为适应市场需求, 各电梯厂商都在进行新产品的研发。尤其在高层及超高层建筑中, 电梯的功能及性能要求更加严格, 因此研发过程中的试验要求也更加严苛。笔者参与设计了上海三菱电梯有限公司的高速电梯试验塔和核心技术试验平台建设项目, 结合建设单位使用需求及项目特点, 阐述了自动喷水灭火系统、气体灭火系统等在敞开式电梯试验塔中应用的局限性, 剖析了高压细水雾灭火系统在该项目中的适用性。

该项目主要功能为电梯试验塔, 丁类超高层厂房, 耐火等级一级, 总建筑面积为30 324.5 m², 其中地上建筑面积23 225.6 m²。地上33层, 地下3层, 建筑高度236 m。

电梯试验运行过程中需设置高速高清摄像头, 以观察高速电梯的运行状态。而国内已建成的电梯试验塔试验井道均采用防火隔墙进行封闭处理, 在封闭的井道内设置辅助照明及摄像头进行运行状态监控。但因空间狭小, 设备安装条件相对较差, 难以获得理想的影像资料。借鉴日本日立电梯试验平台经验, 建设单位要求设置敞开式高速电梯试验井道, 以求获得良好的影像资料, 且可以节省大量的辅助照明设施。

本项目塔楼标准层为25 m×25 m的平面 (如图1所示) , 单层面积约625 m², 共设有3个电梯试验井道, 如图1阴影区域所示。按照《建筑设计防火规范》 (GB 50016-2014) 中丁类高层厂房单个防火分区最大允许面积为4 000 m²的要求, 需在井道外设置防火分隔墙或完整性及隔热性满足要求的防火卷帘, 若试验井道外设置防火分隔墙, 则使试验井道成为封闭空间, 不能满足建设单位的使用功能需求, 该方案被排除。

若采用防火卷帘进行防火分区划分, 则在发生火灾时, 从首层至33层的防火卷帘需同时动作, 以将整个塔楼按楼层分隔。该方案的优点是在未发生火灾时, 试验电梯井道为敞开空间, 可以满足影像采集需求, 满足建设单位使用功能需求。该方案根据建筑专业提供的卷帘面积估算, 卷帘总用电量400 kW左右, 需要从室外其他变电所引来3根WDZN-YJY-4X240 无卤低烟耐火电缆作为备用电源, 每根长度约为250 m。且另需增加消防联动控制系统, 每个楼层均需设置防火卷帘控制箱, 该系统内触发联动系统庞大而复杂, 故障风险大。因此此方案亦非最佳。

排除上述两种方案后, 再进行其他方案的分析比选。按照《建筑设计防火规范》3.3.3条的要求, 当丁类地上厂房内设置自动灭火系统时, 每个防火分区的最大允许建筑面积不限。本项目作为电梯部件试验, 属于丁类厂房, 符合以上规定。据此, 电梯试验井道每层敞开面除从梁底至地面设置铁丝防坠网外, 可不另设置其他物理分隔设施, 地上电梯试验井道连通楼层划分为一个防火分区, 并设置自动灭火系统。

自动灭火系统有自动喷水灭火系统、气体灭火系统、自动干粉灭火系统、固定消防炮系统等。由于本项目整个塔楼为一个连通空间, 难以形成满足要求的有限封闭空间, 因此气体灭火系统及自动干粉灭火系统均不适用。固定消防炮系统适用于高大空间, 也不适用于本项目。可行的方案只有自动喷水灭火系统, 而符合本项目的自动喷水灭火系统有闭式自动喷水灭火系统、开式自动喷水灭火系统、预作用自动喷水灭火系统、高压细水雾灭火系统几种。

闭式自动喷水灭火系统最为常用, 造价较低, 施工方便, 但需在中间设备层设置有效容积不小于60 m³的转输水箱, 占用建筑内有效使用面积, 其系统原理如图2所示。且上海冬季极端气温为-7.7 ℃, 本项目为丁类超高层厂房, 塔楼范围除设备集中区域外无采暖设施。闭式自动喷水灭火系统准工作状态时管道中充满水, 因此存在冻结可能, 需要采取相应保温措施, 以确保系统安全。

若采用开式自动喷水灭火系统, 则需至少在每层配置一组雨淋阀组。此系统造价高、消防水量大, 易造成火灾二次灾害, 且维护管理不便, 因此该方案被排除。若采用预作用自动喷水灭火系统, 可以避免闭式自动喷水灭火系统的冻结问题及开式系统的报警阀组过多的问题, 其系统原理如图3所示。但该系统仍有风险存在:如前述, 本项目塔楼平面面积约为625 m², 标准层每层与井道相连通的平面面积为350 m² (如图4阴影填充所示) , 井道开孔平面面积约为140 m²。当火灾发生时, 热气流会沿着敞开的井道向上蔓延, 从而使火灾区域温度上升缓慢。预作用系统本质上仍是闭式系统, 火灾区域温度上升至喷头玻璃泡破碎温度, 从而使喷头喷水灭火。而楼板的开孔率高达40%, 将延缓系统响应时间。因此该方案仍非最佳方案。

经分析比较, 上述各种系统均存在不同程度的弊端。笔者结合上述方案的弊端, 对高压细水雾灭火系统进行分析。本项目为丁类厂房, 无大量可燃物, 可能燃烧发生火灾的物料为临时搁置的包装物, 即木制品包装箱、纸制包装箱、泡沫包装等, 均为丙二类。建筑火灾发展通常为3个阶段:初期增长阶段、充分发展阶段和衰减阶段。消防灭火的理想情况是在火灾初期增长阶段, 自动灭火系统动作扑灭火灾。在初期增长阶段, 室内可燃物燃烧面积小, 局部温度较高, 伴随燃烧会产生烟气等颗粒性物质, 燃烧发展不稳定;当火灾发展到充分发展阶段后, 燃烧范围扩大, 温度升高, 室内房间温度可达到400～600 ℃, 室内绝大部分可燃物起火燃烧, 火灾发展至轰燃阶段;火灾衰减阶段时随着室内可燃物数量减少, 火灾燃烧速度减慢, 燃烧强度减弱, 温度逐渐下降。扑灭火灾的最佳阶段是在火灾发展初期进行有效扑救, 当火灾发展到充分发展阶段后火势难以控制, 扑救异常困难。结合本项目中塔楼试验区域40%的楼板开孔面积, 当火灾发生时楼层集热慢的特点, 对高压细水雾几种不同形式的系统进行如下分析比较。

高压细水雾灭火系统通过高达10 MPa的压力, 高压细水雾喷头利用离心力使水雾化, 形成细小的雾状水滴, 通过冷却、窒息等作用扑灭火灾, 适用于各种火灾类型的扑救工作, 包括电气用房等。因高压细水雾灭火系统灭火水流量小, 连续喷水时间0.5 h, 系统一次灭火用水量不超过18 m³, 因此可将高压细水雾灭火系统扑救一次火灾的全部用水量储存在塔楼机房内。

高压细水雾灭火系统亦分为闭式系统、开式系统、预作用系统几种。闭式高压细水雾灭火系统工作原理与闭式自动喷水灭火系统相同, 因此亦存在闭式自动喷水灭火系统在本项目中延迟响应的问题, 难以在火灾发展初期及时喷水灭火。开式高压细水雾灭火系统动作触发条件与闭式高压细水雾灭火系统不同的是, 开式系统靠火灾探测器探测火灾并由消防报警控制器联动系统动作来实现自动灭火。本项目火灾发生时进入初期增长阶段后因楼板开孔面积大而导致室内温度上升缓慢, 但燃烧伴随温度上升的同时会有烟雾等产生, 烟雾会聚集在楼板下的梁格内, 烟雾在楼板下梁格内聚集的速率高于温度上升速率, 因此在火灾初期即可报警并联动开式高压细水雾灭火系统动作灭火。因此开式高压细水雾灭火系统适用于联通井道的试验平台公共区域。而变配电间、强弱电间、电梯机房等重要电气机房, 因其为封闭房间, 发生火灾时闭式喷头可以及时探测火灾并动作灭火, 为避免喷头误喷可采用预作用高压细水雾灭火系统。鉴于此, 高压细水雾灭火系统在保护整个建筑公共试验平台的同时, 可以省去电气用房的气体灭火系统, 节约了投资成本。高压细水雾灭火系统原理如图5所示。上述各方案比较见表1。

根据系统比选结论, 本项目设置高压细水雾灭火系统, 塔楼内的电梯机房、塔楼楼层平面、设备层采用开式高压细水雾灭火系统, 强弱电间、变配电所采用预作用高压细水雾灭火系统保护。

按《细水雾灭火系统技术规范》 (GB 50898-2013) 3.4.3条“闭式系统的作用面积不宜小于140 m², 每套泵组所带喷头数不应超过100只”。本项目中用于保护电气用房等重要机房的预作用高压细水雾灭火系统喷头总数超过100只, 结合高压细水雾加压泵组、稳压泵组及高压细水雾喷头的最佳工作压力等因素, 设置2套高压细水雾灭火系统。地下3层～地上18层为低区, 19～33层为高区, 2个分区分别于13层及26层设置高压细水雾机房, 以保证每套泵组所带的闭式喷头数量不超过100只, 每个分区内各楼层的高压细水雾喷头在最佳工作压力范围内。

按《细水雾灭火系统技术规范》3.4.5条“采用全淹没应用方式的开式系统, 其防护区数量不应大于 3个。单个防护区的容积, 对于泵组系统不宜超过3 000 m³, 对于瓶组系统不宜超过260 m²。当超过单个防护区最大容积时, 宜将该防护区分成多个分区进行保护。各分区的容积, 对于泵组系统不宜超过3 000 m³。”因此本项目中将每个楼层的试验平台划分为1个防护区, 单个防护区的容积不超过3 000 m³。其中高区共17个防护区、低区共12个防护区。而对于面积较小的强、弱电间, 借鉴某地铁项目《细水雾灭火系统技术规范》国家标准管理组关于细水雾灭火系统防护区等问题的回复函:“防护区是能够满足系统应用条件的有限空间。在房屋建筑内, 防护区一般是一个防火分区中不大于所在防火分区的一个相封闭的空间。征询来函所述设备用房, 单个房间的容积较小且相互间采用的防火隔墙进行分隔, 一般应单独作为一个防护区。如经济技术等条件允许, 可以将相邻数个设备用房作为一个防护区, 但一个防护区的设备用房数量不宜大于8个, 并应符合本规范3.4.5条的规定, 同一个防护区的各设备用房应能在灭火时同时喷放细水雾”。将每4个楼层共8个强、弱电间设为1个防护区, 采用1套预作用阀组控制, 高区共设置5个预作用防护区, 低区共设置7个预作用防护区, 每个分区的闭式喷头数量不超过100个。该方案经消防局、审图公司评审后通过。

开式高压细水雾灭火系统在准工作状态下, 从泵组出口至区域阀前的管网由稳压泵维持压力1.0～1.2 MPa, 区域阀箱后管道内为空气。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和主泵, 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, 压力开关连锁启动主泵, 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。

预作用高压细水雾灭火系统在准工作状态下, 从泵组出口至区域阀前的管网由稳压泵维持压力1.0～1.2 MPa, 区域阀箱后管道内充有空气。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, 向灭火分区内管网充水。待火源处闭式喷头玻璃泡的温度达到动作温度, 玻璃泡破碎, 管网降压自动启动主泵。压力水经打开的闭式喷头喷放细水雾灭火。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。

高压细水雾灭火系统是一种高效、绿色环保的自动灭火系统, 在欧美等国家, 高压细水雾技术已经非常成熟且应用广泛。近年来, 高压细水雾灭火系统在国内也逐步被广泛应用于古建筑防火、地铁站消防、变配电机房消防等, 如建筑高度632 m的上海中心设置了3套高压细水雾灭火系统用以保护消控中心及电梯机房等。本项目结合建筑功能特点及高压细水雾灭火系统特点进行了方案比选, 并经建设单位、设计单位、消防局、审图公司共同讨论, 最终确定了方案, 在满足消防系统安全可靠的前提下同时满足了建设单位的使用要求。