劉 臻，靳慶生，郝常華

中國(guó)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(dòng)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(shì)

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(duì)垂直表面起到“潤(rùn)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(shí)，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(shí)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(duì)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(dòng)性，特別是在撲救高層建筑火災(zāi)時(shí)，可減少消防員在鋪設(shè)水帶、拖動(dòng)水帶或者轉(zhuǎn)移陣地時(shí)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(duì)伍裝備的性能，在撲救高層建筑火災(zāi)時(shí)應(yīng)堅(jiān)持“以固為主，固移結(jié)合”火場(chǎng)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(dòng)或者固定設(shè)施輸送的水不能滿足火場(chǎng)需要時(shí)，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(duì)較小。其缺點(diǎn)是對(duì)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(shí)水帶在鋪設(shè)過程中容易偏離預(yù)定位置，因此對(duì)消防救援人員的技術(shù)要求較高，耗時(shí)較長(zhǎng)。此方法主要適用于建筑工地、有陽(yáng)臺(tái)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(duì)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(dòng)靈活便于內(nèi)攻人員及時(shí)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(chǎng)情況瞬息萬變，供水中斷時(shí)難以迅速查找中斷部位，可能致使整個(gè)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(dòng)。

通過調(diào)研，根據(jù)安徽省消防救援總隊(duì)合肥市支隊(duì)實(shí)踐測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)建筑高度低于100 m 時(shí)，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(shí)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(chǎng)實(shí)際情況靈活運(yùn)用。4 種水帶鋪設(shè)方式所需時(shí)間如表1所示。

表1 水帶鋪設(shè)時(shí)間記錄表

3.2 阻力損失計(jì)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(shì)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(shí)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(dòng)量增量△MF，見式（2）~（4）。

式中：λ為摩擦阻力系數(shù)；μ為動(dòng)力黏度系數(shù)；ρ為兩項(xiàng)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(shì)能壓力損失計(jì)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(jì)算其在火場(chǎng)供水中阻力損失問題。如，廣州市消防救援支隊(duì)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(cè)與理論計(jì)算誤差為2%~8%。上海市消防救援總隊(duì)利用德國(guó)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(jì)算值為217~248 m，實(shí)測(cè)與理論計(jì)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(guó)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(cè)試

3.3.1 供給時(shí)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(yàn)，所測(cè)得供給時(shí)間見表2。

表2 高層建筑供滅火劑測(cè)試時(shí)間記錄表

通過對(duì)以上試驗(yàn)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(shí)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(duì)供液高度的影響不大。從表3 測(cè)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(cè)試，在單車輸送壓縮空氣泡沫時(shí)，初始?jí)毫?.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?jí)毫ο螺斔蛪嚎s空氣泡沫時(shí)，能滿足滅火需求的最大高度為223 m，此時(shí)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(duì)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(duì)壓縮空氣泡沫滅B 類火的滅火機(jī)理及其在石化儲(chǔ)罐、交通隧道等典型場(chǎng)所的應(yīng)用開展了大量相關(guān)研究，并進(jìn)行滅火性能測(cè)試。

在固體燃燒試驗(yàn)中，通過設(shè)置橡膠輪胎堆垛（每個(gè)堆垛由450 個(gè)橡膠輪胎組成）［4］，澆淋柴油以及汽油后引燃，燃燒持續(xù)時(shí)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(cè)得的滅火時(shí)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(guó)人民警察大學(xué)在固體燃燒試驗(yàn)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(cè)試濕泡沫、中等泡沫和干泡沫的滅火性能［5］。在試驗(yàn)中，通過綜合對(duì)比泡沫尺寸、發(fā)泡倍數(shù)、析液時(shí)間、抗燒性、可燃面覆蓋性及輻射阻隔性，并記錄滅火時(shí)間及復(fù)燃情況。結(jié)果表明：撲救固體火災(zāi)時(shí)，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(shí)，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(shì)，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(chǎng)中對(duì)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(yàn)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓縮空氣泡沫25%時(shí)析液時(shí)間及抗燒時(shí)間更長(zhǎng)，可顯著提升泡沫穩(wěn)定性，抗復(fù)燃性顯著增強(qiáng)，滅火時(shí)間縮短近40%，當(dāng)發(fā)泡倍數(shù)為7～15 倍時(shí)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(shí)，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(duì)伍應(yīng)加強(qiáng)轄區(qū)消防救援站對(duì)高層及超高層建筑滅火救援、火場(chǎng)供水等專項(xiàng)實(shí)戰(zhàn)化演練，有針對(duì)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(tái)車為一個(gè)戰(zhàn)斗單元的力量編成，加強(qiáng)第一出動(dòng)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(duì)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(duì)伍作為國(guó)家隊(duì)和主力軍的關(guān)鍵作用。