自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

王永鋒

(白山市消防支隊(duì)，吉林 白山　135200)

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自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

王永鋒

(白山市消防支隊(duì)，吉林 白山135200)

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)作為一種經(jīng)濟(jì)可靠的固定消防設(shè)施，廣泛的應(yīng)用在賓館、飯店、商場(chǎng)等人員聚集場(chǎng)所，但其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益往往受到忽視，導(dǎo)致為了節(jié)約成本，系統(tǒng)安裝過(guò)程偷工減料、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中維護(hù)不利等現(xiàn)象出現(xiàn)。以消防投入的成本效益理論為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)建筑火災(zāi)損失進(jìn)行評(píng)估，建立了自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算方法，并應(yīng)用于實(shí)際案例當(dāng)中，研究結(jié)果可為評(píng)價(jià)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性提供依據(jù)。

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)；成本；經(jīng)濟(jì)效益；火災(zāi)損失

0　引言

自動(dòng)噴水滅火技術(shù)是集火災(zāi)報(bào)警和滅火于一身的建筑防火技術(shù)，其滅火效率高，可靠性好，經(jīng)濟(jì)適用，自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的投資僅占建筑總投資的1%～3%[1]。統(tǒng)計(jì)表明，設(shè)有自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的建筑物發(fā)生火災(zāi)的死亡人數(shù)可以減少1/3到2/3，滅火成功率大于96%[2]。在美國(guó)，安裝自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的建筑，100美元資產(chǎn)平均保險(xiǎn)費(fèi)僅為0.03美元，而未安裝自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的建筑則為0.3美元[3]，足以說(shuō)明自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的重要性。自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的控、滅火效率高已被國(guó)內(nèi)外的滅火案例所證實(shí)[3]。表1是世界各國(guó)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)成功滅火的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表1　自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的滅火效率

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)能夠?yàn)榻ㄖ踩峁┛煽勘Ｕ希苊馍?cái)產(chǎn)遭受損失。但是在我國(guó)，經(jīng)營(yíng)者往往從建筑建設(shè)和維護(hù)成本出發(fā)，忽視了消防投入帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，導(dǎo)致建設(shè)過(guò)程中自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)安裝偷工減料、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中系統(tǒng)維護(hù)不利等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成了嚴(yán)重的火災(zāi)隱患。因此，需要研究自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算方法，為評(píng)價(jià)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性提供依據(jù)。

1　消防投入的成本-效益分析

對(duì)某一特定建筑的消防工程，增加投入可以提高建筑的安全度。但建筑的安全度并不會(huì)隨著消防投入的增加而無(wú)限增大，當(dāng)達(dá)到一定程度后，再增加消防投入所帶來(lái)的建筑安全度的增益是很小的[4]。因此，為了提高消防投資的效率，應(yīng)該在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)降到可接受范圍的前提下，減少不必要的消防投入，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)、有效、經(jīng)濟(jì)的火災(zāi)防控目標(biāo)。

在建筑內(nèi)安裝自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)可以使火災(zāi)威脅大大降低，提高了建筑的安全度，但是否滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性的要求，還需要從以下兩方面進(jìn)行考慮[5]。一是降低火災(zāi)發(fā)生可能性和火災(zāi)發(fā)生給社會(huì)、環(huán)境造成的損失，保護(hù)了人們的生命和財(cái)產(chǎn)；二是保障正常的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，維護(hù)正常的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)過(guò)程，間接為社會(huì)增加了財(cái)富。這兩方面都是消防投資所創(chuàng)造的效益，前一項(xiàng)用損失函數(shù)L(s)表示，通常建筑的消防投入越高，安全性越大，火災(zāi)損失就越??；后一項(xiàng)用增值函數(shù)I(s)表示，增值函數(shù)隨火災(zāi)安全性的提高而增大，但并不是無(wú)限增大，它存在一個(gè)極大值，該值取決于研究對(duì)象的功能和生產(chǎn)技術(shù)水平。如果用C(s)表示消防投入的成本函數(shù)，則消防投入的效益E(s)可用公式(1)表示：

(1)

2　建筑火災(zāi)損失評(píng)估

對(duì)建筑火災(zāi)損失進(jìn)行評(píng)估，要根據(jù)火災(zāi)動(dòng)力學(xué)理論和火災(zāi)發(fā)生發(fā)展的特點(diǎn)，將火災(zāi)的發(fā)展過(guò)程劃分為4個(gè)階段，對(duì)每個(gè)階段的臨界時(shí)間、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和火災(zāi)成長(zhǎng)概率進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)建筑物的過(guò)火面積，從而得到財(cái)產(chǎn)損失的估計(jì)值[6]。

2.1階段一

階段一是指火災(zāi)的初期階段，此階段火源的熱釋放速率較小，采用滅火器或自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)能夠?qū)⑵鋼錅缁蚩刂?。在階段一，火災(zāi)能否被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并成功撲滅，主要取決于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和滅火器工作的可靠性和有效性。階段一的火災(zāi)發(fā)展事件樹(shù)見(jiàn)圖1。

圖1　階段一事件樹(shù)

根據(jù)圖1事件樹(shù)，可以得出火災(zāi)發(fā)展超出階段一的概率為：

(2)

式中，Pa1為火災(zāi)探測(cè)報(bào)警成功的概率；Pa2為自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)滅火成功的概率；Pa3為滅火器滅火成功的概率。

為了估算建筑物的過(guò)火面積，需要了解每個(gè)階段火災(zāi)發(fā)展的臨界時(shí)間。根據(jù)事件樹(shù)，階段一的臨界時(shí)間為火災(zāi)剛好能夠被滅火器撲滅所經(jīng)歷的時(shí)間。影響滅火器滅火的因素是火源的熱釋放速率，火災(zāi)初期的熱釋放速率可用公式(3)表示：

(3)

式中，α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，kW·s-2；t0為開(kāi)始著火到探測(cè)器報(bào)警的時(shí)間，通常取60 s。

滅火器可以撲滅熱釋放速率不超過(guò)950 kW的火源[7]。因此，火源熱釋放速率達(dá)到950 kW時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為階段一的臨界時(shí)間tFPh1，通過(guò)公式(4)計(jì)算。

(4)

2.2階段二

階段二是火災(zāi)發(fā)展到一定程度后，無(wú)法被滅火器和自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)有效撲滅，需要采用消火栓進(jìn)行滅火。此階段火災(zāi)的發(fā)展主要受到排煙設(shè)備和室內(nèi)消火栓工作狀況的影響。在階段二，火災(zāi)進(jìn)一步發(fā)展導(dǎo)致室內(nèi)溫度逐漸升高，并產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，不利于建筑?nèi)部人員使用消火栓進(jìn)行滅火。因此，及時(shí)啟動(dòng)排煙設(shè)備是保證火災(zāi)被室內(nèi)消火栓成功撲滅的必要條件。階段二火災(zāi)發(fā)展的過(guò)程可以用圖2中的事件樹(shù)表示。

圖2　階段二事件樹(shù)

火災(zāi)發(fā)展超出階段二的概率可通過(guò)公式(5)計(jì)算：

(5)

式中，Pb1為排煙設(shè)備啟動(dòng)成功的概率；Pb2為消火栓滅火成功的概率。

在階段二，火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量高溫、有毒的煙氣，當(dāng)煙氣下降到一定高度時(shí)(通常取1.5 m)，就會(huì)影響人員使用室內(nèi)消火栓滅火。此外，當(dāng)煙氣層溫度過(guò)高時(shí)(煙氣的輻射熱通量大于0.25 W·cm-2)，也會(huì)對(duì)人體造成灼傷。因此，對(duì)于煙氣層高度下降到1.5 m和煙氣的輻射熱通量大于0.25 W·cm-2這兩個(gè)時(shí)間，取較短的時(shí)間即為階段二的臨界時(shí)間tFPh2。

2.3階段三

當(dāng)火災(zāi)發(fā)展超過(guò)階段二之后，消防隊(duì)若未能及時(shí)撲救火災(zāi)就會(huì)發(fā)展到第三階段。在階段三，火災(zāi)處于充分發(fā)展時(shí)期，火勢(shì)猛烈，并且有可能發(fā)生轟燃。公式(6)為火災(zāi)發(fā)展超出階段三的概率。

(6)

式中，Pf為火災(zāi)被消防隊(duì)撲滅的概率。

階段三的臨界時(shí)間是火災(zāi)從開(kāi)始到發(fā)生轟燃所經(jīng)歷的時(shí)間。消防隊(duì)若不能及時(shí)撲滅火災(zāi)，一旦發(fā)生轟燃，整個(gè)房間均被燒損。裝飾裝修材料為可燃材料時(shí)頂棚煙氣層的溫度達(dá)到300 ℃或裝飾裝修材料為不燃材料時(shí)煙氣層溫度達(dá)到600 ℃，就會(huì)發(fā)生轟燃，這一時(shí)間即為階段三的臨界時(shí)間。發(fā)生轟燃前煙氣層溫度可由公式(7)計(jì)算[8-9]。根據(jù)起火建筑的空間結(jié)構(gòu)和室內(nèi)不同裝飾裝修材料確定煙氣層溫度，再結(jié)合公式(8)可以得到階段三的臨界時(shí)間。

(7)

(8)

式中，hk為壁面的有效傳熱系數(shù)，kW·m-2·K-1；AT為房間內(nèi)部的總表面積，m2；A為房間開(kāi)口面積，m2；H為房間開(kāi)口高度，m；k為裝修材料的導(dǎo)熱系數(shù)，kW·m-1·K-1；ρ為裝修材料的密度，kg·m-3；C為裝修材料的比熱，kJ·kg-1·K-1；t為火災(zāi)燃燒特征時(shí)間，s。

2.4階段四

階段四是指火災(zāi)進(jìn)一步發(fā)展，由起火房間蔓延到整個(gè)防火分區(qū)?；馂?zāi)蔓延到起火房間外時(shí)，及時(shí)關(guān)閉防火卷簾能夠防止火災(zāi)蔓延出防火分區(qū)；若防火卷簾失效，則需要消防隊(duì)及時(shí)有效的撲救火災(zāi)。階段四火災(zāi)發(fā)展情況可由圖3中的事件樹(shù)表示。

圖3　階段四事件樹(shù)

通過(guò)圖3的事件樹(shù)，火災(zāi)發(fā)展超出階段四的概率為：

(9)

其中，Pc1為成功關(guān)閉防火卷簾的概率。

在階段一、階段二和階段三，火焰是以著火點(diǎn)為圓心，以圓形向四周蔓延，并引燃其他可燃物[7]。因此，這三個(gè)階段可通過(guò)火災(zāi)蔓延速率來(lái)計(jì)算建筑的過(guò)火面積：

(10)

式中，Ai為階段i時(shí)建筑物的過(guò)火面積，m2；tFPhi為階段i的臨界時(shí)間，s；v為火災(zāi)蔓延速率，m·s-1。

在階段四，火災(zāi)已經(jīng)蔓延到整個(gè)防火分區(qū)，此時(shí)的過(guò)火面積應(yīng)為起火房間所在防火分區(qū)的面積?；馂?zāi)發(fā)生后，防火分區(qū)過(guò)火面積的期望值為：

(11)

式中，PFPhi為火災(zāi)發(fā)展超出階段i的概率(i=1,2,3)；AFZ為防火分區(qū)的平均過(guò)火面積。

如果建筑單位面積的財(cái)產(chǎn)密度為wE(元·m-2)，則防火分區(qū)發(fā)生火災(zāi)后財(cái)產(chǎn)損失的期望值可表示為：

(12)

3　自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益案例分析

以某商場(chǎng)為例，地上4層，每層建筑面積約1 700 m2，總建筑面積7 000 m2。建筑總高度15.9 m，屋頂有消防水箱，建筑內(nèi)設(shè)有消火栓滅火系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、防火卷簾、水幕系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)等消防設(shè)施。

假設(shè)著火房間的面積為20 m×15 m，高度為4 m，兩個(gè)門(mén)的尺寸均為2.1 m×4 m，房間所在的防火分區(qū)面積為875 m2。火災(zāi)為快速增長(zhǎng)型火災(zāi)，火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)0.046 89 kW·s-2，火災(zāi)蔓延速度為0.006 m·s-1。起火房間墻壁的熱慣性為2.0 kW·s2·m-4·K-2，房間溫度25 ℃，環(huán)境溫度293 K。分別對(duì)安裝和未安裝自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)時(shí)，發(fā)生火災(zāi)的損失進(jìn)行評(píng)估。各階段初始條件[3]見(jiàn)表2，平均過(guò)火面積的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2　初始條件

表3　火災(zāi)超出各階段概率和平均過(guò)火面積

保守估計(jì)其財(cái)產(chǎn)密度wE=10 000元·m-2，兩種情況下的直接損失分別為：

L1=wE×AFZ1=10 000×6.53=65 300元

L2=wE×AFZ2=10 000×26.185=261 850元

若保守估計(jì)該商場(chǎng)每天的營(yíng)業(yè)額為100 000元，發(fā)生火災(zāi)后停業(yè)天數(shù)為15天。由上面的計(jì)算可知，有無(wú)自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)的概率分別為0.12和0.49，則安裝自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)后增值效益為：

I=I1-I2=100 000×15×(0.49-0.12)

=555 000元

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的成本為C=196 760元，即為兩種情況下消防投資之差C1-C2。則兩種情況下消防投資的收益之差為：

=555 000-(65 300-261 850)-196 760

=554 790元

因此，安裝自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)能夠獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

4　結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)能夠在火災(zāi)初期及時(shí)做出響應(yīng)并迅速撲滅火災(zāi)，隨著技術(shù)的發(fā)展和管理的完善，其滅火效率還會(huì)進(jìn)一步提高。從消防經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度，以自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)為主導(dǎo)的消防體系有利于提高消防投資的效用與效益，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)相對(duì)較少的投資，大大提高建筑的安全度，有效減少火災(zāi)損失?？梢?jiàn)投資自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)不論從經(jīng)濟(jì)上還是安全上考慮，都是十分必要的。

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(責(zé)任編輯、校對(duì)馬龍)

Study on Economic Benefit of Automatic Fire Sprinkler System

WANG Yongfeng

(BaishanMunicipalFireBrigade,JilinProvince135200,China)

As a type of reliable fixed fire protection facility, automatic fire sprinkler systems are used in public gathering places such as hotels, restaurants, markets and so on. However, due to neglect of the economic benefit brought by water spray, sprinkler systems are often jerry-built during installation, and not maintained well in the process of operation to reduce the cost. Based on cost-effectiveness theory of fire protection investment, a method of economic benefit calculation was established through fire loss assessment, and applied to a real building project, which can provide basis for economic evaluation of sprinkler system.

automatic fire sprinkler system; cost; economic benefit; fire loss

2015-12-09

王永鋒(1982—)，男，吉林臨江人，助理工程師。

TU998.13

A

1008-2077(2016)02-0011-04