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高压细水雾系统在超高层建筑中的应用

通过对现有超高层建筑常规消防系统分析,从灭火机理、适用性方面提出采用高压细水雾系统对超高层建筑进行保护的优势。根据某超高层建筑的改造实例进行分析,对其细水雾灭火方案进行介绍,得出高压细水雾系统是可靠、安全、高效的灭火系统,并根据EI-MIST的在超高层应用的实际案例,对系统各个参数进行介绍,分析高压细水雾在超高层建筑应用的优势。
 
1、研究背景
 
根据《民用建筑设计通则》[1]中的规定:建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑。随着经济的发展,超高层建筑作为现代技术的结晶成为越来越多的城市展示发展的手段。虽然超高层建筑具有较强的标志性和可识别性,但一旦发生火灾,火灾的扑救与人员的疏散都十分困难,超高层建筑火灾主要有以下特点:首先超高层建筑的巨大体型及容积决定了其内部所含的可燃物及材料较一般建筑要多许多;其次超高层建筑竖向管井、管道较多,在火灾时极易形成烟囱效应;同时超高层建筑用途广泛、人员繁杂:超高层建筑广泛的用途使其经常成为众多功能场合集中的场所,如宴会厅、歌舞厅、酒吧等是火灾多发地,同时这些场所人员密集,火灾时更容易导致伤亡。最后,超高层建筑报警、灭火和给水系统联动比较复杂,普遍存在的问题是联动不合理,有时候因不能联动而造成火灾损失,并且经常因为消防水压不足或用水量不能保证灭火而使得火灾不能及时被扑灭。
 
由于以上因素的存在,超高层建筑的消防设计格外引人关注。在建设过程中,超高层建筑的消防问题一直是困扰着参建单位的问题之一,为了解决超高层建筑消防系统中存在的各种问题,怎样利用更高效的灭火系统对超高层建筑进行保护成了重中之重。
 
2、研究现状
 
现有的超高层建筑在防灭火设计时一般采用联合灭火系统来进行保护。例如广州某高塔(103层)在设计时就采用了室内外消火栓灭火系统、自动喷水灭火系统、固定泡沫灭火系统、气体灭火系统等涵盖了目前建筑内采用的绝大部分灭火系统。除了电气室、发电机室等场使用气体和固定泡沫灭火系统以外,其他场所以水系统主对高塔进行保护[2]。来源:建筑水电,如有侵权,请联系删除。然而对于超高层建筑来说,由于其建筑高度较高,除了在地下安装消防水箱之外,还需在顶层加设消防水箱以保证建筑中上层发生火灾时消防用水能及时传输到消防管网内。
 
 
从实际应用来看,已有的消防水系统难以完全解决超高层建筑扑灭火问题。首先已有的消防水系统用水量大,供水管网复杂,不同的水压分区需要分别设置消防水池和减压阀(上述高塔分别在31层、66层和102层分别设置了),减压阀属于精密设备,一旦安装使用不当,很容易造成阀门失效;其次为了满足火灾灭火需要,高层建筑的消防用水量根据扑灭火灾初期或者中期的用水量确定,扑灭大火时,消防用水量往往显得不足,根据一些超高层火灾扑救实践表明,最高用水量甚至能够达到120L/s,这对于消防供水也是一个很大的难题。
 
面对超高层建筑消防中存在的问题,国内外学者提出使用高压细水雾灭火系统对超高层建筑进行保护。许红利、王喜世、廖光煊从理论方面阐述了细水雾应用于超高层抑爆的有效性[4];杨琦,丛北华从经济角度分析了高压细水雾系统在超高层建筑应用时对比其他系统的优势[5]。在越来越多的实际工程中,高压细水雾系统也越来越成为超高层建筑消防首选方案。
 
3、高压细水雾灭火系统介绍
 
细水雾灭火系统是利用消防泵提供压力,将水用压力驱动流过专用细水雾喷头后形成的细小雾滴进行灭火的一种灭火系统。1996年美国发布了世界上第一个细水雾灭火系统的标准NFPA750[3],标准规定了细水雾雾粒直径、工作压力等级等要求,根据NFPA750的规定,细水雾雾粒根据直径分布可以分为三个等级,如图一所示;
 
Ⅰ级细水雾:Dv0.1=100μm同时Dv0.9=200μm连线左侧部分的细水雾。即累计体积比占水雾总体积的10%的水雾颗粒中,最大雾粒的直径≤100μm,占水雾总体积的90%的水雾颗粒中,最大雾粒的直径≤200μm;Ⅱ、Ⅲ级细水雾同理。
 
细水雾雾粒等级分类
 
而根据工作压力,细水雾又可以分为低压、中压以及高压细水雾,对应的工作压力分别为:
 
低压系统:工作压力小于17.5bar(1.75MPa);
 
中压系统:工作压力17.5bar(1.75MPa)~34.5bar(3.45MPa);
 
高压系统:工作压力大于34.5bar(3.45MPa)。
 
高压细水雾是指雾滴直径在40~200μm之间、工作压力在3.45MPa以上的的细水雾。相对比其他灭火系统,高压细水雾在灭火机理的优势主要体现在:
 
 
①高效吸热:高动量密集的细小雾粒受热后迅速汽化,在这个过程中,雾粒从燃烧物表面和火场吸收了大量的热量,是普通水喷淋的十几万倍,促使燃烧物表面温度瞬间迅速下降,短时间内阻燃。
 
 
②快速窒息:细水雾雾滴平均直径小于200μm,比表面积和密度较高,遇火焰高温后迅速汽化,体积可膨胀1700倍以上,使保护区的氧浓度大为降低,具有很强的汽化降温作用和隔氧窒息作用,同时吸收大量热量,起到隔绝氧气和降温的双生作用,达到迅速灭火的目的。
 
 
③隔离热辐射:高压细水雾喷入火场后,形成的水蒸汽迅速将燃烧物、火焰和烟雾笼罩包裹,其对火焰的辐射热具有极佳的阻隔能力,能够有效抑制辐射热引燃周围其他物品和伤及周边人员,达到保护生命和防止火焰蔓延的结果。
 
在超高层建筑的实际适用性方面,高压细水雾系统有以下优势:
 
①灭火用水量小:由于细水雾雾滴是介于液体与气体之间的一种特殊状态,因此高压细水雾系统用水量极小,对于同一个建筑,其用水量是传统水喷淋的10%甚至更少。
 
②由于用水量小,相应的管道管径也较小,具有安装、维护较为简便的特点。
 
③水浸渍损失较小,适用场所更全面:当今超高层建筑通常是功能比较集中的场合,包括商场、办公楼、资料储藏室等,功能繁杂,高压细水雾在灭火时,喷射出的细水雾绝大部分被汽化,只有少量水雾喷射在防护区内,使得在灭火时能够极大减少水浸渍对防护区的进一步损害;同时由于高压细水雾系统采用的是去矿物质水作为水源,喷射出的细水雾具有良好的绝缘性,不仅常规水喷淋保护的场所可以使用细水雾,同时一些电气、计算机房等场所也可以使用。这就使得高压细水雾在超高层建筑使用时,可以使用高压细水雾系统对整套建筑采取保护,而不必采用多种灭火技术,在工程灭火方案上,高压细水雾系统具有比较强的优势。
 
4、案例分析
 
某超高层建筑高500m,是欧洲最高的超高层建筑之一。2000年8月在该超高层400m处突然冒出浓烟,由于起火位置过高,大型消防设备无法投入灭火,白色烟雾弥漫在整个建筑顶上,而药液缺无法喷射到建筑内,最后消防员只好沿着建筑内楼梯爬上去用泡沫灭火机救火。直到一天后,火灾才被完全扑灭。
 
根据事故后对火灾的总结,火灾是由于该超高层建筑内的高能电缆超负荷使用所致,电缆过热起火,并沿着电缆隧道和管道迅速蔓延。这起火灾虽然没有涉及到油料或者爆炸,却用了一天一夜的时间才完全扑灭,最主要的原因是建筑太高,相关灭火单位缺乏扑灭超高层建筑火灾的有效设备,而沿着楼梯向上爬到起火部位,则需要太长的时间。火灾发生造成了极大的损失。火灾发生后,相关部门对该超高层建筑整个消防系统进行改造。安全专家同意采用EI-MIST高压细水雾系统对整栋建筑从地下至顶层进行保护。
 
EI-MIST灭火系统是欧洲最大的消防集团Eusebi-impianti(简称EI)自行设计、研发并制造、具有自主知识产权的高压细水雾灭火系统,该系统工作压力在10MPa~14MPa之间,水雾粒径在100μm以下,属于Ⅰ级细水雾。凭借其独特的技术优势及优异的产品品质,已经在意大利、欧洲包括民用及公共建筑、船用领域和工业能源领域等多项领域广泛引用。在该超高层建筑应用EI-MIST细水雾系统时,采用一套高压细水雾系统对全部的公共、设备、办公和电缆隧道场所进行保护,同时设置高压细水雾消防水龙保护电梯间等场合。高压细水雾系统主要的特点主要体现在以下几个方面:
 
①该超高层建筑采用一套泵组对该超高层建筑所有防护区进行保护,全部泵组均设置在地下一层的泵房内,工作压力在12MPa~14MPa之间,由于高压细水雾系统的工作压力高达12MPa,其扬程可达1200m以上,系统无需在其他区域加装泵组即可为该超高层建筑各个楼层全部防护区提供细水雾,在前期成本控制、后期系统安装施工都有极大的优势。
 
②该超高层建筑全部泵组使用1个水箱,该水箱同样设置在地下一层的泵房。相对于水喷淋系统需要在避难层(兼设备用层)以及顶层设置水池,EI-MIST高压细水雾系统减少了设备用房需求以及对建筑结构影响方面。由于设备用房的减少,累计使用面积节省是相当可观的;同时由于不需设置其他水池,也减少了减压阀等相关精密管件的使用。
 
③在用水量方面,通过对用水量的核算,整套高压细水雾系统用水量相对于水喷淋系统用水量大大减少,这是由于水经过高压细水雾专用喷头后,形成极细的雾滴,使得相同体积的水灭火效率大大提高;同时由于高压细水雾系统使用去矿物质水,高压细水雾雾滴还具有不导电的特性,该超高层建筑中包括设备间、电缆隧道等所有场合由一套细水雾设备即可全部保护。
 
④在管道方面,该超高层建筑所有管道全部采用316L不锈钢,全部管道不含任何焊接和法兰,全部采用卡套式连接,降低了安装的难度;同时主供水管径较小,易于在狭窄的空间安装。而这些优点,恰是水喷淋系统在设计及安装过程中的劣势,若采用传统水喷淋系统,其管道甚至会达到DN150甚至以上,较大的管径对于整体的维护与检修对于消防相关人员将会是比较大的负担,特别对于这种超高层建筑,其立管高度可达到450m以上,较粗的管径在法兰、相关连接件使用方面在安装时就需特别关注,后期维护时由于连接点较多,可能存在泄漏的节点数量也会随之上升。
 
5、总结
 
自NFPA750颁布以后,高压细水雾灭火系统相关技术在最近二十年内得到了飞速的发展,欧、美国家已经有了成熟的设计、施工及验收方案,并生产出了系列专利产品。各地区、各领域也相继颁布了地方标准和行业标准,国标的颁布也在近年提上了日程。
 
高压细水雾以其用水量少、适用范围广及灭火性能高的优势,已经开始逐渐被人们所接受。特别是超高层建筑由于其独特的结构和使用特点,对于消防有着特殊的要求。而这些需求正是高压细水雾灭火系统的优势所在。在实际案例中对欧洲某超高层建筑进行分析,通过对改造后采用的EI-MIST高压细水雾系统与水喷淋系统各项参数的比较,更直观、具体的体现出高压细水雾在超高层建筑应用时的优势,证明了高压细水雾系统在实际工程应用中可行性与实用性。