当前国内外消防水幕系统研究现状分析

当前国内外消防水幕系统研究现状分析
1 概述
1.1水幕的概念及分类
水幕消防给水系统是将水洒成幕帘状，用以冷却简易防火分隔物，以提高其耐火性能或阻止火焰穿过开口部位，直接作防火分隔的一种自动喷水消防系统。

水幕系统由开式洒水喷头或水幕喷头、雨淋报警控制阀组或感温雨淋阀，以及水流报警装置(水流指示计或压力开关)等组成。

水幕系统在工程中有防火分隔水幕、防护冷却水幕两种应用形式：
（1）防护冷却水幕系统：防护冷却水幕系统主要起冷却保护作用，一般是通过喷水冷却简易防火分隔物（如防火门和防火卷帘），延长这些防火分隔物的耐火极限。

（2）防火分隔水幕系统：应设在无法设置防火分隔物的部位（例如剧院的舞台口、超过防火分区的百货楼营业厅、展览楼展览厅等），可在该部为设置防火分隔水幕系统，用来对较大空间进行防火分隔，以阻止火势蔓延扩大，起着防火墙的作用。

1.2水幕喷水强度设置要求
我国《自动喷水灭火系统设计规范》中规定，水幕作防火分隔时喷水强度不应小于2L/s.m，作防护冷却时不宜小0.5L/s.m，且水幕的喷水点高度每增加1米，喷水强度相应增加0.1
L/s.m，当高度超过9米时喷水强度仍采用1.0L/s.m。

2 国内外研究现状分析
水幕系统在我国的应用就目前情况来看较有争议性，缺乏针对水幕系统能否在我国大规模推广的可行性研究，缺乏对整体水幕性能的研究，并且缺乏针对水幕系统应用中所产生的问题(如水幕系统的误报)的系统性研究，仅是针对水幕系统在某些特殊场合的应用做了实验模拟，具有代表性的有储油罐区防火水幕模拟试验研究、地下建筑中应用水幕系统的研究，而国外对水幕系统的研究具有较强的针对性和目的性，主要侧重两个方向：并且明确水幕的两大作用即稀释吸收有毒气体、防止热辐射，下面分别介绍。

2.1 储油罐区防火水幕模拟实验研究
2.1.1概述
通过实验研究及测得的数据表明火焰热辐射是导致储油罐火灾主要因素之一，而水幕作为储油罐常用的灭火设施，通过与火焰辐射热对流，可以有效地阻断火焰向罐体的热辐射，实现对罐体的冷却隔热作用。

2.1.2研究内容
水幕喷头的最佳选型以及水幕形成方式可以通过冷态和热态模拟试验确定。

其中热态模拟试验利用功率可调的热辐射源或采用不同尺寸的油池火模拟不同火焰强度的油罐火灾，通过前后的热通量之差，计算出水幕的隔热效率：
η=(Qf-Qb)/Qf Qf：水幕前的辐射通量 Qb：水幕后的辐射通量
通过研究发现防火水幕系统研究的技术关键是：高性能的水幕喷头配置、水幕形成方式的选择以及火焰强度与水幕的最佳匹配。

实验装置包括实验装置本体及测量系统，测量水幕参数包括雾化角(α)、水幕厚度(δw)、水幕穿透度(Hp)和平均滴径(SMD)。

通过对顶喷、侧喷、底喷三种水幕形状的基本参数(最大作用范围、水幕的雾化角)的测量以及三种形式的经济合理性的比较，底喷式更具有优越性。

同时对直接喷射式、撞击式和气动式三种喷头形式进行对比（水幕宽度、密度、高度），直接喷射式喷头效果最好。

2.2地下建筑中水幕的防火作用
2.2.1地下建筑的火灾特性
众所周知，地下建筑尤其是地下商业建筑，其自身火灾特点为“三多”即可燃物多、流动人员多、引起火灾的火源多。

同时，由于地面、地下温度差而产生的热风压所造成的地下巷道特殊的气流环境。

一旦起火，那么初期火灾在热风压和火灾所产生的火风压共同作用下，出现火烟扩散快、火烟温度高、毒性大，从而造成地下人员安全疏散难、消防人员灭火扑救难。

2.2.2理论研究
为了保证地下建筑的安全性，需从以下三个方面考虑：
（1）设置地下建筑的防排烟系统。

在每个防火分区设置排烟竖井，并采用负压机械排烟，使火烟排出地面，减少烟气流入非火灾地域的巷道，同时也可降低火烟的热和烟的污染。

（2）在地下巷道截面选择上，应选用倒矩形截面，由此可增大周长，提高巷道壁面对高温火烟的冷却降温作用，同时也可增加巷道截面在安全疏散中的人员通过量。

（3）在疏散通道中正确设置防火隔烟水幕。

忽略水幕防火降温、稀释、阻隔火烟流动的最不利条件，水幕处的火烟热对人伤害和火风压对水幕的影响，由实验测得不同水幕间距时的水幕处火烟温度和火风压。

当水幕设置间距L>40m时，水幕处的火烟温度t＜26.6℃，火烟热污染对疏散人员基本无伤害;水幕处的火风压小于0.2Pa，对水幕也无影响。

因此，在巷道式地下商场、地下疏散巷道中，水幕最佳设置间距取L＝67.0m[7]，即在两防火分区的巷道段的交接处，设置一道水幕为最佳，并与火灾自动报警系统连锁构成自动喷洒水幕，不仅有利于发挥水幕的防火、降温、隔烟、稀释毒烟的综合作用，而且更能发挥水幕的特殊作用即水幕的特殊物理形式保证疏散人员、消防员反复通过。

2.3 应用于采油平台
（1）在采油平台中，水幕系统(已有16年)经过测试在油泄漏速率10，000b/day 燃气泄漏速率100.3mmcfd情况下，仍能保证平台的安全性。

在燃气泄漏速率125mm立方英尺，燃油泄漏速率16，000bbls情况下对设备和人没有任何损害。

（2）水幕系统适用于范围广：任何钻探平台、采油平台、勘探船、燃料运输船。

（3）水幕系统可以有效防止二次爆炸。

（4）水幕可以有效地阻止气体的泄漏。

（5）水幕系统可以为人员的安全撤离提供保障。

（6）水幕系统对环境没有任何负面影响。

3 存在问题及解决办法
3.1 存在问题
水幕系统的供水强度为2L/s.m，若水幕带的长度为10米则用水量为20L/s，相当于4支19mm口径水枪的流量;再者由于水幕用水量大，若无法及时将水排出，大量的水渍将使商场或仓库的财物受到损失。

3.2 解决方法
用水量大与水渍损失严重的两个缺点是相对立的，如果能将喷洒的水加以回收，补给消防水源，可以收到良好效果。

现具体阐述“回流法”水幕设计方法：
3.2.1理论依据
回流法是利用一定的排水设施，如设排水沟和(或)排水泵等，收集由水幕喷头洒至地面的水，再将这些水通过管道引入水幕系统补充其用水量，降低系统造价。

理想化的回流法水幕系统是将喷洒下来的水全部回收到消防水池中，消防水池储水量(V)是受火焰加热变成蒸汽的那部分(Vh)加上管道中充满的水量(Vg)再加上排水沟内的水(Vp)即V=Vg+Vp+Vh。

经过计算1m3的水可充满长127.3m直径100mm管道，所以Vg 很小VpVh也能很小，最终计算所需储存的消防用水量只需几立方米。

当然在实际中水幕喷洒
下来的水不可能100%被回收到水池中，所以实际运用中可以根据规范计算出来的水池容积乘以一个百分数(如30%，50%)积水池容积为V=αVs(Vs为按规范计算出来的水池容积)。

α的大小与建筑物的重要性有关，场所越危险，α越大。

不同的场合α值的需要进行试验确定。

3.2.2回流法水幕系统要求
（1）应设置排水沟。

排水沟的位置可以在喷头的正下方，也可以设置在最外侧喷头的正下方。

排水沟设置原则是将水幕带喷洒至地面的水包围起来，以便有效地收集地面上的水，若要提高收集水的速度，可在两派排水沟之间设置若干条排水沟，上方可用金属网盖住，防止杂物进入。

（2）排水沟应有一定的坡度向集水井或水幕水池，一般取3%。

（3）当被保护场所高度高于水幕水池且二者相距不远，可以直接用排水沟引水，否则应用排水泵。

排水泵吸水管处应设一集水井以便排水泵吸水，排水泵的流量应根据水幕带流量和水池储水量确定，要能保证排水泵所输送的水量加上水池储水量不小于水幕带所需的水量Q 排=Qs-V/t(Qs为按规范所计算出来的水幕系统的设计秒流量，
t为水幕系统洒水时间)。

4、应用前景
通过对国内外水幕系统的研究现状分析发现，国内目前研究侧重于水幕系统的单一性的研究（如：分析水幕的防火隔热性能、经济造价的比较），缺乏整体性的考虑水幕系统在我国的可行性，缺乏对水幕系统的改进尤其是喷头方面的研究。

国外目前侧重于对水幕系统的整体性的研究，针对整套水幕系统的实际运用进行模拟，具体包括：风力输送系统、水幕喷头、CFD计算机模拟系统，但是缺乏与实际火场中水幕系统各项数据的分析比较。

通过对水幕系统应用现状的了解分析比较，我认为水幕系统应在我国有着乐观的发展前景，理由有如下几点：
（1）水幕的阻火隔热效率比较高，如在储油罐火灾模拟实验中水幕隔热效率可达97％。

（2）水幕对有毒气体或污染性气体的稀释、吸收效率高，如在水幕系统应用于氨泄露模拟实验中，水幕对氨的吸收效率达90％。

（3）水幕可以有效地防止热辐射，保护精密仪器、设备，如在VKI系统的实验中，水幕可使使热辐射衰减率达到50％以上。

5、水幕系统今后的研究方向及发展趋势
通过对国内外水幕研究状况和应用现状的分析比较，我认为今后水幕系统的研究应侧重以下五个方向：
(1)优化喷头结构。

应针对不同场合选择相应的喷头以达到最优的灭火效果，侧重不同直径液滴的灭火效率。

(
2)水幕系统整体性能的研究。

如何在建筑物内有限的消防空间使水幕性能（防火分隔、防护冷却、吸收有毒气体）得到最优化，其中包括：水幕喷头的最佳设置距离、设置数量、添加化学试剂以及与其他消防设施的合用等。

(3)水幕系统与其他消防设施性价比的比较。

(4)国内水幕系统的研究应与国际的研究现状接轨。

国内缺乏对整体水幕性能的深入研究，缺乏针对水幕应用过程中所产生的问题(如水幕系统的误报)的系统性研究
(5)水幕系统工作时间的探讨。

《自动喷水灭火系统设计规范》中规定，自动喷水灭火系统工作时间为1小时，但规范未能将水幕系统火灾延续时间与自动喷水灭火系统区分开来。