随着现代城市建设的发展, 一些诸如剧院、会堂、会展中心等大空间建筑越来越多, 由于使用功能的要求, 这类建筑的舞台口、展厅等部位往往无法使用实体墙、防火卷帘等实体构件进行防火分隔。国家标准《建筑设计防火规范》 (GB 50016-2014) 规定, 在一些特殊的剧场、会堂或礼堂的舞台口、侧台, 以及应设置防火墙等防火分隔物而无法设置的局部开口部位等场所可采用防火分隔水幕。同时, 国家标准《自动喷水灭火系设计规范》 (GB 50084-2017) 规定, 防火分隔水幕不宜用于尺寸超过15m (宽) ×8m (高) 的开口 (舞台口除外) , 并规定了喷头安装高度不超过12m时的系统设计基本参数。

　　 《自动喷水灭火系统设计规范》的上述规定, 主要是基于水幕系统的消防用水不是用于主动灭火, 而是用于被动防火, 不符合火灾中应积极主动灭火的原则, 通常情况下, 不推荐采用防火分隔水幕进行防火分隔。

　　 但对于一些大空间建筑, 室内空间大, 净空高度高, 当喷头安装高度超过规范要求时, 例如某剧场建筑, 屋顶与舞台之间的断面高度为41.6m, 受栅顶、马道等障碍物的影响, 拟分成3段进行保护 (屋顶-栅顶:10 m;栅顶-马道:14 m;马道-舞台:17.6m) 。其中, 栅顶-马道和马道-舞台这两段水幕的高度分别为14m和17.6m, 超过了国家标准的规定。因此, 对于此类大空间场所, 有必要通过实体试验确定水幕分隔系统的工程应用参数, 以确保其防火分隔性能达到规范规定的等效的消防安全水平。

　　 水幕系统属于防火系统, 无法像闭式系统可通过考核喷水强度或喷头开放数来判断其控、灭火性能, 国内外相关标准中也尚未建立防火分隔水幕系统的测试方法及性能判据, 《自动喷水灭火系统设计规范》中虽然规定了水幕系统的设计基本参数, 如喷水强度不低于2L/ (s·m) , 喷水宽度不小于6m等, 但尚未明确描述该设置条件下的防火性能指标。

　　 因此, 本试验即以上述规范规定值为基础, 通过建立喷水强度、喷水宽度, 以及温度、辐射热强度等防火隔热性能指标, 开展水幕系统在不同安装高度下的实体试验, 研究对于大空间场所设置的水幕系统当喷头安装高度提高后的可行性, 并确保其各项指标不低于规范规定情况下的各项性能指标。

　　 本项试验在高大空间场所全尺寸火灾试验平台下进行, 该平台可在3~24m高度范围内自由升降, 在平台下方搭建18m长的直线型水幕系统, 采用下垂型开式洒水喷头, 两排交错布置, 排间距为1.2m, 同一排上的喷头间距为1.3m, 系统采用端末单侧供水, 并在最不利点处设置压力表, 管网布置见图1。

　　 试验拟分为2部分进行, 系统洒水分布性能试验和系统防火性能试验。分别考核系统在不同安装高度下的实际喷水宽度、线性喷水强度, 以及温度、辐射热强度等指标。洒水分布性能试验的指标通过在管网下方收集喷水量确定, 防火性能试验通过火源试验确定。

　　 (1) 洒水分布性能试验:在系统管网正下方中间段3m范围内和沿喷水宽度方向8m范围内均匀布置集水盒, 用于收集系统喷水时的水量。单个集水盒尺寸为500mm×500mm, 按6×16布置, 共布置96个 (见图2) 。

　　 (2) 防火性能试验:试验采用正庚烷为火源, 在水幕一侧布置功率为6 MW的火源, 在水幕另一侧关键位置分别布置热电偶和热流计等测点。系统在火源引燃后1min 30s启动, 以对比研究水幕系统启动前后和不同工况下的隔热效果。

　　 试验共设定了10个工况, 如表1所示。

　　 图3为工况3的洒水分布性能试验情形, 本工况喷头安装高度为18 m, 喷水强度为2L/ (s·m) , 喷水时间为5 min。通过计算可知, 在系统有效喷水宽度6 m范围内, 集水盒实际收集到的水量为1 181.45L, 系统实际喷水强度为13.13L/ (min·m²) , 6m范围内的线性喷水强度为1.3L/ (s·m) 。

　　 通过开展系统在不同喷头安装高度和不同喷水强度下的洒水分布性能试验, 结果表明, 无论喷头安装高度是12m还是18m, 喷头的喷水范围均能达到规范规定的不小于6m的有效喷水宽度;但在有效宽度范围内, 在相同的喷水强度下, 喷头安装高度为18m时实际的喷水强度均较12 m时有所减小 (见图4) 。其中, 当喷水强度为2L/ (s·m) 时, 18m时的实际喷水强度为12m时的93.9%;当喷水强度为1.6L/ (s·m) 时, 18m时的实际喷水强度为12m时的73.6%。当喷水强度提高至2.2L/ (s·m) 时, 18m时的实际喷水强度为12m时的118.3%。因此, 当喷头安装高度提高至18m时, 需将系统喷水强度提高至2.2L/ (s·m) , 才能不低于喷头安装高度为12m时的规范规定值。

　　 系统防火性能试验共进行了4组, 图5为在喷头安装高度为12m, 喷水强度为2L/ (s·m) (工况7) 时的基本情况。在水幕系统启动前, 火源的燃烧较为稳定, 火焰的竖向垂直度较好, 产生的烟气在到达顶板后沿水平方向流动。但水幕系统启动后, 由于受水流下落及风力的影响, 火势朝远离水幕的一侧偏移, 并且呈现不稳定燃烧, 产生的烟气由于同样受到水滴下落产生的风力影响, 也呈现不规则扩散。

　　 图6为本工况条件下, 水平距供水干管7m和8m远、竖向2 m高度处的热辐射强度变化情况。从图中可以看出, 在水幕启动前, 2个位置处的热辐射强度均逐步升高, 最高热辐射强度为0.3~0.35kW/m², 在水幕启动后分别下降至0.1~0.12kW/m², 热辐射强度衰减约为68%, 显示水幕系统具有良好的隔热性能。

　　 在温度变化方面, 图7为顶板下不同高度处的温度变化情况, 在水幕系统启动前, 其最高温度为35~38℃, 系统启动后, 2个位置处的温度降为25~28℃, 约衰减27%。随后, 由于环境温度的升高, 2个位置处的温度又有所上升。

　　 图8为各工况下同一位置处的热辐射强度变化情况, 由于在水幕系统启动后的热辐射强度变化幅度较小, 本文以水幕系统启动后300s的平均热辐射强度为指标进行分析。从工况7和工况9的对比可知, 在喷水强度均为2L/ (s·m) 的情况下, 当喷头安装高度提高至18m时, 水幕系统启动后对另一侧的平均热辐射强度为0.129kW/m², 高于安装高度为12m时的平均热辐射强度 (0.104kW/m²) 。这是由于当喷头安装高度提高后, 喷头的洒水范围仍进一步扩大, 造成在单位体积下的水滴密度有所降低, 其隔热性能会稍许下降。因此, 需提高系统的喷水强度, 以弥补由于安装高度提高后水幕系统在单位体积内的喷水密度。

　　 从工况7、工况9和工况10的对比可知, 在喷头安装高度为18 m的情况下, 当喷水强度提高至2.2L/ (s·m) 后, 水幕系统启动后对另一侧的平均热辐射强度为0.089 9kW/m², 低于喷水强度为2L/ (s·m) 时的平均热辐射强度 (0.129kW/m²) , 也低于喷头安装高度为12 m情况下喷水强度为2L/ (s·m) 时的平均热辐射强度 (0.104kW/m²) 。

　　 通过开展防火分隔水幕系统在喷头不同安装高度和喷水强度下的洒水分布性能和防火性能对比试验, 可得到如下结论:

　　 (1) 通过洒水分布性能对比试验可知, 在试验工况下, 无论喷头安装高度是12m还是18m, 喷头的喷水范围均能达到规范规定的不小于6m的有效喷水宽度, 但当安装高度提高至18m后, 由于受喷水范围以及环境条件的影响, 单位面积上的喷水强度有所下降, 需适当提高系统的喷水强度, 以达到不低于喷头安装高度为12m时的性能要求。

　　 (2) 通过防火性能对比试验可知, 在试验工况下, 水幕系统启动后, 火源另一侧不同位置处的温度及热辐射强度均明显下降, 显示系统具有良好的隔热性能。同理, 在喷水强度均为2L/ (s·m) 下, 当喷头安装高度提高由12m提高至18m时, 由于受水滴密度减小的影响, 系统启动后对另一侧的平均热辐射强度也有所升高;当喷水强度提高至2.2L/ (s·m) 时, 其热辐射强度低于喷头安装高度为12m时的测试值。

　　 综上所述, 当喷头安装高度为18m时, 应将防火分隔水幕系统的喷水强度提高至至少2.2L/ (s·m) , 以确保其单位面积上的喷水强度和防火隔热性能等指标不低于喷头安装高度为12m、喷水强度为2L/ (s·m) 时的性能指标。

　　 需要说明的是, 虽然通过试验证明在提高喷水强度的情况下, 水幕系统在大空间场所应用时仍能达到规范规定的等效值, 但水幕系统仍不能大范围代替防火墙、防火卷帘等实体分隔设施。另外, 试验发现当水幕系统启动后, 环境条件对喷头的洒水以及喷水后对火源的燃烧均产生一定的影响, 火源类型的选取和布置位置也影响系统各项指标的评判, 并且需进一步开展不同火源以及水幕系统采用不同类型喷头、布置间距以及管网布置等试验参数的对比试验, 以更好地确定其防火性能。