近年来国家在政策上不断推广电动汽车的使用,根据《电动汽车分散充电设施工程技术标准》(GB/T 51313-2018)的要求:新建住宅配建停车位应100%建设充电设施或预留建设安装条件;大型公共建筑物配建停车场,社会公共停车场建设充电设施或预留建设安装条件的车位比例不应低于10%。可见车库消防设计面临越来越多的电动汽车火灾的挑战。

根据《电动汽车分散充电设施工程技术标准》(GB/T 51313-2018)的要求:汽车库和停车场消防设施的设置应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》(GB 50016)和《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》(GB 50067)的有关规定。然而《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》(GB 50067-2014)明确说明该规范仅针对用于停放、保养和修理由内燃机驱动且无轨道的客车、货车、工程车等汽车的建筑物、构筑物和露天场地,并不适用于存放电动汽车的车库。《建筑设计防火规范》(GB 50016)的现行版本也没有对电动汽车车库提出明确的消防设计要求。可见在现阶段车库消防设计中,并没有国家规范对电动汽车火灾的消防设计进行明确要求。

在车库消防设计中若需满足电动汽车火灾的消防需求,须从电动汽车火灾的原因和特点出发,结合现行的主要消防设计规范,找到合理的消防措施方可满足该类火灾的消防需求。

电动汽车火灾主要原因是充电时温度过高引起自燃和碰撞导致锂离子电池起火,其火灾特点为^[1]:

(1)事故突发性强,充电时、驾驶时、静置停车时都有起火风险。火势发展迅猛,在几分钟内就进入迅速发展阶段,难以控制。一旦发生火灾,可能引燃周边其他车辆,造成连锁反应。

(2)潜在危险性大,易导致中毒和爆炸。相比传统汽车,电动汽车动力电池受到外部刺激短路后,并不会立刻起火,而是当内部的热量积累到一定的程度时才会引起火灾,这就造成了潜在的危险性。锂离子电池燃烧时,会产生一氧化碳、烯烃、烷烃、醚等有毒化合物。

(3)火灾扑救困难,灭火技术要求高。电池中的一些成分在高温下会生成氧化物,即使在缺氧环境下也能继续燃烧,通过窒息来灭火无济于事,而动力电池的电芯外部由外壳材料包裹,灭火剂一般很难作用于电芯内部。电池燃烧时电解液挥发、分解产生可燃的气液混合物冲开安全泄压装置发生喷溅,最远距离可达 5 m,对救援人员的安全造成严重威胁。

(4)容易复燃,持续时间长。锂离子电池明火扑灭后内部仍然处于热失控的状态,存在升温复燃的风险。对于电动汽车而言,为防止复燃,需要在灭火后对动力电池进行长时间的监护。扑救电动汽车火灾时应当特别注意对动力电池部分的持续冷却。

由于电动汽车火灾的主要原因在于锂电池的起火,因此灭火剂应能有效应对锂电池火灾。有研究表明干粉、泡沫等常规灭火剂基本不能熄灭电池着火,电池电解液中的游离子在低温情况下活动速度变缓,在 0 ℃基本不活动,基于此,当锂电池在火灾中变形时,要用足够的水进行持续冷却^[2]。目前普遍认为在锂电池的实际灭火过程中,水是效果最好、最易得、经济实用的灭火剂,且不存在触电危险,但耗水量大,持续时间长^[1]。

同时根据国家《新能源汽车火灾扑救规程》(试行)的要求:新能源汽车火灾时由于电池组外部的保护性构件,难以直接喷射到着火点,应采用大量的水冷却电池组外部防止火势蔓延到相邻的电池单元。

因此,由于电动汽车的火灾特殊性,设计时应优先采用大量持续的水对着火车辆进行灭火和冷却。

电动汽车火灾需大量持续的水作为灭火介质,目前常用的消防水系统主要包含室内、外消火栓系统和自动喷水灭火系统。

《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》(GB 50067-2014)7.1.5条和7.1.8条的条文解释说明室外消火栓用水量是参考丁类仓库,而室内消火栓用水量则是参考性质类似的工业厂房和仓库确定。《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)3.1.3条文解释说明了甲、乙类储存物品划分的主要依据是《危险货物运输规则》,而丙、丁、戊类储存物品划分的主要依据是仓库调查和储存管理情况。根据《危险货物道路运输规则第3部分 品名及运输要求索引》(JT/T 617.3-2018)的要求:电池驱动的车辆编号应为UN3171,属于第9类杂项危险物质和物品;而内燃机驱动车辆,不受《危险货物道路运输规则》限制。可见电动汽车的火灾危险性要高于普通内燃机驱动车辆。因此,电动汽车车库消火栓用水量可参考丙类及以上仓库的消防设计要求确定。

由于《电动汽车分散充电设施工程技术标准》(GB/T 51313-2018)对电动汽车防火单元的建筑面积有明确限制,单个防火单元体积一般不超过20 000 m³,室外消防用水量可取25 L/s。

对于甲、乙类仓库而言,一般应独立设置,不得附设在民用建筑内,其室内消防用水量较小。而电动汽车车库往往附设于民用建筑内,故其室内消防用水量可参照丙类仓库取值,即室内消火栓用水量可取25 L/s。

此外,有研究表明锂电池灭火时间为 6～49 min,灭火后 22 h 发生一次复燃,该研究得出应做好 1 h 甚至更长时间灭火准备的结论^[2]。而根据《新能源汽车火灾扑救规程》(试行)的要求在明火熄灭后应继续出水冷却电池组,直至电池温度降至160 ℃以下。而《锂电池生产仓储使用场所火灾事故处置安全要点》(试行)中规定明火熄灭后应利用水枪对火场持续冷却1 h以上,并使用测温仪进行实时监测。由此可知,若直接扑灭锂电池火灾时,水枪持续使用时间不得少于2 h,但由于电动汽车锂电池均位于不易用水扑救的位置,水枪的使用效率低于扑救锂电池,故水枪的使用时间应大于2 h,而该结论与丙类及以上仓库的3 h火灾持续时间相似。

因此,电动汽车车库消火栓设计时可参考丙类及以上仓库的消防设计要求。即室外消火栓的设计用水量不小于25 L/s,室内消火栓的设计用水量不小于25 L/s,消火栓系统的持续灭火时间不小于3 h。

当根据《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》(GB 50067-2014),须设置自动喷水灭火系统时,由于电动汽车集中设置和电动汽车火灾的突发性、火灾蔓延迅速的特点,要求自动喷水灭火系统应有反应速度快和及时覆盖火灾可能蔓延区域的能力。

蔡兴初等^[3]在某电动汽车充电停车楼设计中认为湿式自动喷水灭火系统虽然具备自动跟踪火源、自动启动系统的优点,但滞后于火灾蔓延速度,而雨淋系统具有快速响应的优点,同时也扩大了施救面,适用于该类火灾发展迅猛、蔓延迅速的场所,并根据当地消防部门意见最终在电动汽车停车库区域设置雨淋系统,其他区域设置湿式自动喷水系统。

自动喷水灭火系统分为闭式系统和开式系统。闭式系统依靠闭式喷头动作,在闭式喷头不受热的情况下可能无法及时覆盖火灾潜在蔓延区域,而开式系统可以实现区域覆盖保护。根据《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084-2017)4.2.6.1条:火灾的水平蔓延速度快、闭式洒水喷头的开放不能及时使喷水有效覆盖着火区域的场所应设雨淋系统。

试验表明^[4]电池在燃烧后60 s内表现为火势变大,且锰酸锂电池及三元电池在50 s内有轰燃的状况出现;电池燃烧过程中电池上方火焰温度和电池本体温度很高,而且火焰温度要明显高于电池本体的温度;试验还提及电池燃烧是一瞬间,产生的烟气也是一瞬间。因此当电池热失控后,会迅速产生烟气并点燃车内易燃物,导致车体燃烧。根据该试验结果,自动喷水灭火系统由火灾探测器报警启动时反应最为迅速,而且系统应在火势变大前(即电池着火60 s内)喷水,以便及时控制火情。

《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084-2017)8.0.11条规定雨淋系统的配水管道充水时间不宜大于2 min,无法满足电动汽车火灾60 s内动作的要求。因此在保护电动汽车时,应尽量减小雨淋系统配水管道的容积,确保动作时间缩短至60 s内。

由于存放电动汽车的车库属于火灾危险性大、火灾时容易引起猛烈燃烧并可能迅速蔓延的场所,根据《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084-2017)3.0.1条文解释,该类场所火灾危险性可视为严重危险级。根据5.0.1条、5.0.10条的要求,该场所设计作用面积应不小于260 m²。喷水强度的设置也可参照5.0.1条要求执行,但该值多与灭火试验情况相关,还需深化研究确定。在缺乏足够研究数据时,可按严重危险级Ⅱ级取值^[3]。

此外,有资料显示电池燃烧时电解液挥发、分解产生可燃的气液混合物冲开安全泄压装置发生喷溅,最远距离可达 5 m^[1]。因此当电动汽车电池燃烧时,其周围5 m范围内的车辆都有被引燃的危险。由于在设计阶段无法确认设计作用面积内何处车辆起火,因此设置自动喷水灭火系统设计作用面积时,喷头保护范围应超过最外侧电动汽车的距离不小于5 m。若2套相邻的自动喷水灭火系统同时动作时,相邻侧可不考虑5 m的保护距离。

根据《电动汽车分散充电设施工程技术标准》(GB/T 51313-2018)和《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》(GB 50067-2014)的要求:分散充电设施应集中布置,并设置独立的防火单元,防火单元采用耐火极限不小于2 h的防火隔墙等与其他防火单元和汽车库其他部位分隔;地下和半地下等扑救难度大的汽车库耐火等级均为一级,楼板的不燃性为1.5 h。因此当火灾1.5 h内还未扑灭时,楼板可能受损而影响系统的正常灭火,由此可认为自动喷水灭火系统应考虑1.5 h内连续供水的可能。

有研究表明积水长时间浸泡也容易引起电动汽车进水短路,产生安全隐患^[5]。由于控制电动汽车火灾时需采用大量的消防水进行灭火和冷却,而如果场地大量积水,浸泡其余电动汽车将影响其安全性,因此该场所应设置与之匹配的消防排水设施,确保消防救援时不对其余电动车辆造成安全隐患。

(1)对于停放电动汽车的车库防火单元,可采用室外、内消火栓系统和雨淋灭火系统。

(2)室外和室内消火栓系统可参考丙类及以上仓库的消防设计要求。即室外消火栓的设计用水量不小于25 L/s,室内消火栓的设计用水量不小于25 L/s,消火栓系统的火灾持续时间不小于3 h。

(3)雨淋系统设计时,火灾危险性等级应为严重危险级,系统应由火灾自动报警系统控制,管道充水时间不得超过60 s,喷头保护范围应超过最外侧电动汽车的距离不小于5 m。对于无法在火灾持续时间段内确保消防人员安全的场所,自动喷水灭火系统火灾持续时间可采用1.5 h。此外,喷水强度等还需进一步深化研究。

(4)对于停放电动汽车的车库防火单元,应配备与消防救援用水量匹配的排水设施,确保消防救援时不对其余电动车辆造成安全隐患。