深圳市第二图书馆是集合储存、调剂、服务、物流、信息化、文献加工与典藏功能为一体的大型综合图书馆。图书馆总建筑面积137 611m²,其中智能立体书库总建筑面积3 146m²,存书量为350万册,位于地下3层,层高18m,书架高度15m,共均分了5个独立的防火单元,每个单元面积629 m²,体积11 320m³。此类书库空间高大,书架高,连续长度长且布置密集,储存物数量多价值高,一旦发生火灾,火灾蔓延迅速,极易形成立体火灾,加之书架密集,救援通道狭窄,若没有可靠的灭火设施,火灾将对书库造成非常严重的后果。再者如此超常规高度和体量的智能立体书库国内比较少见,可以借鉴和参考的案例很少,这造成消防系统的选择有一定的难度。

立体书库储存的纸质物品属于A类火灾,可用于扑救A类火灾的消防设施很多,可选择消火栓系统、自动喷水灭火系统(以下简称喷淋系统)、气体灭火系统、超细干粉灭火系统、细水雾灭火系统。消火栓系统是建筑物消防的基本配置,必须采用,本文不再讨论。

对于18m高大空间书库,规范允许采用喷淋系统。用水作为灭火介质环保,对环境无污染;系统启动时对人员无伤害;系统成本较低;日常维护保养简单方便。但对于保护书库的缺点是用水量很大、占用较大的设备用房面积;喷淋灭火的主要机理是动能冲击和表面冷却,但书库书架高、图书密集、遮挡物多,水滴很难喷射到燃烧物表面,因此灭火有效性不好;灭火过程水渍很大,会对图书造成严重破坏。

气体灭火的主要机理是冷却、窒息、隔离和化学抑制,不同种气体介质的灭火机理不同,但对纸质火灾是有效的;灭火后,气体仅需排放即可,对图书不造成破坏。对于单个防护面积629m²,体积11 320m³的书库采用气体保护的局限性比较大,《气体灭火系统设计规范》(GB 50370-2005)中规定采用管网灭火系统时,一个防护区的面积不宜大于800m²,且容积不宜大于3 600m³,喷头的最大保护高度不宜大于6.5m,本书库无论从高度和体积都远远大于规范要求,因此常用的洁净气体七氟丙烷和IG541都无法使用。根据《二氧化碳灭火系统设计规范》(GB 50193-93,2010年版)规定,可以使用CO₂气体,且可采用局部应用灭火系统,但CO₂气体的使用也存在诸多弊端:CO₂气体是常见的温室气体,不环保;CO₂的高压液化储存系统对环境温度要求严格,同时需要的瓶组数量多,气瓶间占地面积大;低压系统需要外制冷设备,造价高;CO₂气体属于物理灭火,灭火速度较慢;防护区如有未撤离的人员会造成窒息死亡;气体灭火系统需专业人员进行维护管理,气体灭火剂价格比较昂贵而且需定期更换,运营管理费用较高。其他的卤代烷灭火剂也逐渐被淘汰,不予考虑。

该系统可以扑救书库书库火灾;粉末喷放时对人体有害;粉体无毒对环境影响小;对纸张破坏性小但难清理;维护保养较麻烦,应注意粉体的防潮,定期更换所有的干粉,动力气瓶组也需要定期保养称重,防止其漏气;另外超细干粉灭火系统现阶段没有国家规范,只有产品行业标准和一些地方标准,设计师无法对系统的合理性、安全性进行全面把控,这也对超细干粉灭火系统的使用造成一定的局限性。

细水雾灭火技术是利用水雾喷头在一定水压下将水流分解成细小水雾滴进行灭火或防护冷却的一种固定式灭火技术,可以扑救书库火灾;灭火介质是水对环境无污染;细水雾灭火系统水渍损失小(90%以上的水雾被蒸发),是水喷淋灭火系统水量的5.4%,对图书破坏性较小,同时也节约用水;由于水量小,水池面积小,泵组采用柱塞泵组,整体占地面积小;灭火介质是水,对没撤离的人员无安全影响;需要定期巡检、检查检测。

综上,根据书库的特点对消防系统进行全面比较,结果见表1。

通过以上4种灭火系统的详细对比,细水雾灭火系统各个方面都没有明显的缺点,唯一让使用者担心是水渍对图书的破坏和对书库传输设备的影响,针对这方面国内外做了很多的试验,Milke等^[1]开展了图书库中应用细水雾灭火系统的试验研究,结果表明随着细水雾的施加,图书资料受到火焰的破坏作用得到控制,房间的温度迅速下降,火灭后观察发现火源上方的两层书架上的报纸仅受到轻微的破坏,而两层以上的报纸未受到损伤。ABB Stromberg研究中心的带电喷放细水雾试验表明,一部分细水雾雾滴会快速气化,一部分细水雾雾滴长时间地悬停在空中,只有极少部分的细水雾滴落到电子电气设备的表面。高压细水雾对带电设备的正常工作无影响。因此本项目确定采用细水雾灭火系统。

根据应用场所的不同,细水雾的系统选型也不同。本书库采用水作为灭火介质,即采用单流体系统。根据规范推荐,高压系统雾化效果好,抑制与洗刷作用明显,快速吸热,对图书破坏小,因此采用高压系统。虽然《细水雾灭火系统技术规范》(GB50898-2013)3.1.3条规定“密集柜储存的图书库宜选择全淹没应用方式的开式系统”,但3.4.5条对全淹没系统每个防护区的容积给出了不宜超过3 000m³的限制,一是因为实体火灾模拟试验规模的限制,二是考虑到防护区过大时,采用全淹没应用方式不够经济。另外查找国外文献可以看出,Mawhinney开展了细水雾保护固定图书架的试验,在试验过程中分别采用了2种细水雾灭火系统设计方法:全淹没系统和局部应用系统。结果表明在全淹没系统的测试过程中,大部分的水都被浪费在远离火源的地方,从而对图书资料造成损害,而局部应用系统可以大大减少耗水量,将水造成的附加危害降到最低。综上,本书库采用局部应用开式单流体高压细水雾是安全可靠的。

智能立体书库采用高压细水雾开式局部应用系统进行设计,地下室机房内设置2套高压细水雾泵组,系统工作压力不小于14 MPa,储备35m³的消防用水。保护区内根据书架的长度将每列书架均分成3段,根据书架高度均分成5层喷头进行保护。设计喷雾强度按照《细水雾灭火系统技术规范》(GB50898-2013)喷头安装高度≤3m时,设计喷雾强度不小于1.0L/(min·m²)来设计。

设计参数见表2。

(1)喷头选型:选用K=0.7的开式喷头,q=7L/min,喷头雾滴直径Dv_0.5<65μm、Dv₉₉<100μm。

(2)泵组选型:设计流量为同时开启相邻3个保护区135只喷头流量之和,经计算Q=945L/min。系统设计工作压力根据最不利点喷头最低工作压力为10MPa进行计算,计算采用Darcy-Weisbach公式,结果为H=13.2 MPa(计算从略),选用泵组泵工作压力不小于14 MPa。选用泵组2套,Q=500L/min,H=14MPa,N=150kW;稳压泵参数选用Q=11.8L/min,H=1.4MPa,N=0.55kW,1用1备;增压泵2台,Q=65m³/h,H=33m,N=11kW,1用1备。

(3)管材选用:无缝不锈钢管S31603,工作压力不小于14MPa。管道采用氩弧焊焊接或卡套连接。

高压细水雾泵组、稳压泵、增压泵、消防水箱设置在地下室泵房内,通过管道连接防护区外设置的区域控制阀箱,由阀箱控制喷头的开启。书库喷头间距不大于2.5m,相邻保护区设置加密喷头,间距宜为1.25～1.50m。标准防护区高压细水雾平面及系统示意分别见图1和图2。

在准工作状态下,从泵组出口至区域阀前的管网由稳压泵维持压力1.0～1.2MPa,阀后空管。发生火灾后,由火灾报警系统联动依次开启对应的区域控制阀,联动控制增压泵和主泵开启,喷放细水雾灭火;或者手动开启对应的区域控制阀,管网降压自动启动主泵,喷放细水雾灭火。经人员确认火灾扑灭后,手动关闭主泵和区域控制阀,火灾报警系统复位,管网恢复、系统复位。开式系统具备3种控制方式:自动控制、手动控制和应急操作。