压缩空气泡沫系统在高层建筑火灾扑救中的应用

刘 臻，靳庆生，郝常华

中国消防救援学院 消防指挥系，北京 102202

1 CAFS工作原理

压缩空气泡沫系统（CAFS）可使用A类或B类泡沫液作为灭火剂，主要由消防水泵、空气压缩机、泡沫注入系统和控制系统组成。

压缩空气泡沫系统工作原理是将泡沫原液和水按一定的比例混合生成泡沫混合液，然后经过水泵加压将泡沫混合液输送到泡沫发射器具，从而产生泡沫的过程。其与一般泡沫系统区别在于泡沫混合液经水泵加压后，在输出管线上的某一点和空气压缩机的管道相连通，泡沫混合液在消防水泵和空气压缩机压力的共同作用下处于紊流状态，发生充分的扰动和混合，产生细小、均匀的泡沫，其工作原理如图1所示。

图1 CAFS工作原理

2 CAFS在高层建筑火灾扑救中的优势

2.1 渗透和散热能力强

A 类泡沫原液通过降低水的表面张力来增加水的渗透性，使水与火焰的接触面积增大，尤其是对垂直表面起到“润湿”作用，可很快渗入燃烧物体的内部，且形成的泡沫结构可以吸收燃烧过程中产生的热量。

2.2 黏附性和穿透性较好

压缩空气泡沫更加细化，泡沫结构更为均匀，泡沫稳定性更好，形成的保护层可在物体顶面或侧面有效地保留24 h，同时，灭火剂能够穿越火羽流屏障，起到更好的隔离降温作用。

2.3 有效减少水渍损失

A 类泡沫与压缩空气的混合使得水的表面张力降低，形成气泡后吸热能力增强，使80 %的水参与灭火，同时水的表面积扩大了7倍，渗透性增加了1 000倍，提高了灭火剂保湿性和附着性，增加了对燃烧物的覆盖和冷却作用，使得灭火效率提高了5~8 倍，极大减少水渍损失。

2.4 远距离输送灭火剂

由于灭火剂中加入的大量压缩空气极大减轻了水带的重量，提高了消防员铺设水带的机动性，特别是在扑救高层建筑火灾时，可减少消防员在铺设水带、拖动水带或者转移阵地时的体能消耗。

2.5 绿色环保

压缩空气泡沫浓缩液从植物蛋白中提炼，可自行分解，不产生有害残留，无异味，灭火残留物易降解，环保效能突出。

3 CAFS在高层建筑火灾救援中的应用及效果

根据高层建筑的建筑特点、固定消防设施的设置情况及消防救援队伍装备的性能，在扑救高层建筑火灾时应坚持“以固为主，固移结合”火场供水原则［1］。本文选取的垂直供水或沿楼梯蜿蜒铺设水带方法主要用于高层建筑火灾扑救，当固定消防设施不能正常启动或者固定设施输送的水不能满足火场需要时，利用压缩空气泡沫消防车供水灭火。

3.1 不同水带铺设方法的特点分析

沿建筑外墙垂直铺设水带法的优点是展开速度快，节省水带使用数量，水头损失相对较小。其缺点是对水带的固定要求较高，易受到自然环境的影响，如风大时水带在铺设过程中容易偏离预定位置，因此对消防救援人员的技术要求较高，耗时较长。此方法主要适用于建筑工地、有阳台和窗户的居民住宅楼，有利于水带的固定和展开。

沿楼梯间隙垂直铺设水带法的优点是节省水带使用数量，水头损失相对较小，不受自然环境的影响。其缺点是水带在铺设过程中容易受到楼梯扶手的影响。此方法主要适用于一些老式高层居民楼火灾。

沿楼梯蜿蜒铺设水带法的优点是水带承受的压力较小，连接比较稳固，受外界环境的影响较小，机动灵活便于内攻人员及时转移灭火阵地。其缺点是需要水带数量较多、水头损失较大、水带易破裂，且由于火场情况瞬息万变，供水中断时难以迅速查找中断部位，可能致使整个供水线路瘫痪。此外，水带铺设过多后，消防救援人员消耗大量体力，导致空呼消耗较快，降低战斗效率，该方法适用于建筑高度低于100 m的灭火救援行动。

通过调研，根据安徽省消防救援总队合肥市支队实践测试发现，当建筑高度低于100 m 时，沿楼梯垂直释放水带与乘电梯沿楼梯垂直释放水带所需时间基本相同，沿楼梯蜿蜒铺设水带过程中消防员需要休息3～5 次，中途需更换空气呼吸器。在实战中可根据火场实际情况灵活运用。4 种水带铺设方式所需时间如表1所示。

表1 水带铺设时间记录表

3.2 阻力损失计算

压缩空气泡沫液线路的阻力损失，见式（1）：

式中：△Pf为摩擦阻力损失，△Pg为势能压力损失，△Pq为泡沫枪出口阻力损失。

本文主要研究压缩空气泡沫在高层建筑中垂直与沿楼梯蜿蜒铺设水带条件下的供液能力及灭火效果。因此，沿程阻力损失△PW在蜿蜒铺设中还应考虑，两相流过弯时发生的沿程摩擦阻力损失△Pf和由于滑速比变化引起的动量增量△MF，见式（2）~（4）。

式中：λ为摩擦阻力系数；μ为动力黏度系数；ρ为两项流密度，kg·m-3；G为两相流质量流速，kg·（m2∙s）-1；ν气为全气相比容，m3·kg-1；ν液为全液相比容，m3·kg-1；R为弯曲半径；χ 为两相流体中气相质量流量所占两相质量流量的份额，可称为质量含气率［2］。在高层建筑灭火用压缩空气泡沫中，势能压力损失计算占总体压力损失中较大部分，见式（5）、式（6）。

式中：α=0.83β，β为体积含气率；△Pq为泡沫枪出口阻力损失，可根据具体情况确定。

通过研究发现，压缩空气泡沫灭火剂符合气流两相流基本原理，可以用上述公式计算其在火场供水中阻力损失问题。如，广州市消防救援支队利用压缩空气泡沫车，垂直铺设80 mm 水带，实际供给压缩空气泡沫液极限高度为212.5 m，理论供给高度为208~230 m，实测与理论计算误差为2%~8%。上海市消防救援总队利用德国施密茨压缩空气泡沫消防车，沿楼梯间蜿蜒铺设水带，供给压缩空气泡沫液高度达到200 m，有效射程约10 m，而其理论计算值为217~248 m，实测与理论计算误差为8.5%~24%［3］。

此外，泡沫比例只决定发泡倍数，几乎不影响供液的阻力损失，阻力损失的决定因素是供给系统空气的流量、压力，水的流量、压力，供水线路的铺设方式和水带口径。以德国施密茨压缩空气泡沫系统为例，在未使用涡轮增压系统的情况下，其理论垂直供液高度不超过230 m，蜿蜒供液高度不超过189 m，且压缩空气泡沫灭火剂在同等条件下垂直供液和蜿蜒铺设水带供液能力均远优于直接供水。

3.3 性能测试

3.3.1 供给时间

以200 m 高层建筑为例，进行沿建筑外墙铺设水带和沿楼梯铺设水带供压缩空气泡沫灭火剂试验，所测得供给时间见表2。

表2 高层建筑供灭火剂测试时间记录表

通过对以上试验数据的分析和研究，不难发现采用压缩空气泡沫灭火系统向高层建筑供泡沫消耗时间较短且高度较高，满足灭火救援需求。

3.3.2 不同压力条件下泡沫枪数量及流量

压缩空气泡沫系统出口处的压力受水泵压力的影响较小，一般维持在0.8~1.0 MPa，且水泵压力对供液高度的影响不大。从表3 测试结果可知，当使用压缩空气泡沫出枪数量超过2 支，其有效射程难以满足高层建筑火灾灭火需求，并且泡沫灭火剂含水量明显降低，不能起到灭火冷却作用。

表3 不同压力条件下泡沫枪数量及流量表

通过实地测试，在单车输送压缩空气泡沫时，初始压力为1.0 MPa，能满足灭火需求最大高度为195 m，极限输送高度约为305 m。双车在同样初始压力下输送压缩空气泡沫时，能满足灭火需求的最大高度为223 m，此时泡沫喷射距离超过15 m，完全满足灭火需求。

3.3.3 灭火效果

在实际灭火战斗中，消防救援队伍主要利用压缩空气泡沫消防车结合A 类泡沫灭火剂，扑救各种固体火灾。天津消防研究所对压缩空气泡沫灭B 类火的灭火机理及其在石化储罐、交通隧道等典型场所的应用开展了大量相关研究，并进行灭火性能测试。

在固体燃烧试验中，通过设置橡胶轮胎堆垛（每个堆垛由450 个橡胶轮胎组成）［4］，浇淋柴油以及汽油后引燃，燃烧持续时间5 min，轮胎处于完全燃烧阶段，其燃烧后呈熔融状态又兼具B 类火灾性质。将混合比为0.6%的压缩空气泡沫（A 类）、6%的压缩空气泡沫（B 类）和水的灭火效果进行比较，测得的灭火时间、灭火用水量见表4。

表4 压缩空气泡沫和水的灭火效果记录表

此外，中国人民警察大学在固体燃烧试验中通过设置不同数量松木（木条数量模拟不同火灾荷载），在9 m×9 m×6 m 的空间内使其稳定燃烧后测试湿泡沫、中等泡沫和干泡沫的灭火性能［5］。在试验中，通过综合对比泡沫尺寸、发泡倍数、析液时间、抗烧性、可燃面覆盖性及辐射阻隔性，并记录灭火时间及复燃情况。结果表明：扑救固体火灾时，采用混合比和发泡倍数较小的湿泡沫，混合比为0.4%～0.6%、发泡倍数为13倍时，灭火效果最佳；中等发泡倍数泡沫能实现有效控制火势，干泡沫灭火难以进入木垛内部，其黏附能力和覆盖效果较强，可以实现在火场中对可燃物或贵重设备的隔热防护。

天津消防研究所在丙酮和乙醇液体燃烧试验中［6］，采用缓施加的方式供给抗溶性压缩空气泡沫和低倍数泡沫灭火。通过试验发现，压缩空气泡沫25%时析液时间及抗烧时间更长，可显著提升泡沫稳定性，抗复燃性显著增强，灭火时间缩短近40%，当发泡倍数为7～15 倍时灭火效果最佳［7］。由此可见，压缩空气泡沫在灭A 类火灾甚至B 类火灾时，与水和低倍数泡沫相比具有较好的灭火效果。

4 结束语

消防救援队伍应加强辖区消防救援站对高层及超高层建筑灭火救援、火场供水等专项实战化演练，有针对性地进行战斗编成，将压缩空气泡沫消防车、中低压水罐消防车和登高平台车为一个战斗单元的力量编成，加强第一出动力量［8］。深化新型压缩空气泡沫车实战化应用的技战术研究，合理选择内攻途径和水带铺设方式，快速进行战斗展开。要对泡沫液及其混合比进行精准调节，使其产生致密规整的压缩空气泡沫，能够稳定、持久地黏附在固体燃烧物上，达到隔绝热辐射并渗透进入燃烧物质的要求，从而提高灭火剂的灭火效率，充分发挥消防救援队伍作为国家队和主力军的关键作用。