智能換電柜的水消防滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：智能換電柜是用于電動自行車電池的充換電設(shè)備，其消防安全至關(guān)重要。為解決智能換電柜的消防安全問題，研究設(shè)計(jì)了一種水消防噴淋滅火系統(tǒng)?，F(xiàn)主要介紹了水消防噴淋滅火系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水箱布局設(shè)計(jì)和材料選擇，并展開了相應(yīng)的消防測試驗(yàn)證。試驗(yàn)表明，該方案能高效撲滅電池自燃的明火，并能持續(xù)噴淋1 h以上，確保在5 min內(nèi)撲滅明火，15 min內(nèi)無復(fù)燃。該方案簡單實(shí)用、高效穩(wěn)定，能確保換電柜的消防安全。

關(guān)鍵詞：智能換電柜；消防安全；水噴淋；滅火技術(shù)

中圖分類號：TU892" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0031-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.008

0" " 引言

隨著電動自行車[1]的普及和市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，智能換電柜作為一種便捷高效的電池租賃與充電解決方案，正逐漸成為城市短途出行的重要基礎(chǔ)設(shè)施。然而，由于電動自行車多采用鋰電池，其在充電過程中存在較高的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，不僅會造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，還可能危及公共安全。因此，如何有效保障智能換電柜的消防安全，成為亟待解決的問題。當(dāng)前市場上，智能換電柜的消防系統(tǒng)主要采用氣溶膠滅火系統(tǒng)[2]和噴淋式水循環(huán)滅火系統(tǒng)。氣溶膠滅火系統(tǒng)通過隔絕空氣來滅火，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于鋰電池燃燒時(shí)間長且內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，氣溶膠滅火效果往往不理想。相比之下，噴淋式水循環(huán)滅火系統(tǒng)具有滅火速度快、效果好等優(yōu)勢，更適合應(yīng)對鋰電池火災(zāi)。本文旨在設(shè)計(jì)一種高效可靠的智能換電柜水消防滅火系統(tǒng)，通過集成溫度傳感、煙霧探測、自動斷電及噴水滅火等功能模塊，實(shí)現(xiàn)對換電柜內(nèi)電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與快速響應(yīng)。該系統(tǒng)能夠在電池異常發(fā)熱或起火時(shí)，立即切斷電源，啟動噴水裝置進(jìn)行滅火，有效遏制火災(zāi)蔓延，保障人員與財(cái)產(chǎn)安全。本研究不僅豐富了智能換電柜消防技術(shù)的理論體系，也為實(shí)際工程應(yīng)用提供了重要的技術(shù)參考。

1" " 智能換電柜及其火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析

智能換電柜[3]，又稱智能充電柜，是一種集移動電源與電動自行車充電功能于一體的電力設(shè)備，其核心在于利用智能化技術(shù)為電動自行車提供快速、便捷的電池更換或充電服務(wù)。它能自動偵測電動自行車電量，并根據(jù)預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)啟動充電程序，有效保護(hù)電池免受損害，同時(shí)提升電池壽命和充電安全性。此外，換電柜還具備安全驗(yàn)證功能，可通過智能識別系統(tǒng)確保電源安全使用，并支持多種聯(lián)機(jī)方式，能實(shí)時(shí)檢測工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并響應(yīng)故障。隨著電動自行車市場的擴(kuò)大和用戶對充電效率要求的提高，智能換電柜正逐漸受到市場青睞，已在多個城市和地區(qū)推廣應(yīng)用，特別是在電動自行車使用密集區(qū)域。從發(fā)展趨勢來看，智能換電柜市場前景廣闊，將更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化，能為用戶提供更加高效的個性化服務(wù)。同時(shí)，政府政策支持也為行業(yè)發(fā)展提供了保障。然而，智能換電柜在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨消防安全挑戰(zhàn)，如易受高溫、惡劣天氣影響，以及鋰電池充放電過程中可能存在安全隱患。智能換電柜一旦發(fā)生火災(zāi)，將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失并威脅公共安全。因此，提高智能換電柜的消防安全性能，預(yù)防火災(zāi)事故發(fā)生，是當(dāng)前行業(yè)亟待解決的問題，也是水消防滅火技術(shù)應(yīng)用的重要性和緊迫性所在。

2" " 水消防滅火技術(shù)原理

水消防滅火技術(shù)[4]是利用水的冷卻、窒息和沖擊作用來撲滅火源的一種有效方法，其基本原理如下：首先，水具有較高的比熱容，能快速吸收火源的熱量，從而降低燃燒物的溫度，達(dá)到冷卻的效果；其次，水在接觸火源時(shí)會迅速汽化，產(chǎn)生大量的水蒸氣，這些水蒸氣能夠稀釋空氣中的氧氣，起到窒息作用；最后，通過高壓水流對火源進(jìn)行直接沖擊，可以將火焰打散，隔離可燃物與氧氣的接觸，從而撲滅火焰。在智能換電柜中整合水消防系統(tǒng)，需要考慮多方面的因素，包括系統(tǒng)的可靠性、響應(yīng)速度、對設(shè)備的影響等。一種常見的整合方式是在智能換電柜內(nèi)部安裝自動噴水滅火系統(tǒng)。該系統(tǒng)由噴頭[5]、管路、閥門和控制裝置等組成，當(dāng)檢測到火情時(shí)，控制裝置會迅速啟動，打開閥門，使水通過噴頭噴向火源，實(shí)現(xiàn)快速滅火。此外，為了確保水消防系統(tǒng)的有效性，還要與智能換電柜的其他安全系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，如煙霧報(bào)警系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)等。當(dāng)這些系統(tǒng)檢測到異常情況時(shí)，可以觸發(fā)水消防系統(tǒng)進(jìn)行滅火操作。

3" " 水消防滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1" " 滅火系統(tǒng)工作原理

智能換電柜水消防滅火系統(tǒng)的水路示意圖如圖1所示，水路流程：水箱水源→進(jìn)水路→增壓泵→電磁閥→噴淋頭→回水路→過濾網(wǎng)→流回水箱。此方案的亮點(diǎn)是水路為閉環(huán)式，可以循環(huán)利用。

如圖2所示，換電柜底部的水箱作為水源，通過進(jìn)水路將水引入增壓泵[6]。增壓泵的作用是提高水的壓力，確保在滅火時(shí)能夠迅速、有效地覆蓋火源。每個電池倉都配備有獨(dú)立的電磁閥，這些電磁閥負(fù)責(zé)控制對應(yīng)電池倉上部的噴淋頭的水路通斷。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)置的溫感裝置檢測到火災(zāi)時(shí)，會迅速響應(yīng)并觸發(fā)電磁閥打開，使水通過噴淋頭噴灑出來，直接對火源進(jìn)行滅火。噴淋頭的設(shè)計(jì)確保了水能夠均勻、廣泛地覆蓋火源，從而迅速減小火勢。同時(shí)，由于每個電池倉都有獨(dú)立的電磁閥和噴淋頭，系統(tǒng)可以精確地控制每個電池倉的滅火操作，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。滅火后，使用過的水會通過回水路流回水箱。在回水過程中，水會經(jīng)過過濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，去除其中的雜質(zhì)和污染物，確保再次使用時(shí)水質(zhì)的清潔。這種閉環(huán)式的水路設(shè)計(jì)不僅減少了水資源的浪費(fèi)，還保證了系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。整個系統(tǒng)采用電磁閥來實(shí)現(xiàn)對水路的精確控制，確保了在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能迅速、準(zhǔn)確地啟動滅火操作。這種設(shè)計(jì)使得換電柜水消防滅火系統(tǒng)成為一種高效、可靠的火災(zāi)應(yīng)對方案。備用電池能滿足1 h的供電，放于柜體頂部，當(dāng)電池異常觸發(fā)水消防系統(tǒng)時(shí)，市電斷開，由備用電池供電。

3.2" " 結(jié)構(gòu)材料選型分析

本設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)材料選型上注重耐用性、成本效益與功能性。水消防滅火換電柜的結(jié)構(gòu)框架主要由鈑金焊接而成，這種材料選擇提供了良好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。特別值得一提的是，本方案的一個創(chuàng)新亮點(diǎn)是利用鈑金框架的豎梁和橫梁同時(shí)作為回水梁，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能的二合一，不僅節(jié)省了材料成本，還優(yōu)化了空間布局。

對于鈑金機(jī)柜的表面處理，采用SGCC鋼材并噴涂了戶外專用粉末，這樣的組合能夠有效抵抗戶外環(huán)境的侵蝕，延長機(jī)柜的使用壽命。

在水箱的材質(zhì)選擇上，使用不銹鋼，因?yàn)樗哂袃?yōu)異的耐腐蝕性和耐用性，能夠確保水源的清潔與安全。

在管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際需求選用了不同的材料。軟管部分采用了不銹鋼編織管，這種材料既柔軟又堅(jiān)韌，能夠承受較高的水壓，同時(shí)不易老化或破損。而對于硬管部分，則選用PPR熱熔水管[7]，這種材料具有良好的耐高溫性能和密封性，能夠確保水路的穩(wěn)定運(yùn)行。

本設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)材料選型上充分考慮了耐用性、成本效益與功能性，通過合理的材料搭配和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了換電柜水消防滅火系統(tǒng)的高效、可靠運(yùn)行。

4" " 水箱置頂和置底優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.1" " 水箱置頂方案優(yōu)缺點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)：利用自然流水機(jī)制，確保水迅速流向電池倉滅火；自動加壓，實(shí)現(xiàn)快速有力滅火；可能增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；頂部加水操作相對方便。

2）缺點(diǎn)：密封性要求高，制造難度和漏水風(fēng)險(xiǎn)加大；需要復(fù)雜循環(huán)系統(tǒng)，制造成本提高；設(shè)計(jì)或安裝不當(dāng)可能帶來穩(wěn)定性隱患；高度較高時(shí)加水操作可能不方便。

4.2" " 水箱置底方案優(yōu)缺點(diǎn)

1）優(yōu)點(diǎn)：密封要求較低，漏水風(fēng)險(xiǎn)減小；水循環(huán)系統(tǒng)簡化，制造成本降低；底部重量增加，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)。

2）缺點(diǎn)：消防響應(yīng)可能延時(shí)1～3 s，需要更精細(xì)的聯(lián)動設(shè)計(jì)。

3）綜合考量：水箱置底方案在簡化系統(tǒng)、降低成本和增強(qiáng)穩(wěn)定性方面更具優(yōu)勢，通過合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化，其缺點(diǎn)可有效控制和彌補(bǔ)，因此可能是一個更為實(shí)際和可行的選擇。

5" " 消防測試與結(jié)果分析

5.1" " 消防測試要求

1）獨(dú)立消防電源：系統(tǒng)應(yīng)配備獨(dú)立的消防電源，并確保在市電中斷的情況下，能夠持續(xù)供電至少60 min，以保證消防系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2）火災(zāi)探測與聲光報(bào)警功能：系統(tǒng)需具備火災(zāi)探測能力，一旦探測到火災(zāi)信號，應(yīng)立即觸發(fā)聲光報(bào)警，提醒相關(guān)人員及時(shí)采取應(yīng)對措施。

3）試驗(yàn)過程安全要求：在試驗(yàn)過程中，應(yīng)確保無飛濺物飛出柜體，以保障周圍環(huán)境的安全。

4）滅火效率[8]與復(fù)燃測試：從肉眼可見明火起，系統(tǒng)應(yīng)在5 min內(nèi)撲滅火災(zāi)，并在隨后的15 min內(nèi)無復(fù)燃現(xiàn)象。同時(shí)，除熱失控觸發(fā)的電池外，其他電池應(yīng)無熱失控現(xiàn)象。

5）后臺預(yù)警信息：消防系統(tǒng)啟動后，后臺應(yīng)能第一時(shí)間收到預(yù)警信息，以便及時(shí)采取進(jìn)一步的應(yīng)急措施。

5.2" " 測試結(jié)果分析

測試現(xiàn)場及相關(guān)數(shù)據(jù)如圖3所示。

1）火災(zāi)觸發(fā)與響應(yīng)：在長時(shí)間過充后，電池出現(xiàn)劇烈明火，充電柜迅速切斷市電輸入，觸發(fā)了消防系統(tǒng)。這一結(jié)果表明，系統(tǒng)的火災(zāi)探測功能靈敏可靠，能夠及時(shí)響應(yīng)火災(zāi)事件。

2）噴水滅火效率：電磁閥迅速打開，噴水系統(tǒng)啟動。從水消防噴水開始到明火被撲滅，時(shí)長僅約13 s，遠(yuǎn)低于測試要求的5 min。這充分證明了水消防滅火系統(tǒng)的高效性。

3）濃煙處理與復(fù)燃情況：盡管明火被迅速撲滅，但后續(xù)仍有濃煙冒出。然而，在整個測試過程中，未再出現(xiàn)明火，滿足15 min內(nèi)無復(fù)燃的要求。這表明系統(tǒng)的滅火效果穩(wěn)定可靠。

4）獨(dú)立消防電源表現(xiàn)：在市電被切斷后，獨(dú)立消防電源開始工作，為消防系統(tǒng)持續(xù)供電。整柜斷電后，備電工作時(shí)長約4 h，遠(yuǎn)超測試要求的60 min。這顯示了獨(dú)立消防電源的強(qiáng)大續(xù)航能力。

5）整體性能評估：本次消防測試驗(yàn)證了該滅火系統(tǒng)的可靠性和高效性。系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)火災(zāi)事件、高效撲滅明火、防止復(fù)燃，并具備長時(shí)間的獨(dú)立供電能力。同時(shí)，后臺預(yù)警信息的及時(shí)傳遞也為應(yīng)急處理提供了有力支持。

6" " 結(jié)束語

本研究針對智能換電柜的消防安全需求，設(shè)計(jì)了一套高效可靠的水消防滅火系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了溫度傳感、煙霧探測、自動斷電及噴水滅火等功能模塊，實(shí)現(xiàn)了對換電柜內(nèi)電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與快速響應(yīng)。通過消防測試驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠在電池異常發(fā)熱或起火時(shí)，立即切斷電源并啟動噴水裝置進(jìn)行滅火，有效遏制火災(zāi)蔓延，保障人員與財(cái)產(chǎn)安全。

在結(jié)構(gòu)材料選型上，本設(shè)計(jì)注重耐用性、成本效益與功能性，通過合理的材料搭配和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了換電柜水消防滅火系統(tǒng)的高效、可靠運(yùn)行。同時(shí)，對儲水箱置頂和置底兩種方案進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，綜合考量后認(rèn)為儲水箱置底方案可能是一個更為實(shí)際和可行的選擇。

本文不僅豐富了智能換電柜消防技術(shù)的理論體系，也為實(shí)際工程應(yīng)用提供了重要的技術(shù)參考。未來，筆者將繼續(xù)優(yōu)化和完善該系統(tǒng)，提高其滅火效率和穩(wěn)定性，為智能換電柜的消防安全提供更加有力的保障，同時(shí)也期待與業(yè)界同仁共同推動智能換電柜消防技術(shù)的發(fā)展，為城市的短途出行提供更加安全、便捷的服務(wù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳晶.電動自行車發(fā)展趨勢[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2017，45（4）：7-9.

[2] 石秀芝.淺談冷氣溶膠滅火技術(shù)[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2000（10）：27-28.

[3] 黃建塔.智能換電柜發(fā)展前景預(yù)測及未來趨勢分析[J].中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2021（35）：55-57.

[4] 王弘宇，方正，楊開.水噴霧自動滅火技術(shù)及其進(jìn)展[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2003，36（2）：100-102.

[5] 蘇海通，李道海，劉保龍，等.消防灑水噴頭的噴射性能與耐用性研究[J].消防界（電子版），2023，9（8）：38-40.

[6] 陳雨田，黃曉斌，陳震，等.計(jì)量泵、磁力泵、高速泵和增壓泵的應(yīng)用介紹與市場發(fā)展[J].化工設(shè)備與管道，2006，43（6）：35-38.

[7] 樊小愛.聚丙烯（PPR）管材在給水工程中的應(yīng)用[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006，16（12）：251-252.

[8] 姬永興.火災(zāi)中射水滅火效率的科學(xué)探討[J].科技導(dǎo)報(bào)，2000（12）：54-56.

收稿日期：2024-07-11

作者簡介：饒乃家（1985—），男，廣東茂名人，工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及自動化。