自动喷水灭火系统是迄今人类历史上发明的最有效的灭火系统。但因气候和经济合理性的原因，自动喷水灭火系统在能结冰的场所要采取防冻措施，为确保其灭火功能的可靠性，自动喷水灭火系统的防冻技术研究意义重大。自动喷水灭火系统包括干式系统、预作用系统和湿式系统，湿式自动喷水灭火系统是最有效的灭火系统，但在人员不经常停留的场所如在严寒和寒冷地区的仓库，或冬冷夏热地区的仓库为了节省投资，不采暖，这导致这些场所自动喷水灭火系统必须采用防冻措施，但干式系统灭火效能差，技术复杂。一般采用具有防冻措施的湿式系统来提高其灭火效率。NFPA统计数据显示，在相同的火灾条件下，湿式系统的灭火效果优于干式系统。

湿式系统的防冻措施可分为防冻液技术和伴热技术，防冻液技术是指将防冻液充满于整个消防管道系统，并且防冻液的凝固点能够满足当地的最低温度，当发生火灾时，管道内的防冻液排出后进行正常消防供水。伴热技术包括蒸汽伴热和电伴热两种，过去大量工厂采用蒸汽伴热技术，但是适用面比较窄，主要适用于干管和消防水源等。随着电伴热技术的成熟，近些年在消防系统有所应用，但在有些场所运行费用极高，且调研中发现有的项目因局部伴热不均而出现喷头爆破漏水，造成水渍损失，故防冻技术又兴起研究。

1.1 国内外规范对防冻液技术的规定

《Standard for the installation of sprinkler systems》(NFPA 13)自1940年版起规定在自动喷水灭火系统中可以使用防冻液。在1952版NFPA 13提出在不超过151 L的系统可用氯化钙溶液做为防冻液。但在2010版NFPA 13 中规定不再使用氯化钙溶液作为管道的防冻液，因其具有强腐蚀性。NFPA 13中还推荐使用甘油、丙二醇、二甘醇和乙二醇等有机防冻液。若自动喷水灭火系统与饮用水系统相连接，不允许使用二甘醇和乙二醇。高浓度的二甘醇和乙二醇溶液还极易燃烧爆炸。

2016版NFPA 13对防冻液浓度及其制备进行了规定：

①防冻液必须由制造商预先混合，不得现场配置;

②防冻液使用甘油最大体积浓度为48%，丙二醇最大体积浓度为38%;

③所有的预混合防冻液应该提供制造商的证明，标明防冻剂的类型，体积浓度和凝固点;

④预混合防冻液的凝固点必须低于当地预期最低温度。

我国针对防冻液的研究较少，而且相关规范标准中未对自动喷水灭火系统的防冻液技术做出相关规定。

1.2 防冻液的潜在风险研究

某些防冻液具有较强的腐蚀性，会腐蚀管道和系统设备。于东兴等对不同体积分数的丙二醇和甘油溶液的腐蚀性进行了试验研究。试验结果显示，两种防冻液对钢片腐蚀率为 0.34～3.86 mg/(d·dm2)，对铝片腐蚀率为0.03～0.30 mg/(d·dm2)。

2001年美国一家餐馆的顶置加热器误启动了自动喷水灭火系统，系统管道采用60%体积浓度丙二醇防冻液防冻保护。启动后，丙二醇防冻液与加热器接触引发火灾，造成19人受伤。Milke通过试验测得常用有机防冻液的闪点、自燃温度，见表1。

表1 常用有机防冻液闪点及自燃温度

注：闪点是指在特殊的试验条件下，使液体产生蒸汽被点燃的最低温度；自燃温度是使液体自然燃烧的最低温度。

Rosen等研究了不同防冻液对火灾热释放速率（HRR值）的影响。喷头分别选择低压喷头和高压喷头。低压喷头标准流量为1.5 L/min、压力为(4.7±0.1)bar，高压喷头标准流量为12.5 L/min、压力为(48.7±2.5)bar。试验装置如图1所示，试验数据见表2。

图1 火灾试验装置

表2 在低高压试验中不同浓度防冻液对火灾HRR值影响

试验数据表明，防冻液的浓度和喷嘴压力不同，防冻液对火灾热释放速率（HRR）影响可能会截然不同。纯水和醋酸钾可以降低火灾的HRR值。高压喷头条件下，浓度为55%丙二醇溶液、63%甘油溶液、53%甜菜碱会使火灾HRR值提高到340%~440%，极易引发爆炸。

Arvidson等测出了不同防冻液对火灾的能量贡献值。防冻液包括氯化钙，醋酸钾、乙二醇，甘油，甲醇，丙二醇，对照组为纯水。火源为一个燃烧的木垛，尺寸为40 mm×40 mm×730 mm，重量60 kg。木垛放置在5转/min的工作台，并配备丙烷气体燃烧器，用燃烧器燃烧木垛3 min后停止供气。将防冻液注入压力罐中，通过调节气压调节试剂溶液流量，用喷头均匀地喷在木垛上。用耗氧量热法连续测定其在最初8 min内的热释放速率。火灾试验装置如图2所示。将其结果与对照组试验相比 ，得出相对能量贡献数据如表3所示。

图2 火灾试验研究装置

表3 凝固点为-30 ℃的各种防冻液的相对能量贡献

理论计算的能量贡献可以通过式(1)计算:

式中E——能量贡献，MJ；

x——溶液中药剂的质量分数；

Δhc——药剂的燃烧热，MJ/kg；

m·——药剂的质量流量，kg/min；

Δt——排放时间，min。

将试验测得的能量增量与理论增加值进行比较，在防冻液排放的前8 min内，与凝固点为-30 ℃相对应的实测能量增量和计算能量增量见表4。

表4 防冻液的能量增加值

由试验数据可得，氯化钙和醋酸钾溶液不会对火灾的HRR值产生太大影响，其他防冻液会不同程度增加其火灾的HRR值。

1.3 4种防冻液的对比分析

根据防冻液的主要化学成分，市售的防冻液可以分为二醇、盐和其他化学品3种类别。

二醇类防冻液的包括丙二醇、乙二醇和二甘醇。二醇通过阻断水分子之间的氢键，形成独特的晶体结构，从而使水变得更加难以凝固。在二醇类中，丙二醇对环境和人体的危害小于乙二醇、二甘醇，而且目前只有丙二醇完成了在传统自动喷水灭火系统中的防冻液安全浓度测试。

盐类（如氯化钙，醋酸钾等）可以有效降低水的凝固点，可作为防冻液中的主要成分。在低温、高浓度条件下，氯化钙具有很强的腐蚀性且有从溶液析出的风险。相比氯化钙，醋酸钾腐蚀性和环境危害较小。

甘油是属于其他类别化学品。甘油被广泛地用作防冻液，但是它的易燃性也导致许多安全事故。但在NFPA 13中规定了甘油的浓度范围，在最大程度降低水的凝固点的同时，使其对火灾的影响最小。

甜菜碱（三甲基甘氨酸）是属于其他类别化学品。它是一种极性很强的分子，极易溶于水且无毒环保。甜菜碱在暖通空调和制冷中常被用作传热流体。关于这种化学品潜在应用还未知，为研究一种用于消防系统防冻液提供了新的可能。

本文整理出了甘油、丙二醇、甜菜碱和醋酸钾对铜和不锈钢的腐蚀速率，见表5。4种防冻液的凝固点都为-40 ℃。因为没有考虑缓蚀剂、浓度等其他因素的影响，这些防冻液的腐蚀速率并非是市售防冻液的腐蚀速率。

表5 铜和不锈钢样品的腐蚀速率

由表5可知甜菜碱和醋酸钾对铜的腐蚀速率最为明显，达到了66.152 μm/年和42.528 μm/年，这就远远超出了防冻液在灭火系统中年容许限值20 μm/年。由于不锈钢表面会形成保护层，使得防冻液对不锈钢的腐蚀速率都比较低。在相同条件下，不锈钢管道防腐蚀能力比铜制管道更好。

4种防冻液的可燃性可见表2，只有醋酸钾不会增加火灾的HRR值，但甘油、丙二醇、甜菜碱3种防冻液浓度到某一定值会大幅增加火灾的HRR值，甚至引发爆炸。

醋酸钾极易溶于水，对人体危害较低，在食品中用作防腐剂，对环境基本无害；丙二醇与水和酒精完全混溶，它既是一种FDA批准的食品添加剂，又是可生物降解的。但是长时间接触丙二醇会刺激人体皮肤、眼睛，对人体皮肤产生中度刺激的剂量为34.7 mg/d ，未满3周岁小孩服用最低中毒剂量为91 mg/kg；甘油与水混溶，对人体危害较低，可以完全生物降解，对环境基本无害，其工作环境最高容许浓度为10 mg/m3；甜菜碱对人体健康和环境基本无害，相对比较安全。

1.4 防冻液添加剂

添加剂对防冻液的性能起着至关重要的作用。根据添加剂的种类，可以分为缓蚀剂、pH缓冲剂、消泡剂、着色剂等。

缓蚀剂的主要作用是抑制或防止金属发生腐蚀。常用的无机缓蚀剂有磷酸盐、偏硅酸盐、亚硝酸盐等。在防冻液中加入0.03%~0.05%的偏硅酸钠可以防止铝制品的腐蚀。常用的有机缓蚀剂有三乙醇胺、苯并三氮唑等，在防冻液中添加0.1%~0.5%的苯并三氮唑可防止铜制构件腐蚀。Preusch等在丙三醇防冻液中加入10%的食用级玉米糖浆来起到缓蚀作用，由此制成安全无毒甚至可饮用的防冻液。Wenderot等通过大量研究证明5%~10%磺酰胺或羧酰胺类化合物对镁和镁合金起到很好的缓蚀作用。

消泡剂会消融防冻液中的气泡，减小防冻液对管道的氧化腐蚀作用。常用的消泡剂可以选用硅油、磷酸酯等。Dutton将聚乙二醇和聚丙二醇疏水基共聚物作为防冻液的消泡剂，相对分子质量大概为1 750，其中乙二醇的质量分数为10%。

管道中的防冻液会介质酸化，导致pH值降低，从而使得防冻液性能降低甚至失效。所以我们需要通过加入pH缓冲剂使防冻液pH维持在7.5~10。缓冲剂可以选用硼酸盐、磷酸盐以及有机酸等。Hirozawa采用对羟基苯甲酸作为防冻液的缓冲剂，它可以使溶液的pH值维持在9.5~10.5，同时也具有一定的金属缓蚀作用。

加入着色剂是为了便于观察管道中防冻液是否发生泄漏以及用于监视防冻液的酸碱度变化。Bruhnke采用聚烯氧化取代物作为防冻液的染色剂，Wenderoth等研究制造了特定的染料，加入防冻液的量为0.05%~0.1%，这种染料具有较好的稳定性而且不会在金属表面留下色渣。

伴热系统主要分为电伴热和蒸汽伴热，蒸汽伴热应用于特定的工厂中，但随着电伴热技术的突破，在建筑物中蒸汽伴热逐渐减少，本节主要针对电伴热技术和经济进行评价分析。

2.1 电伴热系统组成

电伴热技术是将电热带缠绕在消防管道周围来供给热量，使管道内的水维持在一定温度范围内。在管道外侧会有一层绝缘保温层。管道电伴热系统由电源系统、管道防冻加热系统和管道电伴热智能控制报警系统3部分组成。

2.2 电伴热保温计算

金属管道保温绝热层厚度 δ 计算公式如式(2)所示：

保温绝热层热量损失q的计算公式如式(3)所示：

式中δ——绝缘层厚度，m；

D1——绝缘层外径；

D0——管道外径，m；

T0——介质温度，取5 ℃；

T1——环境温度，取吉林省最冷平均温度-26 ℃；

αS——绝缘外层表面向周围环境的放热系数，W/(m2·℃)，取11.63 W/(m2·℃)。

消防管网管径D0=0.159 m；保温层厚度δ=0.06 m；传热系数λ=0.038。

2.3 电伴热运行费用

根据天气资料，可以得出2017年至2020年吉林省出现负温的天数，从而计算出电伴热系统每年需要工作的天数取195 d，电伴热系统每天工作按15 h计算，见表6。

表6 2017年至2020年吉林省出现负温天数

公路隧道一般的使用年限为20年，表7为每年运营电费计算，加上前期电伴热安装费用25万元，管道总费用高达220万元/km。

表7 电伴热系统热量损失耗电量计算

而每公里DN150管道需填充的防冻液体积约为18 m3/km，防冻液的费用为18 m3×1.1 t/m3×5 000元/t=9.9万元，每5年更换一次，加上初期防冻液装置25万元左右。可得，防冻液技术需投资74.5万元/km，与电伴热技术相比，消防管道节省了工程费及后期管理费用将近150万元/km。

例如兴安岭隧道和扎敦河隧道使用防冻液年可以节约电费393.7万元，可以减少64 242 t二氧化碳排放，防冻液技术前期工程造价远低于电伴热，节约了工程费约679万元，并减少了后期运营费高达7 874万元。因此防冻液系统在经济性方面优于电伴热系统。

3.1 系统组成及适用范围

干式系统是由供水设备、排气设备、充气设备、报警装置、干式报警阀、管道系统以及开闭式喷头组成。《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084-2001)规定干式系统主要适用于环境温度低于4 ℃的冷冻库、寒冷地区非采暖房间等火灾危险性不高的场所或者环境温度大于70 ℃的场所如生产车间等。

3.2 灭火效能

在干式系统中，虽然不需要额外的保温措施，但是发生火灾后系统需要一定的充水时间，可能会延误灭火时机，从而增大火灾规模而导致灭火失败。除此之外，系统还可能发生排气阀堵塞，这就导致干湿系统灭火效能比湿式系统差。世界各国的标准规定干式系统的作用面积为湿式系统作用面积的1.3倍，但仍然无法确保能成功灭火。

从干式系统组件的构造看，其增加的风险还包括报警阀和喷头开启难度增加。干式系统报警阀是一个比例阀，水侧和气侧的压力比要在3∶1~4∶1。若报警阀设计不精确，会导致报警阀打开迟缓而造成灭火失败。而干式专用喷头同普通喷头相比，短立管内多了一个密封导杆，增加了喷头打开的动力，若压力不足会导致喷头无法正常打开从而造成灭火失败。

3.3 自动喷水灭火的启动时间t

自动喷水灭火系统能有效控制火灾，因此当自动喷水灭火系统有效时，火灾的最大规模是根据自动喷水启动时间来确定，计算公式如式(4)所示：

式中Q——总热释放速率;

α——火灾系数，货运站火灾按照快速火灾确定；

t——火灾燃烧时间，按照自动喷水启动时间确定，见式(5)。

式（5）是自动喷水灭火系统启动时间计算公式。

式中r——自动喷水灭火系统喷头/热感应装置与火源中心的距离;

RTI——响应时间指数(response time index),为装置的热敏度;

τ——时间参数；

Tjett+Δt——顶棚射流下一时间步的温度;

Tjett——顶棚射流本时间步的温度；

T∞——大气环境或喷淋头的初始温度；

TD，t——喷淋头在时间t的温度；

vjett——顶棚射流在时间t的速率；

Z——顶棚距火源底部的距离。

根据上述公式，编制了国内首创计算自动喷水灭火系统启动时间计算软件，计算软件的界面见图3，航空货运站的自动喷水灭火系统的启动时间和火灾规模，见表8。

图3 自动喷头启动时间和火灾规模计算软件界面

表8 自动喷水灭火系统启动时间与火灾规模变化

由表8可知，随着喷头启动时间延迟，特别是60 s之后，其火灾规模也会迅速扩大，灭火更难，这也是为什么干式自动喷水灭火系统的作用面积是同类湿式系统的1.3 倍的理论基础。

3.4 干式系统充水时间和计算

干式自动喷水灭火系统的充水时间不宜大于1 min。特别是随着早期抑制喷头的出现以及对灭火性能要求变高，充水时间要求越来越短，从1 min到50 s再到后来的20 s充水时间要求由原本的1 min缩短至20 s。部分仓库场所宜设置采用早期抑制快速响应（ESFR）喷头，而ESFR喷头仅适用于湿式系统，不能用于干式系统。

目前国家主流标准都没有关于干式系统充水时间的计算公式，文献提出了充水时间的体积法计算公式，即系统管道体积与按消防水泵的供水能力的比值。在计算单一干管时，可按粗略的速度法，如：计算在公路隧道干式系统充水时间，管道内液体最大流速取vmax=2 m/s，若着火点距离供水点500 m，消防用水到火灾点最快时间为tmin=Lvmax=5002=250(s)。计算的充水时间过长，不宜使用干式系统。

提高干式系统可靠性的主要措施是适当减少其充水时间，FM公司最新的充水时间是20~25 s，同时研究干式系统的充水时间计算模型。

3.5 干式系统的可靠性

可靠性是指在起火点设置喷头的情况下，起火点火势足以使系统启动，此时系统动作的可靠程度。在美国建筑火灾中，湿式系统喷头在火灾中未启动的比例为7%，干式系统为13%。但是由于各种因素喷头开启数量与灭火成功率并不一致，湿式系统5个喷头灭火成功率为74.65%，干式系统成功率为62.30%。

综合性能可靠度是指起火点的火势足以使系统启动并成功控制火灾的比例，包括起火点火势足够大但系统并未启动的情况。它可以全面反映自动灭火系统启动的可靠性和有效性。根据美国统计数据，湿式自动喷水系统的综合性能可靠度为91%，而干式自动喷水系统为83%。

21世纪初世界著名消防领域专家孔祥徵先生来华从150个地点抽取1 000个干式喷头样品进行测试，这1 000个喷头包括10家不同制造商生产的25种不同型号的喷头。测试结果显示，约有50%的干式喷头样品在7 psi（即0.05 MPa）时没有正常工作，约有25%的干式喷头样品在40 psi（即0.28 MPa）时没有正常工作。可见干式喷头的可靠性有待于优化。

NFPA 25中规定需对O型环密封喷头进行定期代表性样品测试及更换，但我国已经规定用弹簧片式的密封件密封喷头取代O型环密封喷头，以提高喷头的可靠性。

本文论述了在严寒寒冷地区的隧道和非采暖仓库，以及冷藏仓库等低温环境下的消防管道的防冻液、伴热技术和干式系统等防冻技术措施。

（1分析了防冻液在应用中的腐蚀性、可燃性和经济性等。

（2对伴热技术中的电伴热保温的能耗计算模型进行了分析计算，并与防冻液技术进行了经济技术比较。调研中发现个别项目因受热不均在极端低温时易发生喷头爆破漏水的不良现象。

（3研究了干式系统的灭火效能和可靠性低于湿式系统的原因，提出了提高可靠性的技术途径。

防冻液技术无论在建造资金和在节能减排方面，还是在系统可靠性和灭火效能方面等有其优越性，实例工程中防冻液技术也展现其巨大经济合理性优势。

在非采暖区域的消防给水系统的安全可靠性与经济合理性有待于进一步强化研究，以确保消防安全。

微信对原文有修改。原文标题：自动喷水系统中防冻技术回顾与发展；作者：黄晓家、陈鹏、谢水波、尧炜杰、王燚、张雷 ；作者单位：中国中元国际工程有限公司、南华大学土木工程学院。刊登在《给水排水》2021年第4期。