旋轉型噴頭滅火系統設計

趙宇肖睿書顏日明

一、旋轉型噴頭滅火系統

《旋轉型噴頭自動噴水滅火系統技術規程》（以下簡稱《規程》）自2006年12月1日施行以來，深受建筑消防給水系統設計人員的歡迎。 《規程》指出，旋轉型噴頭是我國自主開發的新型自動噴水消防產品，具有結構簡單、性能穩定、噴灑密度均勻、灑水覆蓋面積大、響應快速、滅火效率高的特點。采用旋轉型灑水噴頭的自動噴水滅火系統，在保證噴水強度的前提下，可以加大噴頭布置間距，減少噴頭設置數量，從而簡化管道系統。它采取了旋轉式腔體設計，增添了控制出水和噴淋效果的圓錐活塞分流器，確保射出大水滴，有助于提高大水滴穿透火舌的能力，盡快抵達可燃物表面，借助覆蓋噴灑旋轉水流形成的強大下壓風力，達到迅速吹熄淋滅火舌的效果。

噴頭由感應部件和布水部件組成 （詳見圖1和圖2）。感應部件采用玻璃球，布水部件采用膠圈密封圓錐活塞分流器和旋轉式腔體。火災發生時，感溫玻璃球受熱破碎，分流器在重力作用下 （下垂型）或在水力作用下（直立型、擴展覆蓋型）移位，被分流器封閉在管道內的水流進入旋轉式腔體，并從噴頭噴出，利用兩束對稱水流的反作用力不停地 （面向調節螺絲）順時針旋轉，將水甩出，稱為水力自動旋轉大水滴布水旋風滅火方式。非旋轉噴頭受濺水盤和支架雙桿阻擋，噴出小水滴形成狹短帶狀并有干涸區，短邊的兩倍射流半徑 （相當于保護直徑）被約束得很小，入口動壓超過0.3MPa時開始半霧化，壓力越大，霧化越嚴重，滅火效率亦越低。而旋轉噴頭則相反，壓力愈大滅火效果愈好。

圖1 旋轉型噴頭結構示意圖

圖2 LAS-25噴頭外觀

由于旋轉型噴頭沒有濺水盤和擋板，因此下垂型（含吊頂型）、直立型和擴展覆蓋面型噴頭的均勻布水和勁旋強風滅火效果都十分良好。筆者主要推薦下垂型，噴頭安裝高度≤13m（DN15）、 15m （DN20）和18m （DN25～40）。

《規程》報道了LAS-25中口徑噴頭和標準噴頭的對比試驗。在噴頭工作壓力0.25MPa和安裝高度5m的條件下，以國家制定1A木垛作為試驗的結果表明，前者滅火時間僅為8s～16s，木垛火堆完全熄滅，而后者較難熄滅，前者滅火效果十分明顯。由國家消防裝備質量監督檢驗中心完成的試驗結果，驗證旋轉噴頭同時兼有強風和大水滴雨淋迅猛交替吹熄淋滅的特殊功能。

二、專利噴頭流量公式

旋轉型噴頭整體技術目前居世界領先水平，具有專利權，亦稱專利噴頭。由于圓錐活塞分流器和旋轉式腔體在兩束對稱水流相互作用下，噴頭均適應0.10～1.20MPa的動壓，而其流量受到旋轉式腔體的一定影響；以《自動噴水滅火系統設計規范》[2]公式q=K(10P)0.5為模式，根據五種規格專利噴頭的多次試驗數據，建立下列標準式：

式中：q—專利噴頭流量 （L/min）；

K—噴頭流量系數；

P—噴頭設計動壓 （MPa），一般取0.10～0.90；

n—冪指數，n=0.42～0.46＜0.50。

LAS-15～40專利噴頭水力參數詳見表1。

表1 專利噴頭水力參數

表1說明：當P=0.90MPa時，選用K=281噴頭對應q=11.8L/s與文獻 [2]公式計算結果14.1L/s相差較多，（1）式體現了專利噴頭水流動能略比非旋轉噴頭減少，其差值用于增強下壓旋風極快地吹熄和淋滅火舌。R為噴頭保護半徑 （m）。

三、配水支干管水力計算參數

以內外壁熱鍍鋅 （涂塑消防專用）鋼管為例，將LAS-25旋轉型噴頭 （平均P=0.18MPa）配水支干管流量、管徑、控制噴頭數等參數列于表2（涂塑鋼管可酌情縮小一號管徑）。

表2 LAS-25噴頭配水支干管流量、管徑、控制噴頭數 （P=0.18MPa）

四、車庫旋轉型性價比優越

快速響應旋轉型噴頭施工安裝單價以常用DN20規格為例，高達220元/個正是傳統DN15噴頭低價20元/個的11倍，建筑競爭市場喜歡按論個銷售貴賤來評判系統的經濟合理性，誤認為前者比后者投資大很多而因循守舊地在車庫設計中選用傳統噴頭系統。根據近幾年多項工程統計資料，車庫采用旋轉型噴頭系統造價指標只有40元/m2僅為傳統噴頭80元/m2的50%，為說明問題，以下引進指標參數如下：

IR—下垂旋轉型噴頭論個造價指標，960元/個；

IT—直立型傳統噴頭論個造價指標也是960元/個；

AR—下垂旋轉型噴頭系統面積造價指標40元/m2；

AT—直立型傳統噴頭系統面積造價指標80元/m2；

PR—下垂旋轉型噴頭銷售單價220元/個較貴；

PT—直立型傳統噴頭銷售單價20元/個便宜；

nR—IR÷PR旋轉噴頭升值倍數4.4較低；

nT—IT÷PT傳統噴頭升值倍數48很高；

SR—下垂旋轉型噴頭服務面積24m2/個較大；

ST—直立型傳統噴頭服務面積12m2/個較小。

車庫下垂旋轉型與直立型傳統噴頭系統性價比較見表3。

表3 車庫下垂旋轉型與直立型傳統噴頭系統性價比較

順便指出的是傳統型配水管DN25～50雖小；但支吊架間距綜合平均3.2m/個布置，支吊架數量是旋轉型的3倍左右，而旋轉型配水管DN40～80雖大，而支吊架間距綜合平均4.8m/個布置較疏，支吊架數量是傳統型的33%。同時旋轉型系統流量QSR一般≤30L/s，是傳統型QST≤48L/s的63%，相應水泵與配電功率和消防水池容積等都比傳統型小得多，故IR=IT=960元/個持平。注意旋轉型噴頭系統控制的噴頭數按文獻 [2]表8.0.7配管徑放大兩級或以上。

圖3 改進前斜屋面直立型傳統噴頭

圖4 改進后斜屋面下垂旋轉型噴頭

五、斜屋面適用旋轉型噴頭

大型廠房倉庫等采納斜屋面時，常選用直立型傳統噴頭 （圖3），施工單位強烈要求改變這種落后現狀，因管道支吊架受力臂很長的影響難以安裝固定，管道運行時振動很大，屋面結構易被破壞。改進后更換下垂旋轉型噴頭 （圖4），配水管緊貼屋面板，施工支架和管道運行質量有了安全保障，深受施工單位歡迎。

六、車庫頂板適用旋轉型噴頭

以柱網間距8400×8400的大型車庫為例，當采用直立型傳統噴頭時，一個大網格 （圖5）可能布置噴頭多達12個 （尚未包括離RC梁、各種管道含DN25小配水豎支短管和風管及其支吊架等許多障礙物太近而需補設梁底含風管底下垂型噴頭在內）以上，此時系統流量QST按開放28個和不均勻系數1.28計算驟增至≤48L/s。而推廣應用下垂旋轉型，一個大網格 （圖6）只需布置噴頭2個（不必受任何障礙物影響而附加梁下或風管下噴頭），此時系統流量按開放5個和不均勻系數1.10計算QSR≤30L/s。這是值得推薦的舉措。下垂旋轉型噴頭布置在配水管下方，與配水管支吊架無關，直立型傳統噴頭則相反，噴頭水流受許多小管及支吊架障礙物阻擋后霧化而降低滅火效果。此外直立型傳統噴頭匹配的DN25豎支短管又細又長，施工安裝稍有偏差會產生較大的相對扭矩，造成接頭漏水，眾多林立的DN25豎支短管及小噴頭在車庫仰視觀瞻上很難看，不如下垂旋轉型噴頭那么整齊劃一美觀。

圖5 改進前車庫頂板直立型傳統噴頭仰視（柱網間距8400×8400）

圖6 改進后車庫頂板下垂旋轉型噴頭仰視（柱網間距8400×8400）

七、優選直通式過濾器

根據文獻 [3]4.2.3條文規定，自噴系統水泵吸水需設置管道過濾器，以前傳統噴頭系統常采用Y型，它具有迂回曲折的流道，阻力高達38kPa（圖7），自噴泵啟動后吸水流量將會大打折扣，達不到輸送足夠流量實施滅火的效果。筆者建議應優選直通式或桶型過濾閘閥代替Y型 （圖8），其水頭損失5kPa僅為改進前Y型的13%，且直通式外形尺寸小巧玲瓏，十分方便裝卸和清通雜物的科學管理。

圖7 改進前Y型過濾器結構及過濾器外形尺寸

圖8 改進后直通式過濾器結構及過濾器外形尺寸

八、結語

1.十分適宜推廣應用各種快速響應旋轉型噴頭自動噴水滅火系統，確保大空間民用與工業建筑消防給水設施的安全運行。

2.自噴泵吸水管上需加裝桶型過濾閘閥，滿足文獻[3]要求。開式旋轉型噴頭匹配浮動閥芯電磁閥 （水流可垂直向上）系統代替傳統開式噴頭匹配雨淋閥或傳統電磁閥 （只能臥式安裝）系統在無減壓閥的條件下，它對水源渾濁度NTU值 （可≤20°）沒有嚴格限制，允許采用經過沉淀的消防水池吸水井作為水源。而普通開式噴頭系統對水源渾濁度NTU值要求嚴格控制在3°以下。

3.本自噴系統匹配的大口徑報警閥宜推廣應用PN=1.6MPa提高壓力級別，代替PN=1.2MPa舊式報警閥匹配的傳統噴頭系統。

4.新式噴頭按右握手狀即拇指正對螺絲呈順時針旋轉，灑水越轉越緊接口更安全。本文圖5和圖6所示為仰視，頂板RC梁輪廓畫實線；而設計圖常按俯視圖繪制，RC梁則用虛線表示，作為專利噴頭圖例仍畫實線，下垂旋轉噴頭俯視逆時針與本文圖6仰視順時針恰好相反。

5.旋轉型噴頭鼓形旋轉式腔體采用鋁合金制作，集熱能力更強，閉式噴頭快速響應時間 （RT）與早期抑制快速響應 （ESFR）噴頭基本持平，有利于早期抑制火災的蔓延。普通車庫[2]及機械式立體停車庫、復式汽車庫[4]的上方布置噴頭，都應采用下垂旋轉型代替傳統直立型，前者不需要設置集熱板[4]；側邊布置噴頭適宜采用擴展覆蓋面旋轉型噴頭代替傳統邊墻型擴展覆蓋噴頭。

6.旋轉型噴頭圖例：

?

7.大型貨架儲物倉庫適宜采用下垂型旋轉和擴展覆蓋面旋轉噴頭聯合系統代替下垂型和內置 （有集熱擋水板）非旋轉噴頭系統。前者流量和儲水量可控制在118L/s和850m3左右，降低到后者455L/s和3280m3的大約26%。

注意文獻 [2]規定最大作用面積內開放噴頭數12個是指≥12個不封頂。以大型貨架儲物倉庫為例，采用K=363、P=0.50MPa和I=22L/min·m2的ESFR噴頭系統，最大作用面積200m2布置≥22個應按開放≥22個計算，而不是籠統地取12個；另加內置噴頭6個總數量≥28個。而采用K=310、P=0.50MPa和I=22L/min·m2的DN40旋轉型噴頭，200m2布置8個可按開放8個計算，因文獻 [1]無開放噴頭數的規定，它與開放噴頭數脫鉤。故設計宜按ESFR或旋轉噴頭系統，分別按文獻 [2]或文獻 [1]選用不同的最大作用面積內開放噴頭數并都乘以不均勻系數1.20后確定系統流量。

值得補充的是，ESFR系統噴頭最低工作壓力0.50MPa與文獻 [2]“配水管入口壓力不宜＞0.40MPa”的規定發生沖突，而旋轉噴頭系統與文獻 [1]“配水管入口的壓力不宜大于1.0MPa”的局部修訂條文沒有矛盾，后者配水管壓力設計控制游刃有余。

[1]CECS 213：，旋轉型噴頭自動噴水滅火系統技術規程.

[2]GB 50084-2001，自動噴水滅火系統設計規范.

[3]GB 50261-2005，自動噴水滅火系統施工及驗收規范.

[4]GB 50067-97，汽車庫、修車庫、停車場設計防火規范.