智能換電柜的水消防滅火系統設計

摘要：智能換電柜是用于電動自行車電池的充換電設備，其消防安全至關重要。為解決智能換電柜的消防安全問題，研究設計了一種水消防噴淋滅火系統?，F主要介紹了水消防噴淋滅火系統的工作原理、結構設計、水箱布局設計和材料選擇，并展開了相應的消防測試驗證。試驗表明，該方案能高效撲滅電池自燃的明火，并能持續噴淋1 h以上，確保在5 min內撲滅明火，15 min內無復燃。該方案簡單實用、高效穩定，能確保換電柜的消防安全。

關鍵詞：智能換電柜；消防安全；水噴淋；滅火技術

中圖分類號：TU892" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0031-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.008

0" " 引言

隨著電動自行車[1]的普及和市場規模的不斷擴大，智能換電柜作為一種便捷高效的電池租賃與充電解決方案，正逐漸成為城市短途出行的重要基礎設施。然而，由于電動自行車多采用鋰電池，其在充電過程中存在較高的火災風險，一旦發生火災，不僅會造成嚴重的財產損失，還可能危及公共安全。因此，如何有效保障智能換電柜的消防安全，成為亟待解決的問題。當前市場上，智能換電柜的消防系統主要采用氣溶膠滅火系統[2]和噴淋式水循環滅火系統。氣溶膠滅火系統通過隔絕空氣來滅火，但在實際應用中，由于鋰電池燃燒時間長且內部化學反應復雜，氣溶膠滅火效果往往不理想。相比之下，噴淋式水循環滅火系統具有滅火速度快、效果好等優勢，更適合應對鋰電池火災。本文旨在設計一種高效可靠的智能換電柜水消防滅火系統，通過集成溫度傳感、煙霧探測、自動斷電及噴水滅火等功能模塊，實現對換電柜內電池狀態的實時監測與快速響應。該系統能夠在電池異常發熱或起火時，立即切斷電源，啟動噴水裝置進行滅火，有效遏制火災蔓延，保障人員與財產安全。本研究不僅豐富了智能換電柜消防技術的理論體系，也為實際工程應用提供了重要的技術參考。

1" " 智能換電柜及其火災風險分析

智能換電柜[3]，又稱智能充電柜，是一種集移動電源與電動自行車充電功能于一體的電力設備，其核心在于利用智能化技術為電動自行車提供快速、便捷的電池更換或充電服務。它能自動偵測電動自行車電量，并根據預設標準啟動充電程序，有效保護電池免受損害，同時提升電池壽命和充電安全性。此外，換電柜還具備安全驗證功能，可通過智能識別系統確保電源安全使用，并支持多種聯機方式，能實時檢測工作狀態，及時發現并響應故障。隨著電動自行車市場的擴大和用戶對充電效率要求的提高，智能換電柜正逐漸受到市場青睞，已在多個城市和地區推廣應用，特別是在電動自行車使用密集區域。從發展趨勢來看，智能換電柜市場前景廣闊，將更加智能化、網絡化，能為用戶提供更加高效的個性化服務。同時，政府政策支持也為行業發展提供了保障。然而，智能換電柜在實際應用中仍面臨消防安全挑戰，如易受高溫、惡劣天氣影響，以及鋰電池充放電過程中可能存在安全隱患。智能換電柜一旦發生火災，將造成巨大經濟損失并威脅公共安全。因此，提高智能換電柜的消防安全性能，預防火災事故發生，是當前行業亟待解決的問題，也是水消防滅火技術應用的重要性和緊迫性所在。

2" " 水消防滅火技術原理

水消防滅火技術[4]是利用水的冷卻、窒息和沖擊作用來撲滅火源的一種有效方法，其基本原理如下：首先，水具有較高的比熱容，能快速吸收火源的熱量，從而降低燃燒物的溫度，達到冷卻的效果；其次，水在接觸火源時會迅速汽化，產生大量的水蒸氣，這些水蒸氣能夠稀釋空氣中的氧氣，起到窒息作用；最后，通過高壓水流對火源進行直接沖擊，可以將火焰打散，隔離可燃物與氧氣的接觸，從而撲滅火焰。在智能換電柜中整合水消防系統，需要考慮多方面的因素，包括系統的可靠性、響應速度、對設備的影響等。一種常見的整合方式是在智能換電柜內部安裝自動噴水滅火系統。該系統由噴頭[5]、管路、閥門和控制裝置等組成，當檢測到火情時，控制裝置會迅速啟動，打開閥門，使水通過噴頭噴向火源，實現快速滅火。此外，為了確保水消防系統的有效性，還要與智能換電柜的其他安全系統進行聯動，如煙霧報警系統、溫度監測系統等。當這些系統檢測到異常情況時，可以觸發水消防系統進行滅火操作。

3" " 水消防滅火系統設計

3.1" " 滅火系統工作原理

智能換電柜水消防滅火系統的水路示意圖如圖1所示，水路流程：水箱水源→進水路→增壓泵→電磁閥→噴淋頭→回水路→過濾網→流回水箱。此方案的亮點是水路為閉環式，可以循環利用。

如圖2所示，換電柜底部的水箱作為水源，通過進水路將水引入增壓泵[6]。增壓泵的作用是提高水的壓力，確保在滅火時能夠迅速、有效地覆蓋火源。每個電池倉都配備有獨立的電磁閥，這些電磁閥負責控制對應電池倉上部的噴淋頭的水路通斷。當系統內置的溫感裝置檢測到火災時，會迅速響應并觸發電磁閥打開，使水通過噴淋頭噴灑出來，直接對火源進行滅火。噴淋頭的設計確保了水能夠均勻、廣泛地覆蓋火源，從而迅速減小火勢。同時，由于每個電池倉都有獨立的電磁閥和噴淋頭，系統可以精確地控制每個電池倉的滅火操作，提高系統的靈活性和可靠性。滅火后，使用過的水會通過回水路流回水箱。在回水過程中，水會經過過濾網進行過濾，去除其中的雜質和污染物，確保再次使用時水質的清潔。這種閉環式的水路設計不僅減少了水資源的浪費，還保證了系統的持續穩定運行。整個系統采用電磁閥來實現對水路的精確控制，確保了在火災發生時能迅速、準確地啟動滅火操作。這種設計使得換電柜水消防滅火系統成為一種高效、可靠的火災應對方案。備用電池能滿足1 h的供電，放于柜體頂部，當電池異常觸發水消防系統時，市電斷開，由備用電池供電。

3.2" " 結構材料選型分析

本設計在結構材料選型上注重耐用性、成本效益與功能性。水消防滅火換電柜的結構框架主要由鈑金焊接而成，這種材料選擇提供了良好的強度和穩定性。特別值得一提的是，本方案的一個創新亮點是利用鈑金框架的豎梁和橫梁同時作為回水梁，實現了結構與功能的二合一，不僅節省了材料成本，還優化了空間布局。

對于鈑金機柜的表面處理，采用SGCC鋼材并噴涂了戶外專用粉末，這樣的組合能夠有效抵抗戶外環境的侵蝕，延長機柜的使用壽命。

在水箱的材質選擇上，使用不銹鋼，因為它具有優異的耐腐蝕性和耐用性，能夠確保水源的清潔與安全。

在管路系統的設計中，根據實際需求選用了不同的材料。軟管部分采用了不銹鋼編織管，這種材料既柔軟又堅韌，能夠承受較高的水壓，同時不易老化或破損。而對于硬管部分，則選用PPR熱熔水管[7]，這種材料具有良好的耐高溫性能和密封性，能夠確保水路的穩定運行。

本設計在結構材料選型上充分考慮了耐用性、成本效益與功能性，通過合理的材料搭配和創新的設計思路，實現了換電柜水消防滅火系統的高效、可靠運行。

4" " 水箱置頂和置底優缺點分析

4.1" " 水箱置頂方案優缺點

1）優點：利用自然流水機制，確保水迅速流向電池倉滅火；自動加壓，實現快速有力滅火；可能增強整體結構穩定性；頂部加水操作相對方便。

2）缺點：密封性要求高，制造難度和漏水風險加大；需要復雜循環系統，制造成本提高；設計或安裝不當可能帶來穩定性隱患；高度較高時加水操作可能不方便。

4.2" " 水箱置底方案優缺點

1）優點：密封要求較低，漏水風險減??；水循環系統簡化，制造成本降低；底部重量增加，結構穩定性增強。

2）缺點：消防響應可能延時1～3 s，需要更精細的聯動設計。

3）綜合考量：水箱置底方案在簡化系統、降低成本和增強穩定性方面更具優勢，通過合理設計和優化，其缺點可有效控制和彌補，因此可能是一個更為實際和可行的選擇。

5" " 消防測試與結果分析

5.1" " 消防測試要求

1）獨立消防電源：系統應配備獨立的消防電源，并確保在市電中斷的情況下，能夠持續供電至少60 min，以保證消防系統的正常運行。

2）火災探測與聲光報警功能：系統需具備火災探測能力，一旦探測到火災信號，應立即觸發聲光報警，提醒相關人員及時采取應對措施。

3）試驗過程安全要求：在試驗過程中，應確保無飛濺物飛出柜體，以保障周圍環境的安全。

4）滅火效率[8]與復燃測試：從肉眼可見明火起，系統應在5 min內撲滅火災，并在隨后的15 min內無復燃現象。同時，除熱失控觸發的電池外，其他電池應無熱失控現象。

5）后臺預警信息：消防系統啟動后，后臺應能第一時間收到預警信息，以便及時采取進一步的應急措施。

5.2" " 測試結果分析

測試現場及相關數據如圖3所示。

1）火災觸發與響應：在長時間過充后，電池出現劇烈明火，充電柜迅速切斷市電輸入，觸發了消防系統。這一結果表明，系統的火災探測功能靈敏可靠，能夠及時響應火災事件。

2）噴水滅火效率：電磁閥迅速打開，噴水系統啟動。從水消防噴水開始到明火被撲滅，時長僅約13 s，遠低于測試要求的5 min。這充分證明了水消防滅火系統的高效性。

3）濃煙處理與復燃情況：盡管明火被迅速撲滅，但后續仍有濃煙冒出。然而，在整個測試過程中，未再出現明火，滿足15 min內無復燃的要求。這表明系統的滅火效果穩定可靠。

4）獨立消防電源表現：在市電被切斷后，獨立消防電源開始工作，為消防系統持續供電。整柜斷電后，備電工作時長約4 h，遠超測試要求的60 min。這顯示了獨立消防電源的強大續航能力。

5）整體性能評估：本次消防測試驗證了該滅火系統的可靠性和高效性。系統能夠迅速響應火災事件、高效撲滅明火、防止復燃，并具備長時間的獨立供電能力。同時，后臺預警信息的及時傳遞也為應急處理提供了有力支持。

6" " 結束語

本研究針對智能換電柜的消防安全需求，設計了一套高效可靠的水消防滅火系統。該系統集成了溫度傳感、煙霧探測、自動斷電及噴水滅火等功能模塊，實現了對換電柜內電池狀態的實時監測與快速響應。通過消防測試驗證，該系統能夠在電池異常發熱或起火時，立即切斷電源并啟動噴水裝置進行滅火，有效遏制火災蔓延，保障人員與財產安全。

在結構材料選型上，本設計注重耐用性、成本效益與功能性，通過合理的材料搭配和創新的設計思路，實現了換電柜水消防滅火系統的高效、可靠運行。同時，對儲水箱置頂和置底兩種方案進行了優缺點分析，綜合考量后認為儲水箱置底方案可能是一個更為實際和可行的選擇。

本文不僅豐富了智能換電柜消防技術的理論體系，也為實際工程應用提供了重要的技術參考。未來，筆者將繼續優化和完善該系統，提高其滅火效率和穩定性，為智能換電柜的消防安全提供更加有力的保障，同時也期待與業界同仁共同推動智能換電柜消防技術的發展，為城市的短途出行提供更加安全、便捷的服務。

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收稿日期：2024-07-11

作者簡介：饒乃家（1985—），男，廣東茂名人，工程師，研究方向：機械設計及自動化。