大型车间应急疏散照明设计探讨

朱 昌 凯

[上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018版)[1](简称“防火规范”)第10.3.1条第5款规定,人员密集厂房内的生产场所及疏散走道应设置疏散照明。现今车间内设备数量繁多,高度普遍偏高,人员密集性较以往项目增加,利用应急疏散照明将人员疏散至安全区域显得尤为重要。随着GB 51309—2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》[2](简称“技术标准”)的发布及实施,应急疏散照明的标准得到了统一、完善。

本文从车间疏散单元划分、车间灯具选择、系统配电方式、系统控制方式等方面探讨了大型车间应急疏散照明的设计原则和方法。

1 应急照明系统及车间概况

应急照明疏散系统主要由应急照明控制器、应急照明集中电源、应急照明配电箱、应急照明灯具等组成。根据功能上的划分,应急照明和疏散指示系统可分为疏散照明和备用照明。疏散照明主要为人员的安全疏散和灭火救援提供正确的指示,而备用照明则为发生火灾时仍需工作和值守的场所设置,在火灾时保持正常的照度。

国内某建筑垃圾项目一体化车间(简称“一体化车间”)为地上建筑,包括暂存区、卸料大厅、预处理车间及制砖车间,辅助用房区域包含变配电间、中控室、参观廊道及办公区域。该项目主要功能均集中于一体化车间,车间长度为405 m,宽度为100 m,总建筑面积为40 879.08 m2。考虑到车间面积较大,疏散难度及时间较以往要高,故需和建筑专业配合,设置相应疏散通道及疏散照明。建筑垃圾项目效果图如图1所示。

图1 建筑垃圾项目效果图

2 车间疏散单元划分

根据人员在建筑物中疏散方式的不同,建筑物中的疏散单元可分为竖向疏散单元和水平疏散单元。

根据《消防应急照明和疏散指示系统》[3](简称指示系统),竖向疏散单元主要为封闭楼梯间、敞开楼梯间、室外楼梯及避难层。在一体化车间中,将每个封闭楼梯间或敞开楼梯间划分为一个独立的疏散单元,根据该竖向疏散单元上下的水平疏散单元的性质及疏散方向,设置方向标志灯、疏散出口灯及楼层指示灯。竖向疏散单元如图2所示,敞开楼梯间可定义为一个独立的竖向疏散单元,在每个独立的竖向疏散单元中疏散照明供电回路应采用独立回路,不与其他供电回路共用。

图2 竖向疏散单元

根据指示系统,同一平面层多个防火分区中的每个防火分区、多楼层防火分区中的每个楼层都应划分为一个水平疏散单元。将两侧和顶棚设有围护结构且满足对应建筑耐火等级标准的疏散通道称为“疏散走道”,将两侧或顶棚未设置完全围护结构或达不到对应建筑耐火等级标准的疏散通道称为“疏散通道”[3]。整个车间为一个防火分区,故将一体化车间内由物理隔墙划分的预处理车间定义为一个水平疏散单元。根据工艺设备位置,划分出未设置围护结构的“疏散通道”。在“疏散通道”针对安全出口的位置确定人员疏散方向,布置相应的方向标志灯。将车间辅房内的参观廊道定义为一个水平疏散单元,其基本为设置围护结构的“疏散走道”。根据“疏散走道”内人员疏散方向,布置相应的方向标志灯。

“疏散出口”为通向楼梯间、避难层、避难走道等室内安全区域的出口,“安全出口”为通向室外楼梯、地面,符合疏散要求并具有直接到达地面设施的上人屋面等室外安全区域的出口。一体化车间内的“疏散出口”与”安全出口”如图3所示。在一体化车间中,通向疏散走道的出口设置“疏散出口”标志灯,见图3中A区;对于直接通向室外地面的出口设置“安全出口”标志灯,见图3中B区。

图3 一体化车间内的“疏散出口”与”安全出口”

3 车间应急灯具选择

根据技术标准[2],按电源电压等级分类,消防应急灯具可分为A型消防应急灯具和B型消防应急灯具:额定工作电压不大于DC 36 V的A型消防应急灯具,额定工作电压大于DC 36 V或AC 36 V的B型消防应急灯具。为了保证火灾情况下疏散走道的照度,一体化车间应急疏散标志灯具、应急照明灯具安装高度均为8 m以下。考虑到该车间内设置消火栓水灭火系统,在火灾情况下水灭火介质容易导致灯具外壳发生导电现象,疏散人员容易触及灯具外壳而发生电击事故,应急照明灯具采用A型灯具。

按工作方式分类,消防应急灯具可分为持续型消防应急灯具和非持续型消防应急灯具。根据技术标准及GB 17945—2010《消防应急照明和疏散指示系统》[4],正常状态下持续型灯具光源处于节能点亮模式,有利于工作人员在正常状态下熟悉疏散路径,且在非集中控制系统中灯具状态无法统一显示,持续型灯具可以直观判断光源是否完好,便于系统日常维护。

根据技术标准,选择一体化车间内各区域应急照明灯具安装高度、标志灯大小、安装间距、防护等级。一体化车间应急照明灯具选择如表1所示。预处理车间、卸料大厅等应急照明灯具布置如图4所示。变电所、中控室、疏散走道等应急照明灯具布置如图5所示。

表1 一体化车间应急照明灯具选择

图4 预处理车间、卸料大厅等应急照明灯具布置

图5 变电所、中控室、疏散走道等应急照明灯具布置

根据防火规范表3.7.4,一级耐火等级丁类厂房疏散距离并无要求,在特殊情况下无需借助相邻防火分区或相邻房间疏散。而在我国工程实践中可变换指示方向的疏散指示标志尚存在一定的问题,因此该车间不借助相邻防火分区疏散,不采用可变换指示方向疏散指示标志。

4 应急疏散照明系统配电设计

应急照明灯具的电源由主电源和蓄电池组成。根据灯具内蓄电池电源供电方式的不同,可分为集中电源供电方式和灯具自带蓄电池供电方式。两者主要区别为:集中电源供电方式设置应急照明集中电源,内部架构为主电源和蓄电池电源互相转换后通过同一个配电回路为灯具供电,应急照明集中电源应放置于消控室、低配间或电气坚井内;灯具自带蓄电池供电方式采用应急照明配电箱,通过该照明箱内一级分配电后为灯具供电,在火灾情况下通过灯具自带蓄电池进行供电,对应急照明配电箱放置位置没有具体规定。

考虑到厂区由多个大、中型车间组成,一体化车间规模偏大、应急疏散照明灯具数量多、放置位置比较分散、安装高度比较高,如采用灯具自带蓄电池供电方式,对于灯具供电的统一管理及后期对灯具蓄电池维修十分不便,故采用集中电源供电方式。

根据技术标准,对于集中控制集中供电方式,应急照明集中电源需采用消防电源专用应急回路。根据防火规范第10.1.8条及条文解释,消防用电设备的供电,应在其配电线路的最末一级配电箱处设置自动切换装置,而疏散照明的最末一级配电箱为该所在防火分区的配电箱。故该车间设置消防双切箱,两路进线分别引自两段独立母排,双切箱出线电源引至车间内各应急照明集中电源。应急疏散照明集中电源供电系统如图6所示。应急照明集中电源内主电源和蓄电池内部转换后为灯具供电,为了避免输出回路过载或短路对其他输出回路造成影响,每个供电回路均应设置过载、短路保护装置。在集中电源内,主电源采用AC-DC变换后输出,蓄电池保持直流输出。

图6 应急疏散照明集中电源供电系统

根据技术标准,预处理车间内地面水平最低照度要求不应低于3 lx,应急照明灯具的运行电压波动范围为其额定工作电压的±20%。为了保证传输距离以及压降的要求,应急照明电源采用DC 36 V供电,车间内应急照明灯具的功率选用9 W,方向标志灯功率选用3 W。根据图集19D702-7《应急照明设计与安装》[5],直流线路电压损失计算公式:

(1)

式中: Δu——电缆压降百分比;

ρθ——工作温度θ时的导线电阻率;

P——线路功率,为灯具数量n×12 W;

L——线路长度;

U——标称电压,取36 V;

S——电缆截面。

根据式(1),可得出满足电缆压降的回路灯具数量及供电距离。

为了满足最低照度的要求,根据文献[6]中式(5-39),可得出满足地面照度的灯具数量及照度。

(2)

式中:Eav——工作面上平均照度;

N——光源数量;

Φ——光源光通量;

U——利用系数,取0.5;

K——灯具的维护系数,取0.7;

A——工作面面积。

根据式(1)及式(2),应急照明压降及照度计算如表2所示。

表2 应急照明压降及照度计算

根据表2,可选用应急照明灯具安装间距垂直疏散方向为24 m,平行疏散方向为12 m。一体化车间应急照明集中电源布置如图7所示。图7中1和2的位置分别设置应急照明集中电源,供电距离保持在150 m内,压降满足±20%的要求,在每个回路灯具数量为6的情况下,可保证每个应急照明集中电源的出线回路数不超过8。另外,为保证火灾情况下线路的持续工作能力,供电出线回路应选择耐火线缆。

根据防火规范,车间所属的其他建筑在火灾情况下应急疏散所需时间为0.5 h。而在非火灾情况下,仍应保证在主电源断电情况下应急照明灯具保持不超过0.5 h的持续时间。综合火灾情况和非火灾情况,蓄电池需至少保证灯具1 h的持续工作时间。考虑蓄电池在使用过程中发生容量衰减,选择蓄电池初装容量P(初装)时需考虑最大衰减系数d。镍氢、锂离子蓄电池的最大衰减系数d为50%～60%,铅酸蓄电池的最大衰减系数d为60%～70%,P初装=P实际/(1-d)。另外还需注意,应急照明集中电源的最大配接功率不应大于5 kVA[3]。

图7 一体化车间应急照明集中电源布置

5 应急疏散照明系统控制方式

按照控制方式分类,应急照明疏散系统可分为集中控制型和非集中控制型。集中控制型系统设置应急照明控制器,应急照明集中电源或应急照明配电箱及应急灯具的工作状态可由应急照明控制器集中控制并显示。非集中控制型系统不设置应急照明控制器,其主电源和蓄电池电源的转换以及应急灯具的工作状态由应急照明集中电源或应急照明配电箱控制。

集中控制型系统适用于规模较大、设置火灾自动报警系统并配备消防控制室的厂区,在消防控制室内可通过应急照明控制器对全厂应急照明灯具进行统一控制。当厂区未设置火灾报警系统或消防控制室时,由于管理使用单位也未配置专业的消防安全管理人员,则不强制要求采用集中控制型系统。

在环保类项目中,是否设置火灾自动报警系统可作为应急照明控制方式选择的前提。防火规范第8.4.1条列出了火灾自动报警系统设置的各种条件,大多数针对的是民用建筑,大型车间火灾报警的设置可参考第8.4.1条第13款:对设置机械排烟、防烟系统、雨淋或预作用自动喷水灭火系统、固定消防水炮灭火系统等与火灾自动报警系统联锁动作的场所应设置火灾自动报警系统。电气设计人员可以利用该条选择是否设置火灾报警系统,选择是否采用集中控制型系统。根据防火规范第8.5.2条第2款:建筑面积大于5 000 m2的丁类生产车间应设置排烟设施,故一体化车间需设置火灾报警系统来联动防排烟设施,并设置消防控制室,选择集中控制型应急疏散系统。

集中控制型系统应在消防控制室设置应急照明控制器,应急照明控制器可采用通信协议与消防联动控制器通信。另外,考虑到车间规模较大,采用环形结构与应急照明集中电源之间通信符合高可靠性的要求。应急照明控制系统如图8所示。在设计应急照明控制器时,应保证控制器的自带蓄电池在主电源中断后工作3 h。应急照明集中电源应具有能接收该区域正常照明电源状态信号的接口。

图8 应急照明控制系统

对于集中控制型系统,在非火灾工况下,当系统主电源断电后,集中电源应连锁控制持续型灯具光源由节电点亮模式转入应急点亮模式,应急照明集中电源自动转入蓄电池电源输出,将主电源断电连锁控制信号反馈至应急照明控制器,并明确该持续时间不应超过0.5 h。主电源恢复供电后,光源恢复原工作状态,应急照明集中电源转入主电源输出。

对于集中控制型系统,在火灾工况下,当应急照明控制器接收到火灾报警输出信号后,应控制系统内的光源应急点亮,不控制A型灯具转入蓄电池电源供电,从而保持主电源供电不变,待其主电源断电后自动转入蓄电池电源供电。与GB 17945—2010《消防应急照明和疏散指示系统》要求不同的是,系统应急启动时,对A型灯具并不要求马上转入蓄电池供电。这是为了能够最大限度地延长A型灯具在紧急情况下的持续应急工作时间。

6 备用照明设计

一体化车间内在火灾情况下仍需工作、值守的区域包括变配电间、消防控制室、消防水泵房等,在这些区域需同时设置备用照明、疏散照明及疏散标志。但备用照明的线路防火等级、供电可靠性要求均可低于应急疏散系统。

根据技术标准,备用照明在平时兼用正常照明,故备用照明灯具可采用正常照明灯具,在变配电间、消控室及消防水泵房采用直管LED灯兼作备用照明及正常照明。对于供电可靠性方面,备用照明灯具与应急照明不同的地方在于其可由正常照明电源和消防电源专用应急回路互投后供电。一体化车间备用照明可采用上述应急照明动力双切箱引出电源至车间内备用照明灯具。

车间内灯具光源的应急点亮时间应在应急照明集中电源接收到应急照明控制器发出的系统自动、手动启动信号后5 s内控制其配接灯具的光源应急点亮。

7 结 语

本文介绍了一种大型车间应急疏散照明系统的设置,从疏散单元划分、灯具选择、供电方式、控制方式等方面进行了阐述。对于大型车间,设计的重点是把握在大空间下人员能利用最短路径及最短时间进行逃生。电气设计人员应在充分理解规范及技术标准的前提下,本着以人为本的原则对车间疏散单元进行拆解分析,选择最合适的灯具、供电方式及控制方式,提升人员的逃生成功率。