【摘 要】利用alpert公式，以工程实例为基础，对喷头的响应时间进行了预測，并与用国外软件detect-qs1.2预测的响应时间进行了对比，验证了此公式的准确性，依据alpert公式，通过分析影响喷头响应时间的因素，提出了设置喷头的一些建议和要求。
　　【关键词】闭式喷头；响应时间；alpert公式
　　【中图分类号】tu241.4 【文献标识码】a
　　discussion on design of building automatic sprinkler system
　　yang xian-gang
　　（qiandongnan state police fire brigade kaili guizhou 556000）
　　【abstract】by using the alpert formula， this paper predicted the response time of sprinkler based on the practical engineering and being compared with the response time of using the detect-qs1.2 software， and verified the accuracy of this formula. based on alpert formula， the paper analyzed the factors which probably influence of the response time and then proposed some suggestions and requirements.
　　【key words】closed type sprinkler；response time；alpert formula
　　1. 前言
　　（1）自动喷水灭火系统遇有火灾时可自动启动并喷水灭火，使火灾在初期就能够及时得以控制，从而最大限度地減少了火灾损失。
　　（2）根据nfpa的调查统计，装有自动喷水灭火系统的火灾生命损失減少1/3至2/3，财产损失減少1/2至2/3，因此自动喷水灭火系统是最优秀的火灾财产保护系統。
　　（3）喷淋系统之所以能够最大限度地減少火灾的人员伤亡和财产损失，是因为喷淋系统能够在消防人员到达之前将火灾控制住，防止轰燃的发生，为人员逃生贏得时间。
　　（4）美国早期的统计资料显示，早在1925至 1964年间，在安装自动喷水灭火系統的建、构筑物中，共发生火灾75290次，灭火、控火成功率达 96.2%。见表1。
　　（5）因此，对于火灾危险性大，人员密集、性质重要、火灾蔓延快的场所，必须设置自动喷水灭火 系統，增强控制初期火灾的自救能力，为消防队成功扑灭火灾创造条件。
　　（6）对于ー个自动喷水灭火系统来说，喷头的响应时间是这个系统在火灾中能否快速灭火的关 键。[1]火灾时闭式喷头的响应时间和启动闭式喷头的临界火源功率是影响喷头响应特性的两个重要方面。研究表明，喷头响应时间的长短不仅与发生火灾时的热释放速率有关，还受到喷头 安装高度和喷头的响应时间常数等其它因素的影响。因此研究启动闭式喷头的响应时间对确 定喷头的合理安装高度和喷头之间的间距有重要的意义。国内外专家也开展了喷头响应时间的计算研究并开发了一系列预测喷头或感温探测器的响应时间的软件，如detact-qs，de- tqct-t2和lavent等，这些模型可用于计算曝露于火灾环境的洒水喷头或探測器的响应时间，也可用于预测火灾规模和人员疏散的开始时间。
　　2. 喷头响应时间计算
　　选取中危险级i级，标准闭式喷头rtic =105，顶棚高度为3. 5m，喷头按正方形布置，间距 3.5m，环境温度25°c的场所为实例对比运用数值模拟软件法和alpert公式两种方法来计算喷头的响应时间。
　　2.1 数值模拟软件计算。
　　本文采用的数值模拟软件是cfast评估工具detect-qs1.2版，输入洒水喷头的 rti、公称动作温度、安装高度以及喷头距离火源半径等参数即可输出喷头的响应时间[2]。其中，因为喷头按正方形布置，间距3. 6m，故可得喷头据火源中轴线的距离为r =2.55m，其余参数由实例中可得计算结果表2。
　　2.2 alpert公式计算。
　　利用国际gb5135.9-2006标准中给出的喷头响应时间系数rti值计算公式，并将其变形，作为喷头在标准气流中动作时间的计算时间公式。
　　rtic =-tr ×u0.5 [1-（δtea/δtg）] （1）
　　式中 rtic——为响应时间系数，（ms）0.5 ；
　　tr——为喷头插入标准气流中直到开放时止的动作时间，s；
　　u——为标准热气流的流速，m/s；
　　δtea——为喷头热敏元件的平均液浴温度与环境温度之差，°c；
　　δtg——为喷头所在的标准热气流温度与环境温度之差，°c。
　　由上述公式变形可得
　　- tr= rtic×in[1-（δtea/δtg）]u0.5（2）
　　式中的 δtg和 u0.5可由alpert公式得出，而 rtic，由公式

>　　rtic= rti h×r （3）
　　式中 h——是顶棚高度，m；
　　r——是喷头据火羽流中心的水平距离，m.
　　艾尔伯特（alpert）根据大量实验数据， 推导出顶棚射流沿径向的温度和速度关系式：
　　t-t0=5.38×qc2/3u2/3×h；r>0.18h时 （4） 　t-t0=16.9×qc2/3h5/3；r0.18h时 （5）
　　u=0.96[qch]；r0.15h时 （6）
　　u=0.195×qc1/3×h1/2 r5/6；r>0.15h （7）
　　式中 t-t0——为顶棚射流与环境温度之差，
　　qc——为火源热释放速率对流部分，kw；
　　h——是顶棚高度，m；
　　r——为顶棚高度计算点至撞击点中心的水平距离，m；
　　u ——为顶棚射流的流速m/s。
　　t-t0即为δtg ，将alpert公式中的 δtg和 u代入（2）式中可算出喷头的响应时间tr。
　　由已知条件可得 rtic=rtih×r=1053.5×2.55=314
　　又 r=2.55m，tm= 68-25=43°c，t0=25°c所以
　　tg= t-t0=5.38×qc2/3r5/3=5.38×（1200）2/32.552/3×3.5=93°c
　　u= 0.195×qc1/3×h1/2 r5/6=0.195×12001/3×3.52.555/6=1.8m/s
　　tr = rtic×in[1-（δtea/δtg）]u0.5=[314×in[1-4393]]2.555/6=145s
　　通过软件计算和alpert公式法算出的顶棚高度为3.5m，喷头距离火源的距离为3m，度为25°c的标准闭式喷头的响应时间分别为145. 9s和145s，可以判定此环境下的标准闭式喷头的响应时间约为145s。由此可得，alpert公式可以准确地反应出影响喷头响应时间的各个因素。
　　3. 影响因素
　　由alpert公式和公式（2）可以知道喷头响应时间tr 和热释放速率qc 、顶棚高度h、喷头距燃烧点距离r相关。
　　3.1 顶棚高度对响应时间的影响。
　　（1）顶棚髙度的不同将会影响顶棚射流的温度分布。顶棚射流发生在火灾初期，是启动喷头的最佳时刻，而且它具有运动速度，能够很快运动到顶棚下的区域，通过对流换热，将热量传递给喷头，使玻璃球破裂喷头洒水[3]。因此，顶棚射流是影响喷头响应时间的重要因素。
　　（2）图1表达了在相同的热释放速率的条件下，在三个不同顶棚高度下，顶棚射流沿半径方向的温度分布曲线。由于顶棚射流是轴对称的，所以左侧曲线略去，图中横轴r为计算点与撞击中心原点的距离，tmax 是顶棚射流的最髙温度。
　　（3）从图1中可以看出在火源热释放速率相同的条件下，当顶棚高度越高，火羽流中心面积越大，温度越低，射流温度分布曲线比较平坦，起伏不大。这是因为顶棚较高时，火羽流升程长，穿过空气的路程长，吸卷的空气量大、烟的生成量多，撞击顶棚时的羽流柱粗，而温度较低，它的顶棚射流温度相对低于较低顶棚的射流温度。反之，顶棚高度越低，火羽流中心区面积越小，温度越高，流温度分布曲线比较陡，温度沿直径方向衰减幅度大。这是因为顶棚低矮，火羽流升程短，吸卷的空气量少，火羽流中心区保持较高温 度冲击顶棚。
　　（4）而顶棚高度的不同也会引起启动喷头所需火源热释放速率的变化。我们设定某一公称动 作温度的喷头，在顶棚髙度为 h1时，在顶棚射流流温度与环境温度之差为δtea 时的火源热释放速率为q1 ，当改变顶棚高度为h2启动该喷头的火源热释放速率为q2 。我们由alpert公式来推断顶棚高度h与所需热释放速率q的关系。
　　在r0.18h 的中心区域内：
　　t-t0= 16.9×qc12/3h15/3=16.9×qc22/3h25/3
　　可以得出
　　qc2=qc1[h2h1]5/2
　　令 h2h1=2增加一倍，则qc2=5.66qc1 ，于是可以看出顶棚高度增加一倍时，在中心区启动喷头所需火源热释放速率将增大5.6倍。 图2给出了对于公称温度为68°c的标准喷头， 不同环境温度时启动喷头的临界火源功率随髙度的变化曲线。从图中可看出，随着高度的增加， qc不断増大。当高度超过10 m时， qc超过 了1 mw。
　　（5）可见由于顶棚过高，使得初期火羽流到达不了顶棚就已经冷却灾发生后喷头不能及时响应，随着时间的増加，火灾热释放速率越大，当火灾发展到全面发展阶段时，此时虽然喷头可以动作，但是由于其喷水強度达不到火灾强度的要求，也就无法控制火灾。于是，对于喷头的安装高度各国都有所限制。[4]我国规范规定常规非仓库类喷头安装高度为8m，非仓库类大空间可达到12m，美国nfpa13仅规定快速响应喷头最大安装高度9m和esfr喷头最大安装高度为13. 6m，对其他则没有限

制。fm全面规定非仓库类髙大空间喷头安装高度，分别为18. 3m、30m，且规定不能采用扩展覆盖面喷头，仅能采用标准覆盖面的专用喷头等。
　　3.2 喷头间距对响应时间的影响。
　　（1）由式2和式3可以推出
　　-tr=rtih·r×in[1-（δtea/δtg）]u0.5
　　式中r是喷头距火羽流撞击点中心的距离，从上式中可以看出为了控制喷头响应时间，必须控制r。而在工程中常采用控制喷头间距的方法来实现对r的控制。
　　（2）闭式喷头的水平间距是指：同一配水支管上喷头之间的相邻水平间距和相邻配水支管间对应喷头的水平间距。控制喷头间距就可以控制起火点至喷头的水平距离，是喷头及时动作。而如果喷头实现长方形布置的话，仅控制长方形的 长边是不够的，除此之外，还要控制单个喷头的保护面积。所以在gb50084规范中给出了各种喷水强度下的边长和单个喷头保护面积。这两个指标是决定喷头灭火控火率的重要指标，也是系统供水量计算的依据之一。而且是与设置场所火灾危险等级相关的，这主要是由火场中喷头的响应时间决定的，火灾危险等级愈高，火灾发热量愈大，要求喷头尽快响应，因此要求喷头布置间距愈小，单个喷头的保护面积也愈小。 （3）将前文中提到的工程实例中的喷头间距扩大为4.4m，由alpert公式可以得出t0 = 225s。与间距为3. 6m的喷头相比较，虽然这两种不同间距的喷头都能在对流部分的热释放速率为1200kw时启动，但喷头的响应时间却相差1.55倍。按照公式q=at2 可得
　　q2q1=at12at22=22521452=2.4
　　可以看到在火灾增长类型相同时，按4.4m间距布置喷头，在开放时，火源的热释放速率是按3.6m间距布置的2.4倍，会造成更大的人员伤亡和财产损失，而且会造成火区外的喷头开放，造成水压下降，改变喷头布水形态，降低水滴的穿透力，反而降低了喷水强度，使系统灭火效率恶化。
　　4. 结论
　　（1）通过数值模拟软件和alpert公式两种计算方法算出的喷头响应时间分别为145.9s和145s。可以得出alpert公式法的准确性，可以用来分析影响喷头响应时间的因素。
　　（2）顶棚高度会影响喷头的响应时间。当顶棚高度増加一倍时，在中心区启动喷头所需火 源热释放速率将增大5.6倍。
　　（3）喷头的间距会影响喷头的响应时间。在火灾增长类型相同的情況下，按4.4m间距布置喷头，在开放时，火源的热释放速率是按3.6m间距布置的2.4倍。
　　5. 几点建议
　　通过分析顶棚高度和喷头间距对喷头响应时间的影响，笔者提出以下建议：
　　（1）在高大空间中设置喷头保护时，应该尽可能选择rti小的快速响应喷头。因为顶棚高度大，喷头的响应时间长，应该提髙其灵敏度。
　　（2）对于火灾荷载大的房间应该适当缩小喷 头的布置间距。使得在喷头开放时可以增大喷水強度，更有效地进行灭火。
　　（3）如果房间的顶棚高度超过规范的规定值，在安装设计喷头时，应该按照性能化计。
　　的方法。根据应用条件对房间火灾进行分析计算，确定其应用目标。
　　参考文献
　　[1] 张村峰，霍然，李元洲.火灾中闭式喷头响应特性研究[j].中国工程科学，2005，7（11）.
　　[2] 刘文利，吕振纲，冉鹏，康健.自动喷水灭火系统，洒水喷头响应时间预测方法研究[j].建筑科学，2007，23（1）.
　　[3] 李云浩，黄晓家；张兆宪.自动灭火系統的选择与应用技术探讨，消防科学与技术，2011，30.
　　[4] 张学魁，景绒.建筑灭火设施[m].北京：中国人民公安大学出版社，2004，23～25.
　　[文章编号]1006-7619（2013）10-23-906
　　[作者简介] 杨先刚（1978-），男，汉族，学历：本科（学士学位），职称：建筑防火设计工程师，工作单位：贵州省凯里经济开发区公安消防大队，大队长，主要从事消防监督工作。