سیستم اسپرینکلر: معرفی و مقایسه انواع سیستم‌های اسپرینکلر

سیستم‌های اسپرینکلر لوله تر (Wet Pipe)، لوله خشک (Dry Pipe)، پیش عملگر (Pre-action) و سیلابی (Deluge) چهار مورد از پرکاربردترین سیستم‌های اسپرینکلر هستند که از نظر نوع کاربرد و نحوه فعال شدن با هم تفاوت دارند. تمامی سیستم‌های اسپرینکلر تنها یک وظیفه بر عهده دارند و آن حفاظت در برابر آتش‌سوزی است. ولی شرایط محیطی مختلف، مثل مکان‌هایی که در آن‌ها احتمال یخ‌زدگی آب وجود دارد (دمای کمتر از ۴ درجه سانتی‌گراد) یا شرایطی که پاشش آب در ناحیه خسارت‌های مالی به بار می‌آورد (مثل اتاق‌های کامپیوتر، موزه‌ها، کتابخانه‌ها و غیره) باعث می‌شود که ویژگی‌های مختلفی برای سیستم اسپرینکلر در نظر گرفته شود. در این مطلب ویژگی‌های اصلی هر یک از انواع سیستم‌های اسپرینکلر و کاربرد آن‌ها بررسی خواهند شد.

سیستم اسپرینکلر چیست؟

وقتی صحبت از سیستم اسپرینکلر می‌شود ممکن است تعاریف متفاوتی در ذهن شکل بگیرد ولی استاندارد NFPA 13 تعریف مشخصی برای آن دارد. پیش از بررسی انواع و ویژگی‌های مختلف سیستم‌های اسپرینکلر لازم است تعریف سیستم اسپرینکلر مشخص شود. مطابق با استاندارد NFPA 13 تعریف سیستم اسپرینکلر عبارت از:

سیستم اسپرینکلر، سیستمی است که عموما با حرارت ناشی از آتش فعال می‌شود و آب را روی ناحیه آتش‌سوزی تخلیه می‌کند. این سیستم شبکه یک‌پارچهٔ لوله‌کشی دارد که مطابق با استانداردهای مهندسی حفاظت در برابر آتش‌سوزی طراحی شده است و شامل تجهیزات زیر می‌شود:

1. منبع تامین‌کننده آب
2. شیر کنترلی
3. هشداردهنده جریان آب
4. شیر تخلیه

بخشی از شبکه لوله‌کشی سیستم اسپرینکلر که بالاتر از سطح زمین قرار دارد، بر اساس روش‌های مخصوص یا محاسبات هیدرولیکی طراحی شده است و معمولا در بالای سقف ساختمان، سازه یا ناحیه نصب می‌شود و با الگوی سازمان‌یافته‌ای به اسپرینکلرها متصل شده است.

[NFPA 13, 2019: 3.3.206]

تعریف فوق شرح حال کلی از سیستم‌های اسپرینکلر را نشان می‌دهد و مشخص می‌کند حداقل چه تجهیزاتی باید در سیستم اسپرینکلر وجود داشته باشند.
این تعریف شامل تمام سیستم‌های اسپرینکلر می‌شود. یعنی هر کدام از سیستم‌های اسپرینکلر حداقل باید دارای منبع تامین آب، شیر کنترلی، وسیله هشدار دهنده جریان آب و اتصال تخلیه باشند. در اینجا توجه شود که منظور استاندارد NFPA 13 از شیر کنترلی همان شیر قطع‌ووصل جریان آب است و با تعریف متداول آن در صنایعی مثل نفت و پتروشیمی تفاوت می‌کند.

شیر کنترلی بر اساس استاندارد NFPA 13، شیری است که با آن جریان آب را در سیستم‌های حفاظت در برابر آتش‌سوزی آبی کنترل می‌کنند.

[NFPA 13: 3.3.46]

سیستم اسپرینکلر لوله تر (Wet Pipe System)

سیستم اسپرینکلر لوله تر، ارزان‌ترین، رایج‌ترین، ساده‌ترین از لحاظ طراحی، نصب، تعمیرات و نگهداری و مطمئن‌ترین سیستم در مقایسه با دیگر سیستم‌های اسپرینکلر است و درصورتی‌که منعی برای استفاده از آن وجود نداشته باشد، مثلا احتمال یخ‌زدگی آب در لوله‌ها، باید به‌عنوان انتخاب اول مدنظر قرار گیرد. ویژگی‌های اصلی این سیستم عبارتند از:

• اسپرینکلرها از نوع خودکار (بسته) هستند.
  این ویژگی باعث می‌شود که در زمان آتش‌سوزی تنها همان اسپرینکلرهایی باز شوند که در معرض حرارت قرار گرفته‌اند و بدین ترتیب خسارت ناشی از پاشش آب به ناحیه به حداقل می‌رسد.
• در تمام شبکه لوله‌کشی، از منبع تا اسپرینکلر، آب وجود دارد.
  این ویژگی باعث می‌شود که به محض باز شدن اسپرینکلر، آب در ناحیه تخلیه شود و تاخیری بابت عبور آب در لوله‌کشی و رسیدن آب به ناحیه وجود نداشته باشد.

وسیله هشداردهنده در سیستم اسپرینکلر Wet

در سیستم‌های اسپرینکلر، وسیلهٔ هشداردهنده ممکن است از نوع مکانیکی یا الکتریکی باشد.
در شکل زیر نمونه زنگ مکانیکی موتور آبی (Water motor gong) نشان داده شده است که در آن جریان آب باعث چرخش پره‌ها و ایجاد صدای زنگ می‌شود. در سیستم اسپرینکلر لوله تر، این وسیله باید بر روی Alarm Check Valve نصب شود.

تشخیص فعال شدن سیستم به‌صورت الکتریکی نیز با سوییچ جریان (Flow switch) یا سوییچ فشار (Pressure switch) صورت می‌گیرد که نمونه‌هایی از آن‌ها در شکل زیر نشان داده شده است.

شیر یک‌طرفه هشداردهنده (Alarm Check Valve)

استفاده از شیر یک‌طرفه هشداردهنده در سیستم‌های اسپرینکلر لوله تر بسیار رایج است، به‌طوری‌که گاهی به‌عنوان شیر سیستم لوله تر (Wet pipe system valve) نیز شناخته می‌شود. این شیر در واقع ترکیبی از چند وسیله مورد نیاز سیستم اسپرینکلر، مثل شیر یک‌طرفه، وسیله هشداردهنده، فشارسنج و شیر تخلیه است که به‌صورت یک‌جا عرضه می‌شود. در شکل زیر نمونه‌ای از این شیر نشان داده شده است.

هدف اصلی استفاده از شیر یک‌طرفه هشداردهنده، ایجاد سازوکار مناسب برای فعال کردن وسیله هشداردهنده در زمان آتش‌سوزی است. بدین ترتیب که در این وسیله با فعال شدن سیستم اسپرینکلر، آب در مسیری فرعی راه پیدا می‌کند و این جریان فرعی می‌تواند موتور زنگ مکانیکی را به حرکت درآورد یا موجب فعال شدن سوییچ فشار شود.

مطابق با استاندارد NFPA 13 استفاده از شیر یک‌طرفه هشداردهنده الزامی نیست ولی باید توجه شود که هر نوع وسیلهٔ هشداردهنده‌ای که در سیستم‌های اسپرینکلر استفاده می‌شود، باید فهرست‌شده باشد.
مطابق با این استاندارد، وسیلهٔ هشداردهنده در سیستم‌های اسپرینکلر لوله تر باید از نوع «شیر یک‌طرفه هشداردهنده» یا هر وسیله فهرست‌شده دیگر با قابلیت شناسایی جریان آب باشد.[NFPA 13, 2019: 16.11.3.1]
برای مثال، سوییچ جریان (Flow Switch) متصل به سیستم اعلان حریق مرکزی نیز همین کار را انجام می‌دهد، ولی اگر بخواهیم از زنگ‌های مکانیکی یا سوییچ فشار استفاده کنیم، به این وسیله نیاز خواهیم داشت. لازم به ذکر است بر اساس ضوابط ملاک عمل سامانه‌های اطفاء حریق سازمان آتش‌نشانی و خدمات ایمنی شهرداری تهران، استفاده از زنگ مکانیکی در ابتدای رایزر برای تصرف‌های S3 الزامی است.

سیستم اسپرینکلر لوله خشک (Dry Pipe System)

سیستم اسپرینکلر لوله خشک پس از سیستم لوله تر، بیشترین کاربرد را بین سیستم‌های اسپرینکلر دارد.
از این سیستم فقط باید در مکان‌هایی استفاده شود که در آن دمای محیط ممکن است به کمتر از چهار درجه سانتی‌گراد برسد و احتمال بخ‌زدگی آب وجود داشته باشد. ویژگی‌های اصلی این سیستم عبارتند از:

• همانند سیستم لوله تر، اسپرینکلرها از نوع بسته یا همان خودکار هستند.
  بنابراین در این سیستم نیز با پیشروی آتش و گرما در محیط، تنها همان اسپرینکلرهایی که در معرض گرمای آتش قرار گرفته‌اند باز خواهند شد.
• در اینجا شبکه لوله‌کشی به جای آب، با هوا یا نیتروژن تحت فشار پر می‌شود.
  بنابراین با باز شدن اسپرینکلرها ابتدا هوای داخل شبکه لوله‌کشی خارج و پس از گذشت مدت‌زمانی نسبتا کوتاه، تخلیه آب در ناحیه شروع می‌شود. این تأخیر بزرگ‌ترین نقطه ضعف سیستم لوله خشک به حساب می‌آید.

سیستم لوله خشک در مقایسه با سیستم لوله تر پیچیده‌تر است و بنابراین از لحاظ طراحی، نصب، تعمیرات و نگهداری نیاز به دقت عمل بیشتری دارد.

سیستم اسپرینکلر لوله خشک تنها در جایی باید استفاده شود که امکان گرم نگهداشتن تجهیزات به‌منظور جلوگیری از یخ‌زدن آب وجود ندارد. حتی درصورتی‌که پس از نصب سیستم خشک شرایط لازم برای نصب سیستم لوله تر فراهم شده باشد، بهتر است سیستم اسپرینکلر لوله تر جایگزین سیستم قبلی شود.
همچنین اگر استفاده از سیستم لوله تر برای بخش‌هایی از ساختمان امکان‌پذیر باشد، بهتر است از ترکیب سیستم لوله خشک به همراه سیستم لوله تر استفاده شود.

در سیستم لوله خشک، آب و هوای داخل لوله‌ها توسط یک شیر تناسبی (Differential valve) از هم جدا می‌شوند. این شیر هوای با فشار کمتر را در مقابل آب با فشار بیشتر نگه می‌دارد. نسبت دقیق بین این دو فشار توسط سازنده شیر مشخص می‌شود ولی معمولاً به نسبت ۱ به ۴ یا ۱ به ۵ است. درصورتی‌که یکی از اسپرینکلرها باز شود، فشار هوا کاهش می‌یابد و افزایش اختلاف فشار به‌وجودآمده، موجب بازشدن شیر سیستم خشک می‌شود. نمونه‌ای از شیر سیستم خشک در شکل زیر نشان داده شده است.

سیستم اسپرینکلر پیش عملگر (Pre-action System)

در سیستم‌های اسپرینکلر لوله تر و لوله خشک، وظیفه شناسایی آتش‌سوزی تنها بر عهده خود اسپرینکلر است، ولی در سیستم‌های پیش‌عملگر، علاوه بر اسپرینکلر یک سیستم کشف حریق کمکی (Supplemental detection system) نیز وجود دارد. این سیستم در مقایسه با سیستم‌های لوله تر و لوله خشک تجهیزات و پیچیدگی‌های بیشتری دارد که باید به آن‌ها توجه شود. ویژگی‌های اصلی این سیستم عبارتند از:

• همانند سیستم‌های اسپرینکلر لوله تر و لوله خشک، اسپرینکلرها از نوع خودکار (بسته) هستند.
• مانند سیستم لوله خشک، شبکه لوله‌کشی به جای آب با هوا پر می‌شود، ولی بر خلاف آن لازم نیست که هوا حتماً تحت فشار باشد.
• نوعی سیستم کشف حریق کمکی در همان ناحیه‌ای که اسپرینکلرها در آن قرار دارند نصب می‌شود.

رایج‌ترین سیستم کشف حریق استفاده‌شده در سیستم‌های پیش‌عملگر، کاشف‌های دود (Smoke detectors) هستند، هرچند از دیگر روش‌های نیوماتیک، هیدرولیک، کاشف‌های حرارتی و غیره نیز می‌توان برای این منظور استفاده کرد.
سیستم کشف حریق کمکی باید تمام فضاهایی را که در آن اسپرینکلر وجود دارد، پوشش دهد.

انواع سیستم‌های پیش‌عملگر

سیستم‌های پیش‌عملگر بسته به نوع تعامل بین سیستم کشف حریق کمکی و اسپرینکلرها با شیر سیستم پیش‌عملگر به سه دسته تقسیم می‌شوند: [NFPA 13, 2019: 8.3.2.1]

1. سیستم‌های پیش‌عملگر هم‌بند تکی (Single interlock system)
   شیر پیش‌عملگر فقط با فعال شدن سیستم کشف حریق کمکی فعال می‌شود و باز شدن اسپرینکلرها تأ‌ثیری روی آن ندارد.
   در این حالت، اگر اسپرینکلرها به دلایلی به‌جز آتش‌سوزی، مثلاً آسیب فیزیکی، باز شوند، شیر پیش‌عملگر همچنان بسته باقی خواهد ماند و اجازه تخلیه آب در ناحیه داده نمی‌شود. همچنین اگر سیستم کشف حریق کمکی نیز به اشتباه فعال شود، آب فقط تا پشت اسپرینکلر راه پیدا می‌کند و به دلیل بسته بودن اسپرینکلرها در ناحیه تخلیه نخواهد شد. از این موضوع می‌توان برای اطمینان از تخلیه آب، فقط در هنگام آتش‌سوزی، در مکان‌هایی مثل اتاق‌های برق، کامپیوتر و مکان‌های دیگری که پاشش آب موجب خسارت می‌شود استفاده کرد.
   همچنین سرعت عملکرد این سیستم نسبت به سیستم اسپرینکلر لوله خشک بیشتر است و در مواردی می‌تواند جایگزین مناسبی برای سیستم لوله خشک باشد.
   از یک شیر سیلابی (Deluge valve) می‌توان به عنوان شیر سیستم پیش‌عملگر هم‌بند تکی استفاده کرد.
2. سیستم‌های پیش‌عملگر بدون هم‌بند (Non-interlock system)
   فعال شدن هر کدام از سیستم کاشف حریق یا اسپرینکلر باعث باز شدن شیر پیش‌عملگر می‌شود.
   سیستم پیش‌عملگر بدون ‌هم‌بند، در مقایسه با سیستم هم‌بند تکی، حساسیت بیشتری دارد زیرا تنها در صورت بازشدن اسپرینکلر نیز سیستم فعال می‌شود و منتظر سیستم کشف حریق کمکی نمی‌ماند. بنابراین در مواقعی که به اطمینان بیشتری برای فعال‌شدن شیر نیاز باشد، این سیستم می‌تواند جایگزین مناسبی برای سیستم‌های اسپرینکلر لوله خشک باشد.
3. سیستم‌های پیش‌عملگر هم‌بند دوتایی (Double interlock system)
   برای فعال شدن شیر پیش‌عملگر باید سیستم کاشف حریق کمکی و اسپرینکلر هم‌زمان فعال شده باشند.
   به دلیل اینکه پس از فعال شدن سیستم هم‌بند دوتایی، باید مدت‌زمان مشخصی صرف کاهش فشار و خالی شدن هوای داخل لوله‌ها شود، این سیستم از نظر زمان تخلیه آب، رفتاری شبیه سیستم لوله خشک از خود نشان می‌دهد و به همین سبب، تمام الزامات مربوط به سیستم اسپرینکلر لوله خشک، مانند الزامات مربوط به اندازهٔ سیستم و زمان تخلیه آب از اتصال آزمون، در این سیستم نیز باید رعایت شود.
   سیستم هم‌بند دوتایی در مکان‌هایی استفاده می‌شود که ضرورت ایجاب ‌کند از ورود آب به شبکه لوله‌کشی، مگر در شرایط واقعاً اضطراری، جلوگیری شود. یکی از کاربردهای معمول این سیستم در سردخانه‌های زیر صفر درجه است. برای مثال، دمای سردخانه‌هایی که برای نگهداری مواد غذایی از آن‌ها استفاده می‌شود تا ۱۲- درجه سانتی‌گراد یا کمتر نیز می‌رسد. در این شرایط اگر آب به هر دلیلی وارد لوله‌ها شود، به‌سرعت یخ می‌زند و چاره‌ای وجود ندارد مگر اینکه لوله‌ها از سیستم جدا، کاملاً تخلیه و خشک و دوباره سر جای خود نصب شوند.
   

سیستم سیلابی (Deluge System)

در شکل زیر نمونه ای از شیر Deluge نشان داده شده است.سیستم سیلابی (Deluge system) معمولاً برای نواحی با خطر بسیار زیاد استفاده قرار می‌شود و مشخصه اصلی آن وجود اسپرینکلرهای باز (Open sprinklers) است. ویژگی‌های اصلی این سیستم به این شرح است:

• بر خلاف سیستم‌های دیگر، در سیستم‌های سیلابی از اسپرینکلرهای باز استفاده می‌شود.
  بنابراین در صورت فعال شدن سیستم، آب هم‌زمان از تمام اسپرینکلرهای نصب‌شده در ناحیه تخلیه می‌شود.
• در این سیستم، همانند سیستم‌های پیش‌عملگر، سیستم کشف حریق وجود دارد که در صورت فعال شدن، به شیر سیلابی (Deluge valve) فرمان باز شدن می‌دهد.
• با فعال‌شدن شیر سیلابی، آب در شبکه لوله‌کشی جریان می‌یابد و از آنجا که اسپرینکلرها از نوع باز هستند، از تمام اسپرینکلرها به‌طور هم‌زمان آب تخلیه می‌شود.