高架仓库具有净空高、火灾荷载较大等特点。由于其存放的可燃物较多, 堆放密度大且高度高, 一旦发生火灾, 控制和扑救较困难, 财产损失巨大, 常规的自动喷水灭火系统在使用中会受到条件限制, 按照《自动喷水灭火系统设计规范》 (GB 50084—2001, 2005年版, 以下简称“自喷规范”) 的要求^[1], 对于空间高度不超过13.5m的部分仓库可选用早期抑制快速响应喷头 (Early Suppression Fast Response Sprinkler简称ESFR) 。为了保证ESFR系统的可靠运行, 目前不少ESFR系统采用环状格栅管网进行布置。但由于环状管网的特殊性, 管网计算复杂, 无法通过人工计算实现, 本文主要探讨采用Flowmaster软件对某仓库环状ESFR管网进行分析计算。此外, 本文在参考国内外规范的基础上, 就ESFR喷头的适用场所进行了探讨。

　　 ESFR环状管网主要包括喷头、管道、自动喷水灭火系统的阻力元件和供水水源。应用Flowmaster软件进行建模包括以下步骤:

　　 (1) 按照相关规范初步确定ESFR喷头和管道的布置方案;

　　 (2) 应用Flowmaster软件进行ESFR喷头和管路系统的建模;

　　 (3) 通过水力计算确定最不利喷头和作用面积;

　　 (4) 确定入口压力和流量。

　　 某高架仓库建筑面积720m², 最大净空高度11.5m, 储物类别为仓库I级, 根据“自喷规范”表5.0.6的要求, 考虑采用ESFR自动喷水灭火系统, K=202的ESFR喷头, 最不利点工作压力0.5MPa。根据规范初步确定布置方案见图1。

　　 Flowmaster软件中含有很多模型元件, 但没有可以直接用于ESFR等自动喷水灭火系统的元件, 因此, 为了采用Flowmaster软件对该系统进行仿真模拟和水力计算, 需要创建相应的ESFR喷头模型。根据“自喷规范”, ESFR系统水力特性如下:

　　 式中q———喷头的出流量, L/min;

　　 K———喷头的流量系数, 本项目采用K=202的ESFR喷头;

　　 P———喷头的工作压力, MPa。

　　 在Flowmaster软件中创建ESFR-Sprinkler模型, 确定模拟环境的大气压, 元件的流量系数为该元件的主要待定参数, 该元件为单接点元件 (1-armed component) 。

　　 应用Flowmaster软件在进行仿真计算时, 将整个管路系统看作是由一系列节点连接的元件组成^[2]。每个元件都可以用线性化的连续性方程来描述, 这些方程均可以转化成线性方程f (m-质量, P-压力) =0形式, 从而将整个管路系统转化为一个线性方程组, 即可进行数学求解。当用户开发自定义组件时, 软件同样要求将设备的流量-压力数学方程转化成一系列固定格式的线性方程形式。其中1-armed component的线性方程格式为:

　　 式中m^→———元件节点的质量流量;

　　 P———元件的接点压力;

　　 A、B———线性方程系数。

　　 按照Flowmaster软件的设置要求和本系统的设计参数, 进行ESFR喷头的建模后, 为了确保系统准确性, 需要对新建自定义元件ESFR-Sprinkler并进行校验, 在元件入口设置压力源, 并设定不同的压力, 通过元件的流量值进行校验, 校验系统建模见图2。校验结果见表1。

　　 通过对比可知, 模型误差均在千分之一以下, 说明喷头模型水力特性相似, 满足ESFR系统的水力计算要求。

　　 管道建模与普通Flowmaster管道建模类似, 本文不再赘述。

　　 完成喷头建模和管道建模后, 首先在ESFR系统引入点处添加压力源 (压力源数值不限, 如5bar, 1bar≈0.1 MPa) , 然后把系统内所有喷头设置为打开状态 (即K=202) , 则出流量最小的喷头为最不利点的喷头位置。

　　 通过Flowmaster分析计算, 可以确定最不利点喷头在1e处, 次不利点喷头在1d处, 确定本系统作用面积内的12只ESFR喷头如图3所示。

　　 在完成以上步骤, 初步建立系统水力计算仿真模型后, 删除作用面积以外的喷头, 进行下一步的水力计算, 模型见图4。

　　 在引入管处添加流量源, 按照上文确定最不利点压力为0.5 MPa时, ESFR喷头出流量为7.53L/s, 作用面积内12只喷头中的流量都大于该数值, 则作用面积内总的流量为90.36L/s, 流量源流量暂取91L/s, 通过Flowmaster计算得作用面积内12只喷头最小流量 (1e喷头) 为7.57L/s, 最大流量 (3c喷头) 为7.57L/s, 喷头流量均满足最小流量 (7.53L/s) 的要求。该流量源对应的引入管压力值为6.71bar, 由于该系统压力值为绝对压力值, 扣除大气压, 引入管所需压力 (表压值) 为5.7bar。

　　 关于ESFR系统的供水系统 (如ESFR系统消防泵等设备) 的选型、系统高差计算、其他阻力元件 (如湿式报警阀等) 的确定, 本文不再赘述, 其选型和水力计算与普通自动喷水灭火系统类似, 只要最终消防泵选型满足在引入管接点位置的压力不小于5.7bar, 流量不小于91L/s要求即可。

　　 洒水喷头是自动喷水灭火系统的重要部件, 它决定着自动喷水灭火系统性能的发挥。喷头的选择应根据系统类型、设置场所危险等级、喷头的RTI值、喷头热敏元件、喷头密封元件、环境温度以及安装方式等因素, 综合考虑选择适合工程特殊条件的喷头。只有把相应的喷头应用到合适的场所, 才能充分发挥其应有的作用。国内相关资料对喷头的设置场所和选型规定较少, 在NFPA等国外规范和文件中都对各类喷头的选择有严格规定, 在实际的工程设计中, 可以借鉴国外规范和标准作为参考。

　　 以快速响应喷头为例, 该类型是指响应时间指数RTI≤50 (m·s) ^0.5的闭式洒水喷头。关于快速响应喷头的设置, “自喷规范”6.1.6条作了规定, 要求快速响应喷头仅用于4类场所。对于其中的第3、4项:超出水泵接合器供水高度的楼层;地下的商业及仓储用房, 可以采用快速响应喷头, 该条款中没有对设置场所的危险等级进行限制。NFPA13 (2010版) ^[3]11.2.3.2.2.2条对快速响应喷头有严格的限制, 明确规定该类型喷头不能应用于严重危险等级场所以及有大量易燃液体和可燃粉尘的场所。11.2.3.2.6条规定:当严重危险等级区域采用高温喷头时, 在不改变喷水强度的条件下, 作用面积可以减少25%, 但不得小于2 000ft² (即186m²) 。这样规定的原因在于, 在严重危险场所发生火灾时, 由于燃烧加速度快, 快速释放大量的热量, 而快速响应喷头对热更为敏感, 有可能造成大面积的喷头开启, 从而使开启喷头数量远超过设计范围, 导致喷水强度不足, 即实际喷水强度小于系统设计喷水强度, 从而无法达到控火、灭火的目的, 对系统的灭火效力和工程的安全性造成影响。为了保证系统灭火的可靠性, NFPA鼓励在严重危险场所使用高温喷头。

　　 美国FM Global财产防损规范2-2 (FM Global Property Loss Prevention Data Sheet 2-2) ^[4]和NFPA13对喷头选用有严格的限制, 在设计ESFR系统时, 可以参考FM 2-2等国外规范进行。此外, NF-PA13对其他类型喷头的使用范围也做了详细的限定, 为设计人员选用提供了方便。在进行自动喷水灭火系统设计时, 对于“自喷规范”未详细说明的内容, 建议可参考NFPA等国外相关标准进行设计。3结语

　　 对于普通支状管网的自动喷水灭火系统, 可以通过人工计算进行水力分析, 但人工计算并不适用于环状管网, 目前设计人员多采用专用消防软件进行计算。而设计人员应用消防专用软件可能存在一定困难和障碍, 本文采用通用型的水力计算软件———Flowmaster对环状ESFR管网进行了分析计算, 给出了分析过程, 并取得了较准确的计算结果。虽然过程比较复杂, 但计算结果准确, 可满足消防设计要求, 为工程设计人员提供了一种新的选择。该方法也可用于其他类型喷头的环状自动喷水灭火系统分析计算或计算结果的校验。其他的通用型水力计算软件作类似的设置和建模, 也可以用于环状自动喷水灭火系统管网的分析计算。

　　 不同的喷头具有不同的适用性, 国内规范相关内容涉及较少, 国外规范对喷头的使用有严格限定。本文就国内外的自动喷水灭火规范系统进行比较, 给出了ESFR系统设计和喷头选型的建议, 可供设计人员参考。