細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在古建筑保護(hù)中應(yīng)用

信息來源：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，扼要的說明了古建筑火災(zāi)的特點以及細(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值和歷史價值的建筑物，古建筑具有不可再生性。我國古建筑分布點多面廣，多為木結(jié)構(gòu)，存在很大的火災(zāi)危險性；同時由于防火間距不足；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，一些地方政府部門已經(jīng)開始意識到古建筑保護(hù)的重要性，加強(qiáng)了對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)自動報警、自動噴水滅火設(shè)施，有些甚至建立了專門的消防站點等。但由于古建筑火災(zāi)保護(hù)的特殊性，消火栓包括消防隊員使用的消火栓及水噴淋滅火系統(tǒng)等水系消防措施實際存在許多不足：

　　（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。

　　（2）消防用水量大，要求消防儲備水量巨大，對古建筑來講難度比較大。

　　（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：

　　（1）滅火效能高，反應(yīng)時間快。它冷卻性能好、抑制性強(qiáng)。細(xì)水霧還有一定的穿透性，可以解決全淹沒和遮擋的問題，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)帶來了一個明顯的優(yōu)點。

　　（2）其使用安全，應(yīng)用范圍廣。它不會對環(huán)境及保護(hù)對象造成危害，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)生對人員有害的氣體。它可局部應(yīng)用，獨立的保護(hù)古建筑某一部分，又可作為全淹沒系統(tǒng)，保護(hù)整個空間。尤其可用于水源匱乏的地區(qū)及部分禁止用水的場所。

　　（3）管道管徑較小、節(jié)省管材，工程造價低，安裝、維護(hù)簡便，安裝時隱蔽性強(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)濕潤這個燃料表面。因而傳統(tǒng)水噴淋滅火系統(tǒng)的滅火機(jī)理主要是通過直接冷卻效應(yīng)來撲滅火災(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撲滅火災(zāi)：

　　（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，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。

　　（2）隔絕氧氣窒息作用

　　水滴在汽化過程中不僅吸收大量熱量，同時體積迅速膨脹，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%，氮氣為79%，相應(yīng)的氧氣和氮氣的分壓力分別為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)計算，對于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：

　　（1）乳化作用

　　當(dāng)撲救油類火災(zāi)時，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。

　　（2）浸潤作用

　　當(dāng)用于撲救溶于水的可燃液體火災(zāi)時，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。

　　（3）洗滌作用

　　這是因為燃燒的灰粒、煙塵顆粒與細(xì)水滴粘合而得到洗刷，減少煙塵。

　　（4）屏蔽作用

　　類似于分離效果的作用，減少火源對周圍物體的熱輻射，同時阻止火災(zāi)的擴(kuò)散，對火災(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)按啟動方式分自動控制、手動控制和應(yīng)急操作三種。細(xì)水霧滅火系統(tǒng)按噴頭分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。對于古建筑消防，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)多采取自動報警、開式、手動控制系統(tǒng)。

　　一般而言自動報警方式可以采用包括火災(zāi)探測器或閉式噴頭等。我們認(rèn)為對于古建筑應(yīng)優(yōu)先使用火災(zāi)探測器。原因主要有兩點：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，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，但還是會造成一些不良后果。其次，在火災(zāi)初期增長階段，由于熱釋放速率較小，噴頭熱敏元件不會很快動作，當(dāng)?shù)?/span>1只噴頭動作，開始噴射水霧后，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，選擇用開式噴頭再加裝火災(zāi)探測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、手動和應(yīng)急三種方式。自動控制是指細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的火災(zāi)探測、報警部分與供水設(shè)備、雨淋閥組等部件自動聯(lián)鎖操作；手動控制是指人為遠(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小時值班，在發(fā)生火災(zāi)時，接到自動報警后，用手動控制比較安全可靠。

4、細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的性能分析

　　（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。

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

　　水噴淋：

　　滅火功能：無（控火）；冷卻功能：有；煙霧擦洗功能：有部分；對人的安全性：無毒；對設(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；對人的安全性：無毒；對設(shè)備的安全性：無損；霧滴平均粒徑（mm）：0.01；霧滴作用面積（m2/l水）：200

　　（2）經(jīng)濟(jì)比較

　　我們現(xiàn)以一面積為7 m×7 m×5.1m的庫房為例，分別自動噴水和細(xì)水霧系統(tǒng)保護(hù)，滅火劑用量及工程造價對比情況見下文（不計入報警系統(tǒng)）。[4]

　　滅火劑用量及工程造價對比：

　　水噴淋：

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

　　細(xì)水霧：

　　滅火劑用量：50L氮氣，150L水；主要設(shè)備：3個儲水瓶，1個氮氣瓶，1個控制閥；系統(tǒng)主管道（mm）：DN20；工程造價系數(shù)：0.8

　　無論是從技術(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。

　　（3）滅火試驗分析

　　為了檢驗細(xì)水霧滅火效果，我們在實驗室進(jìn)行了中壓條件下的油盤火試驗，實驗時將直徑為40mm的油盤分別盛裝一定容積的汽油和酒精，采用單一噴頭試驗，試驗時壓力控制在1.6MPa以下，試驗時發(fā)現(xiàn)，汽油燃燒時噴頭動作僅15秒左右即可撲滅油盤火，酒精火時間稍長，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，在水噴霧動作后火場溫度能快速降低。

　　在德國也有人進(jìn)行過檔案文件的滅火時間，試驗時文件貨架高度為7.6m×3.9m×3.8m，點火后當(dāng)時內(nèi)溫升到57℃時噴頭動作，5分鐘內(nèi)煙氣基本抑制，文件的損壞率不到20%。我國也有人做過檔案館資料的噴水試驗，噴水3分鐘后，其水漬損失也非常微小，對于柜式存儲的文件幾乎無任何水漬損失。

5、國內(nèi)外的應(yīng)用

　　英美等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)在圖書館、古建筑、計算機(jī)機(jī)房、電氣開關(guān)裝置、柴油發(fā)電機(jī)組、易燃液體庫等廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用細(xì)水霧系統(tǒng)。我國細(xì)水霧滅火技術(shù)的研究和開發(fā)是從“九五”期間開始的，在國家科技攻關(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。我國細(xì)水霧滅火技術(shù)與歐美等發(fā)達(dá)國家都有一定差距。但可喜的是我國這項技術(shù)也已開始發(fā)展到了實用階段，并且已經(jīng)在一些工程上應(yīng)用，我國湖北省和浙江省都開始制定了相應(yīng)的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的施工驗收規(guī)范，許多工程中已開始使用這一技術(shù)。如中央檔案館、上海市檔案館、浙江大學(xué)圖書館、慈溪人民醫(yī)院等細(xì)水霧防護(hù)工程已通過驗收并投入使用。這些都將對推動我國細(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技術(shù)在古