智能换电柜的水消防灭火系统设计

0引言

随着电动自行车^[1]的普及和市场规模的不断扩大,智能换电柜作为一种便捷高效的电池租赁与充电解决方案,正逐渐成为城市短途出行的重要基础设施。然而,由于电动自行车多采用锂电池,其在充电过程中存在较高的火灾风险,一旦发生火灾,不仅会造成严重的财产损失,还可能危及公共安全。因此,如何有效保障智能换电柜的消防安全,成为亟待解决的问题。当前市场上,智能换电柜的消防系统主要采用气溶胶灭火系统^[2]和喷淋式水循环灭火系统。气溶胶灭火系统通过隔绝空气来灭火,但在实际应用中,由于锂电池燃烧时间长且内部化学反应复杂,气溶胶灭火效果往往不理想。相比之下,喷淋式水循环灭火系统具有灭火速度快、效果好等优势,更适合应对锂电池火灾。本文旨在设计一种高效可靠的智能换电柜水消防灭火系统,通过集成温度传感、烟雾探测、自动断电及喷水灭火等功能模块,实现对换电柜内电池状态的实时监测与快速响应。该系统能够在电池异常发热或起火时,立即切断电源,启动喷水装置进行灭火,有效遏制火灾蔓延,保障人员与财产安全。本研究不仅丰富了智能换电柜消防技术的理论体系,也为实际工程应用提供了重要的技术参考。

1 智能换电柜及其火灾风险分析

智能换电柜^[3],又称智能充电柜,是一种集移动电源与电动自行车充电功能于一体的电力设备,其核心在于利用智能化技术为电动自行车提供快速、便捷的电池更换或充电服务。它能自动侦测电动自行车电量,并根据预设标准启动充电程序,有效保护电池免受损害,同时提升电池寿命和充电安全性。此外,换电柜还具备安全验证功能,可通过智能识别系统确保电源安全使用,并支持多种联机方式,能实时检测工作状态,及时发现并响应故障。随着电动自行车市场的扩大和用户对充电效率要求的提高,智能换电柜正逐渐受到市场青睐,已在多个城市和地区推广应用,特别是在电动自行车使用密集区域。从发展趋势来看,智能换电柜市场前景广阔,将更加智能化、网络化,能为用户提供更加高效的个性化服务。同时,政府政策支持也为行业发展提供了保障。然而,智能换电柜在实际应用中仍面临消防安全挑战,如易受高温、恶劣天气影响,以及锂电池充放电过程中可能存在安全隐患。智能换电柜一旦发生火灾,将造成巨大经济损失并威胁公共安全。因此,提高智能换电柜的消防安全性能,预防火灾事故发生,是当前行业亟待解决的问题,也是水消防灭火技术应用的重要性和紧迫性所在。

2水消防灭火技术原理

水消防灭火技术^[4]是利用水的冷却、窒息和冲击作用来扑灭火源的一种有效方法,其基本原理如下:首先,水具有较高的比热容,能快速吸收火源的热量,从而降低燃烧物的温度,达到冷却的效果;其次,水在接触火源时会迅速汽化,产生大量的水蒸气,这些水蒸气能够稀释空气中的氧气,起到窒息作用;最后,通过高压水流对火源进行直接冲击,可以将火焰打散,隔离可燃物与氧气的接触,从而扑灭火焰。在智能换电柜中整合水消防系统,需要考虑多方面的因素,包括系统的可靠性、响应速度、对设备的影响等。一种常见的整合方式是在智能换电柜内部安装 自动喷水灭火系统。该系统由喷头^[5]、管路、阀门和控制装置等组成,当检测到火情时,控制装置会迅速启动,打开阀门,使水通过喷头喷向火源,实现快速灭火。此外,为了确保水消防系统的有效性,还要与智能换电柜的其他安全系统进行联动,如烟雾报警系统、温度监测系统等。当这些系统检测到异常情况时,可以触发水消防系统进行灭火操作。

3水消防灭火系统设计

3.1灭火系统工作原理

智能换电柜水消防灭火系统的水路示意图如图1所示,水路流程:水箱水源→进水路→增压泵→电磁阀→喷淋头→回水路→过滤网→流回水箱。此方案的亮点是水路为闭环式,可以循环利用。

如图2所示,换电柜底部的水箱作为水源,通过进水路将水引入增压泵^[6]。增压泵的作用是提高水的压力,确保在灭火时能够迅速、有效地覆盖火源。每个电池仓都配备有独立的电磁阀,这些电磁阀负责控制对应电池仓上部的喷淋头的水路通断。当系统内置的温感装置检测到火灾时,会迅速响应并触发电磁阀打开,使水通过喷淋头喷洒出来,直接对火源进行灭火。喷淋头的设计确保了水能够均匀、广泛地覆盖火源,从而迅速减小火势。同时,由于每个电池仓都有独立的电磁阀和喷淋头,系统可以精确地控制每个电池仓的灭火操作,提高系统的灵活性和可靠性。灭火后,使用过的水会通过回水路流回水箱。在回水过程中,水会经过过滤网进行过滤,去除其中的杂质和污染物,确保再次使用时水质的清洁。这种闭环式的水路设计不仅减少了水资源的浪费,还保证了系统的持续稳定运行。整个系统采用电磁阀来实现对水路的精确控制,确保了在火灾发生时能迅速、准确地启动灭火操作。这种设计使得换电柜水消防灭火系统成为一种高效、可靠的火灾应对方案。备用电池能满足1 h的供电,放于柜体顶部,当电池异常触发水消防系统时,市电断开,由备用电池供电。

3.2结构材料选型分析

本设计在结构材料选型上注重耐用性、成本效益与功能性。水消防灭火换电柜的结构框架主要由钣金焊接而成,这种材料选择提供了良好的强度和稳定性。特别值得一提的是,本方案的一个创新亮点是利用钣金框架的竖梁和横梁同时作为回水梁,实现了结构与功能的二合一,不仅节省了材料成本,还优化了空间布局。

对于钣金机柜的表面处理,采用SGCC钢材并喷涂了户外专用粉末,这样的组合能够有效抵抗户外环境的侵蚀,延长机柜的使用寿命。

在水箱的材质选择上,使用不锈钢,因为它具有优异的耐腐蚀性和耐用性,能够确保水源的清洁与安全。

在管路系统的设计中,根据实际需求选用了不同的材料。软管部分采用了不锈钢编织管,这种材料既柔软又坚韧,能够承受较高的水压,同时不易老化或破损。而对于硬管部分,则选用PPR热熔水管^[7],这种材料具有良好的耐高温性能和密封性,能够确保水路的稳定运行。

本设计在结构材料选型上充分考虑了耐用性、成本效益与功能性,通过合理的材料搭配和创新的设计思路,实现了换电柜水消防灭火系统的高效、可靠运行。

4水箱置顶和置底优缺点分析

4.1水箱置顶方案优缺点

1)优点:利用自然流水机制,确保水迅速流向电池仓灭火;自动加压,实现快速有力灭火;可能增强整体结构稳定性;顶部加水操作相对方便。

2)缺点:密封性要求高,制造难度和漏水风险加大;需要复杂循环系统,制造成本提高;设计或安装不当可能带来稳定性隐患;高度较高时加水操作可能不方便。

4.2水箱置底方案优缺点

1)优点:密封要求较低,漏水风险减小;水循环系统简化,制造成本降低;底部重量增加,结构稳定性增强。

2)缺点:消防响应可能延时1~3 s,需要更精细的联动设计。

3)综合考量:水箱置底方案在简化系统、降低成本和增强稳定性方面更具优势,通过合理设计和优化,其缺点可有效控制和弥补,因此可能是一个更为实际和可行的选择。

5消防测试与结果分析

5.1消防测试要求

1)独立消防电源:系统应配备独立的消防电源,并确保在市电中断的情况下,能够持续供电至少60min,以保证消防系统的正常运行。

2)火灾探测与声光报警功能:系统需具备火灾探测能力,一旦探测到火灾信号,应立即触发声光报警,提醒相关人员及时采取应对措施。

3)试验过程安全要求:在试验过程中,应确保无飞溅物飞出柜体,以保障周围环境的安全。

4)灭火效率^[8]与复燃测试:从肉眼可见明火起,系统应在5 min内扑灭火灾,并在随后的15 min内无复燃现象。同时,除热失控触发的电池外,其他电池应无热失控现象。

5)后台预警信息:消防系统启动后,后台应能第一时间收到预警信息,以便及时采取进一步的应急措施。

5.2测试结果分析

测试现场及相关数据如图3所示。

1)火灾触发与响应:在长时间过充后,电池出现剧烈明火,充电柜迅速切断市电输入,触发了消防系统。这一结果表明,系统的火灾探测功能灵敏可靠,能够及时响应火灾事件。

2)喷水灭火效率:电磁阀迅速打开,喷水系统启动。从水消防喷水开始到明火被扑灭,时长仅约13 s,远低于测试要求的5 min。这充分证明了水消防灭火系统的高效性。

3)浓烟处理与复燃情况:尽管明火被迅速扑灭,但后续仍有浓烟冒出。然而,在整个测试过程中,未再出现明火,满足15 min内无复燃的要求。这表明系统的灭火效果稳定可靠。

4)独立消防电源表现:在市电被切断后,独立消防电源开始工作,为消防系统持续供电。整柜断电后,备电工作时长约4 h,远超测试要求的60 min。这显示了独立消防电源的强大续航能力。

5)整体性能评估:本次消防测试验证了该灭火系统的可靠性和高效性。系统能够迅速响应火灾事件、高效扑灭明火、防止复燃,并具备长时间的独立供电能力。同时,后台预警信息的及时传递也为应急处理提供了有力支持。

6结束语

本研究针对智能换电柜的消防安全需求,设计了一套高效可靠的水消防灭火系统。该系统集成了温度传感、烟雾探测、自动断电及喷水灭火等功能模块,实现了对换电柜内电池状态的实时监测与快速响应。通过消防测试验证,该系统能够在电池异常发热或起火时,立即切断电源并启动喷水装置进行灭火,有效遏制火灾蔓延,保障人员与财产安全。

在结构材料选型上,本设计注重耐用性、成本效益与功能性,通过合理的材料搭配和创新的设计思路,实现了换电柜水消防灭火系统的高效、可靠运行。同时,对储水箱置顶和置底两种方案进行了优缺点分析,综合考量后认为储水箱置底方案可能是一个更为实际和可行的选择。

本文不仅丰富了智能换电柜消防技术的理论体系,也为实际工程应用提供了重要的技术参考。未来,笔者将继续优化和完善该系统,提高其灭火效率和稳定性,为智能换电柜的消防安全提供更加有力的保障,同时也期待与业界同仁共同推动智能换电柜消防技术的发展,为城市的短途出行提供更加安全、便捷的服务。

[参考文献]

[1] 陈晶.电动自行车发展趋势[J].林业机械与木工设备,2017,45(4):7—9.

[2]石秀芝.浅谈冷气溶胶灭火技术[J].消防技术与产品信 息,2000(10):27—28.

[3]黄建塔.智能换电柜发展前景预测及未来趋势分析[J].中国战略新兴产业,2021(35):55—57.

[4]王弘宇,方正,杨开.水喷雾自动灭火技术及其进展[J].武汉大学学报(工学版),2003,36(2):100—102.

[5]苏海通,李道海,刘保龙,等.消防洒水喷头的喷射性能与耐用性研究[J].消防界(电子版),2023,9(8):38—40.

[6] 陈雨田,黄晓斌,陈震,等.计量泵、磁力泵、高速泵和增压泵的应用介绍与市场发展[J].化工设备与管道,2006,43(6):35—38.

[7]樊小爱.聚丙烯(PPR)管材在给水工程中的应用[J].科技情报开发与经济,2006,16(12):251—252.

[8]姬永兴.火灾中射水灭火效率的科学探讨[J].科技导报,2000(12):54—56.

2024年第22期第8篇