高架仓库自动喷水灭火系统的中外标准浅析
时间：2023-02-26 19:45:08 来源：千叶帆 本文已影响人
王昊， 王琳璐
（1.中国建筑科学研究院有限公司 建筑设计院， 北京100013；
2.中国建筑科学研究院有限公司 建研科技股份有限公司， 北京100013）
高架仓库指的是货架高度大于7 m 且采用机械化操作或自动化控制的货架仓库， 具有火灾隐患多、火势蔓延快、 火灾破坏重、 扑救难度大的特点［1］；
我国GB 50016—2014《建筑设计防火规范》（2018 年版）规定可燃、 难燃物品高架仓库应设置自动灭火系统， 自动喷淋系统是保护仓库最可靠的自动灭火系统［2-3］。
随着外资企业数量的增多， 仓库消防设计同时执行境外标准的情况越来越普遍［4］。
本文从工程设计角度， 对国标GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》（以下简称《喷规》）和英国标准BS EN 12845、 美国消防协会标准NFPA 13、 美国FM Global DS 进行比较讨论， 并介绍一些典型工程的设计情况， 供同类型的工程参考。
仓库的火灾危险等级划分， 最重要的因素是火灾荷载（货物）的燃烧性质、 分布状况。
各国标准均在前部章节划分自动喷水灭火系统设置场所的火灾危险等级。
1.1 各国标准中火灾危险等级的划分
我国《喷规》对仓库自动喷水灭火系统的设置场所分为3 个火灾危险等级， 即Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ级仓库，该危险等级的划分， 参考了NFPA 13 将货品划分为4 类加上塑料橡胶类的分类， 在一定程度上进行了简化。
FM DS 0801 将可燃物的危险等级划分为4类加发泡塑料类， 其中第4 类即为非发泡塑料， 同时第4 类和发泡塑料类还根据不同包装形式做了进一步区分。
BS EN 12845 首先将货物根据燃烧性和存放状态划分为4 级， 当货物的储放高度未达到该标准规定时， 可视作中危险级， 但超出高度规定时， 4 个级别的货物则对应到4 类储存危险等级。
《喷规》在条文中并未对常见货物的火灾危险等级划分作直接规定， 而是借鉴了NFPA 13 标准的划分情况， 与后者相似的是， FM DS 0801 数据册、BS EN 12845 标准均为常见货物直接指定了火灾危险等级。
但BS EN 12845 标准有一点与美国标准不同， 即在划分火灾危险等级时考虑了货品的具体种类和存放状态。
以瓦楞纸箱为例， 当纸箱压平存放时， 划为2 级；
当纸箱打卷水平存放时， 划为3级；
当纸箱打卷竖向堆放时， 划为4 级。
这样的划分提前将货物的状态纳入了危险等级， 该标准在约束各类场所的自动喷水灭火系统参数时则不再考虑这一因素， 而美国标准则把该因素放在确定自动喷水灭火系统参数时， 与货架形式等因素同时考虑。
1.2 混合货物仓库的火灾危险等级
在各国标准中， 储存塑料类货物的仓库均为火灾危险等级的最危险级别， 依据《喷规》划分， 为仓库危险Ⅲ级， 在实际工程中， 关于含有塑料制品货物仓库的危险等级， 在何种情况下划分为“仓库危险Ⅰ级、 Ⅱ级场所中混杂储存仓库危险Ⅲ级场所物品”是常见争议问题。
以北京市某仪器制造企业成品仓库为例， 该企业产品为金属物品， 由瓦楞纸外包装盒内衬海绵（聚氨酯）填充。
依据GB 50016—2014（2018 版）第3.1.3 条及第3.1.5 条， 该货品采用了可燃固体包装， 但当包装重量占比不超过25% 时， 仍属于火灾危险性戊类。
在进行自动喷水灭火系统设计时，按“仓库危险Ⅰ级、 Ⅱ级场所中混杂储存仓库危险Ⅲ级场所物品”场所选择参数。
该企业由境外保险公司承保， 保险公司安全评估指出其喷淋系统不达标。
依据NFPA 13， 当A 组塑料的体积占比超过25% 或重量占比超过15% 时， 即划分为A 组塑料危险等级（Group A Plastic）。
再以华东地区某物流企业机场货运周转仓库为例， 该仓库在进行FM 项目咨询阶段， 即被认定为储存发泡塑料危险等级场所， 原因是快递包裹普遍使用塑料气泡膜。
依据FM DS 0801， 当发泡塑料的体积占比超过10% 且呈外包围状时， 即划分为发泡塑料危险等级（EP）。
与境外标准相比， 我国《喷规》未明确规定混合材料货物， 特别是采用了塑料类包装货物的火灾危险等级。
导致部分场所的危险等级在工程可研、 设计阶段被低估， 为消防设施设置不足埋下隐患。
货架是高架仓库的基本构成， 货架的高度、 通道间距、 层板尺寸与通透性是影响货物燃烧和自动灭火系统效果的重要因素。
2.1 货架高度与货架内喷头
当高架仓库的货架层数较多时， 位于仓库顶板下洒水喷头（以下简称“顶部喷淋”）的保护效果受到影响［5-6］， 国内有研究表明， 这种情况下增大顶部喷淋的喷水强度、 加大水滴粒径对抑火有正向作用［7］，但过大的喷水强度往往意味着更大的消防流量， 且增大顶部喷淋喷水强度对于货架高度增加存在边际效应， 各国标准都允许采用设置货架内喷头的方式， 减小顶部喷头的水量或实现更高的货架高度。货架高度并非判断是否设置货架内喷头的唯一条件， 本节仅讨论因货架高度而需要设置货架内喷头的情况。
我国《喷规》中， 仓库危险Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ级场所中7.5 m 以上货架高度， 即给出了货架内喷头的设置规定。
NFPA 13 标准规定塑料类场所3 m 以上货架高度可采用货架内喷头。
FM DS 0809 数据册规定货架高度超过一定数值或希望降低消防供水流量时，可采用货架内喷头。
BS EN 12845 规定当采用多排货架或货架高度超过一定数值时， 采用货架内喷头。
从各国规范的指导性来看， BS EN 12845 约束货架内喷头的目的仅在于提升货架规模， 即提高货架的高度或密度；
而2 部美国标准还将该措施作为降低顶部喷淋喷水强度的补强措施， 当采用了货架内喷头时， NFPA 13 建议的场所危险等级下降1 个等级；
但需要说明的是， 采用货架内喷头降低顶部喷淋系统的喷水强度， 在标准中仅适用于高度在6.1 m 以下的货架。
以北京市某汽车配件制造企业生产车间中间仓库为例， 该仓库存放车间使用的原材料， 为箱装非发泡塑料， 双排货架， 货架高度3.5 m。
依据《喷规》， 可采用24.5 L／（min·m2）喷水强度的顶部喷淋系统， 或采用12 L／（min·m2）喷水强度的顶部喷淋系统加上一层货架内喷头， 2 种系统的顶部喷淋系统作用面积均为200 m2。
依据NFPA 13， 可采用16.3 L／（min·m2）喷水强度的顶部喷淋系统， 或采用7.3 L／（min·m2）喷水强度的顶部喷淋系统加上一层货架内喷头， 2 种系统的顶部喷淋系统作用面积均为232 m2。
由此可见我国标准略微严格。
2.2 货架平面布置
货架平面布置的2 个参数影响自动喷水灭火系统的设置， 即通道间距、 货架平面尺寸。
中美两国标准中均使用了单排、 双排、 多排货架的概念， 分隔货架的通道间距是区分单排和多排的标志， 而BS EN 12845 则直接将通道的宽度作为确定场所危险等级的条件。
我国《喷规》规定通道的最小宽度应为1.1 m， 单排货架的宽度不大于1.8 m， 否则将被视为双排或多排货架［8］；
这一规定与NFPA 13 相同， 但NFPA 13 对于一些场所还将通道宽度达到1.2 m、 2.4 m 作为系统参数的判断条件；
而BS EN 12845 则规定单排货架通道的宽度需达到2.4 m。
从各国标准对货架的约束来看， 英国标准对“单排货架”的限制更严格， 这是因为该标准在规定自动喷水灭火系统的参数时， 对单排、 双排和多排货架有比较明显的区分， 而中美两国标准在这一点区分不明显。
2.3 货架层板
货架层板的形式影响着火灾时货物的供氧助燃以及自动喷水灭火系统发挥作用， 因此层板的形式与自动喷水灭火系统的设置高度相关。
我国《喷规》规定设置自动喷淋系统保护的货架仓库， 货架应采用钢制， 并应采用通透层板， 层板通透部分的面积不小于层板总面积的50%（安装货架内置喷头的上方层板为实层隔板除外）。
BS EN 12845 标准定义了“栅条层板”的概念， 同时要求采用栅条层板时， 须在每一层层板下方设置货架内喷头。
而NFPA 13 标准要求高度3.7 m 以内的货架可以采用栅条层板， 否则须采用通透层板， 其通透率要求同样为不低于50%， 是中、 英标准的折中。与中、 美标准相比， BS EN 12845 标准对层板的形式更为宽容， 允许通过加强自动喷水灭火系统的手段实现一定高度的货架， 并使用丰富的层板形态。
以香港特区某物流仓库为例， 该仓库采用自动化立体集装箱货架系统， 高度约为21 m， 层板为滚轴台， 实际通透率不高于35%， 层间高度为1.5 ～3.5 m 不等。
该仓库自动喷水灭火系统设置执行BS EN 12845 标准， 逐层设置货架内喷头。
这样的应用场景， 在我国《喷规》中还得不到支撑。
另外， 我国《喷规》将封闭层板货架视为堆垛储物的规定与境外标准差异较大。
境外标准在定义货架时， 始终伴随着“排烟通道”的概念， 即便采用封闭层板货架， 但货物间仍可能存在间距， 因此燃烧状态与堆垛货物是存在差别的。
高架仓库的自动喷水灭火系统， 主要涉及仓库顶部喷淋系统的喷水强度、 作用面积， 货架内喷头喷水强度、 间距、 动作数量， 以及系统作用时间［9］，其中顶部喷淋系统的喷水强度是最重要的参数。
3.1 顶部喷淋系统的基本参数
在约束顶部喷淋系统基本参数上， 各国标准都把仓库火灾危险等级、 货架形式、 储货高度、 最大净空高度这4 个要素作为判断条件。
我国《喷规》与BS EN 12845 标准采用的体系相似， 即由上述4 个因素对应规定需采用的喷水强度以及作用面积。NFPA 13 标准则对应上述4 个因素， 分别建议了“设计曲线”， 即喷水强度和作用面积的组合；
另外， NFPA 标准在此处还将喷头温度级别纳入考虑， 若采用高温级喷头， 则设计曲线低， 意味着消防需水量减少。
同一工程依据各国标准选择的系统参数差异明显， 以北京市某图书出版企业仓库为例， 该仓库存放货物为图书， 采用多排货架， 货架高度20.15 m，最大净空高度23.20 m。
依据各国标准确定的喷淋系统参数如表1 所示。
表1 某图书高架仓库喷淋系统参数Tab. 1 Sprinkler system parameters of a high rack book warehouse
3.2 仓库型特殊应用喷头
控火型喷头（CMSA）是一种针对仓库火灾保护的特殊应用喷头， 其最大优势是大幅度降低了喷头的工作压力［10］。
FM DS 在2010 年将CMSA 喷头表述替换为仓库型喷头， FM DS 0809 数据册采用如下判断条件， 对采用仓库型喷头的喷淋系统参数进行约束：
仓库火灾危险等级、 货架形式、 储货高度、 净空高度4 个仓库因素， 以及4 个喷头特性因素：
喷头的K 系数、 直立或下垂形式、 响应时间、温度级别。
而参数规定为“动作喷头数量与喷头最小工作压力”。
相对而言， 采用普通响应-下垂型-大流量-高温级喷头， 有利于减少消防需水量。
NFPA 13 标准和我国《喷规》在采用仓库型喷头的喷淋系统参数和判断条件方面与FM DS 相似，在以下3 个方面有所不同：
①我国《喷规》对于采用仓库型喷头的干式喷淋系统未作规定， 意味着采用该类型喷头时须采用湿式系统；
②喷头温度等级在《喷规》中未作为判断条件， 而在NFPA 13 标准中，高温级喷头被建议使用于干式系统；
③在《喷规》和NFPA 13 标 准 中 有ESFR 喷 头 的 相 关 条 文［11］， 因此， 喷头响应时间均未作为仓库型喷头系统参数的判断条件。
对于高度超过12 m 的高架仓库， 我国《喷规》未对仓库型喷头的使用作出规定， 且国标图集19S910《自动喷水灭火系统设计》中建议：
当货架高度过高时， 不宜采用顶部仓库型喷头＋设置货架内喷头的形式， 这限制了仓库型特殊应用喷头的使用。
以浙江省某美资啤酒制造企业成品仓库为例，该仓库存放货物为箱装啤酒， 采用多排货架， 货架高度16.5 m。
依据《喷规》按仓库危险I 级设置普通顶部喷淋加货架内喷淋系统， 顶部喷淋系统喷水强度为18 L／（min·m2）， 作用面积为200 m2；
同时设置5 层货架内喷头， 按动作14 只考虑， 计算消防流量约为134 L／s。
后来该企业引入FM 认证， 建议按2 类货物采用仓库型喷头系统， 顶部喷淋使用直立型K240 喷头， 动作数量15 只， 工作压力0.1 MPa， 货架内采用K115 喷头， 按动作10 只考虑，计算消防流量约为120 L／s。
各国标准对于高架仓库自动喷水灭火系统的条文体系庞大， 本文仅讨论了其中的个别问题。
我国《喷规》 具有条文约束简明、 尺度较为严格的特点；
英、 美标准中各类概念的界定更加细化， 所规定的参数具有更丰富的应用场景， 即在部分系统的设置上提供替代措施。
随着近几年火灾动力学模拟工具的成熟， FM DS 数据册更新的信息量明显增大。
期待我国标准也能够在应用场景方面做细分和扩展， 以便于指导高架仓库的自动灭火系统设置， 保障此类场所的消防安全。
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