細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在古建筑保護(hù)中應(yīng)用

信息來(lái)源：程方濤 方正 武漢大學(xué)土木與建筑學(xué)院

摘要：本文比較細(xì)水霧滅火系統(tǒng)和傳統(tǒng)水噴淋系統(tǒng)，介紹細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的滅火機(jī)理，扼要的說(shuō)明了古建筑火災(zāi)的特點(diǎn)以及細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在古建筑滅火的選擇。

　　關(guān)鍵詞：細(xì)水霧滅火系統(tǒng)；古建筑；應(yīng)用

1、引言

　　古建筑泛指歷史保留至今具有較高文物價(jià)值和歷史價(jià)值的建筑物，古建筑具有不可再生性。我國(guó)古建筑分布點(diǎn)多面廣，多為木結(jié)構(gòu)，存在很大的火災(zāi)危險(xiǎn)性；同時(shí)由于防火間距不足；消防通道不暢，因此火災(zāi)撲救十分困難。但隨著旅游經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一些地方政府部門(mén)已經(jīng)開(kāi)始意識(shí)到古建筑保護(hù)的重要性，加強(qiáng)了對(duì)古建筑的消防安全投入，增強(qiáng)了自救能力，如加裝了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)噴水滅火設(shè)施，有些甚至建立了專門(mén)的消防站點(diǎn)等。但由于古建筑火災(zāi)保護(hù)的特殊性，消火栓包括消防隊(duì)員使用的消火栓及水噴淋滅火系統(tǒng)等水系消防措施實(shí)際存在許多不足：

　?。?/span>1）消防滅火后，產(chǎn)生大量水漬，易造成古建筑中文物的破壞。

　?。?/span>2）消防用水量大，要求消防儲(chǔ)備水量巨大，對(duì)古建筑來(lái)講難度比較大。

　?。?/span>3）消防設(shè)施安裝體積大，管道粗，不易隱藏，破壞文物的整體景觀。

　　而細(xì)水霧滅火系統(tǒng)可以克服這些不足，細(xì)水霧系統(tǒng)滅火特點(diǎn)：

　?。?/span>1）滅火效能高，反應(yīng)時(shí)間快。它冷卻性能好、抑制性強(qiáng)。細(xì)水霧還有一定的穿透性，可以解決全淹沒(méi)和遮擋的問(wèn)題，還可防止火災(zāi)的復(fù)燃。它僅需噴淋系統(tǒng)的10%或更少的水量，為要考慮供水的體積以及重量的古建筑保護(hù)帶來(lái)了一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)。

　　（2）其使用安全，應(yīng)用范圍廣。它不會(huì)對(duì)環(huán)境及保護(hù)對(duì)象造成危害，避免了氣體滅火系統(tǒng)滅火中滅火劑與燃燒物發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而產(chǎn)生對(duì)人員有害的氣體。它可局部應(yīng)用，獨(dú)立的保護(hù)古建筑某一部分，又可作為全淹沒(méi)系統(tǒng)，保護(hù)整個(gè)空間。尤其可用于水源匱乏的地區(qū)及部分禁止用水的場(chǎng)所。

　　（3）管道管徑較小、節(jié)省管材，工程造價(jià)低，安裝、維護(hù)簡(jiǎn)便，安裝時(shí)隱蔽性強(qiáng)，能很好的維護(hù)文物的整體景觀，符合古建筑保護(hù)要求。

2、細(xì)水霧的滅火機(jī)理

　　水噴淋及消火栓系統(tǒng)中包含了大量的水滴，這些水滴的直徑足夠大以至于能穿透火焰羽流進(jìn)濕潤(rùn)這個(gè)燃料表面。因而傳統(tǒng)水噴淋滅火系統(tǒng)的滅火機(jī)理主要是通過(guò)直接冷卻效應(yīng)來(lái)?yè)錅缁馂?zāi)[2]。細(xì)水霧的水滴尺寸很小，具有很大的表面積和很高的密度。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的滅火機(jī)理主要是汽化吸熱降溫作用和隔絕氧氣窒息作用來(lái)?yè)錅缁馂?zāi)：

　?。?/span>1）汽化吸熱降溫作用

　　由于水滴尺寸很小，它的表面積很大，因而水滴的表面換熱系數(shù)增大，在環(huán)境溫度升高時(shí)，可以迅速汽化。由熱力學(xué)可知，水的汽化潛熱很大，可達(dá)大約2280kJ/kg，遠(yuǎn)比水的溫升吸熱量大得多，因而可吸收大量熱量，降低空間的溫度。

　?。?/span>2）隔絕氧氣窒息作用

　　水滴在汽化過(guò)程中不僅吸收大量熱量，同時(shí)體積迅速膨脹，可擴(kuò)大1700多倍。道爾頓定律指出混合氣體全壓力等于各組成氣（汽）體分壓力之和。對(duì)于封閉空間而言，在水滴汽化前，氧氣在空氣中的比例為21%，氮?dú)鉃?/span>79%，相應(yīng)的氧氣和氮?dú)獾姆謮毫Ψ謩e為2.06×104帕和7.75×104帕。隨著水的迅速汽化，水蒸汽分壓力迅速增大。據(jù)計(jì)算，對(duì)于30m3的空間，5升水完全汽化形成的水蒸汽分壓力可達(dá)2.78×104帕，相應(yīng)的氧氣的壓力降低到1.48×104帕，即氧氣的含量將降低到15.05%，從而造成隔絕氧氣的窒息作用來(lái)達(dá)到滅火的目的。

　　另外細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在滅一些特別火災(zāi)中還存在非主要作用：

　?。?/span>1）乳化作用

　　當(dāng)撲救油類火災(zāi)時(shí)，水霧沖擊油品表面，形成乳化層，一方面降低了油品的蒸發(fā)速度，另一方面由于水霧滴的單擊攪拌作用能使可燃液體表層產(chǎn)生不燃燒的乳化層，起到了阻燃的作用。

　?。?/span>2）浸潤(rùn)作用

　　當(dāng)用于撲救溶于水的可燃液體火災(zāi)時(shí)，可產(chǎn)生稀釋沖淡效果，降低了燃燒速率，起到控制火災(zāi)的作用。

　?。?/span>3）洗滌作用

　　這是因?yàn)槿紵幕伊?、煙塵顆粒與細(xì)水滴粘合而得到洗刷，減少煙塵。

　?。?/span>4）屏蔽作用

　　類似于分離效果的作用，減少火源對(duì)周圍物體的熱輻射，同時(shí)阻止火災(zāi)的擴(kuò)散，對(duì)火災(zāi)起遮擋作用。

3、細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的組成

　　細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的組成與雨淋自動(dòng)滅火系統(tǒng)相似，主要由水源、供水設(shè)備、供水管道、雨淋閥組、探測(cè)器、控制器和細(xì)水霧噴頭組成。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)按啟動(dòng)方式分自動(dòng)控制、手動(dòng)控制和應(yīng)急操作三種。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)按噴頭分為開(kāi)式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。對(duì)于古建筑消防，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)多采取自動(dòng)報(bào)警、開(kāi)式、手動(dòng)控制系統(tǒng)。

　　一般而言自動(dòng)報(bào)警方式可以采用包括火災(zāi)探測(cè)器或閉式噴頭等。我們認(rèn)為對(duì)于古建筑應(yīng)優(yōu)先使用火災(zāi)探測(cè)器。原因主要有兩點(diǎn)：首先閉式噴頭設(shè)置在被保護(hù)文物的上方，當(dāng)感受熱氣流時(shí)，玻璃球破碎，閉式噴頭首先噴出的不是水霧而可能是水滴，由此造成水噴淋現(xiàn)象。盡管水量有限，但還是會(huì)造成一些不良后果。其次，在火災(zāi)初期增長(zhǎng)階段，由于熱釋放速率較小，噴頭熱敏元件不會(huì)很快動(dòng)作，當(dāng)?shù)?/span>1只噴頭動(dòng)作，開(kāi)始噴射水霧后，火災(zāi)被控制或抑制，但是由于種種原因，不一定會(huì)立即滅火，可是由于細(xì)水霧的降濕作用，火災(zāi)區(qū)域溫度降低了，這時(shí)可能仍有一些局部文物在燃燒，但由于局部燃燒釋放的熱量在短時(shí)間內(nèi)不足以抵銷環(huán)境溫度下降的影響，因此不能有效開(kāi)啟第二只噴頭，這樣就有可能造成局部文物的損毀，這是我們不希望的。所以，選擇用開(kāi)式噴頭再加裝火災(zāi)探測(cè)器是一種較為理想的方式。

　　在控制方式的選擇上又可以分自動(dòng)、手動(dòng)和應(yīng)急三種方式。自動(dòng)控制是指細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的火災(zāi)探測(cè)、報(bào)警部分與供水設(shè)備、雨淋閥組等部件自動(dòng)聯(lián)鎖操作；手動(dòng)控制是指人為遠(yuǎn)距離操縱供水設(shè)備、雨淋閥組等系統(tǒng)組件的控制方式；應(yīng)急操作是指人為現(xiàn)場(chǎng)操作供水設(shè)備、雨淋閥組等系統(tǒng)組件的控制方式。由于，古建筑保護(hù)的特殊性，根據(jù)我國(guó)的設(shè)備使用情況，為防止誤噴發(fā)生，并且管理人員全天24小時(shí)值班，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，接到自動(dòng)報(bào)警后，用手動(dòng)控制比較安全可靠。

4、細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的性能分析

　?。?/span>1）性能比較

　　細(xì)水霧滅火系統(tǒng)由于其噴射的霧滴的直徑比水噴淋系統(tǒng)小很多，其性能比噴水系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)。

　　細(xì)水霧滅火系統(tǒng)與自動(dòng)噴水系統(tǒng)的性能對(duì)比：[1]

　　水噴淋：

　　滅火功能：無(wú)（控火）；冷卻功能：有；煙霧擦洗功能：有部分；對(duì)人的安全性：無(wú)毒；對(duì)設(shè)備的安全性：有損；霧滴平均粒徑（mm）：>1；霧滴作用面積（m2/l水）：<2

　　細(xì)水霧：

　　滅火功能：有（包圍穿透）；冷卻功能：有；煙霧擦洗功能：有；對(duì)人的安全性：無(wú)毒；對(duì)設(shè)備的安全性：無(wú)損；霧滴平均粒徑（mm）：0.01；霧滴作用面積（m2/l水）：200

　?。?/span>2）經(jīng)濟(jì)比較

　　我們現(xiàn)以一面積為7 m×7 m×5.1m的庫(kù)房為例，分別自動(dòng)噴水和細(xì)水霧系統(tǒng)保護(hù)，滅火劑用量及工程造價(jià)對(duì)比情況見(jiàn)下文（不計(jì)入報(bào)警系統(tǒng)）。[4]

　　滅火劑用量及工程造價(jià)對(duì)比：

　　水噴淋：

　　滅火劑用量：20m3水池；主要設(shè)備：18.5KW水泵2臺(tái)，雨淋閥1個(gè)；系統(tǒng)主管道（mm）：DN80；工程造價(jià)系數(shù)：2.0

　　細(xì)水霧：

　　滅火劑用量：50L氮?dú)猓?/span>150L水；主要設(shè)備：3個(gè)儲(chǔ)水瓶，1個(gè)氮?dú)馄浚?/span>1個(gè)控制閥；系統(tǒng)主管道（mm）：DN20；工程造價(jià)系數(shù)：0.8

　　無(wú)論是從技術(shù)應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)的角度，我們可以看出細(xì)水霧滅火系統(tǒng)顯示出明顯的優(yōu)越性。

　?。?/span>3）滅火試驗(yàn)分析

　　為了檢驗(yàn)細(xì)水霧滅火效果，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行了中壓條件下的油盤(pán)火試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)將直徑為40mm的油盤(pán)分別盛裝一定容積的汽油和酒精，采用單一噴頭試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)壓力控制在1.6MPa以下，試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，汽油燃燒時(shí)噴頭動(dòng)作僅15秒左右即可撲滅油盤(pán)火，酒精火時(shí)間稍長(zhǎng)，一般在30秒左右。可以看出，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)具有良好的滅火性能，在水噴霧動(dòng)作后火場(chǎng)溫度能快速降低。

　　在德國(guó)也有人進(jìn)行過(guò)檔案文件的滅火時(shí)間，試驗(yàn)時(shí)文件貨架高度為7.6m×3.9m×3.8m，點(diǎn)火后當(dāng)時(shí)內(nèi)溫升到57℃時(shí)噴頭動(dòng)作，5分鐘內(nèi)煙氣基本抑制，文件的損壞率不到20%。我國(guó)也有人做過(guò)檔案館資料的噴水試驗(yàn)，噴水3分鐘后，其水漬損失也非常微小，對(duì)于柜式存儲(chǔ)的文件幾乎無(wú)任何水漬損失。

5、國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用

　　英美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在圖書(shū)館、古建筑、計(jì)算機(jī)機(jī)房、電氣開(kāi)關(guān)裝置、柴油發(fā)電機(jī)組、易燃液體庫(kù)等廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用細(xì)水霧系統(tǒng)。我國(guó)細(xì)水霧滅火技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)是從“九五”期間開(kāi)始的，在國(guó)家科技攻關(guān)基礎(chǔ)上的消防課題中，列入了關(guān)于細(xì)水霧滅火技術(shù)研究的子專題。我國(guó)細(xì)水霧滅火技術(shù)與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家都有一定差距。但可喜的是我國(guó)這項(xiàng)技術(shù)也已開(kāi)始發(fā)展到了實(shí)用階段，并且已經(jīng)在一些工程上應(yīng)用，我國(guó)湖北省和浙江省都開(kāi)始制定了相應(yīng)的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的施工驗(yàn)收規(guī)范，許多工程中已開(kāi)始使用這一技術(shù)。如中央檔案館、上海市檔案館、浙江大學(xué)圖書(shū)館、慈溪人民醫(yī)院等細(xì)水霧防護(hù)工程已通過(guò)驗(yàn)收并投入使用。這些都將對(duì)推動(dòng)我國(guó)細(xì)水霧滅火技術(shù)的發(fā)展與工程應(yīng)用起到示范作用，也使我們看到了這項(xiàng)技術(shù)在古