 /m 1/2 。火災(zāi)初期，熱煙羽流上升至頂棚后，在其約束下形成沿頂棚表面輻射狀平行流動(dòng)的頂棚射流。當(dāng)頂棚射流受到墻壁的阻擋后，沿墻壁向下流動(dòng)不長(zhǎng)的距離后又上升，重新上升的熱煙氣先在墻壁附近積聚起來(lái)，到達(dá)一定厚度時(shí)慢慢向室內(nèi)中部擴(kuò)展，不久在頂棚下方形成逐漸增厚的熱煙氣層，頂棚溫度越來(lái)越高。如果火災(zāi)發(fā)生在小房間角落，噴頭距離著火點(diǎn)越遠(yuǎn)，在噴頭處形成厚熱煙氣層的時(shí)間越長(zhǎng)，噴頭感溫元件的溫升速率越小，噴頭動(dòng)作時(shí)間也越長(zhǎng)。時(shí)間越長(zhǎng)，所需要的噴水強(qiáng)度越大。火災(zāi)初期，較小的噴水強(qiáng)度就能撲滅火災(zāi)；而在火災(zāi)轟燃階段或充分燃燒階段，所需要的噴水強(qiáng)度就會(huì)大于 6.0L /min.m 2 。因此，在小空間內(nèi)只布置一只噴頭時(shí)，必須要保證噴頭在火災(zāi)初期增長(zhǎng)階段動(dòng)作。對(duì)于 RTI 值確定的噴頭，在確定的環(huán)境下，噴頭與著火點(diǎn)的最大距離是隨壓力的增函數(shù)。但是，不管?chē)婎^工作壓力有多大，噴頭距離著火點(diǎn)和墻壁的最大距離是個(gè)確定量，不隨壓力增加而無(wú)限制增加。不僅如此，該距離還與噴頭安裝高度和房間開(kāi)口有關(guān)。
　　所以，不能僅僅根據(jù)壓力，計(jì)算出平均噴水強(qiáng)度不小于 6.0L /min.m 2 就可以無(wú)限制地放大噴頭間距。忽略噴頭響應(yīng)時(shí)間的要求，就無(wú)法保證自動(dòng)噴水系統(tǒng)的有效性。

4. 結(jié)論

　　① 在進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算的同時(shí)，要考慮燃燒學(xué)、傳熱學(xué)等方面的因素。
　　② 設(shè)計(jì)平面不僅要滿(mǎn)足平均噴水強(qiáng)度，也要滿(mǎn)足點(diǎn)噴水強(qiáng)度的要求。
　　③ 充分利用噴頭工作壓力增大噴頭與噴頭之間、噴頭與墻之間的距離，減少?lài)婎^數(shù)量，降低工程造價(jià)，但不能因此就隨意增大噴頭間距而忽視噴頭響應(yīng)時(shí)間的要求。
　　為了便于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行自動(dòng)噴水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，規(guī)范應(yīng)該明確各危險(xiǎn)等級(jí)下噴頭的最遲響應(yīng)時(shí)間和最小點(diǎn)噴水強(qiáng)度，而不是僅僅給出平均噴水強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

1 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范（ GB 50084-2001 ）及條文說(shuō)明，國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局、中華人民共和國(guó)建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布，2001年4月5日 ， 2001年7月1日 實(shí)施。
2. 霍然、胡源和李元洲，《建筑火災(zāi)安全工程導(dǎo)論》，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，
3. 張松淘，《工程燃燒學(xué)》，上海交通大學(xué)出版社