簡易自動(dòng)噴淋系統(tǒng)滅火有效性研究

王旭等

摘 要： 小微旅館多建設(shè)在居民區(qū)中，空間相對狹小，消防設(shè)施無配套，安全隱患多，發(fā)生火災(zāi)時(shí)易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的惡性事故。本文采用實(shí)體實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對小微旅館的火災(zāi)過程進(jìn)行了再現(xiàn)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于市政供水管網(wǎng)的簡易自動(dòng)噴淋系統(tǒng)對房間內(nèi)部火焰抑制以及溫度場分布、能見度改善的有效性。結(jié)論表明：應(yīng)用市政管網(wǎng)供水、采用直立式噴頭的簡易自動(dòng)噴淋系統(tǒng)能夠有效的實(shí)施滅火，可以為人員疏散、火災(zāi)撲救的外部干預(yù)贏得足夠的時(shí)間。

關(guān)鍵詞： 簡易滅火系統(tǒng)；低壓水源；火災(zāi)實(shí)體實(shí)驗(yàn)；FDS數(shù)值模擬

引言

近年來，由于經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的發(fā)展，人員流動(dòng)量迅速增加，商業(yè)街、醫(yī)院、火車站、高校附近的小微旅館全國各地中小型旅館火災(zāi)事故頻發(fā)，給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的威脅；另一方面消防安全監(jiān)管的事實(shí)“盲區(qū)”。

2009年12月22日，湖南省茶陵縣一家名為“萬人迷”的小型休閑中心發(fā)生火災(zāi)，過火面積70m2，造成了7死6傷的慘劇。2011年1月13日長沙名為西娜灣的小型賓館突發(fā)火災(zāi)造成10人死亡。2011年12月16日，四川綿陽高新區(qū)一居民樓3樓起火，致使4樓“常樂招待所”，事故造成3人死亡2人重傷，12月23日，高新區(qū)永興鎮(zhèn)方圓酒樓和聚龍?zhí)貌蛷d，又接連發(fā)生了兩起火災(zāi)。

對以上發(fā)生的事故，對已經(jīng)投入使用、經(jīng)營的場所，另其按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求增設(shè)固定滅火系統(tǒng)具有難度。

因此，防止此類事故慘劇，需要研究小微旅館火災(zāi)發(fā)展的規(guī)律，結(jié)合實(shí)際情況，探索小微旅館火災(zāi)的防治對策具有現(xiàn)實(shí)意義。事故案例表明：民建火災(zāi)由于缺少火情發(fā)生初期控制措施，火焰蔓延快，煙氣產(chǎn)生量大，致災(zāi)性強(qiáng)。

簡易消防滅火系統(tǒng)，能夠在火情發(fā)生時(shí)第一時(shí)間響應(yīng)，有效控制火場溫度、煙氣量，抑制火情發(fā)展。為火場人員逃生和消防救援力量贏得寶貴時(shí)間。

針對小微旅館的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)控制，美國國家防火協(xié)會(huì)以NFPA13D《一戶或兩戶家庭住宅和活動(dòng)房屋的自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)的安裝標(biāo)準(zhǔn)》給出了居住建筑應(yīng)自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)的技術(shù)要求。楊培培等利用FDS軟件對宿舍火災(zāi)進(jìn)行模擬，分析了噴淋對火災(zāi)發(fā)生后火場的溫度分布影響。 張兆憲在對簡易自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)噴頭選用的思考中提出了噴頭的選用的要點(diǎn)[3]。羅武明在簡易自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)的應(yīng)用及存在的問題中對簡易自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)濕式自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)的區(qū)別。[4]

1.簡易自動(dòng)噴淋系統(tǒng)及其特點(diǎn)

簡易自動(dòng)噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于消防工作的初期火情控制防止火焰蔓延是關(guān)鍵，火情發(fā)生后人員疏散是首先要完成的。

簡易自動(dòng)噴淋系統(tǒng)是區(qū)別與傳統(tǒng)意義自動(dòng)噴淋系統(tǒng)的消防滅火系統(tǒng)。簡易自動(dòng)噴淋系統(tǒng)是由噴頭、管網(wǎng)和滿足自動(dòng)給誰水源以及相關(guān)的系統(tǒng)組件組成。

系統(tǒng)工作原理為：火災(zāi)發(fā)生后，所產(chǎn)生的熱煙氣會(huì)使位于火災(zāi)區(qū)域內(nèi)的閉式噴頭的玻璃球爆破噴淋，水流指示器或壓力開關(guān)發(fā)出信號，同時(shí)保護(hù)區(qū)域內(nèi)的電源被切斷，火災(zāi)撲滅后可以手動(dòng)的關(guān)閉噴淋系統(tǒng)。另外，系統(tǒng)中可設(shè)有手動(dòng)報(bào)警功能，在識(shí)別火災(zāi)發(fā)生后，可以通過報(bào)警開關(guān)啟動(dòng)報(bào)警裝置，通知人們盡早離開火災(zāi)現(xiàn)場。系統(tǒng)應(yīng)該具有以下特點(diǎn)

（1）噴淋系統(tǒng)簡化 。采用設(shè)備配備相對簡單的濕式自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)，消防水池（箱）、消防泵、閥組及復(fù)雜的信號系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際要進(jìn)行簡化。

（2）給水管網(wǎng)簡化 。給水管網(wǎng)采用低壓供水，水源可以取自市政生活供水系統(tǒng)、室內(nèi)消火栓管道供水或屋頂水箱供水方式。根據(jù)城市供水有關(guān)規(guī)定和供水現(xiàn)狀，市政管網(wǎng)末端的壓力一般不低于0.15MPa，大部分在0.2MPa，最高的壓力可以達(dá)到0.4MPa。

若市政管網(wǎng)的壓力能滿足小旅館低壓噴淋滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，直接采用市政供水將是經(jīng)濟(jì)、方便的選擇。由于簡易自動(dòng)噴淋系統(tǒng)規(guī)模較小，若設(shè)獨(dú)立的消防給水管道系統(tǒng)，消防水池或消防泵房，與建筑實(shí)際情況不符合，且增加投資同時(shí)開啟的噴頭的數(shù)量根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)適當(dāng)限制，只考慮一個(gè)房間內(nèi)的噴頭數(shù)有可能同時(shí)開放，且最多開啟的噴頭數(shù)不多于4個(gè)。

（3） 噴頭的特點(diǎn)

a. 快速響應(yīng)；b.流量大；c.低壓噴淋特性好。

簡易自動(dòng)噴淋系統(tǒng)的關(guān)鍵是噴頭，為了有效地?fù)錅绯跗诨馂?zāi)，就需要在火災(zāi)發(fā)生后，噴頭能夠快速的響應(yīng)，而且短時(shí)內(nèi)撲滅初期火災(zāi)，系統(tǒng)由低壓管網(wǎng)給水，考慮其低壓特性，需采用流量系數(shù)大的噴頭。[7]

（4）系統(tǒng)安裝維護(hù) 。系統(tǒng)的安裝需要符合相關(guān)規(guī)范，安裝過程中應(yīng)該調(diào)研水源特性和建筑物特點(diǎn)，安裝時(shí)，需要專業(yè)人員在了解滅火系統(tǒng)的原理和性能的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)施工人員進(jìn)行安裝。 為了保證簡易自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)的良好運(yùn)行，使用或物業(yè)管理單位應(yīng)按照規(guī)程進(jìn)行維護(hù)、管理和保養(yǎng)。

（5）經(jīng)濟(jì)實(shí)用性 。設(shè)消防水泵房、消防水箱、控制室、水池等受經(jīng)濟(jì)條件和建筑物本身的承載能力、建筑周圍環(huán)境、結(jié)構(gòu)因素的制約無法實(shí)施。對自動(dòng)噴淋中一些設(shè)備設(shè)施進(jìn)行簡化，在一定程度上減少了使用成本，所以能夠在有效滅火的前提下發(fā)揮最大功能。 投資小、效果好、維護(hù)保養(yǎng)方便的簡易自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。

簡易噴淋系統(tǒng)所應(yīng)用的區(qū)域比較廣，對于建筑高度不超過24 m設(shè)有空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的旅館和小型旅館、商店、超市、辦公室、庫房、招待所旅館和餐廳、商店、庫房和小于1000 m2地下停車庫、兩層及兩層以上的磚木結(jié)構(gòu)建筑，對于建筑面積大于200 m2且未設(shè)有消防豎管的商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)，可以根據(jù)情況加以應(yīng)用。[5]

2.小微旅館FDS數(shù)值模擬

2.1 幾何模型的確定 。本文是以某小型旅館中的單人間來建立幾何模型，為此簡化該幾何模型如下圖2.1。具體家具布置如下圖所示。

2.2 模型初始條件設(shè)定 。模型選網(wǎng)格邊界大小為3.3m×3.2m× 2.5m ，設(shè)置火源位于床外側(cè)距離床頭三分之一處，熱釋放速率為1500KW/m2，火災(zāi)增長速率類型為t2快速火，邊界材料為石膏防火隔板。環(huán)境的初始溫度為20℃，噴頭的動(dòng)作溫度為68℃。模擬時(shí)間為1200s。

2.3 煙氣溫度變化過程分析 。仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置了兩組對比試驗(yàn)，第一組是無噴淋模型，第二組是有噴淋模型，在設(shè)定噴淋位置不變的條件下調(diào)節(jié)噴淋壓力的大小。在z=1.5m處生成能見度和溫度的切片，直觀的得到各個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律。

在無噴淋模擬中，火災(zāi)的發(fā)展分為四個(gè)階段，火災(zāi)初起階段較短，在發(fā)展階段內(nèi)時(shí)溫度在較短時(shí)間內(nèi)急劇上升到130℃，當(dāng)火災(zāi)達(dá)到最盛階段時(shí)，火災(zāi)發(fā)展到床尾時(shí)，溫度仍然有短時(shí)間的急劇上升，隨后隨著可燃物的減少溫度逐漸下降，室內(nèi)溫度一直保持在90℃。

在有噴淋的模擬中，火災(zāi)在發(fā)展階段時(shí)溫度逐漸上升，當(dāng)噴淋處溫度達(dá)到動(dòng)作溫度時(shí)，噴淋開啟，室內(nèi)的溫度急劇下降到45℃且保持到模型結(jié)束，且噴淋壓力越高，溫度下降越低，但滅火效果不是特別明顯，試驗(yàn)中噴淋作用下最低和最高的溫度的差值約9℃，溫度此時(shí)不是直接危害人員撤離的主要因素。

模擬結(jié)果對比圖如2.2所示，位于z=2.3m的10號點(diǎn)溫度在t=498.20s時(shí)上升到最大值153.82℃，t=601.21s時(shí)，有下降趨勢，t=948.01s溫度逐漸穩(wěn)定在85℃左右并持續(xù)到模擬結(jié)束。在有噴淋情況下，t=240.30s時(shí)噴淋開啟，火場溫度迅速下降，并在10s內(nèi)迅速下降到40℃左右，并持續(xù)到模擬結(jié)束，40℃在人體的可承受溫度范圍之內(nèi)，因此，噴淋開啟時(shí)可以有效的減少高溫對人體的傷害，防止火災(zāi)蔓延。如2.2圖所示，噴頭壓力最高，溫度下降的最快，滅火效果最好。

2.4 能見度變化規(guī)律分析 。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，為保證人員在火災(zāi)條件下安全疏散，火場內(nèi)的能見度需要在4m以內(nèi)。[6]模型的結(jié)果是在無噴淋的條件下，在23s內(nèi)煙氣層高度下降了1m，t=20s時(shí)，煙氣層下降至地面附近，能見度為0m，在有噴淋的條件下，噴淋沒有動(dòng)作時(shí)，煙氣層的變化情況和無噴淋是相同，240.3s噴淋開啟和后非火源區(qū)能見度上升，熱煙氣層控制在火源上方附近，為人的安全疏散創(chuàng)造便利條件。

3.小微旅館火災(zāi)場景構(gòu)建及滅火性能分析

3.1 實(shí)體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?gòu)建 。本文實(shí) 驗(yàn)實(shí)體模型幾何尺寸與仿真模型一致，在5.0×5.0×3.5 m實(shí)驗(yàn)空間中用石膏防火隔板建立實(shí)體模型，房間內(nèi)家具等采用火災(zāi)負(fù)荷等效方法設(shè)置。所用的床板的大小為1.9×1.2m，材質(zhì)為松木，棉被的重量為3.2kg，材質(zhì)為棉花，凳子和床頭柜有同重量的松木板組成，床墊是由相同荷載的聚苯乙烯泡沫板組成。

3.2 實(shí)驗(yàn)場所的布置 。火災(zāi)實(shí)驗(yàn)場所尺3.12m×3.12m×2.4m，面積為9m2，與實(shí)際情況基本相同，噴頭采用 開式快速響應(yīng)噴頭，下垂型，出水口徑11mm，68℃，K系數(shù)為80，采用單個(gè)噴頭，噴頭濺水盤與天花噴頭與地面的距離2.35m。溫度測量采用鎳鉻-鎳硅熱電偶，測溫范圍為0～1300℃。噴頭所在的位置在房間的天花板的幾何中心位置，能見度分析儀的接收端和發(fā)射端在房間的兩側(cè)，監(jiān)控位于觀察窗口一側(cè)。

3.3 火災(zāi)實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集 。實(shí)驗(yàn)在無風(fēng)條件下完成，環(huán)境溫度20℃，大氣壓力101.410KPa。文中通過控制水噴淋的壓力大小來對比不同壓力下的火場中的煙氣溫度場、能見度分布的情況。主要有6個(gè)工況點(diǎn)，具體如下表所示。

3.4 實(shí)體實(shí)驗(yàn)溫度和能見度分析 。點(diǎn)火源為添加煤油和酒精混合物的油盤，在距離床頭的1/3處的外側(cè)點(diǎn)燃火源，火源所產(chǎn)生的火焰引燃床單和棉被，并開始向床另一側(cè)開始蔓 延，在床板周邊的火焰比在床面上的火勢要猛烈，枕頭點(diǎn)燃后火勢火焰高度達(dá)到最大，火場的煙氣層高度迅速下降，能見度降低，在枕頭燃盡之后，火焰高度降低，火場的溫度達(dá)到最大，隨著火災(zāi)的擴(kuò)大，在向床尾蔓延的過程中火焰高度基本保持不變，能見度為零，火災(zāi)明火持續(xù)時(shí)間為20min左右，試驗(yàn)完成后床板和棉被、床墊、全部燃盡，所剩下的只有少量未完全燃燒的床板框架。

空白實(shí)驗(yàn)熱電偶的溫度曲線圖。綜合測試系統(tǒng)試驗(yàn)過程個(gè)測試點(diǎn)的溫度曲線如下圖所示，橫坐標(biāo)軸表示時(shí)間，單位為秒（s），縱坐標(biāo)表示溫度，單位為℃。

3.4.1實(shí)體實(shí)驗(yàn)火場溫度情況分析

如圖3.2所示，在無噴淋的工況點(diǎn)下，小旅館的火災(zāi)分為初期階段、猛烈階段和衰退階段，在初期階段400s內(nèi)，煙氣層主要積聚在頂棚附近，火場的傳熱方式為煙氣的對流傳熱，煙氣層上部的溫度最高，下層煙氣層溫度較低，煙氣層的溫度隨著高度的上升而逐漸上升。火災(zāi)在猛烈階段時(shí)，下部煙氣溫度開始急劇上升至526℃ 并高于上層煙氣層的溫度，火焰擴(kuò)散到床板的未燃燒側(cè)。隨著火災(zāi)的發(fā)展，火焰由床頭擴(kuò)散至床尾，進(jìn)入衰退階段，溫度也逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

如圖3.3所示，為有噴淋的工況點(diǎn)溫度變化圖，火災(zāi)初期火場的溫度主要由煙氣層起主要作用，z=1.2m到z=2.3m處的溫度依次升高，所有的工況點(diǎn)在t=237s～330s內(nèi)，頂層處煙氣的溫度都上升至70℃左右，噴淋開始動(dòng)作，煙氣溫度都迅速下降，在45s左右內(nèi)下降至25℃左右，為人體可承受的溫度。如圖3.5所示，其中壓力為0.225MPa的溫度下降的斜率最大，即滅火效果最好。

3.4.2 實(shí)體實(shí)驗(yàn)火場能見度分析。在無噴淋工況點(diǎn)下，點(diǎn)燃火源后煙氣迅速向上擴(kuò)散，形成煙氣層，在75s內(nèi)擴(kuò)散至整個(gè)火場?；饒鰞?nèi)部光透過率和能見度都隨時(shí)間明顯下降。煙氣中的CO是火災(zāi)中人員傷亡的主要因素之一，火場中能見度的降低使人員的逃生更加困難，火災(zāi)發(fā)生后，短時(shí)間內(nèi)煙氣的危險(xiǎn)性非常大。

在對比實(shí)驗(yàn)中，噴頭動(dòng)作后火場中煙氣的溫度迅速降低，火災(zāi)得到控制，煙氣層的積聚在頂棚附近非噴淋區(qū)域內(nèi)，在噴淋動(dòng)作后約200s內(nèi)，能見度有所增加，CO濃度迅速下降，光透過率和能見度有一定的回升。為人員的逃生創(chuàng)造有利的條件。

4.FDS數(shù)值模擬與實(shí)體實(shí)驗(yàn)和結(jié)果對比

（1）在無噴淋工況點(diǎn)下，實(shí)體實(shí)驗(yàn)中環(huán)境不確定性較多，用與燃燒的實(shí)驗(yàn)材料質(zhì)地不均勻，而FDS中火災(zāi)增長速率是確定值，所以與數(shù)值模擬相比下其溫升比較慢。（2）實(shí)體實(shí)驗(yàn)所測量的壓力為水源的壓力，即市政管網(wǎng)自來水供給處壓力，實(shí)體試驗(yàn)中管網(wǎng)設(shè)備壓力損失與實(shí)際壓頭損失幾乎相同，通過調(diào)研小旅館面積不超過200m2，[7]可以估測出所需水管的長度，可測供水網(wǎng)的壓頭損失約為0.09MPa，數(shù)值模擬時(shí)定義的壓力為噴頭壓力，因此存在一定的誤差。（3）在有噴淋工況點(diǎn)下，噴淋開啟前的溫升曲線相同，t=240.3s時(shí)噴頭動(dòng)作，實(shí)體試驗(yàn)中，環(huán)境的差異導(dǎo)致噴頭動(dòng)作的時(shí)間不相同，時(shí)間范圍為237～310s之間，與數(shù)值模擬相比，在可接受范圍內(nèi)。

5.結(jié)論

在對旅館FDS模擬和全尺寸模擬實(shí)驗(yàn)中，火災(zāi)發(fā)生后簡易自動(dòng)噴淋能夠及時(shí)有效抑制初期火災(zāi)的發(fā)展，降低溫度火場的溫度，為人員生存、疏散提供了良好的條件。

（1）簡易自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)的應(yīng)用范圍較廣，適用一些小型旅館、商店、超市、辦公室、庫房、招待所旅館和辦公室、餐廳、商店等，同時(shí)，低壓自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)具有實(shí)用性高、經(jīng)濟(jì)成 本低、使用效果好的特點(diǎn)。（2）自動(dòng)噴淋實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在水源壓力為0.125～0.225MPa時(shí)，K值為80的快速響應(yīng)噴頭等裝置組成的低壓噴淋滅火系統(tǒng)，在240s完全能夠撲滅初期火災(zāi)，且在一定的范圍內(nèi)，滅火效果與噴頭的壓力成正相關(guān)。（3）在低壓水源下，簡易自動(dòng)噴淋系統(tǒng)可以抑制火災(zāi)發(fā)展，在消防隊(duì)到達(dá)現(xiàn)場撲救之前能夠控制火勢，阻止火災(zāi)蔓延，為人員疏散創(chuàng)造有利條件。水噴淋開啟后，火場內(nèi)部的溫度迅速下降至可接受溫度，能見度回升。顯示小微旅館用簡易自動(dòng)噴淋系統(tǒng)撲滅初期火災(zāi)是可行的，提高了小微旅館的火災(zāi)安全性。 （作者單位：沈陽航空航天大學(xué)）

參考文獻(xiàn)：

[1] Systems in One-and Two-Family Dwellings and Manufactured Homes，2002 Edition

[2] National Fire Protection Association， Inc.《NFPA 13D，Standard for the Installation of Sprinkler

[3] 張兆憲，梁吉林，邵紅林.對簡易自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)噴頭選用的思考.2004

[4] 楊培培.噴淋對宿舍火災(zāi)特性影響的數(shù)值模擬.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù).淮南.2015.5

[5] 游求焱.淺析簡易自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)在城鎮(zhèn)建筑中的應(yīng)用2012.10

[6] GB50261《自動(dòng)噴淋滅火系統(tǒng)施工及驗(yàn)收規(guī)范》

[7] 朱鳴，《住宅噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討》，《給水排水》，29 卷，第 10 期，2003 年，100～102 頁；