简易自动喷淋系统灭火有效性研究

王旭等

摘 要： 小微旅馆多建设在居民区中，空间相对狭小，消防设施无配套，安全隐患多，发生火灾时易造成人员伤亡和财产损失的恶性事故。本文采用实体实验和数值模拟的方法对小微旅馆的火灾过程进行了再现，并实验验证了基于市政供水管网的简易自动喷淋系统对房间内部火焰抑制以及温度场分布、能见度改善的有效性。结论表明：应用市政管网供水、采用直立式喷头的简易自动喷淋系统能够有效的实施灭火，可以为人员疏散、火灾扑救的外部干预赢得足够的时间。

关键词： 简易灭火系统；低压水源；火灾实体实验；FDS数值模拟

引言

近年来，由于经济和城市建设的发展，人员流动量迅速增加，商业街、医院、火车站、高校附近的小微旅馆全国各地中小型旅馆火灾事故频发，给人民群众的生命财产安全造成了严重的威胁；另一方面消防安全监管的事实“盲区”。

2009年12月22日，湖南省茶陵县一家名为“万人迷”的小型休闲中心发生火灾，过火面积70m2，造成了7死6伤的惨剧。2011年1月13日长沙名为西娜湾的小型宾馆突发火灾造成10人死亡。2011年12月16日，四川绵阳高新区一居民楼3楼起火，致使4楼“常乐招待所”，事故造成3人死亡2人重伤，12月23日，高新区永兴镇方圆酒楼和聚龙堂餐厅，又接连发生了两起火灾。

对以上发生的事故，对已经投入使用、经营的场所，另其按照《建筑设计防火规范》、《自动喷水灭火系统设计规范》的要求增设固定灭火系统具有难度。

因此，防止此类事故惨剧，需要研究小微旅馆火灾发展的规律，结合实际情况，探索小微旅馆火灾的防治对策具有现实意义。事故案例表明：民建火灾由于缺少火情发生初期控制措施，火焰蔓延快，烟气产生量大，致灾性强。

简易消防灭火系统，能够在火情发生时第一时间响应，有效控制火场温度、烟气量，抑制火情发展。为火场人员逃生和消防救援力量赢得宝贵时间。

针对小微旅馆的火灾风险控制，美国国家防火协会以NFPA13D《一户或两户家庭住宅和活动房屋的自动喷淋灭火系统的安装标准》给出了居住建筑应自动喷淋灭火系统的技术要求。杨培培等利用FDS软件对宿舍火灾进行模拟，分析了喷淋对火灾发生后火场的温度分布影响。 张兆宪在对简易自动喷淋灭火系统喷头选用的思考中提出了喷头的选用的要点[3]。罗武明在简易自动喷淋灭火系统的应用及存在的问题中对简易自动喷淋灭火系统与标准湿式自动喷淋灭火系统的区别。[4]

1.简易自动喷淋系统及其特点

简易自动喷淋系统设计是基于消防工作的初期火情控制防止火焰蔓延是关键，火情发生后人员疏散是首先要完成的。

简易自动喷淋系统是区别与传统意义自动喷淋系统的消防灭火系统。简易自动喷淋系统是由喷头、管网和满足自动给谁水源以及相关的系统组件组成。

系统工作原理为：火灾发生后，所产生的热烟气会使位于火灾区域内的闭式喷头的玻璃球爆破喷淋，水流指示器或压力开关发出信号，同时保护区域内的电源被切断，火灾扑灭后可以手动的关闭喷淋系统。另外，系统中可设有手动报警功能，在识别火灾发生后，可以通过报警开关启动报警装置，通知人们尽早离开火灾现场。系统应该具有以下特点

（1）喷淋系统简化 。采用设备配备相对简单的湿式自动喷淋灭火系统，消防水池（箱）、消防泵、阀组及复杂的信号系统，可以根据实际要进行简化。

（2）给水管网简化 。给水管网采用低压供水，水源可以取自市政生活供水系统、室内消火栓管道供水或屋顶水箱供水方式。根据城市供水有关规定和供水现状，市政管网末端的压力一般不低于0.15MPa，大部分在0.2MPa，最高的压力可以达到0.4MPa。

若市政管网的压力能满足小旅馆低压喷淋灭火系统的设计要求，直接采用市政供水将是经济、方便的选择。由于简易自动喷淋系统规模较小，若设独立的消防给水管道系统，消防水池或消防泵房，与建筑实际情况不符合，且增加投资同时开启的喷头的数量根据实际情况应适当限制，只考虑一个房间内的喷头数有可能同时开放，且最多开启的喷头数不多于4个。

（3） 喷头的特点

a. 快速响应；b.流量大；c.低压喷淋特性好。

简易自动喷淋系统的关键是喷头，为了有效地扑灭初期火灾，就需要在火灾发生后，喷头能够快速的响应，而且短时内扑灭初期火灾，系统由低压管网给水，考虑其低压特性，需采用流量系数大的喷头。[7]

（4）系统安装维护 。系统的安装需要符合相关规范，安装过程中应该调研水源特性和建筑物特点，安装时，需要专业人员在了解灭火系统的原理和性能的基础上，指导施工人员进行安装。 为了保证简易自动喷淋灭火系统的良好运行，使用或物业管理单位应按照规程进行维护、管理和保养。

（5）经济实用性 。设消防水泵房、消防水箱、控制室、水池等受经济条件和建筑物本身的承载能力、建筑周围环境、结构因素的制约无法实施。对自动喷淋中一些设备设施进行简化，在一定程度上减少了使用成本，所以能够在有效灭火的前提下发挥最大功能。 投资小、效果好、维护保养方便的简易自动喷水灭火系统的主要特点。

简易喷淋系统所应用的区域比较广，对于建筑高度不超过24 m设有空气调节系统的旅馆和小型旅馆、商店、超市、办公室、库房、招待所旅馆和餐厅、商店、库房和小于1000 m2地下停车库、两层及两层以上的砖木结构建筑，对于建筑面积大于200 m2且未设有消防竖管的商业服务网点，可以根据情况加以应用。[5]

2.小微旅馆FDS数值模拟

2.1 几何模型的确定 。本文是以某小型旅馆中的单人间来建立几何模型，为此简化该几何模型如下图2.1。具体家具布置如下图所示。

2.2 模型初始条件设定 。模型选网格边界大小为3.3m×3.2m× 2.5m ，设置火源位于床外侧距离床头三分之一处，热释放速率为1500KW/m2，火灾增长速率类型为t2快速火，边界材料为石膏防火隔板。环境的初始温度为20℃，喷头的动作温度为68℃。模拟时间为1200s。

2.3 烟气温度变化过程分析 。仿真实验设置了两组对比试验，第一组是无喷淋模型，第二组是有喷淋模型，在设定喷淋位置不变的条件下调节喷淋压力的大小。在z=1.5m处生成能见度和温度的切片，直观的得到各个参数的变化规律。

在无喷淋模拟中，火灾的发展分为四个阶段，火灾初起阶段较短，在发展阶段内时温度在较短时间内急剧上升到130℃，当火灾达到最盛阶段时，火灾发展到床尾时，温度仍然有短时间的急剧上升，随后随着可燃物的减少温度逐渐下降，室内温度一直保持在90℃。

在有喷淋的模拟中，火灾在发展阶段时温度逐渐上升，当喷淋处温度达到动作温度时，喷淋开启，室内的温度急剧下降到45℃且保持到模型结束，且喷淋压力越高，温度下降越低，但灭火效果不是特别明显，试验中喷淋作用下最低和最高的温度的差值约9℃，温度此时不是直接危害人员撤离的主要因素。

模拟结果对比图如2.2所示，位于z=2.3m的10号点温度在t=498.20s时上升到最大值153.82℃，t=601.21s时，有下降趋势，t=948.01s温度逐渐稳定在85℃左右并持续到模拟结束。在有喷淋情况下，t=240.30s时喷淋开启，火场温度迅速下降，并在10s内迅速下降到40℃左右，并持续到模拟结束，40℃在人体的可承受温度范围之内，因此，喷淋开启时可以有效的减少高温对人体的伤害，防止火灾蔓延。如2.2图所示，喷头压力最高，温度下降的最快，灭火效果最好。

2.4 能见度变化规律分析 。根据相关规范，为保证人员在火灾条件下安全疏散，火场内的能见度需要在4m以内。[6]模型的结果是在无喷淋的条件下，在23s内烟气层高度下降了1m，t=20s时，烟气层下降至地面附近，能见度为0m，在有喷淋的条件下，喷淋没有动作时，烟气层的变化情况和无喷淋是相同，240.3s喷淋开启和后非火源区能见度上升，热烟气层控制在火源上方附近，为人的安全疏散创造便利条件。

3.小微旅馆火灾场景构建及灭火性能分析

3.1 实体实验模型的构建 。本文实 验实体模型几何尺寸与仿真模型一致，在5.0×5.0×3.5 m实验空间中用石膏防火隔板建立实体模型，房间内家具等采用火灾负荷等效方法设置。所用的床板的大小为1.9×1.2m，材质为松木，棉被的重量为3.2kg，材质为棉花，凳子和床头柜有同重量的松木板组成，床垫是由相同荷载的聚苯乙烯泡沫板组成。

3.2 实验场所的布置 。火灾实验场所尺3.12m×3.12m×2.4m，面积为9m2，与实际情况基本相同，喷头采用 开式快速响应喷头，下垂型，出水口径11mm，68℃，K系数为80，采用单个喷头，喷头溅水盘与天花喷头与地面的距离2.35m。温度测量采用镍铬-镍硅热电偶，测温范围为0～1300℃。喷头所在的位置在房间的天花板的几何中心位置，能见度分析仪的接收端和发射端在房间的两侧，监控位于观察窗口一侧。

3.3 火灾实验过程及实验数据采集 。实验在无风条件下完成，环境温度20℃，大气压力101.410KPa。文中通过控制水喷淋的压力大小来对比不同压力下的火场中的烟气温度场、能见度分布的情况。主要有6个工况点，具体如下表所示。

3.4 实体实验温度和能见度分析 。点火源为添加煤油和酒精混合物的油盘，在距离床头的1/3处的外侧点燃火源，火源所产生的火焰引燃床单和棉被，并开始向床另一侧开始蔓 延，在床板周边的火焰比在床面上的火势要猛烈，枕头点燃后火势火焰高度达到最大，火场的烟气层高度迅速下降，能见度降低，在枕头燃尽之后，火焰高度降低，火场的温度达到最大，随着火灾的扩大，在向床尾蔓延的过程中火焰高度基本保持不变，能见度为零，火灾明火持续时间为20min左右，试验完成后床板和棉被、床垫、全部燃尽，所剩下的只有少量未完全燃烧的床板框架。

空白实验热电偶的温度曲线图。综合测试系统试验过程个测试点的温度曲线如下图所示，横坐标轴表示时间，单位为秒（s），纵坐标表示温度，单位为℃。

3.4.1实体实验火场温度情况分析

如图3.2所示，在无喷淋的工况点下，小旅馆的火灾分为初期阶段、猛烈阶段和衰退阶段，在初期阶段400s内，烟气层主要积聚在顶棚附近，火场的传热方式为烟气的对流传热，烟气层上部的温度最高，下层烟气层温度较低，烟气层的温度随着高度的上升而逐渐上升。火灾在猛烈阶段时，下部烟气温度开始急剧上升至526℃ 并高于上层烟气层的温度，火焰扩散到床板的未燃烧侧。随着火灾的发展，火焰由床头扩散至床尾，进入衰退阶段，温度也逐渐降低并趋于稳定。

如图3.3所示，为有喷淋的工况点温度变化图，火灾初期火场的温度主要由烟气层起主要作用，z=1.2m到z=2.3m处的温度依次升高，所有的工况点在t=237s～330s内，顶层处烟气的温度都上升至70℃左右，喷淋开始动作，烟气温度都迅速下降，在45s左右内下降至25℃左右，为人体可承受的温度。如图3.5所示，其中压力为0.225MPa的温度下降的斜率最大，即灭火效果最好。

3.4.2 实体实验火场能见度分析。在无喷淋工况点下，点燃火源后烟气迅速向上扩散，形成烟气层，在75s内扩散至整个火场。火场内部光透过率和能见度都随时间明显下降。烟气中的CO是火灾中人员伤亡的主要因素之一，火场中能见度的降低使人员的逃生更加困难，火灾发生后，短时间内烟气的危险性非常大。

在对比实验中，喷头动作后火场中烟气的温度迅速降低，火灾得到控制，烟气层的积聚在顶棚附近非喷淋区域内，在喷淋动作后约200s内，能见度有所增加，CO浓度迅速下降，光透过率和能见度有一定的回升。为人员的逃生创造有利的条件。

4.FDS数值模拟与实体实验和结果对比

（1）在无喷淋工况点下，实体实验中环境不确定性较多，用与燃烧的实验材料质地不均匀，而FDS中火灾增长速率是确定值，所以与数值模拟相比下其温升比较慢。（2）实体实验所测量的压力为水源的压力，即市政管网自来水供给处压力，实体试验中管网设备压力损失与实际压头损失几乎相同，通过调研小旅馆面积不超过200m2，[7]可以估测出所需水管的长度，可测供水网的压头损失约为0.09MPa，数值模拟时定义的压力为喷头压力，因此存在一定的误差。（3）在有喷淋工况点下，喷淋开启前的温升曲线相同，t=240.3s时喷头动作，实体试验中，环境的差异导致喷头动作的时间不相同，时间范围为237～310s之间，与数值模拟相比，在可接受范围内。

5.结论

在对旅馆FDS模拟和全尺寸模拟实验中，火灾发生后简易自动喷淋能够及时有效抑制初期火灾的发展，降低温度火场的温度，为人员生存、疏散提供了良好的条件。

（1）简易自动喷淋灭火系统的应用范围较广，适用一些小型旅馆、商店、超市、办公室、库房、招待所旅馆和办公室、餐厅、商店等，同时，低压自动喷淋灭火系统具有实用性高、经济成 本低、使用效果好的特点。（2）自动喷淋实验结果表明，在水源压力为0.125～0.225MPa时，K值为80的快速响应喷头等装置组成的低压喷淋灭火系统，在240s完全能够扑灭初期火灾，且在一定的范围内，灭火效果与喷头的压力成正相关。（3）在低压水源下，简易自动喷淋系统可以抑制火灾发展，在消防队到达现场扑救之前能够控制火势，阻止火灾蔓延，为人员疏散创造有利条件。水喷淋开启后，火场内部的温度迅速下降至可接受温度，能见度回升。显示小微旅馆用简易自动喷淋系统扑灭初期火灾是可行的，提高了小微旅馆的火灾安全性。 （作者单位：沈阳航空航天大学）

参考文献：

[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] 张兆宪，梁吉林，邵红林.对简易自动喷水灭火系统喷头选用的思考.2004

[4] 杨培培.喷淋对宿舍火灾特性影响的数值模拟.中国安全生产科学技术.淮南.2015.5

[5] 游求焱.浅析简易自动喷淋灭火系统在城镇建筑中的应用2012.10

[6] GB50261《自动喷淋灭火系统施工及验收规范》

[7] 朱鸣，《住宅喷淋系统的设计探讨》，《给水排水》，29 卷，第 10 期，2003 年，100～102 页；