近年来, 一些高层建筑、大型商业综合性建筑等复杂性多功能建筑在我国各地应运而生, 这些场所为满足使用功能和视觉效果的需要, 往往很难满足现行防火规范的要求, 主要体现在防火分区面积过大、中庭贯穿多层等。建筑物的水平防火分隔措施除防火墙外主要有防火门、防火卷帘和安全玻璃等, 大空间建筑若采用传统的防火墙分隔, 建筑的通透感和立体感将不能体现, 而防火卷帘在火灾时的大量启动及其安全性存在风险。因此, 采用防护冷却系统配合防火玻璃墙、防火卷帘等分隔构件组合保护成为了自动喷水灭火系统设计时的一项新技术。

　　 国家标准《建筑设计防火规范规定》 (GB 50016—2014, 以下简称“建规”) ^[1]5.3.2条规定, 建筑内设置中庭时, 其防火分区的建筑面积应按上、下层相连通的建筑面积叠加计算;当叠加计算后的建筑面积大于“建规”5.3.1条的规定时, 与周围连通空间应进行防火分隔。其中, 当采用耐火完整性不低于1 h的非隔热性防火玻璃墙时, 应设置自动喷水灭火系统进行保护。同时, 5.3.6条规定, 餐饮、商店等商业设施通过有顶棚的步行街连接, 步行街两侧建筑的商铺, 其面向步行街一侧的围护构件的耐火极限不应低于1 h, 当采用耐火完整性不低于1 h的非隔热性防火玻璃墙 (包括门、窗) 时, 应设置闭式自动喷水灭火系统进行保护。

　　 国家标准《自动喷水灭火系统设计规范》 (GB 50084—2001, 2005年版, 以下简称2015“喷规”) ^[2]中尚未规定采用闭式自动喷水灭火系统保护防火玻璃墙等分隔设施的技术要求, 2017“喷规” (GB 50084—2017) ^[3]结合国内外开展的试验研究及相关标准、规范的规定, 提出了相应的技术要求, 并在“术语”部分赋予了一项新的系统类型——防护冷却系统, 规定该系统是由闭式洒水喷头、湿式报警阀组等组成, 发生火灾时用于冷却防火卷帘、防火玻璃墙等防火分隔设施的闭式系统。因此, 防护冷却系统即是在该规定下自动喷水灭火系统领域的一项新技术。

　　 目前, 防护冷却系统主要用于“建规”规定的上述场所, 系统在组成上与湿式系统基本一致, 但设防功能不同, 防护冷却系统不具有灭火功能, 主要是配合建筑分隔构件, 在一定的耐火时间内提高分隔构件的完整性和隔热性。因此, 防护冷却系统可视为湿式系统的子系统。

　　 防护冷却系统与水幕系统的功能基本一致, 但与水幕系统的最大区别就是防护冷却系统为闭式系统, 而水幕系统为开式系统。另外在系统设置、适用范围以及水力计算等方面也有所不同, 见表1所示。

　　 2017“喷规”5.0.15条、6.1.6条、7.1.17条和9.1.4条较为明确地规定了防护冷却系统在设计基本参数、喷头选型及布置、管网设置以及水力计算等方面的技术要求, 如喷水强度不低于0.5 L/ (min·m²) , 并依据设置高度逐级增加强度、系统应独立设置、喷头可采用边墙型喷头、根据可燃物的情况一侧或两侧布置喷头, 以及根据该场所是否设有常规的自动喷水灭火系统分别进行水力计算等。

　　 除我国相关标准规定外, 国外也有采用闭式系统保护防火玻璃的规定, 如美国《自动喷水灭火系统安装标准》 (NFPA 13-2016) ^[5]规定, 对于一些楼梯开口或其他竖向开口, 开口之间可采用紧密布置的自动喷水灭火系统和防火隔板组合保护, 防火隔板应紧贴开口部位, 且高度不小于457 mm, 防火隔板应采用不燃或难燃材料制作, 在自动喷水灭火系统喷水期间固定位置不变。

　　 在自动喷水灭火系统的设置上, NFPA13-2016规定喷头的间距不应低于1.8 m, 当低于1.8 m时应在喷头之间设置挡板保护;喷头与防火隔板一侧的水平距离为150～300 mm。

　　 在水力计算方面, 系统的喷水强度不应低于37 L/ (min·m) , 且单只喷头的流量不小于57 L/min, 系统的计算长度也应按照规范确定的作用面积下平行于配水支管所对应的长边长度。

　　 通过国内外标准的对比可知, 首先, 在分隔构件的类型上, NFPA 13-2016未要求该构件对开口部位进行实体分隔, 只要求防火隔板的高度不小于457 mm即可, 其高度类似于我国的挡烟垂壁, 这在一定程度上保持了室内空间的通透性和美观性。

　　 在防护冷却系统的设置上, NFPA 13-2016在喷水强度、喷头布置等方面与我国标准的规定基本一致, 但其未明确系统所采用的喷头类型和供水方式。另外, 在水力计算方面, 也未根据该场所是否设有自动喷水灭火系统分别作出规定, 而是统一按一种情况考虑。

　　 防护冷却系统设置的合理与否, 直接牵涉到防火分隔构件的完整性能和隔热性能, 尤其对于防火玻璃来说, 由于其憎水性以及受冷热温差的影响较大, 易出现破碎裂化现象。因此, 系统的设置需考虑以下几方面的因素。

　　 目前, 我国实际工程中防护冷却系统以采用普通边墙型喷头和保护玻璃专用窗式喷头居多, 部分场所还设置有下垂型喷头。边墙型喷头较为成熟, 窗式喷头是国外最先研发的一种用于保护热增强型玻璃或钢化玻璃的喷头, 其喷洒曲线要好于普通边墙型及下垂型喷头, 几乎能做到保护对象全覆盖。窗式喷头属于快速响应喷头范畴, 其有效防护功能就在于喷头溅水盘的特殊设计和喷头快速响应的热敏能力。

　　 公安部天津消防研究所曾开展过普通边墙型喷头、保护玻璃专用窗式喷头和细水雾喷头等不同类型的喷头洒水分布性能试验, 以及以木垛火、油盘火和织物火等为火源的实体防护冷却性能试验。研究发现, 在布水方面, 以窗式喷头的布水和冷却效果最好, 能形成完全均匀的水膜, 边墙型喷头次之, 而下垂型喷头最差。在实体火灾场景防护冷却方面, 采用窗式喷头和普通边墙型喷头均没有出现在较高温度情况下骤然降温而破裂的现象。普通边墙型喷头的优点是在保护玻璃的同时对其下方一定范围内火源兼具灭火功能, 缺点是所保护玻璃上边缘左右两侧存在盲区, 不能对玻璃进行完全保护。因此对于玻璃分隔构件可采用窗式喷头或普通边墙型喷头进行冷却保护。同时, 可通过增大普通边墙型喷头的安装密度和工作压力来减少自动喷水冷却系统保护中的死角范围。

　　 防护冷却系统的喷头布置, 首先应确保喷头的动作性能, 即规定喷头与顶板的距离, 2017“喷规”规定喷头溅水盘与顶板的距离为150～300 mm。另外, 喷头在布置时应以将水均匀喷洒到保护对象且无盲区为原则。根据试验情况, 对于窗式喷头, 由于其布水范围较好, 喷头布置间距范围较宽, 一般为1.8～2.4 m;对于边墙型喷头, 由于其呈扇状布水, 应尽可能减小喷头间距, 一般不宜超过2 m。并且由于边墙型喷头喷水后垂直位移下降较快, 因此应尽可能提高喷头的工作压力, 增大其水平喷水的冲量, 喷头最不利点的工作压力不应小于0.1 MPa。

　　 在喷头与保护对象的水平间距方面, 2017“喷规”规定喷头溅水盘与防火分隔设施的水平距离不应大于0.3 m, 一方面是保证喷头的布水能够以正常的洒水分布状态展开, 另一方面又使得喷头的下降位移不致过大。

　　 水力计算是系统设计的核心部分, 为保证系统喷水的连续性和系统启动后的可靠性, 2017“喷规”规定防护冷却系统的设计流量应按计算长度内喷头同时喷水的总流量确定。在计算长度方面, 2017“喷规”采取了“性能”规定的原则, 依据该场所是否设置常规的自动喷水灭火系统分别确定计算长度。

　　 (1) 当设置场所设有自动喷水灭火系统时, 计算长度不应小于2017“喷规”9.1.2条确定的长边长度 (见图1) 。这是基于火灾能够被建筑空间内设置的自动喷水灭火系统所控制, 设置场所设有自动喷水灭火系统时, 如果火灾超出设定的作用面积, 则认为作用面积的划分方式不合理, 或者自动喷水灭火系统失效。举例说明, 比如对于火灾危险等级为中2危险级的商场, 作用面积为160 m², 则计算长度不应小于$1.2\sqrt{160}=15(\text{m})$, 喷头间距按2 m布置, 则系统设计流量应按同时开放8只喷头计算。

　　 (2) 当设置场所未设置自动喷水灭火系统时, 计算长度不应小于任意一个防火分区内所有需保护的防火分隔设施总长度之和。该条件下应按最不利情况考虑, 即假设一个防火分区内的所有被保护防火分隔设施全部启动, 并按其流量之和确定。此时, 就需要分别计算防火分区用水量最大者, 以此为基础进行水力计算。如图2所示, 假设有防火分区1、2、3、4这4个防火分区, 每个分区的保护长度分别为L2+L3、L1+L3、L2和L1, 则需要计算每个防火分区所需保护长度的最大值, 然后再计算该长度下对应的喷水量。

　　 应当注意的是, 对于某些场所, 还要综合考虑保护对象的高度以及该防火分区所处的建筑位置, 前者用来确定系统的喷水强度, 而后者用来系统所选水泵的扬程, 综合确定系统的设计流量。

　　 2017“喷规”规定防护冷却系统应独立设置, 所谓独立设置应是指独立的供水管网和消防水泵。防护冷却系统不宜与该场所内设置的自动喷水灭火系统合用, 主要是考虑到两个系统的持续喷水时间不同, 设计流量及工作压力不同, 如果两个系统合用, 牵涉到的主要问题有:①系统水量的迭加;②消防水泵的选型及流量、扬程匹配;③组合系统的工作模式等。

　　 目前, 我国在一些地下车库、中庭等很多项目中都按照该规定设置了下垂型喷头的自动喷水灭火系统 (见图3) 。但是, 对于一些局部部位的开口, 当采用防护系统保护防火卷帘时, 如果仍要求独立的供水管网及消防水泵, 则从管网布置、造价等方面实施难度均较大。对此, 本文建议采用以下2种替代方法:

　　 (1) 采用耐火极限符合现行国家标准《门和卷帘耐火试验方法》 (GB/T 7633) 有关耐火完整性和耐火隔热性判定条件的防火卷帘。

　　 (2) 如果采用 (1) 中的卷帘难度较大且必需设置防护冷却系统保护时, 则建议该系统与消火栓系统合用供水管网及消防水泵。

　　 通过国内外开展的相关研究以及国内外标准的规定可知, 采用合理的防护冷却系统设计可以改善钢化玻璃在耐火完整性、隔热性和热辐射照度等方面的性能, 并在一定程度上可作为有效的防火分隔措施, 但在系统设计时, 需考虑以下2点。

　　 (1) 为确保保护对象没有喷水盲区, 防护冷却系统宜采用窗式喷头;当采用边墙型喷头时, 即使喷水强度满足要求, 但喷头的工作压力应不低于0.1 MPa。

　　 (2) 防护冷却系统的设计流量应根据该系统的设置位置、每个防火分区内所需保护的总长度以及喷水高度等因素综合比较后确定。