自動噴水滅火系統的經濟性分析

王永鋒

(白山市消防支隊，吉林 白山　135200)

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自動噴水滅火系統的經濟性分析

王永鋒

(白山市消防支隊，吉林 白山135200)

自動噴水滅火系統作為一種經濟可靠的固定消防設施，廣泛的應用在賓館、飯店、商場等人員聚集場所，但其產生的經濟效益往往受到忽視，導致為了節約成本，系統安裝過程偷工減料、系統運營過程中維護不利等現象出現。以消防投入的成本效益理論為基礎，通過對建筑火災損失進行評估，建立了自動噴水滅火系統經濟效益的計算方法，并應用于實際案例當中，研究結果可為評價系統的經濟性提供依據。

自動噴水滅火系統；成本；經濟效益；火災損失

0　引言

自動噴水滅火技術是集火災報警和滅火于一身的建筑防火技術，其滅火效率高，可靠性好，經濟適用，自動噴水滅火系統的投資僅占建筑總投資的1%～3%[1]。統計表明，設有自動噴水滅火系統的建筑物發生火災的死亡人數可以減少1/3到2/3，滅火成功率大于96%[2]。在美國，安裝自動噴水滅火系統的建筑，100美元資產平均保險費僅為0.03美元，而未安裝自動噴水滅火系統的建筑則為0.3美元[3]，足以說明自動噴水滅火系統的重要性。自動噴水滅火系統的控、滅火效率高已被國內外的滅火案例所證實[3]。表1是世界各國自動噴水滅火系統成功滅火的統計數據。

表1　自動噴水滅火系統的滅火效率

自動噴水滅火系統能夠為建筑安全提供可靠保障，避免生命財產遭受損失。但是在我國，經營者往往從建筑建設和維護成本出發，忽視了消防投入帶來的經濟效益，導致建設過程中自動噴水滅火系統安裝偷工減料、運營過程中系統維護不利等現象時有發生，造成了嚴重的火災隱患。因此，需要研究自動噴水滅火系統經濟效益的計算方法，為評價系統的經濟性提供依據。

1　消防投入的成本-效益分析

對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隨著消防投入的增加而無限增大，當達到一定程度后，再增加消防投入所帶來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，應該在火災風險降到可接受范圍的前提下，減少不必要的消防投入，從而實現科學、有效、經濟的火災防控目標。

在建筑內安裝自動噴水滅火系統可以使火災威脅大大降低，提高了建筑的安全度，但是否滿足經濟性的要求，還需要從以下兩方面進行考慮[5]。一是降低火災發生可能性和火災發生給社會、環境造成的損失，保護了人們的生命和財產；二是保障正常的生產經營活動，維護正常的經濟增長過程，間接為社會增加了財富。這兩方面都是消防投資所創造的效益，前一項用損失函數L(s)表示，通常建筑的消防投入越高，安全性越大，火災損失就越小；后一項用增值函數I(s)表示，增值函數隨火災安全性的提高而增大，但并不是無限增大，它存在一個極大值，該值取決于研究對象的功能和生產技術水平。如果用C(s)表示消防投入的成本函數，則消防投入的效益E(s)可用公式(1)表示：

(1)

2　建筑火災損失評估

對建筑火災損失進行評估，要根據火災動力學理論和火災發生發展的特點，將火災的發展過程劃分為4個階段，對每個階段的臨界時間、火災風險和火災成長概率進行分析，預測建筑物的過火面積，從而得到財產損失的估計值[6]。

2.1階段一

階段一是指火災的初期階段，此階段火源的熱釋放速率較小，采用滅火器或自動噴水滅火系統能夠將其撲滅或控制。在階段一，火災能否被及時發現并成功撲滅，主要取決于火災自動報警系統、自動噴水滅火系統和滅火器工作的可靠性和有效性。階段一的火災發展事件樹見圖1。

圖1　階段一事件樹

根據圖1事件樹，可以得出火災發展超出階段一的概率為：

(2)

式中，Pa1為火災探測報警成功的概率；Pa2為自動噴水滅火系統滅火成功的概率；Pa3為滅火器滅火成功的概率。

為了估算建筑物的過火面積，需要了解每個階段火災發展的臨界時間。根據事件樹，階段一的臨界時間為火災剛好能夠被滅火器撲滅所經歷的時間。影響滅火器滅火的因素是火源的熱釋放速率，火災初期的熱釋放速率可用公式(3)表示：

(3)

式中，α為火災增長系數，kW·s-2；t0為開始著火到探測器報警的時間，通常取60 s。

滅火器可以撲滅熱釋放速率不超過950 kW的火源[7]。因此，火源熱釋放速率達到950 kW時所對應的時間即為階段一的臨界時間tFPh1，通過公式(4)計算。

(4)

2.2階段二

階段二是火災發展到一定程度后，無法被滅火器和自動噴水滅火系統有效撲滅，需要采用消火栓進行滅火。此階段火災的發展主要受到排煙設備和室內消火栓工作狀況的影響。在階段二，火災進一步發展導致室內溫度逐漸升高，并產生大量的高溫煙氣，不利于建筑內部人員使用消火栓進行滅火。因此，及時啟動排煙設備是保證火災被室內消火栓成功撲滅的必要條件。階段二火災發展的過程可以用圖2中的事件樹表示。

圖2　階段二事件樹

火災發展超出階段二的概率可通過公式(5)計算：

(5)

式中，Pb1為排煙設備啟動成功的概率；Pb2為消火栓滅火成功的概率。

在階段二，火災發展過程中會產生大量高溫、有毒的煙氣，當煙氣下降到一定高度時(通常取1.5 m)，就會影響人員使用室內消火栓滅火。此外，當煙氣層溫度過高時(煙氣的輻射熱通量大于0.25 W·cm-2)，也會對人體造成灼傷。因此，對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這兩個時間，取較短的時間即為階段二的臨界時間tFPh2。

2.3階段三

當火災發展超過階段二之后，消防隊若未能及時撲救火災就會發展到第三階段。在階段三，火災處于充分發展時期，火勢猛烈，并且有可能發生轟燃。公式(6)為火災發展超出階段三的概率。

(6)

式中，Pf為火災被消防隊撲滅的概率。

階段三的臨界時間是火災從開始到發生轟燃所經歷的時間。消防隊若不能及時撲滅火災，一旦發生轟燃，整個房間均被燒損。裝飾裝修材料為可燃材料時頂棚煙氣層的溫度達到300 ℃或裝飾裝修材料為不燃材料時煙氣層溫度達到600 ℃，就會發生轟燃，這一時間即為階段三的臨界時間。發生轟燃前煙氣層溫度可由公式(7)計算[8-9]。根據起火建筑的空間結構和室內不同裝飾裝修材料確定煙氣層溫度，再結合公式(8)可以得到階段三的臨界時間。

(7)

(8)

式中，hk為壁面的有效傳熱系數，kW·m-2·K-1；AT為房間內部的總表面積，m2；A為房間開口面積，m2；H為房間開口高度，m；k為裝修材料的導熱系數，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為火災燃燒特征時間，s。

2.4階段四

階段四是指火災進一步發展，由起火房間蔓延到整個防火分區。火災蔓延到起火房間外時，及時關閉防火卷簾能夠防止火災蔓延出防火分區；若防火卷簾失效，則需要消防隊及時有效的撲救火災。階段四火災發展情況可由圖3中的事件樹表示。

圖3　階段四事件樹

通過圖3的事件樹，火災發展超出階段四的概率為：

(9)

其中，Pc1為成功關閉防火卷簾的概率。

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，這三個階段可通過火災蔓延速率來計算建筑的過火面積：

(10)

式中，Ai為階段i時建筑物的過火面積，m2；tFPhi為階段i的臨界時間，s；v為火災蔓延速率，m·s-1。

在階段四，火災已經蔓延到整個防火分區，此時的過火面積應為起火房間所在防火分區的面積。火災發生后，防火分區過火面積的期望值為：

(11)

式中，PFPhi為火災發展超出階段i的概率(i=1,2,3)；AFZ為防火分區的平均過火面積。

如果建筑單位面積的財產密度為wE(元·m-2)，則防火分區發生火災后財產損失的期望值可表示為：

(12)

3　自動噴水滅火系統經濟效益案例分析

以某商場為例，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，建筑內設有消火栓滅火系統、火災自動報警系統、防火卷簾、水幕系統、自動噴水滅火系統等消防設施。

假設著火房間的面積為20 m×15 m，高度為4 m，兩個門的尺寸均為2.1 m×4 m，房間所在的防火分區面積為875 m2。火災為快速增長型火災，火災增長系數0.046 89 kW·s-2，火災蔓延速度為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 ℃，環境溫度293 K。分別對安裝和未安裝自動噴水滅火系統時，發生火災的損失進行評估。各階段初始條件[3]見表2，平均過火面積的計算結果見表3。

表2　初始條件

表3　火災超出各階段概率和平均過火面積

保守估計其財產密度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

若保守估計該商場每天的營業額為100 000元，發生火災后停業天數為15天。由上面的計算可知，有無自動噴水滅火系統發生火災的概率分別為0.12和0.49，則安裝自動噴水滅火系統后增值效益為：

I=I1-I2=100 000×15×(0.49-0.12)

=555 000元

自動噴水滅火系統的成本為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，安裝自動噴水滅火系統能夠獲得很好的經濟效益。

4　結束語

自動噴水滅火系統能夠在火災初期及時做出響應并迅速撲滅火災，隨著技術的發展和管理的完善，其滅火效率還會進一步提高。從消防經濟學的角度，以自動噴水滅火系統為主導的消防體系有利于提高消防投資的效用與效益，因為它能夠通過相對較少的投資，大大提高建筑的安全度，有效減少火災損失。可見投資自動噴水滅火系統不論從經濟上還是安全上考慮，都是十分必要的。

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(責任編輯、校對馬龍)

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