实体试验：高压细水雾灭火系统如何守护文物安全
导 读展厅类场所展示有珍贵的文物资料，一旦发生火灾，将导致无可估量的损失。细水雾系统因具有灭火效率高、用水量少、水渍损失少、环境污染小等优点得到了广泛应用。试验研究了不同火源位置、不同开口状态及不同火源形式下细水雾系统的灭火效果，结果表明：试验选用的细水雾分区面积、喷雾强度、喷头型号及间距满足灭火要求，相关分析及试验结果将作为中国某博物馆临展厅的设计依据。
引用本文：苏昶明，邹丽，丛北华，等. 高压细水雾灭火系统应用于博物馆展厅的试验研究［J］. 给水排水，2022，48（6）：92-98.
1项目概述
中国某博物馆项目于2015年通过审图及消防审查进入施工阶段，2020年展陈方组织专题会并发函设计院提出新需求：“为了满足使用单位引进高品质临展的要求，同时提高文物展品的安全保护措施，依据《博物馆建筑设计规范》（JGJ 66-2015）10.2.9条，将博物馆二层某临展厅的消防设施由自动喷水灭火系统修改为高压细水雾系统”。
设计根据展陈方的需求进行研究分析，首先：该临展厅面积1 788.1 m²，高度7.8 m，见图1，保护对象为临展期间展厅内展示的文物资料。参考《细水雾灭火系统技术规范》（GB 50898-2013）3.1.3中第1条：文物库，以及密集柜存储的图书库、资料库和档案库，宜选择全淹没应用方式的开式系统。因此参考文物库的应用方式，拟采用高压细水雾灭火系统中的开式系统进行保护。
图1 展厅平面
其次根据《细水雾灭火系统技术规范》（GB 50898-2013）中3.4.5条及条文解释：单个防护区的容积，对于泵组式系统不宜超过3 000 m³，当容积过大时，可将其分成若干个小于3 000 m³或更小的防护区后进行设计。对于该项目，展厅体积为13 947.258m³＞3 000 m³，因此展厅采用高压细水雾开式分区应用系统，且应保证每个分区容积均不大于3 000m³。《档案馆高压细水雾灭火系统技术规范》(DA/T 45-2021)中4.3.4：“开式分区应用系统的作用面积应为需同时启动相邻分区控制阀对应的保护面积之和，每个分区控制阀的保护面积不宜小于140 m²。当在相邻部位交错重叠布置喷头时，系统的作用面积可只按一个分区和喷头交错部分的保护面积之和确定。喷头重叠部位的宽度不应小于3m，水雾喷头布置应不少于2排，喷头间距应不大于2.5m，排间距宜为1.25m~1.5m”。考虑到展厅展示物品与档案性质上相对类似，因此借鉴《档案馆高压细水雾灭火系统技术规范》（DA/T 45-2021）中开式分区加密方式的做法，然后针对此项目的喷雾强度等数据进行验证性试验。
2实体试验
2.1 试验场地
试验场地位于上海市青浦区同济安泰防灾研发中心基地，试验尺寸为长×宽×高：21m×12m×7.3m（展厅实际建筑高度7.6m，尺寸误差允许范围为-5%~+5%），因此建筑高度方向上与展厅实际偏差不大于5%，长度方向在中间设置门洞口，喷头安装高度4.5m，与实际安装保持一致，布置情况见图2。
图2 试验场地
2.2 细水雾系统设置
考虑到展厅宽度较大，当采用高压细水雾相邻分区同时启动的方式保护时，高压细水雾泵组的流量过大，接近喷水系统流量，水渍损失小且对保护对象影响小的特点无法集中体现，与展陈需求的初衷不符。而根据《档案馆高压细水雾灭火系统技术规范》（DA/T 45-2021）中4.3.4条采用开式分区加密方式保护时，应确定最小分区面积，以及在该面积下细水雾系统的灭火能力。在试验场地设计分区1面积155 m²，分区2面积140 m²，加密区域面积43 m²。相邻分区部位设置重叠布置喷头，重叠部位的宽度不小于3m，喷头布置2排，喷头间距不大于2.5m，排间距为1.25~1.5m。以用于验证细水雾分区对不同类型、大小及位置下火源的扑灭效果。采用K=1.2高压细水雾喷头，最低工作压力10MPa，喷头流量q=12L/min，参数见表1。详细的平面结构及喷头布置见图3。
表1 细水雾系统参数
图3 细水雾系统布置
2.3 油盘火源及工况设置
《建筑防烟排烟系统技术标准》(GB 51251-2017)中总结了火灾达到稳态时的热释放速率，火灾达到稳态时的热释放速率见表2。
表2 火灾达到稳态时的热释放速率
根据该规范，展览厅最大火源功率为10MW。因此首先对油盘火源进行试验研究，并对火源功率取值10MW。油盘火工况如表3所示，对于油盘火灾，燃料采用0#柴油，使用少量汽油引燃。无风环境中火源热释放速率可采用式（1）估算。
当油盘当量直径D＞0.2m时，根据式（1）：
式中 ΔHc——燃料的有效燃烧热值，柴油一般取值为43.5 MJ/kg；
m∞——燃料的最大燃烧速率，取值0.035 kg/（m²·s）;
kβ——热辐射经验系数，1.7 m－1；
D——火源等效直径，D=（4/π）1/2·a（其中a为正方形油盘的边长），m。
表3 油盘火工况
根据式(1)计算得出：最大火源功率10MW的边长a=2.60m。最终本项目选用2.77m边长的正方形油盘进行试验，误差值在6.5%。
2.4 木垛火源及工况设置
除油盘火灭火情况外，考虑到展厅内存放有固体类物品，因此开展木垛火试验验证设计参数的合理性。木垛火工况如表4所示。考虑到展厅内存放的火灾荷载不大，参考《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 51251-2017）中办公室、教室、客房、走道等的无喷水灭火场景，即6 MW火灾。选用6 MW木垛火（即2个堆垛）进行试验。标准木垛火参照欧洲UPTUN试验，单个货板尺寸为0.8m×1.2m×0.15m（宽×长×宽），单个堆垛由10个货板堆积组成，体积为0.8m×1.2m×1.5m。根据UPTUN试验测试结果，单个堆垛热释放速率约为2.5~3.0MW。本次试验采用2个标准木垛开展试验，体积为1.6m×1.2m×1.5m。由于GB 50898-2013及《细水雾灭火装置》（XF 1149-2014）中均未给出木垛含水率范围，因此试验时参考国内其余国家规范。《悬挂式气体灭火装置》（XF 13-2006，原GA 13-2006）中给出A类火灭火试验木材含水率9%～13%；《气体灭火系统及部件》（GB 25972-2010）给出A类木垛火含水率9%~13%；《建筑外墙外保温系统的防火性能试验方法》（GB/T 29416-2012）给出试验时软木的质量含水率应在10%~16%。因此本文选取的木垛含水率范围为8.6%~15.8%，符合以上国家规范的范围要求。
表4 木垛火工况
木垛用汽油引燃东侧标准堆垛。在东侧标准堆垛下方设置35cm×70cm油盘，油盘内放置不少于500mL汽油。测试高压细水雾系统对着火堆垛的灭火效果。火源位置及木垛位置具体如图4、图5所示。
图4 火源位置
图5 木垛位置
2.5 采集系统设置
对于油盘火灾和木垛火灾，在火源正中心且距地不同高度设置热电偶。在每个分区最不利点处安装压力测试装置测试最末端喷头压力，并保证最不利点喷头压力不低于10MPa；在细水雾阀箱入口处安装流量计测试分区流量。并在试验空间内安装烟气采集系统对烟气进行采集，烟气探针距地面1.5m，见图6。在观察窗设置数码摄像机对燃烧及灭火过程进行视频记录。
图6 烟气采集系统及最不利点压力测试装置平面
3试验结果
3.1 油盘火试验结果
对于油盘火灾，采用汽油引燃油盘，试验中实时观察温度数据，当温度变化不大且油盘燃烧时间不小于1min时启动高压细水雾灭火系统。详细的灭火系统启动时间见表5。
表5 5个工况试验结果
注:①以上温度数据不包含喷头安装高度以上即5.5 m、6.5 m、7.3 m高度温度;②试验中实时观察温度数据，当温度变化不大且油盘燃烧时间不小于1 min时启动高压细水雾灭火系统。
图7以工况1为例展示了油盘火燃烧及细水雾灭火过程。根据图8a温度数据，工况1汽油引燃油盘火且燃烧70s后，火源附近最高温度达到800℃，此时启动细水雾灭火系统。当细水雾系统喷放55 s后喷头及下方温度均小于100℃，细水雾系统喷放68 s喷头下方所有温度均下降到60℃以下，表明细水雾系统能够快速扑灭明火。而对于喷头上方2.8m空间，细水雾系统喷放55 s时5.5m、6.5m、7.3m温度分别由灭火系统启动前的183.9℃、142.8℃、141℃下降到108.2℃、106.9℃、107℃；细水雾系统喷放77s时三点温度下降到100℃以下；细水雾系统喷放120s时5.5m、6.5m、7.3m高度的温度下降到70℃以下，此时关闭细水雾系统。通过工况1表明，细水雾喷头安装高度低于天花板时，细水雾系统能够快速灭火，但是由于火灾产生的热烟气不断在上方聚集，喷头安装高度较低时会部分影响灭火系统对顶部高温烟气的降温效率，但是该影响较小，此时顶部烟气可通过通风或排烟系统排出。
图7 工况1灭火试验
工况2与工况1相比，由于工况2的喷头密度小于工况1，因此工况2的灭火时间长于工况1。当火源位于角落即工况3时，降温效果及灭火时间介于工况1及工况2之间。为了模拟实际大空间的情况，对试验场地两侧门打开，孔洞面积为24.5 m²，门尺寸见图2。工况4与工况2相比，敞开空间导致火场蓄热能力变差，因此火源达到最大温度的时间增长，而开敞空间与否对细水雾系统的影响不大。以上数据见图8和表5。
图8 工况1-工况4火源上方温度随时间的变化
图9显示了不同工况下环境氧气浓度随时间的变化，可以发现，对于工况1-工况3的封闭空间试验，细水雾启动前，环境氧气浓度均在20%以上，表明试验空间氧气充足。细水雾启动后，氧气浓度降低，最低到20.1%，表明细水雾具有降低氧气浓度效果、且该氧气浓度对人员是安全的。工况4与工况1-工况3类似，不同点在于敞开空间情况下，氧气浓度波动较大、细水雾降低氧气浓度效果略差。
图9 工况1-工况4 环境氧气浓度随时间的变化
3.2 木垛火试验结果
对于木垛火灾，考虑木垛火预燃时间长，因此在油盘点燃木垛火，且稳定燃烧3min后，启动高压细水雾灭火系统。
工况5对细水雾扑灭木垛火灾进行试验研究，该试验为开口状态。图10a表明，木垛火达到热释放速率峰值时间较长，因此对于实际项目，当加强探测后可实现早期灭火。另外，木垛燃烧后，高温温度主要集中于火源附近，喷头上方温度较低。而对木垛火燃烧后，细水雾灭火时间长于油类火灾。细水雾系统喷放263 s后，所有温度均小于50℃。图10b表明，木垛火时，环境氧气浓度变化不明显，表明火场氧气浓度变化主要取决于细水雾蒸发情况，当火源不大时，对环境氧气浓度影响不明显。
图10 工况5的火源上方温度及环境氧气浓度随时间的变化
工况1-工况5的高压细水雾灭火效果较好，均满足《细水雾灭火装置》（XF 1149-2014）及《档案馆高压细水雾灭火系统技术规范》(DA/T 45-2021)。
4结 论
（1）经过对规范及保护对象的特点分析，展厅类场所宜采用开式系统；当展厅面积较大，采用相邻分区同时启动将导致细水雾设计流量过大时，可采用《档案馆高压细水雾灭火系统技术规范》（DA/T 45-2021）中提到的加密分区方式。
（2）对于规范未规定展厅细水雾系统设计的参数问题，本文分别研究了不同位置及不同开口设置的油类火灾及木垛火灾，经过试验表明，按照：“最小分区面积140m²且加密带为宽度不小于3m、喷头布置2排、喷头间距不大于2.5m、排间距为1.25m-1.5m、且设计喷雾强度2.38L/min²、喷头K=1.2时”进行试验，能够满足项目本身及相关规范的灭火试验要求，试验后还进行了第三方权威验证并获得验证报告，设计根据以上试验结果对项目进行变更调整。
（3）对试验结果进行分析可以发现，封闭情况下，细水雾灭火效果依次为：分区之间>墙角落>分区内部；试验空间开口与否对细水雾灭火影响较小；细水雾系统对油类火灾的灭火及降温效果优于木垛火灾；细水雾灭火时火场环境氧气浓度均较高，对人体呼吸影响较小；开式喷头安装位置距离天花板有一定距离时，对于较大火灾，喷头下方的降温效率高于喷头上部空间，但是该影响较小，细水雾关闭后喷头上方烟气可通过通风或排烟系统排出。
