细水雾灭火系统在古建筑保护中应用

信息来源：程方涛 方正 武汉大学土木与建筑学院

摘要：本文比较细水雾灭火系统和传统水喷淋系统，介绍细水雾灭火系统的灭火机理，扼要的说明了古建筑火灾的特点以及细水雾灭火系统在古建筑灭火的选择。

　　关键词：细水雾灭火系统；古建筑；应用

1、引言

　　古建筑泛指历史保留至今具有较高文物价值和历史价值的建筑物，古建筑具有不可再生性。我国古建筑分布点多面广，多为木结构，存在很大的火灾危险性；同时由于防火间距不足；消防通道不畅，因此火灾扑救十分困难。但随着旅游经济的发展，一些地方政府部门已经开始意识到古建筑保护的重要性，加强了对古建筑的消防安全投入，增强了自救能力，如加装了火灾自动报警、自动喷水灭火设施，有些甚至建立了专门的消防站点等。但由于古建筑火灾保护的特殊性，消火栓包括消防队员使用的消火栓及水喷淋灭火系统等水系消防措施实际存在许多不足：

　　（1）消防灭火后，产生大量水渍，易造成古建筑中文物的破坏。

　　（2）消防用水量大，要求消防储备水量巨大，对古建筑来讲难度比较大。

　　（3）消防设施安装体积大，管道粗，不易隐藏，破坏文物的整体景观。

　　而细水雾灭火系统可以克服这些不足，细水雾系统灭火特点：

　　（1）灭火效能高，反应时间快。它冷却性能好、抑制性强。细水雾还有一定的穿透性，可以解决全淹没和遮挡的问题，还可防止火灾的复燃。它仅需喷淋系统的10%或更少的水量，为要考虑供水的体积以及重量的古建筑保护带来了一个明显的优点。

　　（2）其使用安全，应用范围广。它不会对环境及保护对象造成危害，避免了气体灭火系统灭火中灭火剂与燃烧物发生链式反应而产生对人员有害的气体。它可局部应用，独立的保护古建筑某一部分，又可作为全淹没系统，保护整个空间。尤其可用于水源匮乏的地区及部分禁止用水的场所。

　　（3）管道管径较小、节省管材，工程造价低，安装、维护简便，安装时隐蔽性强，能很好的维护文物的整体景观，符合古建筑保护要求。

2、细水雾的灭火机理

　　水喷淋及消火栓系统中包含了大量的水滴，这些水滴的直径足够大以至于能穿透火焰羽流进湿润这个燃料表面。因而传统水喷淋灭火系统的灭火机理主要是通过直接冷却效应来扑灭火灾[2]。细水雾的水滴尺寸很小，具有很大的表面积和很高的密度。细水雾灭火系统的灭火机理主要是汽化吸热降温作用和隔绝氧气窒息作用来扑灭火灾：

　　（1）汽化吸热降温作用

　　由于水滴尺寸很小，它的表面积很大，因而水滴的表面换热系数增大，在环境温度升高时，可以迅速汽化。由热力学可知，水的汽化潜热很大，可达大约2280kJ/kg，远比水的温升吸热量大得多，因而可吸收大量热量，降低空间的温度。

　　（2）隔绝氧气窒息作用

　　水滴在汽化过程中不仅吸收大量热量，同时体积迅速膨胀，可扩大1700多倍。道尔顿定律指出混合气体全压力等于各组成气（汽）体分压力之和。对于封闭空间而言，在水滴汽化前，氧气在空气中的比例为21%，氮气为79%，相应的氧气和氮气的分压力分别为2.06×104帕和7.75×104帕。随着水的迅速汽化，水蒸汽分压力迅速增大。据计算，对于30m3的空间，5升水完全汽化形成的水蒸汽分压力可达2.78×104帕，相应的氧气的压力降低到1.48×104帕，即氧气的含量将降低到15.05%，从而造成隔绝氧气的窒息作用来达到灭火的目的。

　　另外细水雾灭火系统在灭一些特别火灾中还存在非主要作用：

　　（1）乳化作用

　　当扑救油类火灾时，水雾冲击油品表面，形成乳化层，一方面降低了油品的蒸发速度，另一方面由于水雾滴的单击搅拌作用能使可燃液体表层产生不燃烧的乳化层，起到了阻燃的作用。

　　（2）浸润作用

　　当用于扑救溶于水的可燃液体火灾时，可产生稀释冲淡效果，降低了燃烧速率，起到控制火灾的作用。

　　（3）洗涤作用

　　这是因为燃烧的灰粒、烟尘颗粒与细水滴粘合而得到洗刷，减少烟尘。

　　（4）屏蔽作用

　　类似于分离效果的作用，减少火源对周围物体的热辐射，同时阻止火灾的扩散，对火灾起遮挡作用。

3、细水雾灭火系统的组成

　　细水雾灭火系统的组成与雨淋自动灭火系统相似，主要由水源、供水设备、供水管道、雨淋阀组、探测器、控制器和细水雾喷头组成。细水雾灭火系统按启动方式分自动控制、手动控制和应急操作三种。细水雾灭火系统按喷头分为开式系统和闭式系统。对于古建筑消防，细水雾灭火系统多采取自动报警、开式、手动控制系统。

　　一般而言自动报警方式可以采用包括火灾探测器或闭式喷头等。我们认为对于古建筑应优先使用火灾探测器。原因主要有两点：首先闭式喷头设置在被保护文物的上方，当感受热气流时，玻璃球破碎，闭式喷头首先喷出的不是水雾而可能是水滴，由此造成水喷淋现象。尽管水量有限，但还是会造成一些不良后果。其次，在火灾初期增长阶段，由于热释放速率较小，喷头热敏元件不会很快动作，当第1只喷头动作，开始喷射水雾后，火灾被控制或抑制，但是由于种种原因，不一定会立即灭火，可是由于细水雾的降湿作用，火灾区域温度降低了，这时可能仍有一些局部文物在燃烧，但由于局部燃烧释放的热量在短时间内不足以抵销环境温度下降的影响，因此不能有效开启第二只喷头，这样就有可能造成局部文物的损毁，这是我们不希望的。所以，选择用开式喷头再加装火灾探测器是一种较为理想的方式。

　　在控制方式的选择上又可以分自动、手动和应急三种方式。自动控制是指细水雾灭火系统的火灾探测、报警部分与供水设备、雨淋阀组等部件自动联锁操作；手动控制是指人为远距离操纵供水设备、雨淋阀组等系统组件的控制方式；应急操作是指人为现场操作供水设备、雨淋阀组等系统组件的控制方式。由于，古建筑保护的特殊性，根据我国的设备使用情况，为防止误喷发生，并且管理人员全天24小时值班，在发生火灾时，接到自动报警后，用手动控制比较安全可靠。

4、细水雾灭火系统的性能分析

　　（1）性能比较

　　细水雾灭火系统由于其喷射的雾滴的直径比水喷淋系统小很多，其性能比喷水系统更有优势。

　　细水雾灭火系统与自动喷水系统的性能对比：[1]

　　水喷淋：

　　灭火功能：无（控火）；冷却功能：有；烟雾擦洗功能：有部分；对人的安全性：无毒；对设备的安全性：有损；雾滴平均粒径（mm）：>1；雾滴作用面积（m2/l水）：<2

　　细水雾：

　　灭火功能：有（包围穿透）；冷却功能：有；烟雾擦洗功能：有；对人的安全性：无毒；对设备的安全性：无损；雾滴平均粒径（mm）：0.01；雾滴作用面积（m2/l水）：200

　　（2）经济比较

　　我们现以一面积为7 m×7 m×5.1m的库房为例，分别自动喷水和细水雾系统保护，灭火剂用量及工程造价对比情况见下文（不计入报警系统）。[4]

　　灭火剂用量及工程造价对比：

　　水喷淋：

　　灭火剂用量：20m3水池；主要设备：18.5KW水泵2台，雨淋阀1个；系统主管道（mm）：DN80；工程造价系数：2.0

　　细水雾：

　　灭火剂用量：50L氮气，150L水；主要设备：3个储水瓶，1个氮气瓶，1个控制阀；系统主管道（mm）：DN20；工程造价系数：0.8

　　无论是从技术应用到经济的角度，我们可以看出细水雾灭火系统显示出明显的优越性。

　　（3）灭火试验分析

　　为了检验细水雾灭火效果，我们在实验室进行了中压条件下的油盘火试验，实验时将直径为40mm的油盘分别盛装一定容积的汽油和酒精，采用单一喷头试验，试验时压力控制在1.6MPa以下，试验时发现，汽油燃烧时喷头动作仅15秒左右即可扑灭油盘火，酒精火时间稍长，一般在30秒左右。可以看出，细水雾灭火系统具有良好的灭火性能，在水喷雾动作后火场温度能快速降低。

　　在德国也有人进行过档案文件的灭火时间，试验时文件货架高度为7.6m×3.9m×3.8m，点火后当时内温升到57℃时喷头动作，5分钟内烟气基本抑制，文件的损坏率不到20%。我国也有人做过档案馆资料的喷水试验，喷水3分钟后，其水渍损失也非常微小，对于柜式存储的文件几乎无任何水渍损失。

5、国内外的应用

　　英美等发达国家已经在图书馆、古建筑、计算机机房、电气开关装置、柴油发电机组、易燃液体库等广泛的领域应用细水雾系统。我国细水雾灭火技术的研究和开发是从“九五”期间开始的，在国家科技攻关基础上的消防课题中，列入了关于细水雾灭火技术研究的子专题。我国细水雾灭火技术与欧美等发达国家都有一定差距。但可喜的是我国这项技术也已开始发展到了实用阶段，并且已经在一些工程上应用，我国湖北省和浙江省都开始制定了相应的细水雾灭火系统的施工验收规范，许多工程中已开始使用这一技术。如中央档案馆、上海市档案馆、浙江大学图书馆、慈溪人民医院等细水雾防护工程已通过验收并投入使用。这些都将对推动我国细水雾灭火技术的发展与工程应用起到示范作用，也使我们看到了这项技术在古