消防自动喷水灭火系统的探讨

2011-05-15李容

水上消防 2011年3期

□李容

在众多的灭火剂中，水是最廉价的，而且以水为灭火剂的消防设备使用方便，灭火效果好，器材简单。因此建筑消防给水系统一直是国内外建筑消防灭火的主要设施。建筑消防给水系统主要有消火栓灭火系统和自动喷水灭火系统两类。两者相比，消火栓灭火系统设备简单、投资省，是目前国内主要的消防给水设施，其缺点是普通民众无法使用，延误了灭火时间。随着改革开放的深入和我国国力的增强，自动喷水灭火系统已广泛应用于工程建设中，可将火灾损失减少到最低限度。

一、自动喷水灭火系统的发展及应用

（一）自动喷水灭火系统的发展应用历史

19世纪50年代，西方就有人在火灾危险和人员不易到的地方，采用穿孔管灭火，每根穿孔管设一个阀门，将阀门设置在容易操作的专门房间内，以便控制各穿孔管喷水灭火。这可看作自动喷水灭火系统的雏形。经过一百多年的发展，自动喷水灭火系统的技术已达到很高的水平，在喷头、阀门、系统监督、管网设计等方面进行的大量研制工作，使产品达到标准化、系列化、多样化，产品质量越来越好，安全性大大提高。

自动喷水灭火系统因其较高的灭火成功率在保护人身和财产安全方面得到广泛应用，并取得明显的社会效益和经济效益。我国从20世纪30年代起，在上海等城市的少数建筑中，已应用从国外引进的自动喷水灭火系统。从20世纪50年代起至今，已有几十年的设计、安装、调试、管理等方面经验，目前在设计技术、配套产品国产化、控制技术自动化、程序化等方面都积累了相当丰富的经验。

我国的《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》明确了自动喷水灭火系统的设置场所和部位，特别重视了在高层建筑、火灾危险性较大的工业厂房等建筑物的应用。2002年4月颁布的《建筑设计防火规范》等四项国家标准局部修订条文，特别强调了在地下建筑和歌舞、娱乐、放映、游艺等公共活动场所设置自动喷水灭火系统。2006年7月12日进一步规定了在地下、半地下或地上四层及四层以上或在建筑首层、二层和三层且任意一层建筑面积大于300 m2的地上歌舞娱乐放映场所应设置自动喷水灭火系统。我国已有多起由自动喷水灭火系统有效阻止火灾蔓延的案例。如沈阳市中兴百货商场、辽阳新世纪酒店等处，都是自动先开启闭式喷头来扑灭火灾的。系统的给水方式明确了稳高压给水系统，并采取了保证给水可靠的相关措施。对于自动喷水灭火系统消防泵的启动控制，除了由单一的压力开关控制外，还有两组压力开关控制方式。在每个报警阀组的给水最不利点，均设末端试水装置，以利于系统的检测，加强了系统平时的维护管理。

（二）自动喷水灭火系统技术的发展

1.自动喷水灭火系统技术在水灭火系统中地位的加强。自动喷水灭火系统技术的优越性，决定了它在水灭火系统中的地位。消火栓给水系统虽然在造价上相对较低，但它需要消防专业人员使用，且在扑灭火灾的速度和灭火的效果上不如自动喷水灭火系统好。

1999年全国共发生火灾179 955起，死2 744人，伤4 572人，直接财产损失14.3亿元。其中，特大火灾85起，与上年相比上升9%。主要表现在商场、宾馆饭店、公共娱乐场所、易燃易爆物品生产、经营单位的火灾较突出。而城市公共消防设施和消防装备建设严重滞后是造成特大火灾的主要原因。因此，建议我国的水灭火系统逐步向以自救为主的自动喷水灭火系统过渡，辅以简化的消火栓给水系统或消防软管卷盘。强化、完善自动喷水灭火系统的设计，扩大其应用范围。

2.拓展自动喷水灭火系统在消防领域中的研究。自动喷水灭火系统技术应配合以性能为基础的消防设计的研究，探讨自动喷水灭火系统与人员安全疏散（控火）和财产保护（灭火）的关系，加强计算机对火灾模型、自动喷水灭火过程的模拟和计算，以作为火灾安全学的技术依据，进行有效的性能设计。系统技术的研究还涉及到它对火灾烟气蔓延的削减和控制。从定性分析转化为定量分析。此外，综合分析自动喷水灭火系统与其他消防措施之间的关系。如防火分区、防火分隔的处理，从宏观上优化、协调建筑物内的消防配置。

明确自动喷水灭火系统在消防中的作用，将从纯粹的被动消防转化为被动消防与主动消防的结合。特别是在无人值班的场所，设置自动喷水灭火系统比设置火灾自动报警系统更有效。现行修改的规范正在扩大自动喷水灭火系统的设置，正是说明了这一点。

研究自动喷水灭火系统的机理，拓展它在水灭火系统中的其它功能，进一步发挥自动喷水灭火系统技术的作用。高压细水雾灭火系统就是其中的一例。

高压细水雾灭火系统是一种平均水滴直径一般为40 μm～200 μm的超细水雾作用的高压灭火系统，其作用原理主要是冷却和稀释作用。细水雾表面积大，能有效地吸收火灾中的热量；高密度的细水雾悬浮在空中，能降低火灾现场氧的浓度。高压细水雾是喷淋和气体灭火剂的有效替代。其优点主要表现在：高动能、小水滴的优越性能，即用水量小、减少水渍损失；灭火过程中对人员、设备、财产和环境无危害；具有防止复燃的高冷却性能；同时还具有独特的烟雾削减功能，有利于人员的安全疏散。它是自动喷水灭火系统技术发展出的有效的系统方式之一。

3.完善系统自身的可靠性。自动喷水灭火系统存在的问题将在发展中得到完善。同时，系统按需加强自身的可靠性。一方面表现在，通过喷水灭火机理的研究，针对不同火灾场所的火灾负荷、发展、蔓延过程，决定采用不同类型的喷水灭火方式。如大空间采用大水滴喷头系统，通讯机房和柴油发电机房采用高压细水雾系统，住宅设置专用的喷淋系统。系统向专业化方向发展。另一方面表现在，系统给水可靠性的增加。如系统的配水干管在报警阀组前成环状管网布置，在水流指示器后的给水管道采用环状、网状布置，以加强系统给水的可靠度，体现自动喷水灭火系统在水灭火系统中的主导地位。

4.发挥保险业在自动喷水灭火系统技术中的作用。保险业介入消防领域是市场经济下的消防监督社会化。这有利于发挥保险公司对消防安全和经济发展的杠杆作用。在国外，安装了自动喷水灭火系统的建筑物可以在保险费方面取得一定的折扣。如美国，每100美元资产平均保险费为0.3美元，在设置自动喷水灭火系统等技术措施后，可降为0.03美元。保险费的降低，可在一段时间后抵消自动喷水灭火系统安装的支出。保险业在自动喷水灭火系统中的作用还在于促进系统技术的研究、加强系统技术的应用、强化自动喷水灭火系统的检测与日常维护，深人系统的经济性研究，以降低消防风险，达到降低保险公司的理赔风险的目的。引入保险业参与消防，可形成政府、业主和保险互相促进、互惠互利、相互制约的新型消防发展模式。

二、自动喷水灭火系统的分类、原理及结构

（一）喷水灭火系统分类

自动喷水灭火系统，按喷头的开闭形式，分为闭式自动喷水灭火系统和开式自动喷水灭火系统两大类。前者包括湿式、干式、干湿式、预作用系统、重复启闭预作用系统等，后者包括雨淋喷水灭火系统、水幕系统、水喷雾灭火系统、细水雾灭火技术等。目前我国普遍使用湿式系统、干式系统、预作用系统以及雨淋系统和水幕系统。

1.闭式自动喷水灭火系统。

（1）湿式自动喷水灭火系统。该灭火系统由闭式洒水喷头、水流指示器、湿式报警阀组以及管道和供水设施等组成，其管道内始终充满水并保持一定的压力，是世界上使用时间最长、应用最广泛、控火灭火率最高的一种闭式自动喷水灭火系统。与其他自动喷水灭火系统相比较，结构相对简单，处于警戒状态时，由消防水箱或稳压泵、气压给水设备等稳压设施维持管道内充水的压力。发生火灾时，由闭式喷头探测火灾，水流指示器报告起火区域，报警阀组或稳压泵的压力开关输出启动供水泵信号，完成系统的启动。系统启动后，由供水泵向开放的喷头供水，开放的喷头将供水按不低于设计规定的喷水强度均匀喷洒，实施灭火。由于经常低于4℃的场所有使管内充水冰冻的危险，而高于70℃的场所管内充水汽化的加剧有破坏管道的危险，所以湿式系统适合在温度不低于4℃，不高于70℃的环境中使用（不能用水扑救的场所除外）。

（2）干式、干湿式自动喷水灭火系统。干式灭火系统是除湿式系统以外使用历史最长的一种闭式自动喷水灭火系统，干湿式自动喷水灭火系统是在干式系统的基础上，为了克服干式系统控火灭火率较低的缺点而产生的。在冬季，系统管网中充以有压气体，系统为干式系统。在温暖季节，管网中充以压力水，系统为湿式系统。为便于在湿式系统改为干式系统时放空管道积水，干湿式系统应采用直立型喷头或干式下垂型喷头。管道也应以一定坡度敷设，并应采取可能的放空管道积水的措施。

（3）预作用自动喷水灭火系统。该灭火系统克服了干式喷水灭火系统控火灭火率低、湿式系统易产生水渍损失的缺陷，可以代替干式系统提高灭火速度，也可代替湿式系统用于管道和喷头易于损坏而产生漏水、以致造成严重水渍的场所，还可用于对自动喷水灭火系统安全要求较高的建筑物中。

（4）重复启闭预作用系统。该灭火系统的特征可以概括为如下几点：①当非火灾时喷头意外破裂，系统不会喷水。②发生火灾时专用探测器可以控制系统排气充水，必要时喷头破裂及时灭火。③当火灾扑灭环境温度下降后专用探测器可以自动控制系统关闭，停止喷水，以减少火灾损失。④当火灾死灰复燃时，系统可以再次启动灭火。其适用场所为必须在灭火后及时停止喷水的场所。

（5）自动喷水—泡沫联用灭火系统。该灭火系统中配置可供给泡沫混合液的设备组成，既可喷水又可喷泡沫的固定灭火系统。

2.开式自动喷水灭火系统。

（1）雨淋系统。该灭火系统所使用的喷头为开式喷头，火灾发生时，系统保护区上方的所有喷头一起喷水灭火，形似下雨降水。雨淋系统通常由三部分组成：①火灾探测传动控制系统；②自动控制雨淋报警阀系统；③具有开式喷头的自动喷水灭火系统。由于采用火灾探测传动装置来控制系统的开启，从火灾发生到火灾探测装置动作开启雨淋系统灭火的时间比闭式系统喷头开启的时间短。如果采用充水式雨淋系统，其反应速度更快，更有利于快速出水灭火。雨淋系统灭火控制面积大，用水量大。由于开式喷头向系统保护区域上同时喷水，能有效地控制住火灾，防止火灾蔓延。

（2）水幕系统。该灭火系统由水幕喷头、管网、雨淋阀 (或者手动快开阀)、供水设备和探测报警装置等组成。水幕系统不能直接用来扑灭火灾，只用作防火隔断或进行局部降温。在高层建筑中一般用于保护门、窗或其他孔洞等。

（3）水喷雾灭火系统。该灭火系统在组成上与雨淋系统相似，所不同的是该系统使用的是一种喷雾喷头，这种喷头有螺旋状叶片，当有一定压力的水通过喷头时，叶片旋转，在离心力作用下，同时产生机械撞击作用和机械强化作用，使水形成雾状喷向被保护部位。

此外，在自动喷水灭火系统中还运用到细水雾灭火技术，是利用水雾喷头在一定水压下将水流分解成细小水雾滴进行灭火或防护冷却的一种固定式灭火技术，该技术是在自动喷水灭火技术的基础上发展起来的，具有无环境污染 (不会损耗臭氧层或产生温室效应)、灭火迅速、耗水量低、对防护对象破坏性小的特点，在喷水灭火系统中占有重要的地位，已被看作是卤代烷系列灭火剂的主要替代品。

（二）自动喷水控制原理

在报警阀的上下管道内经常充满压力水，在火灾发生时，由于火场环境温度的升高，闭式喷头玻璃球内液体膨胀，玻璃球炸裂，喷头打开喷水，即开始灭火（见图1）。管网中的水由静止变为流动，水流指示器被流动的水感应后动作把水流信号转变为开关量报警信号，送入控制器，在报警控制器上指示某一区域已在喷水。喷头持续喷水造成报警阀上部水压低于下部水压，这种压力差达到一定值时，原来处于关闭状态的阀片自动开启，压力水通过报警阀流向喷水系统的干管和配水管，同时通过专用细管进入延时器，经延时确认，进入水力警铃和压力开关，发出声音报警信号，同时压力开关动作，将压力下降的信号变为开关量报警信号，送入报警控制器。每个楼层有一个水流指示器，每个水流指示器有一个输入模块，当输入模块接收到水流指示器的动作信号后，通过总线信号输送到报警控制器；压力开关的动作信号也通过输入模块输送到报警控制器。两路信号通过主机逻辑编程，指令相应输出模块启动喷淋泵加压，使管网持续保持一定的压力，启泵电信号通过输入模块回馈到报警控制器并有显示。

图1 自动喷水灭火系统的工作原理流程图

（三）系统主要组件及作用

由联动型火灾报警控制器、手动紧急启停控制盘、水流指示器、压力开关、报警阀、延时器、喷头、管路、供水设施等组成。

1.联动型火灾报警控制器。联动型火灾报警控制器是一种能为探测器供电、接收、显示和传递火灾报警信号，并能对自动消防装置发出控制信号的装置。本文所述系统选用陆和公司的LH-160控制器，它是由地址编码两总线火灾探测报警与智能消防联动控制系统构成的控制器，包括主控板、驱动板、通信板和多功能板。采用多CPU工作，最大限度地保障了控制器的稳定运行，并加快了控制器的处理速度。设置在一层警卫室。

2.手动紧急启停控制盘。用于手动控制重要联动设备的启动或停止。当火灾事故发生后，根据实际需要，手动操作控制盘上的按钮，将现场的喷淋泵、消防泵启动或停止，并能显示其启动以及停止状态。设置在一层警卫室，紧靠报警控制器。

3.喷头。自动喷水灭火系统的喷头担负着探测火灾、启动系统和喷水灭火的任务，是系统的关键组件之一。根据结构和用途的不同有多种形式，常用的为玻璃球洒水喷头，由喷水口、玻璃球、框架、溅水盘、密封垫组成。

玻璃球是一个内装定量红色膨胀液体的热敏感组件，也称喷头释放机构，球内有一个小的气泡，正常状态下玻璃球顶住喷头的密封垫，当发生火灾时，球内的液体受热膨胀、压力升高，当压力达到规定值时，玻璃球爆裂，密封垫失去支撑，压力水喷出灭火。

4.报警阀。报警阀也是自动喷水灭火系统中的重要组件，平时始终处于关闭状态，只有火灾时才打开。主要作用是接通和切断水源、启动系统、启动水力警铃和压力开关报警。该装置设置在展示厅地下室的消防泵房。

5.喷淋水泵及水泵接合器。喷淋水泵是自动喷水灭火系统主要的供水设备，由主泵和备用泵两组组成，采用的是自灌式离心泵，以满足自动启动的要求。消防水泵接合器是自动喷水灭火系统的临时供水设备，共两个，每个水泵接合器的流量为10 L／s～15 L／s，设置在展示厅方便消防车连接的位置。

6.报警控制装置。报警控制装置在自动喷水灭火系统中担负着探测火情、发出警报、启动系统和对系统工作状态监控的作用，主要由水流指示器、压力开关、水力警铃、延时器和火警按钮组成。其中水流指示器安装在展示厅每层的配水干管上，共3个。压力开关、水力警铃、延时器均在地下室的消防泵房。火警按钮安装在每层东西两侧楼梯旁、一层大厅显著位置及地下室。

（1）水流指示器。水流指示器是一种可将水流动的信号转换为电信号的装置。其作用是当发生火灾喷头开启喷水或者管道发生泄漏故障时，水流就会流过装有水流指示器的管道，水流指示器即将水流信号转换为电信号送至报警控制器，显示喷头喷水的区域，起辅助电动报警的作用。

（2）压力开关。压力开关是自动喷水灭火系统中重要的水压传感继电器，与水力警铃统称为水力报警器。压力开关安装在延时器的上部。当系统开启喷水灭火时，在5 s～90 s内，管网内水压下降到一定值时，压力开关动作可将管内水压的变化转化为电信号，并配合水流指示器一起实现对喷淋水泵的自动控制。

（3）水力警铃。水力警铃是利用水流的冲击力发出声响的报警装置，安装在延时器之后。当管网内的水不断流动，延时器充满水后，水流就会向水力警铃和压力开关流动，这时在水流的冲击下，水力警铃就发出报警。

（4）延时器。延时器的作用是防止误报警。当报警阀因压力波动瞬间开启时，水首先进入延时器，此时由于进入延时器的水量很少，会很快通过延时器底部的泄水孔排出，不会进入水力警铃，从而起到防止误报警的作用。当发生火灾，喷头不间断喷水，报警阀会完全开启，水流就会连续不断地通过报警阀进入延时器，并在30 s～60 s充满延时器，一方面流向水力警铃冲击水力警铃，发出响亮铃声报警。同时，启动压力开关，发出开关电信号，向控制中心报警。

三、自动喷水灭火系统的优势

（一）技术可行性

1.自动喷水，及时灭火。自动喷水灭火系统靠喷头喷水灭火。喷头集火情探测和喷水灭火于一身，着火点产生的热量使其上方的喷头感温元件 (玻璃球或易熔金属)启动，喷头立即喷水灭火。其控火保证率可达95%以上。

2.同步报警，及时疏散。系统喷头喷水灭火的同时，水流指示器向消防控制中心报警，并显示着火地点。报警阀的压力开关也向消防控制中心报警并启动消防水泵，水力瞥铃同时发出报警声音，可使消防控制中心通过喇叭及时疏散人员。因此自动喷水灭火系统兼有报警和灭火的双重功能。

3.有效分割，有效控火。只要自动喷水灭火系统（含火灾自动报警）还能正常运转，喷头的自动动作也会将火灾控制在一定区域内，至少起到了建筑防火分割的作用。

4.自动灭火，保证安全。自动喷水灭火系统的自动化灭火方式，可把大量人工从这个危险的行业中解放出来，并且自动跟踪火势，形成对火势的包围分隔，充分利用消防原理中的时间因素，快速反应实施灭火，把火灾消灭在萌芽状态，这是其他系统无法比拟的。

（二）灭火的有效性

1.灭火有效率。消火栓是我国目前最基本的灭火设施，原理是人工开启水枪，通过喷水而达到灭火的目的。在多数情况下，人们看到起火后常以报警为主要措施。从接到火警到消防队到现场（含准备）至少需要10 min，往往失去了灭火的最佳时机。外加灭火过程的人工化，极易造成对消防队员的伤害。其控火保证率最高为86%。

自动喷水灭火系统则具有相当的优越性；喷水灭火自动化，不需要人工灭火；喷水灭火的时间早，火灾损失小；控火保证率高达95%以上。

2.防火有效性。自动喷水灭火系统阻隔火势蔓延的效率大大高于建筑防火分区系统。一旦火灾发生，着火点上方及其周围的温度就会上升，当喷头处的感应温度达到标准设定值时，便会自动喷水灭火。由于传热速度比燃烧速度快，故启动喷头的服务面积远远高于燃烧面积。由于喷水范围比燃烧面积大，故能有效地将火灾控制在一个远小于正常设置的防火分区内。

综上所述，从自动喷水灭火系统的造价和灭火性能方面看，这种系统确是一种经济合理、安全可行的固定式灭火系统，它具有很高的实用价值，因而必将拥有美好的发展前景。

四、自动喷水灭火系统将来的发展方向

自动喷水灭火系统具有很高的灭火、控火率，且不污染环境，与气体灭火系统相比较为经济，广泛应用于各类建筑的消防保护，其设置已成为建筑等级的重要标志之一。建筑火灾隐患和危险性也将不断增大，国家也越来越重视消防安全。这些对自动喷水灭火系统提出了新的要求，必将促使其更加发展、完善，并开辟广阔的应用前景，使其向综合性多方向发展，不断扩展其应用范围。