自动喷水灭火系统的经济性分析

王永锋

(白山市消防支队，吉林 白山　135200)



自动喷水灭火系统的经济性分析

王永锋

(白山市消防支队，吉林 白山135200)

自动喷水灭火系统作为一种经济可靠的固定消防设施，广泛的应用在宾馆、饭店、商场等人员聚集场所，但其产生的经济效益往往受到忽视，导致为了节约成本，系统安装过程偷工减料、系统运营过程中维护不利等现象出现。以消防投入的成本效益理论为基础，通过对建筑火灾损失进行评估，建立了自动喷水灭火系统经济效益的计算方法，并应用于实际案例当中，研究结果可为评价系统的经济性提供依据。

自动喷水灭火系统；成本；经济效益；火灾损失

0　引言

自动喷水灭火技术是集火灾报警和灭火于一身的建筑防火技术，其灭火效率高，可靠性好，经济适用，自动喷水灭火系统的投资仅占建筑总投资的1%～3%[1]。统计表明，设有自动喷水灭火系统的建筑物发生火灾的死亡人数可以减少1/3到2/3，灭火成功率大于96%[2]。在美国，安装自动喷水灭火系统的建筑，100美元资产平均保险费仅为0.03美元，而未安装自动喷水灭火系统的建筑则为0.3美元[3]，足以说明自动喷水灭火系统的重要性。自动喷水灭火系统的控、灭火效率高已被国内外的灭火案例所证实[3]。表1是世界各国自动喷水灭火系统成功灭火的统计数据。

表1　自动喷水灭火系统的灭火效率

自动喷水灭火系统能够为建筑安全提供可靠保障，避免生命财产遭受损失。但是在我国，经营者往往从建筑建设和维护成本出发，忽视了消防投入带来的经济效益，导致建设过程中自动喷水灭火系统安装偷工减料、运营过程中系统维护不利等现象时有发生，造成了严重的火灾隐患。因此，需要研究自动喷水灭火系统经济效益的计算方法，为评价系统的经济性提供依据。

1　消防投入的成本-效益分析

对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会随着消防投入的增加而无限增大，当达到一定程度后，再增加消防投入所带来的建筑安全度的增益是很小的[4]。因此，为了提高消防投资的效率，应该在火灾风险降到可接受范围的前提下，减少不必要的消防投入，从而实现科学、有效、经济的火灾防控目标。

在建筑内安装自动喷水灭火系统可以使火灾威胁大大降低，提高了建筑的安全度，但是否满足经济性的要求，还需要从以下两方面进行考虑[5]。一是降低火灾发生可能性和火灾发生给社会、环境造成的损失，保护了人们的生命和财产；二是保障正常的生产经营活动，维护正常的经济增长过程，间接为社会增加了财富。这两方面都是消防投资所创造的效益，前一项用损失函数L(s)表示，通常建筑的消防投入越高，安全性越大，火灾损失就越小；后一项用增值函数I(s)表示，增值函数随火灾安全性的提高而增大，但并不是无限增大，它存在一个极大值，该值取决于研究对象的功能和生产技术水平。如果用C(s)表示消防投入的成本函数，则消防投入的效益E(s)可用公式(1)表示：

(1)

2　建筑火灾损失评估

对建筑火灾损失进行评估，要根据火灾动力学理论和火灾发生发展的特点，将火灾的发展过程划分为4个阶段，对每个阶段的临界时间、火灾风险和火灾成长概率进行分析，预测建筑物的过火面积，从而得到财产损失的估计值[6]。

2.1阶段一

阶段一是指火灾的初期阶段，此阶段火源的热释放速率较小，采用灭火器或自动喷水灭火系统能够将其扑灭或控制。在阶段一，火灾能否被及时发现并成功扑灭，主要取决于火灾自动报警系统、自动喷水灭火系统和灭火器工作的可靠性和有效性。阶段一的火灾发展事件树见图1。

图1　阶段一事件树

根据图1事件树，可以得出火灾发展超出阶段一的概率为：

(2)

式中，Pa1为火灾探测报警成功的概率；Pa2为自动喷水灭火系统灭火成功的概率；Pa3为灭火器灭火成功的概率。

为了估算建筑物的过火面积，需要了解每个阶段火灾发展的临界时间。根据事件树，阶段一的临界时间为火灾刚好能够被灭火器扑灭所经历的时间。影响灭火器灭火的因素是火源的热释放速率，火灾初期的热释放速率可用公式(3)表示：

(3)

式中，α为火灾增长系数，kW·s-2；t0为开始着火到探测器报警的时间，通常取60 s。

灭火器可以扑灭热释放速率不超过950 kW的火源[7]。因此，火源热释放速率达到950 kW时所对应的时间即为阶段一的临界时间tFPh1，通过公式(4)计算。

(4)

2.2阶段二

阶段二是火灾发展到一定程度后，无法被灭火器和自动喷水灭火系统有效扑灭，需要采用消火栓进行灭火。此阶段火灾的发展主要受到排烟设备和室内消火栓工作状况的影响。在阶段二，火灾进一步发展导致室内温度逐渐升高，并产生大量的高温烟气，不利于建筑内部人员使用消火栓进行灭火。因此，及时启动排烟设备是保证火灾被室内消火栓成功扑灭的必要条件。阶段二火灾发展的过程可以用图2中的事件树表示。

图2　阶段二事件树

火灾发展超出阶段二的概率可通过公式(5)计算：

(5)

式中，Pb1为排烟设备启动成功的概率；Pb2为消火栓灭火成功的概率。

在阶段二，火灾发展过程中会产生大量高温、有毒的烟气，当烟气下降到一定高度时(通常取1.5 m)，就会影响人员使用室内消火栓灭火。此外，当烟气层温度过高时(烟气的辐射热通量大于0.25 W·cm-2)，也会对人体造成灼伤。因此，对于烟气层高度下降到1.5 m和烟气的辐射热通量大于0.25 W·cm-2这两个时间，取较短的时间即为阶段二的临界时间tFPh2。

2.3阶段三

当火灾发展超过阶段二之后，消防队若未能及时扑救火灾就会发展到第三阶段。在阶段三，火灾处于充分发展时期，火势猛烈，并且有可能发生轰燃。公式(6)为火灾发展超出阶段三的概率。

(6)

式中，Pf为火灾被消防队扑灭的概率。

阶段三的临界时间是火灾从开始到发生轰燃所经历的时间。消防队若不能及时扑灭火灾，一旦发生轰燃，整个房间均被烧损。装饰装修材料为可燃材料时顶棚烟气层的温度达到300 ℃或装饰装修材料为不燃材料时烟气层温度达到600 ℃，就会发生轰燃，这一时间即为阶段三的临界时间。发生轰燃前烟气层温度可由公式(7)计算[8-9]。根据起火建筑的空间结构和室内不同装饰装修材料确定烟气层温度，再结合公式(8)可以得到阶段三的临界时间。

(7)

(8)

式中，hk为壁面的有效传热系数，kW·m-2·K-1；AT为房间内部的总表面积，m2；A为房间开口面积，m2；H为房间开口高度，m；k为装修材料的导热系数，kW·m-1·K-1；ρ为装修材料的密度，kg·m-3；C为装修材料的比热，kJ·kg-1·K-1；t为火灾燃烧特征时间，s。

2.4阶段四

阶段四是指火灾进一步发展，由起火房间蔓延到整个防火分区。火灾蔓延到起火房间外时，及时关闭防火卷帘能够防止火灾蔓延出防火分区；若防火卷帘失效，则需要消防队及时有效的扑救火灾。阶段四火灾发展情况可由图3中的事件树表示。

图3　阶段四事件树

通过图3的事件树，火灾发展超出阶段四的概率为：

(9)

其中，Pc1为成功关闭防火卷帘的概率。

在阶段一、阶段二和阶段三，火焰是以着火点为圆心，以圆形向四周蔓延，并引燃其他可燃物[7]。因此，这三个阶段可通过火灾蔓延速率来计算建筑的过火面积：

(10)

式中，Ai为阶段i时建筑物的过火面积，m2；tFPhi为阶段i的临界时间，s；v为火灾蔓延速率，m·s-1。

在阶段四，火灾已经蔓延到整个防火分区，此时的过火面积应为起火房间所在防火分区的面积。火灾发生后，防火分区过火面积的期望值为：

(11)

式中，PFPhi为火灾发展超出阶段i的概率(i=1,2,3)；AFZ为防火分区的平均过火面积。

如果建筑单位面积的财产密度为wE(元·m-2)，则防火分区发生火灾后财产损失的期望值可表示为：

(12)

3　自动喷水灭火系统经济效益案例分析

以某商场为例，地上4层，每层建筑面积约1 700 m2，总建筑面积7 000 m2。建筑总高度15.9 m，屋顶有消防水箱，建筑内设有消火栓灭火系统、火灾自动报警系统、防火卷帘、水幕系统、自动喷水灭火系统等消防设施。

假设着火房间的面积为20 m×15 m，高度为4 m，两个门的尺寸均为2.1 m×4 m，房间所在的防火分区面积为875 m2。火灾为快速增长型火灾，火灾增长系数0.046 89 kW·s-2，火灾蔓延速度为0.006 m·s-1。起火房间墙壁的热惯性为2.0 kW·s2·m-4·K-2，房间温度25 ℃，环境温度293 K。分别对安装和未安装自动喷水灭火系统时，发生火灾的损失进行评估。各阶段初始条件[3]见表2，平均过火面积的计算结果见表3。

表2　初始条件

表3　火灾超出各阶段概率和平均过火面积

保守估计其财产密度wE=10 000元·m-2，两种情况下的直接损失分别为：

L1=wE×AFZ1=10 000×6.53=65 300元

L2=wE×AFZ2=10 000×26.185=261 850元

若保守估计该商场每天的营业额为100 000元，发生火灾后停业天数为15天。由上面的计算可知，有无自动喷水灭火系统发生火灾的概率分别为0.12和0.49，则安装自动喷水灭火系统后增值效益为：

I=I1-I2=100 000×15×(0.49-0.12)

=555 000元

自动喷水灭火系统的成本为C=196 760元，即为两种情况下消防投资之差C1-C2。则两种情况下消防投资的收益之差为：

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

=554 790元

因此，安装自动喷水灭火系统能够获得很好的经济效益。

4　结束语

自动喷水灭火系统能够在火灾初期及时做出响应并迅速扑灭火灾，随着技术的发展和管理的完善，其灭火效率还会进一步提高。从消防经济学的角度，以自动喷水灭火系统为主导的消防体系有利于提高消防投资的效用与效益，因为它能够通过相对较少的投资，大大提高建筑的安全度，有效减少火灾损失。可见投资自动喷水灭火系统不论从经济上还是安全上考虑，都是十分必要的。

[1] 杨勇.消防水喷淋工程投资估算——湿式系统[J].消防技术与产品信息,2002,(2):23-27.

[2] 姜文源,黄晓家.自动喷水灭火系统设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3] Hayden Brown. Economics analysis of residential fire sprinklers[R]. NIST,2005.

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[5] JOHANSSON H. Investment Appraisal Using Quantitative Risk Analysis[J]. Journal of Hazardous Materials,2002,93:77-91.

[6] 范维澄,孙金华,陆守香,等.火灾风险评估方法学[M].北京:科学出版社,2004.

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[9] 陈爱平, 乔纳森·费朗西斯.McCaffrey等估计轰燃前火灾温度方法的改进[J].火灾科学,2003,12(2):58-64.

(责任编辑、校对马龙)

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

王永锋(1982—)，男，吉林临江人，助理工程师。

TU998.13

A

1008-2077(2016)02-0011-04