消防学术：家用消防洒水喷头及其应用
摘要：家用消防洒水喷头（以下简称家用喷头）在国外已有30多年的研究和应用历史，实践表明，家用喷头对保护生命和财产安全是有效的，安装使用是可行的。目前在我国家用喷头尚处于起步阶段，对其应用还很罕见。我国于2009年6月1日颁布实施了家用喷头的国家产品标准GB 5135.15，这标志着家用喷头将有机会成为保护家庭和其他类似居住空间的重要角色。本文就以下四个方面对家用喷头进行了简要的描述：火灾统计和家用喷头的应用概况、家用喷头的特点、家用喷头产品标准和家用喷头系统设计规范。
1 引言
家用喷头在国外已有30多年的研究和应用历史，为保护人身和财产的安全提供了可靠保障。家用喷头在我国尚处于起步阶段。我国于2009年6月1日颁布实施了家用喷头的国家产品标准GB 5135.15，这是我国首次在国家级的标准中引入家用喷头的概念。在此之前，国内有关家用喷头的介绍不是很多，实际应用更是罕见。本文将对家用喷头的应用、特点和设计方法做一些简要的介绍，供大家参考。
2 火灾统计和家用喷头的应用概况
2.1 中国
我国的《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045-95 2005年版）规定建筑高度超过100m的高层建筑及其裙房，除游泳池、溜冰场、建筑面积小于5.00m2的卫生间、不设集中空调且户门为甲级防火门的住宅的户内用房和不宜用水扑救的部位外，均应设自动喷水灭火系统。
(现有的GB50015-2014的建筑防火规范也同样的规定：
8.3.3 除本规范另有规定和不宜用水保护或灭火的场所外，下列高层民用建筑或场所应设置自动灭火系统，并宜采用自动喷水灭火系统：
4 建筑高度大于100m的住宅建筑。
而对于建筑高度不超过100m的普通住宅不要求安装自动喷水灭火系统[1]。我国的《住宅建筑规范》（GB 50386-2005）规定35层及35层以上的住宅建筑应设自动喷水灭火系统[2]。由于我国住宅建筑几乎都在100m或35层以下，因此绝大部分住宅是没有喷淋保护的。一旦起火，初期火得不到有效地控制，将很快蔓延，造成更大面积的火灾，甚至会发生轰然。在这种情况下，即使消防队及时赶到，也会错过最佳的灭火和救援时机，很难避免严重的人员伤亡和财产损失。例如2007年2月4日，浙江省台州市黄岩区东城经济开发区绿汀路224号商住楼发生火灾，造成17人死亡、6人受伤，过火面积近800平方米，直接财产损失43.4万元[3]。
近几年的火灾统计表明家庭火灾的损失占建筑物火灾总损失的大部分。据不完全统计，从1998年到2008年的十年间，家庭火灾的死亡人数占建筑物火灾总死亡人数的70%，财产损失占总损失的30%。例如，2005年我国住宅火灾死亡人数为1794人，占当年全部火灾死亡人数的71.8%；2008年为968人，占当年全部火灾死亡人数的69.9%[3]。
2.2 美国
在1975年以前美国的家庭和其他类似居住空间也不安装喷头，每年的生命和财产损失巨大。美国的火灾统计表明，在1973年以前，平均每年大约8000人死于家庭火灾，占火灾死亡总数的80%[4]。面对这种非常严峻的局面，美国率先开发了家用喷头，并陆续颁布了一系列关于家用喷头的产品标准和设计规范。随着家用喷头的不断推广，家庭火灾的形势得以缓解，使得每年因家庭火灾死亡的人数呈明显下降趋势。1977年至2007年的统计数字表明，平均每年死于家庭火灾的人数为4000人，比家用喷头应用前的死亡人数少了一半[5]。目前，美国已有200多个社区或城市强制要求在家庭和其他类似居住空间内安装喷淋系统，其中有两个成功使用家用喷头的城市，它们分别是亚利桑那州的Scottsadale市和马里兰州的Prince George市。它们自从使用家用喷头以来，人员和财产安全都得到了有效保护。因家庭火灾死亡的人数由年平均十几或几十降低为零，财产损失比以往降低了90%。
根据美国的一个不完全统计，在安装家用喷头的场所，90%的火是被一只打开的喷头控制的。每个火灾的平均用水量为1130升，而消火栓的用水量为22680升。从中我们可以看到家用喷头不但具有良好的灭/控火的效果，而且还能节省大量的消防用水。
虽然美国在控制家庭火灾上取得了一定的效果，但是目前的家庭火灾的形势还是不容乐观。以2007年为例，除死亡2865人外，受伤人数高达14000人，直接财产损失为75亿美元。据统计每79秒在美国就发生一次家庭火灾，如果没有喷淋保护就很难避免高伤亡率和高财产损失率。在最新版的美国建筑规范和生命安全规范中都要求在所有家庭和其他类似居住空间安装家用或快速响应喷头。这些场所包括：居民单元楼、单家庭或多家庭住宅/别墅、宿舍、康复中心、宾馆/旅馆等等。
3 家用喷头的特点
家用喷头是生命安全型喷头，它的主要目的是将火灾控制在起火点，避免轰然的发生，并且降低火场温度，帮助被困人员逃生。我国的家用喷头的产品标准GB 5135.15将家用喷头定义为“安装在家庭和其他类似居住空间内，在预定的温度范围内自行启动，按设计的洒水形状和流量洒水到设计的保护区域内的一种快速响应喷头”。从定义中我们不难发现家用喷头的基本特点可以概括为，具有独特的喷洒性能和布水特点的一种快速响应喷头。下面是对家用喷头主要特点的介绍。
3.1 快速响应
尽早发现火灾并喷水灭火是它的主要特点之一。所有家用喷头都是快速响应喷头，其时间响应系数即RTI值均小于或等于50 (ms)1/2，传导系数即C值均小于或等于1.0 (m/s)1/2。
3.2布水均匀
家用喷头要求布水均匀。被家用喷头保护的场所面积一般较小，保护空间只需安装几只甚至一只喷头即可，喷头之间喷水的互补性不强，而且总喷水量也相对较少，所以要求布水比普通喷头更加均匀。
3.3喷洒曲线独特
家用喷头的洒水形状比较独特。图1中的左图为普通喷头的喷洒形状，它的布水形状象一把雨伞。右图为家用喷头的喷洒形状，它不但将水喷到地面，还有一部分水向上并侧向扩展喷洒。它独特的喷洒形状是由家居空间火灾的特殊性决定的：1）由于家居空间内有一些挂件（如窗帘等）和靠墙摆放的家具（如立柜、沙发等），它们很容易被引燃，帮助火焰沿着墙壁蔓延至天花板，使得火很难扑救。家用喷头独特的喷洒形状解决了这个问题，使火灾得到有效的控制；2）火灾时天花板附近烟气温度较高，会引发过多的喷头打开，造成消防水量不足；高温烟气对室内的热辐射会造成室温迅速升高，对室内人员生命安全产生极大威胁；高温烟气的热辐射使得室内可燃物大量分解，产生可燃气体，最终可能会导致轰然。一旦发生轰然，火灾可能会从一个防火分区蔓延至另一个防火分区，例如火从较低楼层蔓延至与其相临的较高楼层等。家用喷头科学地分配了向各个方向的喷水，既保证了将火控制在起火点，又降低了室内温度，避免过多的喷头打开（保证已打开喷头能提供充足的喷水强度），同时防止了轰然的发生，为室内人员逃生提供有利条件。
4 家用喷头产品标准
家用喷头的国家产品标准GB5135.15已于2009年6月1日正式实施。该标准的编制的主要根据是家用喷头的国际标准ISO6182-10:2006 自动喷水灭火系统-家用喷头的要求和测试方法（Fire protection-Automatic sprinkler systems-Part 10: Requirementsand test methods for domestic sprinklers），并结合了我国的国情和参照了一些试验数据。该标准与其它喷头标准的主要不同点是它的灭火性能要求、墙面喷洒性能中的湿墙要求和废止了O型圈作为密封元件的喷头设计方法。
4.1 湿墙要求
GB 5135.15中的第6.5.2.1节规定：“……家用喷头应连续打湿试验室四周的墙面，打湿部位距吊顶的距离不应大于711mm”。这个要求规定了家用喷头不但将水喷到地面，还有一部分向上并侧向扩展喷洒。该要求在某种程度上保证了火灾不能沿着墙壁向上蔓延，并且降低了室内的烟气温度，为家用喷头满足灭火性能要求打下基础。
4.2 灭火性能要求
GB 5135.15中的第6.28节中规定了家用喷头的灭火性能要求。试验是在如图2所示的条件下进行的（以非边墙型喷头为例）。图中1为热电偶，位于吊顶表面后6mm；2为木垛；3为模拟家具组件；4为2只热电偶，其中一只位于吊顶下76mm，另外一只位于地面上1.6m；5为热电偶，位于吊顶下76mm；6为家用喷头；W为单只喷头设计宽度；L为单只喷头设计长度。室内的南北方向各有一个开口，在试验中提供自然通风。试验中最多2只家用喷头启动，试验室门口的第3只喷头不应启动（一旦启动试验被判为失败），且室内温度应满足a) 吊顶下76mm处最高温度不应超过315℃；b) 地面以上1.6m处最高温度不应超过93℃，且任何连续2min内的平均温度不应超过54℃；c) 吊顶表面后6mm处吊顶材料最高温度不应超过260℃。居家场所希望通过少量喷头进行灭/控火，帮助人员疏散，不允许打开过多的喷头，否则会造成水量或压力不足的现象。因此标准中规定门口的第3只喷头不应启动。家用喷头向上喷水的目的之一就是降低天花板附近的烟起温度，防止过多喷头打开。家用喷头控制室内温度是它的一个重要作用，控制室温既能帮助人员逃生，又能防止发生轰然，将火控制在起火点。因此标准中规定了一系列的对温度的控制要求。
5 家用喷头系统设计规范
5.1 中国
现行的2005年版的自动喷水灭火系统设计规范（GB 50084-2001）没有家用喷头的设计要求。
5.2 美国
美国消防协会（NFPA）与家用喷头设计相关的规范有NFPA 13, NFPA 13D和NFPA 13R。
5.2.1 NFPA 13D
美国NFPA于1973年成立了NFPA 13D规范编制组。1975年NFPA 13D问世，它是第一部针对家庭火灾保护的喷淋设计规范，名称是：单家庭、两家庭和移动房屋家庭水喷淋系统安装规范（Installation of Sprinkler Systems in One- and Two-Family Dwellingsand Manufactured Homes）。在保证满足产品认证的最小流量的前提下，设计要求系统的最低喷水强度为2mm/min，最大设计喷头数为2只。
5.2.2 NFPA 13
NFPA 13（Standard forthe installation of sprinkler systems）是美国最常用的水喷淋设计规范。NFPA13于1983年增加了家用喷头的设计要求。其保护场所主要是针对家庭和其他类似居住空间，例如：公寓、疗养和院医院等。设计要求下列情况中喷水量较大的参数：1）产品认证的最小流量；2）系统的喷水强度为4mm/min。设计喷头数为4只。
5.2.3 NFPA 13R
NFPA于1989年正式颁布了NFPA 13R, 它是一部介于NFPA 13和NFPA 13D的规范，其名称是：四层或四层以下的住宅水喷淋安装规范（Installationsof Sprinkler Systems in Residential Occupancy up to and including Four Storiesin Height）。相对于NFPA 13D针对一个或两个家庭的火灾保护和NFPA 13对不限层高的广义上的居住场所的火灾保护，NFPA 13R为低层、多家庭住宅的火灾保护提供了设计规范。在保证满足产品认证的最小流量的前提下，NFPA 13R设计要求系统的最低喷水强度为2mm/min，最大设计喷头数为4只。
5.2.4家用喷头系统
根据13D和13R设计的系统比普通的喷淋系统较为简单，系统不需要报警阀和消防水泵，它与家庭日常用水相连并且共用市政管网，如图3所示。图3展示了家用喷淋系统的典型安装。图中的自动关断阀是该系统的关键部件。它的入口侧与市政供水源相接。它有两个出口，其中的一个通向日常用水侧，供应家庭的日常生活用水，该出口平时为开启状态；另外一个出口通向家用喷头，平时为关闭状态。当火灾发生时，家用喷头上的热敏元件破裂，喷头打开，这时自动关断阀关闭日常生活用水，并打开消防供水侧，从而达到灭/控火的目的。由于家用喷淋系统的用水量相对较少，因此在保护四层或四层以下的住宅时，系统直接由市政管网供水，不需要消防水泵。考虑到水力摩阻小并且施工更加快捷、方便，在美国家用喷淋系统的管网一般使用经消防部门认证的塑料管（CPVC）。另外，家用喷头生产商提供隐蔽型喷头，室内的美观不会因为安装了家用喷头而受到负面影响。
6 结论
从中国和美国的火灾统计数字中发现家庭火灾的损失相当严重，特别是死亡人数占火灾总死亡人数的比例高达70-80%。美国成功使用家用喷头的案例表明家用喷头在家庭和其他类似居住空间的使用必将大大降低火灾损失并能节省大量的消防用水。我国的家用喷头产品标准已经颁布实施，它将为家用喷头在我国的推广和使用打下良好的物质基础。
注：赵雷，男，硕士，工作于泰科，主要从事产品标准和设计规范的应用与研究。
参考文献
[1] GB 50016-2006. 建筑设计防火规范[S].
[2] GB 50386-2005. 住宅建筑规范[S].
[3] 公安部消防局. 中国消防年鉴[J].1998-2008.
[4]USGovernment Printing Office. TheReport of the National Commission on Fire Prevention and Control[R]. 美国: 美国政府, 1973.
[5] Karter, M. J.. Fire lossin theUnited Statesduring 2004[R]. 美国: NFPA, 2005.