随着我国电动汽车生产技术的发展, 电动汽车开始批量化投运, 与之配套的电动汽车充换电站建设规模日益扩大, 并向具有楼层多、停车位多、带充电功能的停车楼发展。由于电动汽车行业发展的时间还很短暂, 对电动汽车及充换电站的火灾危险性认识还不足, 相应的消防安全标准和规范尚未完全建立, 设计部门对消防安全设计无从下手, 消防部门审批无依据或现有标准可操作性差, 使得部分充换电站在建成后无法通过消防验收^[1], 影响了充换电站及充电停车楼的建设。以国家电网公司第一座充电停车楼工程为例, 研究充电停车楼消防设施配置方案。

拟建的充电停车楼位于南京江北新区, 是由地下2层及地上8层构成、单层面积约3 000m²的高层二类公共建筑, 为国家电网公司在全网建造的第一座充电停车楼。充电停车楼主要功能为电动汽车停车并充电, 其地下1层设置48个充电停车位及变配电用房、消防水池等, 1~7层布置乘用车快速充电或慢速充电停车位各约70个, 8层为辅助用房及综合监控室, 地下2层为人防地下室。

目前国内没有充换电站及充电停车楼的专项防火规范, 《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》 (GB 50067-2014, 以下简称“汽规”) 仅适用于停放由内燃机驱动汽车的建筑物, 住建部发布的《电动汽车充电站设计规范》 (GB 50966-2014) 对消防安全设计要求符合《建筑设计防火规范》 (GB 50016-2014, 以下简称“建规”) 。由于国内外尚无电动汽车火灾危险性的定论, 对电动汽车汽车的灭火方式尚有争议, 充电停车楼无法直接套用“建规”相关要求, 无法确定充电停车楼消防设施配置方案。

充电停车楼由充电工位、辅助用房及综合监控室、变配电用房等组成, 位于充电工位上的电动汽车为重点消防对象, 但国内外尚无电动汽车火灾危险性的定论, 也没有全尺寸电动汽车火灾试验的相关文献记录。电动汽车一般都是从某一平台的传统内燃机汽车进行设计、改造而成型的^[2], 无内燃机, 动力源是以动力电池为主的电气系统。电动汽车动力电池的安全性在一定程度上决定了电动汽车的安全性^[3], 是电动汽车火灾危险性分析的重点研究对象。市面上在电动汽车中能够成熟应用的动力电池主要是锂电池, 根据正极材料的不同可分为锰酸锂电池、磷酸铁锂电池和三元锂电池等。作为一种储能装置, 锂电池易受外界环境刺激 (过热, 过度充、放电, 受到撞击、挤压, 短路等) 和自身制造缺陷的影响, 产生大量的热和气体, 引起电池的热失控, 最终诱发着火或者爆炸事故^[4]。

在对动力电池热失控过程的研究中, 国内有关机构通过模拟试验研究了电池热失控温度, 考察了动力电池的火灾特点。王青松等^[4]研究表明, 磷酸铁锂电池、钛酸锂电池 (三元锂电池类) 和钴酸锂电池发生热失控的温度分别为131℃、99℃和135℃。曹丽英等^[5]选用某一类动力电池, 采用穿刺使其内部短路发生热失控而燃烧。通过试验发现车用锂离子电池火灾有如下特点: (1) 燃烧迅速, 持续时间长。电池一旦内部发生热失控, 便立刻开始剧烈燃烧。电池从开始燃烧到火焰减弱仅需要6s的时间, 而至火焰全部熄灭则需要3 min时间。 (2) 燃烧温度高。车用动力电池一旦燃烧, 火焰温度最高达到916℃ (常规汽油燃烧时火焰温度在400℃左右^[3]) , 足以引燃周边的任何可燃物。 (3) 燃烧猛烈。试验中发现, 电池燃烧时火焰最远距离达到了5m, 同时有大量的喷射物喷溅至火焰外围, 并伴随着燃烧, 这种强度的火焰将对周边很大范围造成破坏。 (4) 释放大量有毒有害气体。通过试验现象, 观察到电池燃烧时有大量的气体被释放出来, 燃烧前和熄灭后尤为明显。通过对燃烧产物进行在线分析, 发现其含有大量的烯烃、烷烃、醚等化合物, 这些物质均具有不同程度的毒性。

目前关于电动汽车电池火灾灭火技术的研究文献较少, 甚至这些少量文献中关于电动汽车火灾灭火技术的描述都存在相互矛盾的地方。

NFPA《电动汽车应急指南》、美国国家公路交通安全管理局《装备高压电池的电动和混合动力车暂行指南》推荐使用持续、大量的消防水作为灭火剂;美国消防研究基金会《纯电动和混合动力车消防人员安全和应急响应》认为使用干粉、二氧化碳和泡沫灭火剂是优选方法, 而水往往不是首选的灭火剂^[5]。

苏明涛等^[6]认为, 锂电池中的许多材料与水接触后, 会导致发热、燃烧现象, 因此不宜用水灭火。在火灾发生的情况下, 锂电池会有短路情况发生, 充换电站内主要为电气设备, 用水枪的水柱扑救带电的电气设备火灾, 对灭火人员造成伤害。充换电站应采取其他灭火设施, 配备干粉灭火器、灭火毯、防火手套, 室外设置消防沙坑。

李毅等^[7]以18650型钴酸锂离子电池为研究对象, 开展了干粉、二氧化碳、水成膜泡沫灭火剂等不同灭火剂及细水雾扑灭锂离子电池火灾的实体灭火试验。试验结果表明: (1) 二氧化碳、ABC干粉、3%的水成膜泡沫灭火剂虽然能通过窒息、化学抑制、隔离和部分冷却等方式有效扑灭锂离子电池火灾的明火, 但分别在明火扑灭10s、8s、45s后出现复燃现象, 且出现复燃的时间与灭火剂的冷却能力成正比。 (2) 在出现复燃后采用消防水枪直接对电池组喷水灭火。 (3) 由于冷却作用不足, 细水雾在灭火系统喷雾强度为2L/ (min·m²) 、喷头安装高度为2.4m的条件下, 无法有效扑灭锂离子电池火灾。由于锂离子电池热失控后, 会持续释放出可燃气体和氧气, 因此窒息、隔离等作用效果受到影响;试验中有部分电池出现爆炸现象, 为避免发生电池爆炸, 在不考虑电池本身因素的情况下, 需要灭火剂具有较强的冷却、吸收热量的能力, 以有效降低电池温度、减少气体的产生和电池的内部压力。

综观上述文献, 李毅等^[7]结论是以实体灭火试验为依据, 具有较强的指导意义, 其结论也与NFPA《电动汽车应急指南》、美国国家公路交通安全管理局《装备高压电池的电动和混合动力车暂行指南》推荐使用持续、大量的消防水作为灭火剂是一致的。而在扑救充换电站火灾时可能出现的人员电击伤害, 可以通过设置充电设施漏电保护装置、设置自动灭火设施、采用带喷雾功能的消防水枪等措施来降低相应的风险。

通过研究电动汽车火灾危险性及灭火介质的适用性, 并经与消防部门沟通, 确定“使用持续、大量的消防水”作为电动汽车的主要灭火方式。充电停车楼为高层二类公共建筑, 依据“建规”8.3.3条第2款、并参照“汽规”7.2条规定设置自动喷水灭火系统, 依据“建规”8.1.2条及8.2.1条第2款、参照“汽规”7.1.8条规定设置室内外消火栓系统, 同时配置消防器材。其中, 适用于电动汽车充电停车区域楼层的自动喷水灭火系统可分为雨淋系统和湿式系统, 均采用水基为灭火剂。雨淋系统适用于火灾发展迅猛、蔓延迅速的火灾, 具有快速响应的优点, 但同时也扩大了施救面, 消防用水量较大。湿式自动喷水灭火系统具有自动跟踪火源、自动启动系统的优点, 但滞后于火灾蔓延速度。国内外尚无关于上述2类自动喷水灭火系统在电动汽车火灾上应用的规范规定或文献记录, 鉴于电动汽车的锂电池在热失控后燃烧迅速, 根据消防部门意见, 电动汽车停车场区域采用雨淋系统, 其他区域设置湿式自动喷水系统。

充电停车楼地下2层人防部分、8层辅助用房的自动喷水灭火系统等设计参数在相关规范中规定较为明确, 本文不再赘述, 下文主要论述与停车场相关部分灭火系统设计参数。

本充电停车楼单层面积约3 000m², 设有停车位的8个楼层设置雨淋系统, 每层均设置雨淋阀组室。“汽规”7.2.2条及条文解释规定汽车库设置自动喷水灭火系统设计, 火灾危险等级按中危险等级确定;《自动喷水灭火系统设计规范》 (GB 50084-2001, 2005年版, 以下简称“喷规”) 附录A规定汽车库为中危险级Ⅱ级, 即喷水强度不小于8L/ (min·m²) , 作用面积不小于160m²。由于缺乏全尺寸电动汽车火灾及灭火试验数据, 无法确定扑灭电动汽车锂电池火灾的有效喷水强度。据消防部门意见, 本着谨慎原则, 电动汽车停车场雨淋系统设计参数执行“喷规”5.01条严重危险Ⅱ级, 即:喷水强度不小于16L/ (min·m²) , 作用面积不小于260m², 持续喷水时间为1h。对于面积较大的雨淋防护区需要合理确定雨淋阀组数量及其控制的喷水面积, 一般来说雨淋阀组数量越少, 消防泵流量越小、消防水池越小。本项目综合考虑了消防水池及雨淋阀组室占地、相关投资后, 确定每个雨淋阀组控制的喷水面积约250m², 每个楼层设置12套雨淋阀组。雨淋阀组控火区域采用“日”字形分区, 最不利工况是2个控火区域边界火灾, 需要启动2套雨淋阀组, 即2个雨淋系统同时作用, 故雨淋系统实际设计作用面积为500m²。本项目设计选用大口径开式喷头 (流量系数K=115) , 喷头最小工作压力不小于0.15MPa, 每个停车位上设置2只喷头, 喷头间距约2.5m。

充电停车楼设室内外消火栓给水系统, 火灾延续时间为3h。

在室外消火栓设计用水量标准上, 《消防给水及消火栓系统技术规范》 (GB 50974-2014, 以下简称“消规”) 3.3.2条定为不小于为40 L/s;“汽规”7.1.5条规定为不小于20L/s, 本项目按“消规”执行。在室内消火栓用水量上, “消规”与“汽规”是一致的, 均为不小于20L/s。

电动汽车火灾时, 漏电保护装置启动, 充电桩将不再带电。为进一步降低消防人员电击危害的可能性, 结合《火力发电厂与变电站设计防火规范》 (GB50229-2006) 和《电力设备典型消防规程》 (DL5027-2015) 相关规定, 停车场内室内消火栓均配备喷雾水枪。喷雾水枪流量为5 L/s, 有效射程≥13.5m, 水枪动压不小于0.6 MPa, 栓口动压不小于0.63 MPa。室内消火栓按2支喷雾消防水枪的有效射程可同时达到室内任何部位确定设置位置。

雨淋系统消防用水量较大, 加之火灾时室内外消火栓用水量, 充电停车楼最不利工况下消防给水流量超过200L/s, 必须采取消防排水及防水淹的有效措施。本项目在停车场每个楼层靠墙位置设排水明沟并连接排水立管至室外雨水排放系统。为防止水流进消防电梯, 地下1层以上楼层的消防电梯出口地坪高出同楼层地坪0.1m, 地下2层消防电梯出口地坪高出同楼层地坪0.3m。在消防电梯基坑旁设标高低于基坑的集水井, 集水井有效容积不小于2m³, 内设2台排水泵, 排水能力大于10L/s。消防时大量的消防水可能沿着车道流入地下2层, 故地下2层设置数处集水井, 内设排水泵, 均采用消防电源, 总排水量大于200L/s, 可满足消防时排水要求。

李毅等^[7]的试验表明灭火器无法有效扑灭锂电池火灾, 其主要功能为扑灭电动汽车车厢初期火灾。《建筑灭火器配置设计规范》 (GB 50140-2005) 中将汽车停车库列为中危险级, 本项目按此分级设置4kg/具的ABC干粉类灭火器。为防止影响电动汽车行驶, 灭火器设置在室内消火栓组合消防箱内。

为防止因为冷却不够导致锂电池爆炸, 本项目在每层停车楼配置若干防爆桶, 平时注水, 利于消防人员应急使用。鉴于锂电池火灾会释放大量有毒有害气体, 为便于人员疏散及救火, 本项目配置若干正压式呼吸器。

目前国内没有充换电站及充电停车楼的专项防火规范, 通过研究电动汽车锂电池的火灾危险性及其灭火介质适用性, 确定“使用持续、大量的消防水”为电动汽车的主要灭火方式, 电动汽车充电停车楼主要消防设施如下:

(1) 电动汽车充电停车区域采用雨淋系统, 火灾危险等级为严重危险Ⅱ级。

(2) 设置室内外消火栓系统, 室内消火栓配置喷雾水枪。

(3) 设置重力排水及压力排水相结合的消防排水系统, 通过抬高消防电梯出口地坪防止其井室进水。

(4) 设置手提式干粉灭火器扑灭电动汽车车厢初期火灾;每层停车楼配置若干注水防爆桶;配置若干正压式呼吸器。

建议有关消防科研机构开展全尺寸电动汽车火灾试验, 研究其火灾危险性, 完善消防方案。消防部门尽快制定专项消防规定, 进一步促进电动汽车充换电站及充电停车楼的发展。