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    立体高架仓库自动灭火系统设计有关问题的探讨

      信息来源:   发布时间:2021-09-30  点击数:

    1 立体高架仓库自动灭火系统的做法

    近年我国电子商务迅速发展, 物流建筑工艺、设备不断更新, 其体量、高度越来越大, 占地面积一般都在1×104m2以上, 仓库净空高度从最初的8 m左右发展到18~35 m, 有的甚至达到50 m以上 (见图1) 。立体高架仓库的火灾特性:火灾荷载大、火势蔓延迅速且燃烧猛烈, 一旦初期火灾不能有效控制并快速扑灭, 极易形成立体火[1] (见图2) , 立体火燃烧时间一长, 就会导致轰燃发生, 一旦货架在高温下变形, 结构倒塌破坏, 将造成巨大财产损失。

    图1 自动化立体高架Fig.1 Auto elevated stereoscopic warehouse

    图1 自动化立体高架Fig.1 Auto elevated stereoscopic warehouse   下载原图


    图2 高架仓库自动喷水灭火系统试验研究Fig.2 Experiments in elevated stereoscopic warehouse

    图2 高架仓库自动喷水灭火系统试验研究Fig.2 Experiments in elevated stereoscopic warehouse   下载原图


    从立体高架仓库的火灾特性可知, 除早探测、早报警外, 在消防给水设计中应注重一旦发生火灾时, 如何尽快开启仓库自动灭火系统, 第一时间控制火灾的蔓延, 其次需要有效的扑灭火灾的系统设计, 才能在设计环节未雨绸缪, 实现以防为主, 防消结合的消防目标, 使工程在全寿命周期内能安全运行。实现消防投入与安全运行统一协调的综合目标。

    为此, 《建筑设计防火规范》 (GB 50016—2014[2], 以下简称《建规》) 第8.3.5条强制性条文规定“根据本规范要求难以设置自动喷水灭火系统的展览厅、观众厅等人员密集的场所和丙类生产车间、库房等高大空间场所, 应设置其他自动灭火系统, 并宜采用固定消防炮等灭火系统。”

    其条文解释中明确:“对于以可燃固体燃烧物为主的高大空间, 根据本规范第8.3.1条~第8.3.4条的规定需要设置自动灭火系统, 但采用自动喷水灭火系统、气体灭火系统、泡沫灭火系统等都不合适, 此类场所可以采用固定消防炮或自动跟踪定位射流等类型的灭火系统进行保护。”

    立体高架仓库即为规范条文规定的需要设置自动喷水灭火系统, 但采用自动喷水灭火系统、气体灭火系统、泡沫灭火系统等都不合适的场所, 应按规范的要求以固定消防炮或自动跟踪定位射流等类型的灭火系统进行保护的项目。

    2 自动灭火系统设计的一些问题

    可是在目前所接触到的工程设计项目中, 几乎90%的设计没有按《建规》的要求执行, 原因来自两方面, 主要是业主方认为过去的类似项目, 都是按普通自动喷水灭火系统设计、施工, 也得到了消防审批部门的许可, 没有必要增加设备的投资、管理成本;其次, 设计师对于立体高架仓库的构造、火灾特性认识不到位, 对规范的理解不准确也是重要因素。

    为什么普通自动喷水灭火系统不适用于这种立体高架仓库灭火系统呢?

    从前面对立体高架仓库的火灾特点分析可知, 对于这类火灾, 消防系统设计的关键是早探测、早报警、早启动灭火系统, 而对于水系统设计来讲, 至关重要的是要结合立体高架仓库起火后立体蔓延的特点, 让系统早启动, 并形成立体防护的自动灭火系统。规范要求的以固定消防炮或自动跟踪定位射流等类型的灭火系统进行保护为主, 辅以货架内置喷头保护所形成的立体防护系统, 才是立体高架仓库自动灭火系统的首选。只要库内任一处起火, 如果层间喷头最先感知, 它可先行启动喷水灭火, 假如火势没有达到喷头启动的温度时, 已经被火灾报警设备探测到或系统自带的红外传感设施探测到了, 它通过系统的联动关系, 自动启动系统、射水灭火、持续喷水, 在发现火灾已经熄灭后, 又能自动停止射水, 防止灭火造成的次生灾害, 万一出现火场发生复燃, 它又能完成系统自动再启动等全过程的控制。自动跟踪定位射流装置对所保护的区域始终处于全方位监视状态。将喷嘴对准着火点实施火源的定点扑灭, 而不必非要等待火场温度到了设定值才能启动灭火系统, 真正实现早报警, 早灭火的目标。

    普通自动喷水灭火系统喷头安装在库的最高处, 根据高层建筑热烟气运动规律, 其上升速度为3~4 m/s[3], 对于一座建筑高度在30 m以上的建筑, 热烟气流在没有遮挡的条件下需要10 s以上才能到达顶部, 以图2实验可知, 此处的热烟气温度达到喷头的响应温度68℃, 第一只喷头动作时, 库区的火灾已经发展为立体燃烧状况, 而不是设计期望的初期火灾, 表1是实验中喷头的实际响应时间。

    表1 喷头的实际响应时间Tab.1 Time of response of sprinklers     下载原表

    表1 喷头的实际响应时间Tab.1 Time of response of sprinklers

    表1是在高架仓库最大净空高度不超过13.5m的情况下, ESFR喷头的动作时间表。在这种立体高架仓库的火灾荷载下, 从起火到轰燃大约只有5 min的时间[4], 如果不能在5 min之前将火扑灭, 任其发展到轰燃, 任何自动消防设施都无能为力。

    导致目前工程设计项目中未按《建规》第8.3.5条执行的一个原因是各方对《自动喷水灭火系统设计规范》 (GB 50084—2001[5], 以下简称《喷规》) 第5.0.7条的理解和执行存在偏离。根据《喷规》第5.0.7条“货架储物仓库的最大净空高度或最大储物高度超过本规范表5.0.5-1~表5.0.5-6、表5.0.6的规定时, 应设货架内置喷头。宜在自地面起每4 m高度处设置一层货架内置喷头。当喷头流量系数K=80时, 工作压力不小于0.20 MPa;当K=115时, 工作压力小于0.01 MPa。喷头间距不应大于3 m, 也不宜小于2 m。计算喷头数量不应小于表5.0.7的规定。货架内置喷头上方的层间隔板应为实层板”, 基于此条, 设计认为凡是高架仓库净空高度或最大储物高度超过规范规定值, 只要增加了货架内置喷头, 即可满足规范的要求。

    实质上, 《喷规》此条规定是有条件的, 此前提条件在工程上是很难实现的, 它要求“货架内置喷头上方的层间隔板应为实层板。”从设置层间喷头的原理上理解, 规范这样规定是非常正确的, 只要喷头上方的层间隔板为实层板, 此时任一层货架起火, 喷头的热敏元件就能在第一时间感知并喷水灭火, 可是由于高架仓库工艺要求, 堆垛机在层间、平面不停地移动、操作, 作为层板的木制托盘一般都有通透面积, 不能做成实层板 (见图3) 。

    图3 木制货架托盘Fig.3 Pallet with wood

    图3 木制货架托盘Fig.3 Pallet with wood   下载原图


    即使将托盘做成实层板, 堆垛机与托盘作业时, 两者不停同时移动的特点也使其在不断地形成通透面积, 不能保障在立体库区层间真正实现聚热的条件, 规范要求利用货架内置喷头上方的实层板达到聚热的目标就无法满足, 因而在层间利用喷头保护的意义就消失了, 因此符合规范标准的实层板在立体高架仓库中是基本不存在的。所以在立体高架仓库消防系统设计中, 采用顶喷加货架内置喷头的系统设计, 实际上并没有满足规范的必要条件, 是不满足规范前置条件要求的设计, 层间喷头可能出现形同虚设, 在系统需要启动时发挥不了作用。

    其次分析当下立体高架仓库自动灭火系统图纸可以看到, 大多数都是采用早期抑制快速响应喷头加货架内置喷头这种所谓的立体保护方式, 实质上, 这种设计方式在全面执行规范条文要求的前提条件中, 本身就面临执行上的难度。前面已经分析了《喷规》第5.0.7条规定:货架内置喷头上方的层间隔板应为实层板。而采用早期抑制快速响应喷头应执行《喷规》第5.0.6条, 其中规定:“早期抑制快速响应喷头在保护范围内, 如有货架应为通透性层板”。规范5.0.6条这样规定, 是为了使安装在顶部的快速响应喷头尽早感知到火场的温度, 尽早启动系统参与灭火。从规范对货架内层板的要求来看, 货架内置喷头要封闭, 另一方面早期抑制快速响应喷头要通透, 两种布置方式结合在同一库区内, 它们矛盾的要求本身就协调不了, 不加分析地将两个系统合在一起应用, 如果库的高度控制在一定的范围内, 如《基于全尺寸火灾试验的典型高大空间场所自动喷水灭火技术研究应用》中提到的<18 m, 或许系统的安全性没有什么大问题。

    可是现实情况是这种自相矛盾的系统设计, 在立体高架仓库中无限制地采用, 不能不说是设计环节给立体高架仓库灭火系统埋下的隐患, 由于这类库区投入使用不久, 目前没有发生实际火灾的案例, 还未引起重视, 如果这种系统设计上没有改变, 对未来我国立体高架仓库的灭火是一个严峻的考验。

    3 立体高架仓库自动灭火系统的典型案例

    固定消防炮或自动跟踪定位射流灭火系统才是在目前灭火技术水平条件下, 既符合立体高架仓库火灾特点, 又能在火场条件下快速启动、早灭火的系统。目前与规范要求匹配的固定消防炮或自动跟踪定位射流灭火系统也有三种类型, 一种为固定消防炮灭火系统, 其二为自动消防炮灭火系统, 第三种就是笔者重点论述的大空间智能型主动喷水系统。前两种系统基本设计流量为15~20 L/ (s·门炮) , 系统设计流量在40~60 L/s之间, 且系统需要独立设置, 不能与自动喷水灭火系统合用, 且系统一旦启动, 水量大, 灭火的同时导致的附加损失巨大, 与仓库灭小火、初期火的理念不符。加上投资和系统设计、管理都比较复杂, 对于立体高架仓库需要迅速扑灭初期火灾的场所, 显然不容易为设计和业主接受, 所以不适合在这种场所应用。

    因此在立体高架仓库灭火系统设计中, 比较实用的仅有大空间智能型主动喷水灭火系统这一类了, 它不但可以自成系统, 也可与自动喷水灭火系统合用, 在库区可以与层间喷头合用系统, 大大减少系统管线用量, 控制系统的投入和管理成本, 是目前技术条件下可以推广的系统。

    可是目前此系统在业内也存在怀疑的声音, 认为存在立体高架仓库货物对射流灭火系统的阻挡, 在阻挡条件下, 即使系统启动了, 也不能对应射流到着火点, 实现不了定点灭火的想法。

    针对此疑问, 以一座24 m以下库区, 一个防火分区布置的智能灭火系统设计为例, 来分析它应用中应注意的问题, 为了分析问题清楚起见, 保护半径仅按相邻两货架为例。

    大空间智能型主动喷水灭火系统[6]在设计中又细分为标准型大空间智能灭火装置、标准型自动扫描射水灭火装置、自动扫描射水高空水炮灭火装置这三个子系统。

    标准型大空间智能灭火系统设计见图4。可见其设计确实存在局限性。由于该系统射流喷头的保护半径<6 m, 在平面布置上, 并不存在人们所担心的阻挡问题, 可是仔细看图4 (b) 所反映的立体剖面, 确实存在喷头保护不到的死区问题。其效果正如人们所担心的那样, 由于立体高架仓库货物对射流灭火系统的阻挡和系统保护半径的限制, 库区在顶部射流喷头保护半径之外, 就出现了大量的死区, 如果在这些区域发生火灾, 系统是无法有效保护的, 无法实现立体保护, 扑灭初期火灾的设计思路。

    图4 库区标准型智能灭火系统喷头布置Fig.4 Design of standard large-space intelligent autosprinkler system

    图4 库区标准型智能灭火系统喷头布置Fig.4 Design of standard large-space intelligent autosprinkler system   下载原图


    图4 库区标准型智能灭火系统喷头布置Fig.4 Design of standard large-space intelligent autosprinkler system

    图4 库区标准型智能灭火系统喷头布置Fig.4 Design of standard large-space intelligent autosprinkler system   下载原图


    可见, 在这种高大的立体库区, 24 m以下库区尚且存在如此多空白区, 库越高, 问题越突出。如果这种系统用在高大立体库区, 没有立体布置设计的思路, 安全问题会十分突出, 因此, 有必要结合库内钢构设计的特点进行立体保护设计 (见图5) 。

    图5 带立体保护的库区智能灭火系统喷头布置Fig.5 Design of section for standard large-space intelligent auto-sprinkler system with protection measures

    图5 带立体保护的库区智能灭火系统喷头布置Fig.5 Design of section for standard large-space intelligent auto-sprinkler system with protection measures   下载原图


    从图5可见, 只有引入了立体布置的设计思路, 才能在整个库区形成立体保护的效果。

    与此同时, 这种系统的第二个子系统标准型自动扫描射水灭火装置因其保护半径与第一种系统相同, 其布置也只能参考标准型大空间智能灭火系统的布置方式。

    而此系统的第三种子系统———大空间自动射水扫描高空水炮系统的应用, 在工程中就体现出了它的优势。由于它的保护半径大, 喷头布置很容易达到规范的要求, 对库区内叉车的进出货物作业没有任何影响, 很容易在立体高架仓库灭火系统中推广应用。仍以一座24 m以下库区系统设计为例, 其平面布置见图6。

    图6 库区大空间自动射水扫描高空水炮平面布置Fig.6 Design of plane for automatic scanning elevated fire monitor extinguishing system

    图6 库区大空间自动射水扫描高空水炮平面布置Fig.6 Design of plane for automatic scanning elevated fire monitor extinguishing system   下载原图


    图6中清晰地反映出, 因其保护半径≤20 m, 只要按规范规定的间距布置射流喷头, 在平面上很容易达到系统要求的保护半径, 完全不存在喷头保护不到的死角问题。

    但是, 设计中如果不注意立体布置问题, 竖向设计没有结合库内钢构设计的特点进行立体保护的话, 其效果仍然令人担忧, 从剖面布置[见图7 (a) ]可知, 由于立体高架仓库货物对射流灭火系统的阻挡和系统保护半径的限制, 库区在顶部射流喷头保护半径之外, 近地面处仍然出现了死区, 假如在死区内发生了燃烧, 就仍然会蔓延, 实现不了立体全保护的设计思路。而只有在竖向设计上结合库内货架钢构特点, 将射流灭火喷头与货架结构有机地结合起来布置, 进行立体保护设计[见图7 (b) ], 才能实现立体全方位保护的目标。

    图7 库区大空间自动射水扫描高空水炮剖面布置Fig.7 Design of section for automatic scanning elevated fire monitor extinguishing system

    图7 库区大空间自动射水扫描高空水炮剖面布置Fig.7 Design of section for automatic scanning elevated fire monitor extinguishing system   下载原图


    在喷头保护半径之内, 结合货架钢结构特点, 进行专业交叉配合设计, 在其货架结构内部适当位置布置一层喷淋干管, 此部位要求既满足货架设置要求, 又能容纳喷淋管线、扫描炮的布置, 这是立体防护设计的关键步骤, 需要建筑设计方与货架钢结构设计方紧密协调配合设计。按这种方式布置的射水扫描系统, 其保护范围就呈现出完全不同的效果, 才能真正实现立体全方位保护的设计思路。

    从以上的分析可知, 在立体高架仓库内设置自动灭火系统时, 大空间智能型主动喷水灭火系统的三种子系统的应用是有区别的, 到底采用哪种子系统, 要根据设计对象的立体库区结构特点合理选择, 第一、二种子系统需要在层间布置的设施多, 对库内结构体系要非常了解, 才能合理布置, 第三种对库区钢结构体系的约束少, 应用限制少, 适用面广些。

    无论采用哪种子系统, 在设计上都需要立体布置, 才能对立体高架仓库实施全方位的立体防护。

    此外还需关注, 鉴于立体高架仓库的火灾类别一般为仓危险Ⅱ级, 在《大空间智能型主动喷水系统技术规程》 (CECS 263:2009) 中, 只有标准型自动扫描射水灭火装置的子系统提到了可应用到仓危险Ⅱ级, 但这个系统对立体库的结构布置要求配合的内容多, 应用受到的限制很多, 而其他两个子系统, 对是否可以应用在此场所没有提及, 尤其是第三子系统, 在工程上更容易被接受, 使用范围会更大, 这就需要对原规程适当修订, 使之与《建规》的第8.3.5条呼应协调。

    立体高架仓库自动灭火系统的造价也是设计、业主十分关心的问题, 系统的喷头与管线的综合价格与早期抑制快速响应喷头系统的价格基本持平 (一个喷头多、接口多、安装要求高;另一个喷头少、安装节点少) , 造价差别主要体现在大空间智能型主动喷水系统配置的红外传感设施, 根据标准型自动扫描射水灭火装置的设计要求, 目前该系统可以做到一带四 (即一套红外传感仪控制四只喷头的动作) , 系统的造价比早期抑制快速响应喷头系统高1/5~1/4, 而另外两个系统中, 大空间自动射水扫描高空水炮的综合造价, 较普通自动灭火系统高两倍左右, 这个投入相对于立体高架仓库本身的造价和库内价值连城的物资来讲, 其增加的投入还是值得的。

    4 结语

    在立体高架仓库自动灭火系统设计中, 应严格执行《建规》第8.3.5条的规定, 采用早启动、早灭火的立体消防自动灭火系统, 以保障物流仓储立体高架仓库的安全, 保护财产及生态环境的安全。同时为了设计和工程应用的规范性、合理性, 建议尽快修订对应的设计规程或规范。

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