自动化立体仓库又称高层货架仓库、自动存取系统仓库等,一般采用十几层甚至几十层高的货架,用自动化物料搬运设备进行货物出库和入库作业。近年来,由于人工成本的不断提升、柔性化制造系统的兴起,加之科技与计算机技术的进步,自动化立体仓库在我国的应用呈几何级数增长。这些仓库在节省占地面积、提高空间利用率以及提高劳动效率的同时,也对消防工作提出了新的挑战,其配套的自动喷水灭火系统设计方案也随之发生了较大改变,如与常规的普通仓库或高架仓库相比,自动喷水灭火系统的功能定位由原来的以控、灭火功能为主过渡到以控火功能为主,其系统供水时间、喷头选型等也有较大变化。

　　 与普通仓库相比,自动化立体仓库建筑高度高、储存物品多、火灾荷载大(见图1),并且高架仓库内部的空间结构形式有利于火灾的竖向蔓延,加大了火灾探测报警难度和灭火施救难度,因此,自动化立体仓库具有如下火灾特点:

　　 (1)火灾隐患多。自动化立体仓库由于可燃物质数量多,堆放高度集中,如塑料橡胶制品、纺织品、纸张等易燃物品,即使是机电配件,其外包装也存在诸多可燃物品,这些物品大部分混存在一个库内,堆放的数量多,密度大,而且种类繁多,并且单位面积储存的物品是普通仓库的5~10倍,大大提高了火灾荷载。

　　 (2)火势蔓延迅速、燃烧猛烈。仓库中由于物品过于密集,空间密闭性强,一旦发生火灾,温度迅速升高,燃烧强度大大增加,火势蔓延速度加快,火势更猛烈,自动化立体仓库内货架集中摆放,物品和物品之间形成狭长的通道,一旦起火,火焰会迅速从货架底部沿着物品间狭长的通道向上蔓延,为典型的立体火灾。

　　 (3)火灾破坏力度大。由于仓库的货架一般采用钢质结构,耐火性能较差,大都在600℃时已完全丧失支撑能力。国外高架仓库发生火灾后,一般在10多分钟内货架和库房屋顶即全部倒塌。

　　 (4)火灾扑救难度大。自动化立体仓库内平时无人,导致起火时很难发现初期火灾,并且自动化立体仓库通常采用无窗的设计方式,空调系统有助于火势蔓延,照明不能保证,灭火救援更为困难。

　　 (5)火灾损失严重。仓库内储存着高密度的货物,有昂贵的自动搬运、仓储设备以及外围建筑物,一旦发生火灾将会在很短的时间内烧毁大批物资,造成巨大的经济损失。

　　 目前,我国对于自动化立体仓库自动喷水灭火系统的设置,主要依据国家标准《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)和《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084-2001,2005年版)的规定,但在自动喷水灭火系统设计中,虽然现行规范规定了系统设计参数,但规定得较为原则,如顶板下喷头的选型、超过喷头最大安装高度后顶板下喷头的喷水强度选择等均无明确规定,设计参考性较弱。

　　 由上述自动化立体仓库的火灾特点可知,为确保自动喷水灭火系统能及时动作,并且喷头动作后能立即按设计的喷水强度喷水,自动化立体仓库内应采用湿式系统,不推荐采用预作用系统。原因就是无法确保“火灾自动报警系统和配水管道充水”这一环节的可靠性,因为这一环节将对系统“喷头开放后立即喷水”的基本性能产生影响,并且随着危险等级的提高,这种影响将使风险增大。

　　 对于寒冷地区不做采暖的仓库,推荐采用电伴热系统或添加防冻液的湿式系统,如果采用湿式系统确有困难而计划采用预作用系统时,应当确保“火灾自动报警系统和配水管道充水”环节的可靠性,而且消防水箱或气压给水设备的有效容积,应包括配水管道充水的用水量,同时应满足“配水管道充水时间”的规定。

　　 在顶板下喷头的选型方面,虽然ESFR喷头的响应时间快,水滴冲量大,但根据规范规定,当最大净空高度超过13.5 m时,仓库内仍应设置货架内喷头,并且其应用也有明显的限制要求,因此根据国外相关标准的规定,高架仓库内顶板下不推荐设置ESFR喷头,建议采用大口径喷头,如流量系数K≥161的喷头,其设置要求也不如ESFR喷头苛刻。

　　 采用大口径喷头的另外一个好处就是可以提高喷头洒水的水滴粒径,进一步提高系统的控火性能。因为自动喷水灭火系统的控、灭火性能不仅取决于必需洒水密度(RDD),而且与实际到达燃烧物表面的洒水密度(ADD)有关,只有当ADD大于RDD时,系统才能有效控火。FM Global曾开展过相同必需洒水密度下采用不同类型喷头时的对比性试验,如表1所示。试验中火灾试验模型相同,喷水强度均为24.5L/(min·m²),当流量系数采用K-115的喷头时,开放了29个喷头才控制住火灾,且顶板最高温度为900℃;而当采用K-160的喷头时,仅开放了4个喷头就控制了火灾,顶板最高温度为300℃。

　　 在喷头温级方面,顶板下应采用高温级喷头。美国《自动喷水灭火系统安装标准》(NFPA13-2013)规定,高危险级仓库顶板下应采用公称动作温度为141℃的喷头。其主要原因是考虑到对于高危险级场所,如果仍采用普通温级喷头,可能会造成火灾初期开放喷头数过多,开放喷头数超过系统所能服务的最大喷头数,造成系统用水量的不足。

　　 公安部天津消防研究所曾开展过高危险级条件下,采用不同温级喷头时的动作性能对比试验,试验分别采用动作温度为68℃和121℃的喷头,喷头安装高度均为3.5 m,采用油盘作为火源,油盘内径1.5m,每次试验加入50L汽油。试验结果表明,2次试验条件下第一个喷头的开启时间分别为点火后14s和19s,开启时间相差不大,但在喷头动作数量上,分别开放25个和8个喷头。可见,对于高危险级场所,在提高喷头的公称动作温度后,喷头的开放数量会大大减小,但第一个喷头的动作时间并没有明显变化。

　　 在喷头选型方面,国内外标准均未强调是采用快速响应喷头还是标准响应喷头,因为在两种喷头动作时,火灾都达到了较高的温度,快速响应喷头动作时的火灾规模与标准响应喷头动作时的火灾规模之间的区别可忽略。

　　 在喷头水平布置方面,现行标准《自动喷水灭火系统设计规范》仅规定喷头的水平间距为2~3 m,未规定布置位置。美国FM Global数据册《仓库危险级1~4级及塑料制品》(FMDS0809-2015)中规定,当采用单排货架时,喷头需布置在货架的中间(见图2a)且最大间距为1.5m;当采用双排货架时,喷头除需在货架中间布置外,还要在货架两侧布置,中间喷头的最大间距为3 m,两侧喷头的最大间距为1.5m(见图2b)。

　　 在喷头竖向布置方面,我国规范规定,货架内喷头应在自地面起每4m高度设置1层,但由于受到货架间隔尺寸的影响,如果完全按照4m进行设置,可能会造成喷头设置在货架的中间。并且,规范并未规定最高层货架内喷头与储物顶部的距离,造成目前国内在应用时做法不一。国外标准中,如NF-PA 13规定,对于Ⅰ~Ⅲ级储物,最高层货架内喷头与储物顶部的距离不应超过3m,对于Ⅳ级储物,则不超过1.5m。FMDS0809也有相应的要求(见表1)。

　　 自动喷水灭火系统设计中,喷水强度和作用面积是系统最关键的两个参数,对于顶板下喷头的喷水强度,我国规范未直接给出该设计参数,由于规范规定货架内喷头上方必须设置实层隔板,因此设计人员通常通过扣除掉货架内喷头下方的净高后,根据最高层货架内喷头上方的储物高度及净空高度来确定该参数。

　　 NFPA 13要求,当储物高度大于7.5 m时,应设置货架内喷头,对于仓库危险级Ⅰ~Ⅲ级场所,喷水强度分别不应小于10L/(min·m²)、12L/(min·m²)和12L/(min·m²)。对于塑料橡胶,当最高层货架内喷头与储物顶部的间距不超过1.5m时,喷水强度不应小于12L/(min·m²),当为1.5~3 m时,喷水强度不应小于18L/(min·m²),并且作用面积均不应小于200m²。

　　 如某项目室内最大净空高度为22m,货架高度为20m,单双排货架储存,物品种类为仓库危险级Ⅱ级,如果按照《自动喷水灭火系统设计规范》的规定,每4m设置1层货架内喷头,则扣除掉最高层货架内喷头下方的净高后,储物高度为4m,根据规范可知,顶板下喷头喷水强度为15L/(min·m²),作用面积为280m²;如果按照NFPA 13的规定,则喷水强度和作用面积分别为12L/(min·m²)和200m²。可见,我国规范规定的参数值较为保守,设计用水量偏大。

　　 某自动化立体仓库,主要储存物品为倒车雷达、防盗器、停车辅助系统等电子产品,火灾危险等级为仓库危险级Ⅰ级,占地尺寸为36m×18m×25.2m(长×宽×高),货位数4排27列17层,共1 846个货位,货架高度25.2m。在自动喷水灭火系统设计中,采用了如下设计方案。

　　 由于本项目仓库净空高度和最大储物高度均远远超过了现行规范的规定,因此无法完全按照现行规范中规定的参数取值,最终经类比并参照国内相关工程案例确定,顶板下采用流量系数K-115的直立型快速响应喷头,喷水强度取18L/(min·m²),作用面积为200 m²,持续喷水时间按2h确定,系统设计流量为46.36L/s,顶板下喷头采用独立的报警阀组。

　　 货架内喷头选用K-115的下垂型快速响应喷头,结合货架的实际尺寸,共设置5层,同一排货架内喷头的水平间距控制在3m以内,货架内喷头上方的层间隔板采用实层板,将喷头布置在双排货架的中间,在喷头上方设置直径为400 mm的不锈钢集热挡水板,货架内喷头的布置如图3所示。

　　 货架内开放喷头数按14个计算,喷头最低工作压力取0.1MPa,经水力计算,货架内喷头的设计流量为51.29L/s。

　　 经计算,系统总流量为97.65L/s,水泵扬程为90m。选用的自动喷水灭火系统主泵Q=100L/s,H=90 m,1用1备。屋顶稳压设备工作压力为0.28 MPa。

　　 自动化立体仓库由于本身货架形式复杂,储存物品的种类纷繁复杂,而且物品的储存方式也不尽相同,因此给自动喷水灭火系统的设计带来很大的难度,对于这种高危险等级场所,系统投入使用后,就应当按照设定的参数值发挥其功能。因此,在进行该类场所自动喷水灭火系统设计时,建议如下。

　　 (1)对于顶板下喷头的选型,由于自动化立体库内需要设置多层货架内喷头,因此顶板下喷头不推荐采用ESFR喷头,建议选择流量系数K≥161的高温级喷头。另外,对于这种控火型喷头,喷水强度应结合设置场所的火灾危险等级确定,作用面积不应小于200m²,持续供水时间不应小于2h。

　　 (2)在货架内喷头的设置上,建议采用K≥115的喷头,喷头的响应等级与顶板下喷头保持一致,并且,喷头的竖向间距可根据货架的实际尺寸进行稍许调整。在喷头布置上,货架内喷头与顶板下喷头交错布置。

　　 另外,建议针对该类型项目中货架内喷头占主导地位的问题,进一步深入开展其动作性能及控、灭火性能的研究,以及进一步完善专门针对自动化立体仓库的消防设计标准。