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自动喷水灭火系统有效性研究综述
Kevin Frank1*、Neil Gravestock2、Michael Spearpoint1和Charles Fleischman1
摘要
人们注意到，缺乏关于消防安全系统（包括喷水装置）有效性的信息是基于性能的消防安全设计发展的一个限制因素。在现有的消防安全系统中，喷水灭火系统的运行研究最为广泛。本文回顾了现有的关于火灾中洒水器有效性的资料。通常采用两种方法来评估洒水器的有效性：使用故障树或类似方法的基于组件的方法和使用喷水装置存在的火灾事件数据的基于系统的方法。本文编制了基于系统研究的自动喷水灭火系统部件数据和有效性评估表，并对两种方法的优点进行了比较。建议将数据用于设计目的，包括考虑不确定性和使用混合系统/组件方法进行特定喷水灭火系统比较。这些建议为基于性能的消防安全设计方法的开发提供了系统可靠性方面的输入。
关键词：喷头；有效性；可靠性；抑制
介绍
建筑消防安全设计涉及对可能影响建筑消防安全目标的潜在火灾事件的可能性、后果或风险的评估。目标由法规和/或建筑物的所有者和/或使用者和/或保险人设定。这些目标普遍包括为建筑物的居住者提供足够（但通常未量化）的安全水平，在建筑物发生火灾时为消防提供一些便利，以及限制建筑物火灾可能造成的物理损害。
系统通常安装在建筑物中，以提供对生命安全和/或财产破坏等风险的经济有效缓解。应了解每个系统对实现目标的贡献和相互作用。这要么需要直接处理有效性的历史数据，要么需要关于系统可靠性（系统在任何时候按要求运行的概率）和正确操作系统（有效性）对其拟处理的每个目标的影响的历史数据。一些系统虽然在某些目标方面是积极的，但在其他目标方面可能是消极的。在转向基于风险和性能的消防安全设计（Notarianni and Fischbeck 1999）中，确定了“确定和记录实现商定消防安全水平的7个主要障碍”，其中之一是“没有标准化的方法来整合系统的可靠性。”在2006年10月于新西兰惠灵顿举行的一次会议上，火灾研究主任国际论坛包括新西兰建筑研究协会（BRANZ）的成员，英联邦科学与工业研究组织（CSIRO）、国家标准与技术研究所（NIST）、FM Global、加拿大国家研究委员会（NRCC）和消防工程师协会（SFPE）等机构将其列为5大研究重点中的2个（Grosshandler 2006）：
bull;“提高预测活性防火系统对燃烧产品的影响的能力；以及
bull;评估各种不确定性因素，并将其纳入危害和风险分析中”
用于开发下一代基于性能的消防安全设计工具（Croce et al.2008）。（Beyler 1999）指出，“由于我们不愿意或无法从历史数据中评估可靠性，灭火系统的可靠性仍然是一个具有很大不确定性的问题。”新西兰的一个例子是，无法量化消防安全系统的有效性是评估替代火灾的一个重大障碍在2005-2006年确定的单一逃生方式中出现了设计，其中指出“消防工程的数据还不足以达到预期的精度，例如结构工程。。。特别是，用于火灾分析的概率必须基于从相对较小的数据池中得出的火灾统计数据。。。这不仅适用于火灾场景，也适用于包括喷水装置在内的关键系统的正常运行”（建筑和住房部，2005年）。
自动喷水灭火系统设计用于在其保护区域内发生火灾时启动，并限制或抑制火灾的进一步发展。因此，当评估一个建筑设计，其中包括消防喷头安全，知识的有效性洒水系统在减少火灾的风险是很重要的。同样地，系统设计的编码方法（如洒水器标准）的开发也得益于对目前使用的系统有效性的了解。
建筑物火灾安全风险分析的各种方法已经发展起来。消防安全工程指南（英国标准协会2003）中描述的一种方法，以及澳大利亚（Thomas et al.1992）和新西兰（Enright 2003）（以及其他）火灾风险分析案例研究中使用的方法，是使用事件树离散预期火灾结果。典型的事件树如图1所示。事件树上的分支表示单个事件的互斥结果，每个事件结果的概率由一个值或分布表示。如果设计中包含喷水装置，则喷水装置成功运行的概率可作为一个事件包含在内。还开发了专门的软件来评估火灾风险。喷灌机有效性和/或可靠性的概率估计可能需要类似于事件树方法（Yung和Benichou 2000）。
使用上述方法的一个困难是确定事件发生概率的值，例如自动喷水灭火系统成功运行的事件。此外，如果修改了系统，则很难确定应如何调整值，这在比较风险评估中尤为重要。在新西兰遇到的一个涉及洒水器的例子是，如果一个城镇的主要供水由一个二级水箱供水补充，则应如何调整洒水器成功运行的可能性（建筑和住房部，2005年）。
在用于火灾安全分析的火灾和烟雾蔓延模型（如区域和场模型）中，通常假设喷水装置对火灾的热释放速率有影响。在基于性能的设计中，喷水灭火系统性能的一个常见假设是火灾的热释放速率不会超过喷水灭火器启动时的热释放速率，如图2所示，通常描述为控制火灾。《国际消防工程指南》（Donaldson et al.2005）对该方法进行了描述，其他基于性能的方法如新西兰验证方法（2012年建筑和住房部）也建议采用该方法。由于很难根据热释放率来量化实际火灾中的洒水器性能，因此采用了许多其他标准，例如：
bull;防火隔离至起源房间
bull;启动的洒水装置数量
bull;结构和财产损坏量
bull;所需的消防干预量
bull;乘员受伤或死亡
这些标准的差异使得很难将报告的喷头有效性概率应用于火灾风险建模。在文献中确定的研究中使用这些标准在“基于系统的研究”一节中讨论。
火灾中喷头的性能可能取决于以下因素：
bull;自动喷水灭火器和自动喷水灭火系统特性
bull;老化和恶化
bull;检查、测试和维护
bull;设计时可用的标准和技术
bull;修改
bull;建筑物用途的变化或受到保护的危险
bull;建筑设计
bull;其他建筑系统，如供暖和通风
bull;供水变化
在其他中。许多研究已经发表，提供了有关自动喷水灭火系统有效性的信息。自动喷水灭火系统最初是在19世纪发明和发展起来的（格兰特1996年），关于它们的有效性一直存在争议。纽约州工厂调查委员会（newyork State Factory investigation Commission）于1912年发布了一份初步报告，其中提到了喷水灭火器有效性的早期估计值。这份报告指出（1912年纽约州工厂调查委员会）：
“关于自动喷水灭火系统功效的证词各不相同，但对其正常工作的最低估计为75%，最高估计为95%。”
图（1） 3个事件的典型事件树，事件概率为P1 - P3。成功的喷淋灭火是第二个事件。
图1 3个事件的典型事件树，事件概率为P1 - P3。成功的喷淋灭火是第二个事件。
目前尚不清楚这一证词所依据的是什么信息。随着20世纪的发展，其他一些组织记录了自动喷水灭火系统的运行信息。这些研究中的一些已经被用于本文前面讨论的风险通知消防安全工程的例子中。本文回顾了目前从喷水灭火系统有效性研究中获得的信息，并将这些信息用于建筑消防安全设计。本综述一般不试图判断现有研究的价值
图(2) 喷水灭火系统常用的热释放率曲线
定义
有几个不同的术语用来描述消防安全系统的成功运行。在本研究中，“可靠性”定义为自动喷水灭火系统启动并向消防需求供水的概率。“有效性”是指自动喷水灭火系统在运行的情况下，按照系统设计目标的规定，影响火灾发展的可能性。“有效性”是一个描述自动喷水灭火系统整体性能的术语，结合了可靠性和有效性。这些定义已被用于其他有关自动喷水灭火系统的研究，如Thomas（2002）的研究。“可用性”描述了系统不会因检查、测试或维护而停止使用的概率，并包含在可靠性中。
本次审查不考虑在没有火灾的情况下自动喷水灭火系统发生故障的可能性。这种情况可能包括由于冻结或机械损坏导致的破裂，导致水损坏，或在非火灾条件下激活。在建筑火灾风险分析中，通常不直接考虑这些类型的故障，但它们可能与其他目的有关，例如安装特定消防系统的成本/效益分析。
洒水系统的可靠性和有效性并不能直接转化为影响措施，例如，减少财产损失或减少死亡人数。它们分别是衡量自动喷水灭火系统响应和满足设计目标的能力。作为一个极端的例子，“100%有效”的自动喷水灭火系统并不等于100%的损失减少，因为火灾必须存在并达到足够的规模，以激活设计的自动喷水灭火系统，因此在喷水灭火中总是有损失的测量。本文稍后将讨论影响措施。
洒水车有效性研究类型
在之前的研究中，有两种通用方法用于量化洒水器的有效性：
1. 基于组件（故障树）
2. 基于系统（事件数据）
基于组件的方法从单个组件数据构建系统的有效性估计。基于系统的方法直接从实际火灾事件中过去的表现来估计整个系统的有效性。出于设计目的，这两种方法都用于从已经安装的系统中获得的数据，或者如果认为数据缺乏或不足，则使用“专家判断”估计值。本文件未定义专家判断，尽管此类估计受专家专业水平和个人偏见的影响。这项审查将分别比较从基于组件的方法和基于系统的方法获得的有效性估计，并随后尝试协调它们，以比较通过每种方法获得的价值之间的差异和相似性。
其他喷头有效性审查研究
洒水车有效性审查由（Bukowski et al.1999；Feeney 2001；Koffel 2005；Richardson 1985；Smith 1983）和（Sakenaite 2009）进行。一些研究结合了对其他来源和新数据的回顾，包括（Budnick 2001；Finucane和Pinkney 1988）和（Gravestock 2008）。
基于成分的研究
基于组件的喷头性能研究使用单个组件的估计值，并使用某种方法（通常是故障树）对它们的组合进行建模，以获得系统可靠性的估计值。这些研究通常只提供系统的可靠性估计，因为很难将系统效能归因于单个组件。一个值得注意的例外是（Gravestock，2008年），世卫组织将闷烧、燃烧非闪络和闪络火灾中喷头效能的估计与可靠性故障树相结合，以估计总体效能。
基于部件的可靠性数据可以按需求的故障概率或单位时间的故障率报告。以下公式用于根据故障率计算每个需求的概率：
P(per demand) =1 minus;eminus;lambda;t (1)
式中lambda;为故障率，t为维修、检查或更换之间的时间间隔。该方程存在于各种来源（例如，（Lees 2005））中，可用于将以下部件数据从故障率转换为每个需求的故障概率，但它假设故障率随时间的推移是恒定的，并取决于所用的时间段，因此它特定于每个应用。因此，这里的数据与文献中最初报告的单位和类型相同。必须小心比较看似等效的数据，因为将使用不同的方法获得数据和/或指定用于指定故障的不同标准。
基于部件的可靠性概率可以通过故障树组合起来估计系统的可靠性。图3显示了一个简单的故障树。单个部件的可靠性概率可以合并，或者如果已知单个部件的独特故障模式的数据，则也可以包括这些数据。注意，为AND和OR逻辑所示的等式假设可靠性概率是独立的，如果存在显著的共因失效模式，这可能并不总是现实的假设。用于特定喷水灭火系统的故障树将取决于系统中存在的组件。
自动喷水灭火系统部件数据
表1显示了提供自动喷水灭火系统部件数据的已确定研究。部件数据被分类为与洒水喷头操作（表2）、洒水管道（表3）、阀门（表4）、泵（表5）、供水（表6）和其他部件（表7）相关的数据。
（Moelling et al.1980）使用故障树方法评估了四座核电站的喷水灭火系统。故障被认为是系统未能按需运行，未考虑运行后自动喷水灭火系统的性能。虽然没有提供每个自动喷水灭火系统的具体信息，但包括了8种故障模式的概率。所用概率的来源没有明确说明。其中两个是人为的：不小心关闭了阀门和手动释放失败。发现系统可靠性对阀门意外关闭的概率和检查间隔时间最为敏感。
（Finucane和Pinkney 1988）和（Nash和Young 1991）提供了类似的故障率为多个洒水系统组件，显然都来自1972年英国原子能机构的数据。
Budnick（Budnick 2001；Hughes Associates，Incorporated 1998）负责检查、测试和维护
自动喷水灭火系统有效性的定义在火灾事件中，什么构成有效的自动喷水灭火系统操作的定义在研究之间并不一致。Marryatt将“令人满意的”洒水操作定义为将建筑物和内装物的损坏限制在总价值的20%。他将“受控”火灾定义为“在消防队到达时由自动喷水灭火系统扑灭的火灾，或者在没有消防队或其他人的辅助行动的情况下最终会被扑灭。”这个定义有点误导，因为所有的火灾一旦耗尽所有可用的燃料供应，最终都会被扑灭。（Hall 2010）指出，应根据系统的设计目标来衡量洒水器的有效性，在大多数情况下，应限制火势蔓延至起源房间。
图(3) 故障树的基本示例。所示的方程假设概率是独立的。对于喷淋系统的应用，包括的组件可以是供水系统，喷淋头，管道，阀门或其他组件。可以根据需要添加额外的组件和子组件级别。
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