重庆市江津区档案馆位于重庆江津新城德新区,为乙级档案馆,共4层,总建筑面积为9 755.08m²,其中档案库房区域约4 400m²。

　　 本工程的设计时间是2013年,采用的是旧版防火规范,根据 《建筑设计防火规范》(GB 50016-2006)8.5.5.7 条、《高层民用建筑设计防火规范》(GB 50045-95,2005 年版)7.6.8.2 条及《档案馆建筑设计规范》(JGJ 25-2010)6.0.6 条等规范条文的要求,得出各级别档案馆各房间内选用灭火系统的要求,见表1。

　　 本工程为乙级档案馆,档案库房区可设洁净气体或细水雾灭火系统。本工程需保护的库房净面积共约3 124m²,防护区共28个。

　　 若所有防护区均采用无管网预制式气体灭火系统进行保护,以七氟丙烷为例,经计算得出需储存的药剂量接近10t。这种做法很显然不经济,初期投资会非常高,并且后期的维护工作量很大,药剂定期更换也是一笔不小的支出。

　　 若采用有管网的组合分配式气体灭火系统,根据《气体灭火系统设计规范》(GB 50370-2005)3.1.4条的规定:“一个组合分配系统所保护的防护区不应超过8个”。那么本工程28个防护区至少需设置4套独立的组合分配系统,即需要在合适的位置设置4个气瓶间。这种方式也相对不够经济,并且对档案馆的建筑平面布局有较大的影响。

　　 结合本工程的实际情况,并综合考虑高压细水雾灭火系统相对于气体灭火系统在环境保护、人员安全、后期维护等各方面的优势,本工程选用高压细水雾灭火系统对档案馆库房区进行防火保护。

　　 本工程1~4层纸质档案库房、电子档案库房、录像录音带档案库、实物档案库、预留纸质档案库房及库房区域内的业务技术用房采用高压细水雾开式灭火系统进行保护。保护区域划分为28个防护分区,总面积3 124m²。

　　 本工程各防护区的层高为4.5m,装修投入使用后的净空高度在3~4m,根据《档案馆高压细水雾灭火系统技术规范》(DA/T 45-2009)表4.3.7选择设计参数如下:系统喷雾强度1.3L/(min·m²);最不利点喷头工作压力10 MPa;火灾延续时间30min;系统持续喷雾时间20min;喷头流量系数K=1.05。

　　 每个喷头的设计流量按式(1)计算:

　　 式中q———喷头流量,L/min;

　　 P———喷头的工作压力,MPa;

　　 K———喷头的流量系数。

　　 其中,最不利喷头的工作压力选定为10 MPa,则最不利喷头的流量为

　　 (1)先通过作用面积法进行计算。本工程最大的防护区为第6分区,面积为220.46m²,系统喷雾强度取1.3L/(min·m²),不均匀系数按常规自动喷水灭火系统暂取1.3,计算得q=220.46×1.3×1.3=372.6(L/min)。

　　 注意到该防护区的喷头总数为27 个,而第26分区的面积为161.61m²,喷头数量却有28个。

　　 按共同作用的喷头数量来计算:

　　 第6分区:q=27×10.5×1.3=368.6(L/min);

　　 第26分区:q=28×10.5×1.3=382.2(L/min)。

　　 反算第26 分区的实际喷雾强度应为2.36L/(min·m²)。

　　 由于开式系统每个防护区整个就是一个作用面积,每个作用面积大小不一,所以按照常规自动喷水灭火系统的作用面积法估算是不准确的。

　　 (2)系统的设计流量应按式(2)计算:

　　 式中Q———系统的设计流量,L/min;

　　 n———累计计算的喷头数,个,当一个系统保护多个防护区时,开式系统的喷头数应按所需流量最大的防护区内的喷头总数计算;

　　 q_i———每个计算喷头的实际流量,L/min。

　　 先采用特性系数法来计算每个喷头的实际流量。

　　 最不利喷头P=10 MPa,q=10.5L/min,管径d为0.015m(DN15),流速ν为0.99m/s,管道长度l为3m。沿程水头损失h_f按Darcy-Weisbach公式计算如下(λ为沿程水头损失系数,取λ=0.028,g为重力加速度,取g=9.8m/s²):

　　 总水头损失为1.1×h_f=0.31(m)。

　　 即次不利喷头的工作压力为10 MPa+0.31m=10.003 1MPa,对应计算得出q=10.501 6L/min。

　　 可以看出,沿程水头损失的增加对喷头流量的增加影响很小,故再往下计算每个喷头的实际流量没有太大的意义,不均匀系数相比常规的自动喷水灭火系统可以取得很小。

　　 可将系统的设计流量近似简化为以下公式:

　　 式中n———累计计算的喷头数,个;

　　 q———最不利喷头的实际流量,L/min;

　　 1.05———水头损失的增加造成的喷头流量不均匀系数。

　　 那么本工程的设计流量为:Q=28×10.5×1.05=308.7(L/min)。

　　 在计算流量时得知,沿程水头损失的逐段增加对喷头流量的增加影响不大,为了简化计算,暂不考虑各个喷头的流量增加,将各个喷头的流量均近似看做10.5L/min。

　　 水头损失的计算公式仍采用达西公式,最不利防护区示意见图1。沿程水头损失计算如表2所示。

　　 在表2中,各管段的计算流量比实际流量略偏小,再加上水泵房、分区控制阀及其他管件也有一定的局部水头损失,总的水头损失取为135.93×1.3=176.71(m)。

　　 系统所需的供水压力P_r可按下式计算:

　　 式中P_f———管道水头损失,包括沿程水头损失及局部水头损失,m;

　　 P_e———水力最不利喷头距离水箱最低水位的高差,m;

　　 P———最不利喷头的设计工作压力,MPa。

　　 则P_r=176.71m+20m+10MPa=11.97MPa。

　　 计算时应注意,以往的系统在计算系统工作压力时,建筑高度相对于水头损失是占主要部分的,而从本工程的计算结果可以看出,高压细水雾灭火系统中水头损失占有的比重比建筑高度更大。

　　 本工程所需工况为:设计流量308.7L/min,压力12 MPa,选用HWB-70/16 型高压柱塞泵组共6台(5用1备,其中在压力不足时,备用泵也可启动增压),单台泵流量为70L/min,压力为16 MPa,电机功率18.5kW。

　　 另外,为了提高高压泵组的输出效率,在高压泵组吸水管前设置2套(1用1备)补水装置增压,Q≥420L/min,H≥20m。

　　 高压细水雾储水箱的有效容积应满足火灾延续时间内的消防用水量,V =30 min×420L/min=12.6(m³)。

　　 本工程采用一个长、宽、高为4m、2m、2 m的不锈钢拼装水箱。

　　 本工程所需的设计压力为12MPa,但厂家给出的水泵选型的铭牌压力却达到了16MPa,水泵参数是否选择过大,需核算水泵压力的富余量。

　　 柱塞泵属于往复泵的一种,它的输出功率可按式(5)计算:

　　 式中N_e———柱塞泵的输出功率,kW;

　　 P———柱塞泵的输出压力,kgf/cm²,

　　 Q———柱塞泵的输出流量,m³/h。

　　 式中N———电机功率;

　　 0.85~0.9———功率损失系数。

　　 几种常用的电机功率对应的柱塞泵输出压力计算见表3。

　　 由计算结果可以看出,铭牌压力为16 MPa的柱塞泵对应的实际输出压力约为14.02 MPa,那么各个喷头的实际压力均在10~12MPa,刚好满足高压细水雾喷头的选型压力区间;铭牌压力为14MPa的柱塞泵对应的实际输出压力约为11.37 MPa,应用于本工程略微不够。

　　 高压细水雾开式灭火系统由高压泵组、补水增压装置、不锈钢消防水箱、开式区域控制阀组、细水雾开式喷头、供水系统和不锈钢管道、阀门等组成。

　　 开式区域控制阀组由一个高压电磁阀和一个压力开关组成,安装于每个防护分区的进水管处。

　　 自动控制:某防护区域内发生火灾后,火灾探测器探测到火情并发信号给火灾报警控制器,经确认后,火灾报警控制器给泵组控制柜和对应区域控制阀发送启动信号,该区域分区阀打开,补水增压装置和高压泵组自动启动,对该区域实施喷雾灭火。

　　 手动控制及机械应急启动:人员已经确认发生火灾后,而该区域的灭火系统还没有自动启动或者自动功能失灵,可通过手动操作启动细水雾灭火系统:对于设有手动报警按钮的场所,若人员确认发生火灾,可直接手动启动对应防火分区的报警按钮;对于没有手动按钮或者手动报警按钮失灵的场所,可手动开启分区控制阀组内的控制阀,然后再去泵组控制柜上手动顺序启动补水增压装置和各高压泵组,对区域实施喷雾灭火。

　　 (见图2)

　　 电气专业的做法:考虑到档案馆内资料贵重,且大部分为纸质档案,火灾蔓延性高,故电气专业未设置感温探测器,采用感烟探测器或其他更为灵敏的探测器代替。

　　 通风专业的做法:考虑到喷雾受到风机抽吸作用后,灭火效果也会受影响,故高压细水雾保护的房间不设机械排烟系统,仅设通风系统。

　　 根据本工程的实际设计情况,将高压细水雾灭火系统应用于实际工程中时,需注意以下几点:

　　 (1)高压泵要求的电功率较高,本工程一共需约120kW,应提早同电气专业配合。

　　 (2)对进水的水质要求高,需达到饮用水的水质标准,所以需要定期清洗水箱和过滤器。

　　 (3)对管材的要求较高,本工程高压细水雾系统采用S30408不锈钢管及管件,采用氩弧焊焊接或卡套连接,承压压力需要达到16MPa。

　　 (4)柱塞泵必须开闸启动,同常用的离心泵不一样,日常管理时必须注意。

　　 (5)高压细水雾灭火系统应用的场所比较复杂,最早是应用在地铁的电气设备房中,由于长时间的误喷还是会对电气设备产生影响,所以除了设置烟雾火灾探测器,还设置了感温探测器。除了控制方面的区别,还有参数选择方面的一些区别,具体工程需要具体选择。

　　 高压细水雾灭火系统也属于水消防系统的一种,本应设置水泵接合器。但系统的主管管径只有DN40,压力在14 MPa左右,传统的水泵接合器无法同高压细水雾水泵后的管网直接相连,所以很多实际的工程在设计时没有考虑设置消防水泵接合器。笔者认为这样做仍存在细微的隐患,考虑到消防水泵接合器是消防车向室内消防灭火系统补充水源的一个途径,故本工程将水泵接合器接至高压细水雾灭火系统的消防储水箱,这样,消防储水箱就有两路进水,一路由市政供水,而在火灾时如果市政管路断水,消防水泵接合器的进水管就可作为备用的一路进水水源。

　　 高压细水雾灭火系统作为水消防系统的一项新技术,为实际工程的消防系统提供了一种新的选择。在这个实际工程的设计中,笔者发现这项新技术仍存在需要探讨的地方:

　　 (1)按以往的设计经验,常用的消防系统对其所保护的规模有限定,比如消防水池及消防水泵房所保护的规模受到了人数或者建筑面积的限制,气体灭火系统中,限制了一个组合分配系统所保护的防护区不应超过8个,无论是预制灭火系统还是管网灭火系统,对单个防护区的面积及容积的上限都有要求。而目前我们所知的有关高压细水雾灭火系统的规范对其保护规模没有限定,一个消防系统不可能做到无限大,其规模应该像常规的消防系统一样有一个明确的限定。

　　 (2)高压细水雾灭火系统主要由高压泵组、消防储水箱、区域控制阀、细水雾喷头及供水管网组成,类似于常规的自动喷水灭火系统。需要注意的是,常规的自动喷水灭火系统要求报警阀前的管网宜设成环状,而高压细水雾灭火系统的相关规范未对区域控制阀前的供水管网有环状的要求。这个供水管网是否需要成环以及如何设置环网需要进一步探讨。