自动喷水灭火系统在民用建筑中的应用较为成熟, 系统设计也日趋完善, 但对于仓储建筑, 由于涉及到建筑和环境条件、储存方式、货架规格及布置等诸多因素, 系统设计较为复杂, 也进一步削弱了系统控、灭火的成功率。《自动喷水灭火系统设计规范》 (GB 50084-2017, 以下简称“规范”) 修订过程中, 对仓库及类似场所自动喷水灭火系统设计理念进行了调整, 对系统的设计技术要求也进行了修订。

在仓库的储存方式上, 目前我国“规范”规定了3种方式, 分别是堆垛、托盘和货架储存;FM Global对于储存方式有5种划分, 除上述3种, 还有箱装以及隔板货架。储存方式不同会影响系统设计参数的选用, 因此在设计时, 除了仓库贮存物品的类别外, 还应明确储存方式、储物高度以及货架类型等。

堆垛储存是指利用储物自身的支撑能力堆积存放, 中间没有水平间隙;托盘储存则是将货物直接搁置在托盘上, 上层货物直接码放在下部货物上部;托盘又分为木托盘和塑料托盘等。这2种储存方式主要为临时周转等, 高度较低, 设计时也通常按同一组参数进行考虑。

货架储存又分为2种情况, 一种是敞开式货架, 层与层之间通透, 紧靠桁架结构支撑货物;另一种带有隔板, 类似于书架、药架等货架。对于敞开式货架, “规范”中将其分为单排、双排和多排货架, 单排货架是指货架自身的宽度不超过1.8m, 两排货架之间的通道宽度不少于1.1m;双排货架是指两列单排货架背靠背放置, 组合宽度不超过3.7m, 通道之间的宽度不小于1.1m;多排货架是指有单、双排货架组成的货架, 货架宽度超过3.7m或者通道宽度小于1.1m。对于移动式货架, 由于其可在水平方向上自由移动, 因此在设计时应视为多排货架。

同时, “规范”规定, 仓库及类似场所采用货架储存时应采用通透层板的钢制货架, 且层板中通透部分的面积不应小于层板总面积的50%。当采用木制货架或采用封闭层板货架时, 其系统设置应按堆垛储物仓库确定。主要是考虑到采用木质货架时, 可能会存在发生火灾时坍塌的风险, 因此对木质货架应视为堆垛储存。

货物的储存方式对于火灾的蔓延、灭火的难易程度影响很大, 图1为在相同可燃物燃料情况, 不同储存方式下的火灾燃烧性对比试验。试验燃料采用纸箱内装空心金属箱, 纸箱规格为500 mm×500mm×500 mm, 质量为9.9kg, 金属箱规格为495mm×495mm×492mm, 质量为1.7kg。

试验分别采用货架和堆垛布置, 图2为2次试验的火灾热释放速率对比, 从图2中可知, 采用货架和堆垛时的最大热释放速率分别为4.51 MW和1.29MW, 货架储存是堆垛储存的3.48倍;火灾增长速率分别约为α=0.163 7kW/s²和α=0.117 6kW/s², 货架储存是堆垛储存的1.39倍。

根据“规范”的规定, 目前用于仓库的喷头类型主要有标准覆盖面积洒水喷头、早期抑制快速响应喷头和特殊应用喷头, “规范”5.0.4、5.0.5和5.0.6条分别是以这3种喷头为基础确定的设计参数。3种喷头的设计理念和动作性能完全不同, 也代表了以这3种喷头为基础的3种系统 (见表1) 。

系统的设防功能不同, 也造成了系统之间的差异, 其中最大的差异在系统设计流量方面, 以“规范”5.0.4条为例, 其以控制火灾的蔓延为目的, 所需的供水时间偏长, 部分情况下设计流量的计算值会偏大;而对于“规范”5.0.5条, 利用了早期抑制快速响应喷头的“快响应+大流量+大水滴”性能, 以压制火灾为设计目标, 设计流量的计算会偏小, 但系统管网、组件等造价会相应提高。对于设计人员来说, 3种系统应是相互并行且相互独立使用, 但通常首选抑制型系统 (ESFR系统) , 只有当环境条件或建筑形式无法采用ESFR系统时, 才选择另外2种形式。

标准覆盖面积洒水喷头是应用最多的一种喷头, 其设计参数以喷水强度/作用面积为基本要求, 主要通过预湿初始着火区域周围的可燃物在屋顶/天花板高度进行冷却, 从而将火势限制在一个相对较小的区域内。强度/面积法的一个关键指标是由喷水强度决定作用面积, 由喷头的保护面积决定最小工作压力。这种方法是最为传统的设计方法, 主要用于火灾危险等级相对不高的场所。

与2005版“规范”相比, 2017版“规范”对表格的内容按设计顺序重新调整。如对于某个项目, 首先应明确其储存物品的种类和性质, 进而判断出其火灾危险等级, 然后要明确其储存方式, 堆垛、货架或托盘储存等, 之后再根据储存特征选取设计参数。

标准覆盖面积喷头的选型对系统控、灭火至关重要, FM Global曾开展过对比性试验, 试验采用A组塑料, 布置方式完全相同, 喷水强度均为24.5L/ (min·m²) 。当采用K=115的喷头时, 开放了29只喷头才控制住火灾, 且天花板最高温度为900℃;而当采用K=160的喷头时, 仅开放了4只喷头就控制了火灾, 天花板最高温度为300℃。因此, 对于保护一般货架仓库, 如果喷水强度为8～14L/ (min·m²) , 则应选择K≥115的喷头;如果喷水强度大于14L/ (min·m²) , 则应选择K≥160的喷头。

ESFR喷头主要用于高架仓库的保护, 利用其水滴大和冲量高的特点穿透货架之间的间隔和层板的缝隙。因此, 采用的货架应为通透性层板, 不适宜用于带实层隔板的货架。对于带有实层隔板的货架仓库, 应综合考虑实层隔板的面积确定是否需要增设货架内喷头, NFPA 13规定, 当货架内实层隔板的面积不超过2m²时, 可不视为实层隔板;当实层隔板的面积为2～6m²时, 可不必每个实层隔板下方均设置货架内喷头, 但货架内喷头的竖向间隔不应超过2m;当实层隔板的面积超过6m²时, 应在每个实层隔板下方均设置货架内喷头。

与2005版“规范”相比, 2017版“规范”的变化内容主要有: (1) 增加了喷头安装方式要求。明确了直立型、下垂型喷头的适用范围;由于下垂型喷头喷水时不会受到配水支管的遮挡, 具有比直立型喷头更大的优势, 因此对于仓库场所应优先采用下垂型喷头, 并且当最大储物高度超过9 m时, 不推荐采用直立型ESFR喷头。 (2) 增加了喷头间距要求。包括喷头之间的距离以及喷头与端墙的距离, 喷头之间的距离与最大净空高度有关, 当最大净空高度不超过9.0m时, 喷头最大间距为3.7m;当最大净空高度大于9.0m时, 喷头最大间距为3m。而喷头与端墙的距离可按不小于100mm且不大于喷头最大间距的1/2确定。 (3) 删除了ESFR自动喷水灭火系统采用货架内置洒水喷头的布置方式, 原因是ESFR喷头在其允许最大净空高度内, 可不设置货架内置喷头。规范不推荐采用顶板下布置ESFR喷头+货架内置喷头的布置方式。当最大净空高度或最大储物高度超过“规范”表5.0.5的规定时, 应按照“规范”5.0.4条和5.0.8条的规定布置, 即顶板层喷头的设计参数按“规范”5.0.4条相应表格的规定选取, 货架内喷头的布置则执行“规范”5.0.8条的规定。

仓库型特殊应用喷头为本次“规范”修订新增的一种喷头类型, 广义上讲, 其属于标准响应喷头范畴, 因此其与ESFR喷头的最大区别是不仅可用于湿式系统, 还可用于干式及预作用系统, 但其最大保护高度、最大储物高度以及保护的储物范围等较ESFR小, 且其用于干式或预作用系统与湿式系统时属于完全不同的设计理念, 从喷头选型、动作温度、开放数量等均与湿式系统有较大的差别。考虑到该类喷头在我国的应用尚不成熟, “规范”仅规定了其应用于湿式系统的基本参数, 下一步需开展其用于干式、预作用系统的设置技术研究。

基于上述分析, “规范”对于仓储建筑顶板层喷头的选型建议如表2所示。

“规范”规定, 在不设置货架内喷头的情况下, 3种喷头的最大保护高度分别是9.0 m、13.5 m和12.0m;而当设置货架内置喷头时, 应按照“规范”5.0.4条规定执行, 且仓库的最大净空高度不受限制。

货架内喷头的设置除了与净空高度和储物高度有关外, 还取决于顶板层喷头的选型以及货架内部是否有实层挡板, 如果货架内有实层挡板, 则实层挡板会严重阻挡顶板层喷头的喷水, 因此应在每层实层挡板的下方均设置货架内喷头。

通常, 对于设置货架内喷头的仓库, 货架之间应留有不小于150mm的烟道间隔, 烟道间隔分为纵向烟道间隔 (垂直于走道) 和横向烟道间隔 (平行于走道) , 该烟道间隔有2个作用, 一是发生火灾时的热烟气流通过该空间向上扩散, 以驱动喷头及时动作, 二是顶板层喷头的洒水通过该空间喷洒至着火货物的表面。因此, 当储物高度超过7.6 m时, 双排货架必须设置纵向烟道间隔。

设置货架内喷头是货架火灾最有效的应对方式之一, 弥补了顶板层喷头启动时间长的缺陷, 在较小的火灾下启动并实施灭火, 对建筑物的高度没有限制且不受屋面顶板坡度的影响。但也具有货架布置受限以及易造成机械性损伤等缺陷。因此, 如果建筑高度和储物高度符合仅在顶板层设置喷头保护的条件, 应首选顶板层喷头进行保护, 只有顶板层喷头设置受限时, 才会选择增设货架内喷头的设置方式。

货架内喷头在布置时既要保证喷头的洒水完全覆盖货物表面, 又要防止受到机械破坏, 货架内喷头的溅水盘尽量与层板的表面齐平或略低。货架内喷头通常应布置在货架的内部, 即在货架的水平投影范围内。对于双排货架或多排货架, 通常布置在纵向烟道间隔和横向烟道间隔 (即货物之间形成的通透空间) 的交叉处, 对于单排货架, 如果其靠墙布置且与墙的距离不超过300mm时, 喷头可布置在货架外部, 且与货架侧面的偏移距离不超过150mm, 与烟道间隔交叉处的距离不超过75mm (见图3) 。

仓储建筑自动喷水灭火系统的设计参数需考虑的因素较多, 其与民用建筑系统设计的最大区别就是根据喷头类型设计系统。因此, 设计人员应综合考虑上述因素, 选择适宜的系统类型及喷头类型, 以提高仓储建筑的消防安全水平。