壓縮空氣泡沫系統(tǒng)在高層建筑火災(zāi)撲救中的應(yīng)用

劉 臻，靳慶生，郝常華

中國消防救援學(xué)院 消防指揮系，北京 102202

1 CAFS工作原理

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)（CAFS）可使用A類或B類泡沫液作為滅火劑，主要由消防水泵、空氣壓縮機(jī)、泡沫注入系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)工作原理是將泡沫原液和水按一定的比例混合生成泡沫混合液，然后經(jīng)過水泵加壓將泡沫混合液輸送到泡沫發(fā)射器具，從而產(chǎn)生泡沫的過程。其與一般泡沫系統(tǒng)區(qū)別在于泡沫混合液經(jīng)水泵加壓后，在輸出管線上的某一點(diǎn)和空氣壓縮機(jī)的管道相連通，泡沫混合液在消防水泵和空氣壓縮機(jī)壓力的共同作用下處于紊流狀態(tài)，發(fā)生充分的擾動和混合，產(chǎn)生細(xì)小、均勻的泡沫，其工作原理如圖1所示。

圖1 CAFS工作原理

2 CAFS在高層建筑火災(zāi)撲救中的優(yōu)勢

2.1 滲透和散熱能力強(qiáng)

A 類泡沫原液通過降低水的表面張力來增加水的滲透性，使水與火焰的接觸面積增大，尤其是對垂直表面起到“潤濕”作用，可很快滲入燃燒物體的內(nèi)部，且形成的泡沫結(jié)構(gòu)可以吸收燃燒過程中產(chǎn)生的熱量。

2.2 黏附性和穿透性較好

壓縮空氣泡沫更加細(xì)化，泡沫結(jié)構(gòu)更為均勻，泡沫穩(wěn)定性更好，形成的保護(hù)層可在物體頂面或側(cè)面有效地保留24 h，同時，滅火劑能夠穿越火羽流屏障，起到更好的隔離降溫作用。

2.3 有效減少水漬損失

A 類泡沫與壓縮空氣的混合使得水的表面張力降低，形成氣泡后吸熱能力增強(qiáng)，使80 %的水參與滅火，同時水的表面積擴(kuò)大了7倍，滲透性增加了1 000倍，提高了滅火劑保濕性和附著性，增加了對燃燒物的覆蓋和冷卻作用，使得滅火效率提高了5~8 倍，極大減少水漬損失。

2.4 遠(yuǎn)距離輸送滅火劑

由于滅火劑中加入的大量壓縮空氣極大減輕了水帶的重量，提高了消防員鋪設(shè)水帶的機(jī)動性，特別是在撲救高層建筑火災(zāi)時，可減少消防員在鋪設(shè)水帶、拖動水帶或者轉(zhuǎn)移陣地時的體能消耗。

2.5 綠色環(huán)保

壓縮空氣泡沫濃縮液從植物蛋白中提煉，可自行分解，不產(chǎn)生有害殘留，無異味，滅火殘留物易降解，環(huán)保效能突出。

3 CAFS在高層建筑火災(zāi)救援中的應(yīng)用及效果

根據(jù)高層建筑的建筑特點(diǎn)、固定消防設(shè)施的設(shè)置情況及消防救援隊伍裝備的性能，在撲救高層建筑火災(zāi)時應(yīng)堅持“以固為主，固移結(jié)合”火場供水原則［1］。本文選取的垂直供水或沿樓梯蜿蜒鋪設(shè)水帶方法主要用于高層建筑火災(zāi)撲救，當(dāng)固定消防設(shè)施不能正常啟動或者固定設(shè)施輸送的水不能滿足火場需要時，利用壓縮空氣泡沫消防車供水滅火。

3.1 不同水帶鋪設(shè)方法的特點(diǎn)分析

沿建筑外墻垂直鋪設(shè)水帶法的優(yōu)點(diǎn)是展開速度快，節(jié)省水帶使用數(shù)量，水頭損失相對較小。其缺點(diǎn)是對水帶的固定要求較高，易受到自然環(huán)境的影響，如風(fēng)大時水帶在鋪設(shè)過程中容易偏離預(yù)定位置，因此對消防救援人員的技術(shù)要求較高，耗時較長。此方法主要適用于建筑工地、有陽臺和窗戶的居民住宅樓，有利于水帶的固定和展開。

沿樓梯間隙垂直鋪設(shè)水帶法的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省水帶使用數(shù)量，水頭損失相對較小，不受自然環(huán)境的影響。其缺點(diǎn)是水帶在鋪設(shè)過程中容易受到樓梯扶手的影響。此方法主要適用于一些老式高層居民樓火災(zāi)。

沿樓梯蜿蜒鋪設(shè)水帶法的優(yōu)點(diǎn)是水帶承受的壓力較小，連接比較穩(wěn)固，受外界環(huán)境的影響較小，機(jī)動靈活便于內(nèi)攻人員及時轉(zhuǎn)移滅火陣地。其缺點(diǎn)是需要水帶數(shù)量較多、水頭損失較大、水帶易破裂，且由于火場情況瞬息萬變，供水中斷時難以迅速查找中斷部位，可能致使整個供水線路癱瘓。此外，水帶鋪設(shè)過多后，消防救援人員消耗大量體力，導(dǎo)致空呼消耗較快，降低戰(zhàn)斗效率，該方法適用于建筑高度低于100 m的滅火救援行動。

通過調(diào)研，根據(jù)安徽省消防救援總隊合肥市支隊實(shí)踐測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)建筑高度低于100 m 時，沿樓梯垂直釋放水帶與乘電梯沿樓梯垂直釋放水帶所需時間基本相同，沿樓梯蜿蜒鋪設(shè)水帶過程中消防員需要休息3～5 次，中途需更換空氣呼吸器。在實(shí)戰(zhàn)中可根據(jù)火場實(shí)際情況靈活運(yùn)用。4 種水帶鋪設(shè)方式所需時間如表1所示。

表1 水帶鋪設(shè)時間記錄表

3.2 阻力損失計算

壓縮空氣泡沫液線路的阻力損失，見式（1）：

式中：△Pf為摩擦阻力損失，△Pg為勢能壓力損失，△Pq為泡沫槍出口阻力損失。

本文主要研究壓縮空氣泡沫在高層建筑中垂直與沿樓梯蜿蜒鋪設(shè)水帶條件下的供液能力及滅火效果。因此，沿程阻力損失△PW在蜿蜒鋪設(shè)中還應(yīng)考慮，兩相流過彎時發(fā)生的沿程摩擦阻力損失△Pf和由于滑速比變化引起的動量增量△MF，見式（2）~（4）。

式中：λ為摩擦阻力系數(shù)；μ為動力黏度系數(shù)；ρ為兩項流密度，kg·m-3；G為兩相流質(zhì)量流速，kg·（m2?s）-1；ν氣為全氣相比容，m3·kg-1；ν液為全液相比容，m3·kg-1；R為彎曲半徑；χ 為兩相流體中氣相質(zhì)量流量所占兩相質(zhì)量流量的份額，可稱為質(zhì)量含氣率［2］。在高層建筑滅火用壓縮空氣泡沫中，勢能壓力損失計算占總體壓力損失中較大部分，見式（5）、式（6）。

式中：α=0.83β，β為體積含氣率；△Pq為泡沫槍出口阻力損失，可根據(jù)具體情況確定。

通過研究發(fā)現(xiàn)，壓縮空氣泡沫滅火劑符合氣流兩相流基本原理，可以用上述公式計算其在火場供水中阻力損失問題。如，廣州市消防救援支隊利用壓縮空氣泡沫車，垂直鋪設(shè)80 mm 水帶，實(shí)際供給壓縮空氣泡沫液極限高度為212.5 m，理論供給高度為208~230 m，實(shí)測與理論計算誤差為2%~8%。上海市消防救援總隊利用德國施密茨壓縮空氣泡沫消防車，沿樓梯間蜿蜒鋪設(shè)水帶，供給壓縮空氣泡沫液高度達(dá)到200 m，有效射程約10 m，而其理論計算值為217~248 m，實(shí)測與理論計算誤差為8.5%~24%［3］。

此外，泡沫比例只決定發(fā)泡倍數(shù)，幾乎不影響供液的阻力損失，阻力損失的決定因素是供給系統(tǒng)空氣的流量、壓力，水的流量、壓力，供水線路的鋪設(shè)方式和水帶口徑。以德國施密茨壓縮空氣泡沫系統(tǒng)為例，在未使用渦輪增壓系統(tǒng)的情況下，其理論垂直供液高度不超過230 m，蜿蜒供液高度不超過189 m，且壓縮空氣泡沫滅火劑在同等條件下垂直供液和蜿蜒鋪設(shè)水帶供液能力均遠(yuǎn)優(yōu)于直接供水。

3.3 性能測試

3.3.1 供給時間

以200 m 高層建筑為例，進(jìn)行沿建筑外墻鋪設(shè)水帶和沿樓梯鋪設(shè)水帶供壓縮空氣泡沫滅火劑試驗，所測得供給時間見表2。

表2 高層建筑供滅火劑測試時間記錄表

通過對以上試驗數(shù)據(jù)的分析和研究，不難發(fā)現(xiàn)采用壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)向高層建筑供泡沫消耗時間較短且高度較高，滿足滅火救援需求。

3.3.2 不同壓力條件下泡沫槍數(shù)量及流量

壓縮空氣泡沫系統(tǒng)出口處的壓力受水泵壓力的影響較小，一般維持在0.8~1.0 MPa，且水泵壓力對供液高度的影響不大。從表3 測試結(jié)果可知，當(dāng)使用壓縮空氣泡沫出槍數(shù)量超過2 支，其有效射程難以滿足高層建筑火災(zāi)滅火需求，并且泡沫滅火劑含水量明顯降低，不能起到滅火冷卻作用。

表3 不同壓力條件下泡沫槍數(shù)量及流量表

通過實(shí)地測試，在單車輸送壓縮空氣泡沫時，初始壓力為1.0 MPa，能滿足滅火需求最大高度為195 m，極限輸送高度約為305 m。雙車在同樣初始壓力下輸送壓縮空氣泡沫時，能滿足滅火需求的最大高度為223 m，此時泡沫噴射距離超過15 m，完全滿足滅火需求。

3.3.3 滅火效果

在實(shí)際滅火戰(zhàn)斗中，消防救援隊伍主要利用壓縮空氣泡沫消防車結(jié)合A 類泡沫滅火劑，撲救各種固體火災(zāi)。天津消防研究所對壓縮空氣泡沫滅B 類火的滅火機(jī)理及其在石化儲罐、交通隧道等典型場所的應(yīng)用開展了大量相關(guān)研究，并進(jìn)行滅火性能測試。

在固體燃燒試驗中，通過設(shè)置橡膠輪胎堆垛（每個堆垛由450 個橡膠輪胎組成）［4］，澆淋柴油以及汽油后引燃，燃燒持續(xù)時間5 min，輪胎處于完全燃燒階段，其燃燒后呈熔融狀態(tài)又兼具B 類火災(zāi)性質(zhì)。將混合比為0.6%的壓縮空氣泡沫（A 類）、6%的壓縮空氣泡沫（B 類）和水的滅火效果進(jìn)行比較，測得的滅火時間、滅火用水量見表4。

表4 壓縮空氣泡沫和水的滅火效果記錄表

此外，中國人民警察大學(xué)在固體燃燒試驗中通過設(shè)置不同數(shù)量松木（木條數(shù)量模擬不同火災(zāi)荷載），在9 m×9 m×6 m 的空間內(nèi)使其穩(wěn)定燃燒后測試濕泡沫、中等泡沫和干泡沫的滅火性能［5］。在試驗中，通過綜合對比泡沫尺寸、發(fā)泡倍數(shù)、析液時間、抗燒性、可燃面覆蓋性及輻射阻隔性，并記錄滅火時間及復(fù)燃情況。結(jié)果表明：撲救固體火災(zāi)時，采用混合比和發(fā)泡倍數(shù)較小的濕泡沫，混合比為0.4%～0.6%、發(fā)泡倍數(shù)為13倍時，滅火效果最佳；中等發(fā)泡倍數(shù)泡沫能實(shí)現(xiàn)有效控制火勢，干泡沫滅火難以進(jìn)入木垛內(nèi)部，其黏附能力和覆蓋效果較強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)在火場中對可燃物或貴重設(shè)備的隔熱防護(hù)。

天津消防研究所在丙酮和乙醇液體燃燒試驗中［6］，采用緩施加的方式供給抗溶性壓縮空氣泡沫和低倍數(shù)泡沫滅火。通過試驗發(fā)現(xiàn)，壓縮空氣泡沫25%時析液時間及抗燒時間更長，可顯著提升泡沫穩(wěn)定性，抗復(fù)燃性顯著增強(qiáng)，滅火時間縮短近40%，當(dāng)發(fā)泡倍數(shù)為7～15 倍時滅火效果最佳［7］。由此可見，壓縮空氣泡沫在滅A 類火災(zāi)甚至B 類火災(zāi)時，與水和低倍數(shù)泡沫相比具有較好的滅火效果。

4 結(jié)束語

消防救援隊伍應(yīng)加強(qiáng)轄區(qū)消防救援站對高層及超高層建筑滅火救援、火場供水等專項實(shí)戰(zhàn)化演練，有針對性地進(jìn)行戰(zhàn)斗編成，將壓縮空氣泡沫消防車、中低壓水罐消防車和登高平臺車為一個戰(zhàn)斗單元的力量編成，加強(qiáng)第一出動力量［8］。深化新型壓縮空氣泡沫車實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用的技戰(zhàn)術(shù)研究，合理選擇內(nèi)攻途徑和水帶鋪設(shè)方式，快速進(jìn)行戰(zhàn)斗展開。要對泡沫液及其混合比進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，使其產(chǎn)生致密規(guī)整的壓縮空氣泡沫，能夠穩(wěn)定、持久地黏附在固體燃燒物上，達(dá)到隔絕熱輻射并滲透進(jìn)入燃燒物質(zhì)的要求，從而提高滅火劑的滅火效率，充分發(fā)揮消防救援隊伍作為國家隊和主力軍的關(guān)鍵作用。