大型食品冷库建筑结构分析及防火系统的 解决方案

冷库是指用于在低温条件下保藏货物的建筑群。包括库房，氨压缩机房、变配电室及其附属建（构）筑物。
冷库（ColdStorage）是利用降温设施创造适宜的湿度和低温条件的仓库，是加工、储存产品的场所，延长各种产品的储存期限，调节市场供应，其广泛应用于食品厂、乳品厂、制药厂、化工厂、果蔬仓库等关系经济民生的行业。随着经济社会的不断进步和发展，冷库的建设和应用更加的广泛，但是冷库自身的特有结构与性能，使其在发生火灾时的扑救难度大大提升，容易造成严重的损失，因此需要对冷库防火安展开深入的研究与探讨。
一、关于冷库的介绍　　
机械冷库的工作原理：
　　在良好的绝热建筑物中，装有机械冷库机组，利用化温度很低的体（制冷剂），使它在低压下蒸发变成体，从而吸收热量，达到降温的目的。并根据贮藏温度、湿度和通风换的要求，对冷库系统进行人为的调节和控制。　
冷库的用途和分类
　　1、用途：冷库主要用于食品，药品，机械的冷冻加工及冷藏。
　　2、分类：
　（1）按结构形式分：土建冷库：可建成单层或多层，主体结构和地下荷重结构都用钢筋混凝土，其维护结构的墙体都采用砖砌而成。装配式冷库（活动冷库）：主体结构（柱、梁、屋顶）都采用轻钢结构，其围护结构的墙体使用预制的复合隔热板组而成。隔热材料采用硬质聚氨酯泡塑料和硬质聚苯乙烯泡沫塑料等。此类冷库还可称为组合式冷库、组合冷库、拼装式冷库、装配式活动冷库。
（2）按使用性质分：生产性冷库；分配性冷库；零售性冷库。
（3）按规模大小分：大型冷库：冷藏容量在10000t以上；
中型冷库：冷藏容量在10000-1000t范围内；
小型冷库（小冷库）：冻结能力在1000t以下；
按冷库制冷设备选用工质分：
　　冷库可分为：氨冷库：使用氨作为制冷剂；
氟利昂冷库：氟利昂作为制冷剂。
（5）按使用库温要求分：
　　冷库可分为：高温冷库：Ｌ级＋５℃－－５℃；
　　中温冷库：Ｄ级－１０℃－－１８℃；
　　低温冷库：Ｊ级－２３℃－－２８℃；
　　超低温冷库：≤－３０℃，主要用来速冻食品及工业试验、医疗等特殊用途；
　　冷藏冷库：保持库温4°C~2°C；
　　速冻冷库：又叫隧道冷库，用于食品快速冻结。
（6）按使用储藏特点分，冷库可分为：
恒温冷库：对储藏物品的温度湿度有精确要求的冷库。
调冷库：它既能调节库内的温度、湿度，又能控制库内的氧、等体的含量。可将空中的氧浓度由21％降到3％-5％。
3、冷库建筑特点冷库建筑与一般工业民用建筑不同，它有自己独特的结构
冷库房良好的保温结构，可以大限度地保持冷库机组制造的冷量在冷库内少向外泄露，反过来说，就是尽量减少冷库外热量向冷库内泄漏，这是冷库与一般房屋的主要不同之处。它的墙壁、地板及平顶都敷设有一定厚度的隔热保温材料，以减少冷库外界传热。为减少吸收太阳辐射能，冷库外墙表面一般涂成白色或浅颜色。冷库建筑为了防止水蒸的扩散和空的渗透，需要设置防潮隔热层使冷库具有良好密封性和防潮隔汽性。
低温冷库地坪除要有有效的隔热层外，隔热层下还必须进行处理，以防止土壤冻结。冷库的楼板要堆放大量的货物，又要通行各种装卸运输机械设备，平顶上还设有制冷设备或管道。因此，它的结构应具有较大的承载力。低温环境中，特别是在周期性冻结和融解循环过程中，建筑结构易受破坏。
4、冷库制冷系统及发生火灾时的影响
　　4.1、制冷剂制冷剂又称制冷工质，是制冷循环的工作介质，利用制冷剂的相变来传递热量，当前能用作制冷剂的物质有80多种，常用的是氨、氟里昂类、水和少数碳氢化合物等。本文着重介绍氨制冷剂。氨的蒸无色，有强烈的刺激臭味。氨对人体有较大的毒性，当氨飞溅到皮肤上时会引起冻伤。当空中氨蒸的容积达到0.5-0.6％时可引起爆炸。氨在常温下不易燃烧，但加热至350℃时，则分解为氮和，于空中的氧混合后极易发生爆炸。以上特性，在火灾扑救过程中如不采取科学处置措施，将对火灾扑救带来不可估量的损失。
　　4.2、制冷机械制冷机械主要包括压缩机，水冷冷凝器，热力膨胀阀、蒸发器和一些辅助设备。在冷库使用中整合几个系统形成速冻机，冷藏陈列柜，主风机，水冷冷凝机组，活塞式制冷压缩机组。装配式冷库使用的制冷设备主要采用各种金属、密封材料、塑料、涂层和干燥过滤器的芯子等制造。冷库保温所使用的材料和管线外层应引起消防人员的注意。有的保温材料具有燃烧速度快，产物毒性大，燃烧烟雾大的特点（如韩国利川冷库就是在进行氨基酸酯发泡作业时发生爆炸并引发大火）；管线外层包裹物一般是可燃的。　
　　4.33、通风系统《冷库设计规范》中出于使用目的考虑，要求“进入冷间的新鲜空应先行冷却（或加热）”，冷库外界的空很难直接进入冷库。冷库的通风设计大的限制内外体的直接交换。不管是自然通风还是机械通风，《规范》中要求通风管（水泥管）管径宜为25-30厘米，而对窗户并无硬性规定。如此，冷库内部发生火灾时往往通风困难；而保温夹层在火灾时会造成四处连通，形成良好的通风环境。
　　4.4、消防安依照《冷库设计规范》要求，冷间建筑的耐火等级一、二、三级均可，单层和多层冷间的防火分区分别为3500和2000平方米。目前，我国冷库多为一、二级耐火建筑，少数小型冷库为三级。依照《建筑设计防火规范》，对冷库自动报警系统安装未做硬性要求，对自动水喷淋系统的安装明确规定“冷库除外”。烟感装置在低温环境下作用尚可得到一些发挥，热感装置在冷库初期火灾中无法起到良好的作用，而冷库本身的温控系统足以应对初期火灾散发的热量。冷库一旦发生火灾，除了人为提早发现，否则等到消防力量到场时，基本已形成稳定燃烧。
　　4.5其他冷库制冷系统是一个多元化的系统，其他如电器系统，管路系统，冷媒水塔，各类高低压仪表也对整个制冷系统工作起着重要的作用。
二、冷库火灾特点　
　　总的来说，冷库建筑是以其严格的隔热性、密封性、防潮隔汽性、坚固性和抗冻性来保证建筑物的质量。以上建筑特点及使用功能决定了其发生火灾时具有大跨度钢结构、多层仓储、化学危险品、人员集中场所甚至地下建筑等多种火灾特点。火灾发生时，阴燃、明火、爆炸等多种燃烧形式可能并存且相互影响。
1、火势蔓延速度快，易形成立体火灾
　　出于冷链产业飞速发展的需要，我国冷库正在向大型和集群型转变。孤立单一的冷库逐步减少，具有综合功能的逐步增多。冷库的大空间，大跨度造成了储存物资增多和保温材料用量加大，为火势迅速蔓延提供了基础。尽管冷库储存的物资大部为难燃和不燃物质，但是，货物的包装往往是可燃或易燃材料。加之低温条件下冷库起火阴燃时间长，起火成灾后很难控制。多层冷库的地板、楼面、屋顶、墙体都大量使用保温材料。为确保冷库承重，保温材料大多使用稻壳、软木、聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料等物质，发生火灾时火势蔓延速度快，极易形成立体燃烧。　
2、燃烧隐蔽，情况复杂，扑救难度大
　　初期燃烧时，阴燃火焰在夹墙内隐蔽向上部或平行方向发展，外部不易发现。火势加大后，各类电器系统、制冷剂和制冷机械在火灾的情况下会产生许多复杂的变化，常伴随泄露、爆炸等情况，而冷库内部货物货架繁多，在火情侦察时，难以尽快找到准确的着火点。火势发展猛烈后，在大跨度、大空间或多层的作业面实施灭火，内攻难度大，外攻时由于进攻线路受限，往往是打得住火焰，打不住火点。　
3、烟雾大、温度高，能见度低，内攻困难
　　由于出入口少，燃烧热量难以散发，库内温度急剧上升，从而导致排烟缓慢，内部温度居高不下。火灾时进入冷库的通道口，也是高温烟雾和火焰的排出孔洞，水枪手很难接近；多层冷库的楼梯设置在穿堂处，在形成立体燃烧后，水枪手在浓烟和火焰的情况下难以沿楼梯进攻；冷库为了保温，出入口往往设置二道门，水枪射流不能准确打到火点；冷库着火后内部能见度低，建构物或货柜（架）在过火后位置不明，进攻人员往往会长时间在一个地点射水却收效不大，行进中要克服绊（脚下不明）、砸（上方掉落物）、困（无法退出）等困难，稍有不慎便会带来伤亡。
4、毒害体多，有爆炸危险
正常使用情况下的冷库起火，空不足，燃烧不充分，一氧化碳含量很高。一氧化碳的急性致死浓度仅为0.5％，无色无味，且活性极强，消防人员个人防护如不到位，容易发生急性中毒。用聚苯乙烯泡沫塑料等化工发泡剂作保温层的冷库，着火后易释放出大量有刺激性毒，造成人员中毒。此类物质燃烧还有一个特性，燃烧产物大多为有毒的黑色烟尘颗粒，很容易漂浮附着在进攻人员的面罩上，使本已不高的能见度更加降低。冷库内氨管道破裂出现氨泄漏，散发出大量氨，除对人员有毒害外，遇明火可发生爆炸。
此外，在未排空管道时氨和氧形成爆炸混合，遇作业明火也会发生爆炸。氨汽化时还会大量吸热，极易造成冻伤。爆炸引起的火灾往往容易产生在冷库建设或维修时，如韩国利川冷库火灾，据消防当局调查，事故的发生地点是地下室的机械室。当时电焊工正在焊接冷设备的管道。机械室周围凌乱地堆放了许多煤罐、氨基酸酯等易燃物质。几天前，在进行墙壁和顶棚隔热层作业时，为使10厘米的氨基酸酯发泡隔热层能够迅速凝固，施工人员使用了汽油，致使地下室充满了油蒸。电焊火花与油蒸相遇，发生爆炸，并引发了地下室其他易燃物质的连续爆炸，7140平方米的地下室里（相当于4个足球场）骤然间充满有毒体和熊熊烈火。　　
5、火场范围大，多种火灾特点并存，指挥调度要求高　　
　　2011年投入使用的深圳保惠物流1号冷库，冷库建筑面积35000平方米，总容量35000吨。冷库分为低温仓、高温仓、超低温仓（－45℃至－70℃）、可调温仓以及加工车间等功能，是一个多功能立体化仓库，分为冻肉、冻水产品、水果的检疫功能。
2016年建成的深圳华美冷库，项目占地约3万平方米，高度达到46米，有超过45万立方米的温控空间，温度控制在-25℃到-18℃，库容约10万吨，是目前球高、单体规模大的自动化立体冷库。
2014年深圳平湖山厦大厦的低温冷库，零下-65℃，拥有6万吨大型冷库，集仓储物流和写字楼功能于一身。
大型冷库或冷库群占地面积大，多层冷库各层功能不一，工艺流程复杂。尽管发生整体冷库大火的可能性不大，但是，无论那个点上发生火灾，都势必影响冷库这个人为的与外界条件不同的独立大系统。在扑救过程中指挥员必须有优良的综合业务素质和获得面准确信息的能力，而且，提供给消防人员的主攻点极小，指挥员既要考虑到主攻点的战斗，又要考虑外部大面积的防止蔓延，还要兼顾有毒体、爆炸、坍塌、能见度低等多种情况。
6、易造成坍塌　
　　为节约成本，钢结构组合式大型冷库越来越受到人们的青睐，而钢结构在温度达到350℃、500℃、600℃时，其强度分别下降1／3、1／2、2／3，在高温条件下其内部应力也会发生改变，使钢结构承重体系出现问题。在负荷下，钢结构失去平衡稳定性的临界温度为500℃，一般火场温度都在800℃－1000℃左右。如前所述，冷库火灾发现晚，扑救难，时间长，当火势发展到一定规模时，钢结构在因长时间处于高温后失去承载能力，就很容易发生坍塌。　
7、冷库内部可燃物的火灾特性　
　　冷库火灾发生的危险性主要是由制冷剂、保温材料、建筑材料、通风系统等几方面决定的。
7.1聚苯乙烯泡沫芯材　
　　保温效果良好，燃点在90-120摄氏度，遇明火或受热后极易发生燃烧，并发生大量有刺激性的毒，燃烧速度极快，且产生熔滴现象，使火势扩大，不易扑救，普遍用于房顶和隔层的保温。
7.2油毡　
　　当部分楼层的库房改为低温库后，高、低温库楼层之间将形成较大的温差，并在库房楼板的两侧造成很大的水蒸分压力差。如果楼板不做好隔汽防潮处理，高温库空中的水蒸就会侵入楼板新敷设的隔热层，并在那里凝结或结冰，降低隔热层的绝热性能，损坏隔热材料和建筑材料，同时引起低温库冷却设备表面结霜增多，运行电耗增大，所以设计中油毡起到隔防潮作用。
　　主要用油毡和涂盖沥青加工而成，油毡纸燃点在130摄氏度左右，在油毡纸上涂上薄薄的沥青后，沥青接触氧的面积加大，在进行油毡的施工过程中能产生大量的可燃体，遇明火就会引起猛烈燃烧，其火源主要是贴近施工地点的灯泡、焊割的高温熔渣、电线打火等。　　
7.3软木　
　　软木由于保温好，能耐油和稀酸腐蚀，在温度、湿度、压力以及阳光空等影响下，性能稳定的特点，软木作为保温隔热的材料被广泛使用。
　　遇明火或受热后易发生燃烧。它是由栓皮（俗指植物的外皮）经粉碎、加压、烘焙而制成的软木制品，密度较大。软木起火后，首先是阴燃，潜伏期可达10-15天，不易发现，期间软木逐渐炭化，变的松散，接触氧的面积随之增大，后由阴燃转变为明火燃烧。　
7.4硬质聚氨酯泡沫塑料（又称聚氨酯硬泡）
硬质聚氨酯泡沫塑料是一种可以现场发泡的隔热材料，是以异氰酸酯和聚醚为主要原料在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，通过专用设备混合，经高压喷涂现场发泡而成的高分子聚合物，阻燃性B2级。聚氨酯硬泡多为闭孔结构，具有绝热效果好、重量轻、比强度大、施工方便等优良特性，同时还具有隔音、防震、电绝缘、耐热、耐寒、耐溶剂等特点具有泡小、密度小、质轻、强度高、隔热效果好、成型工艺比较简单等特点。它既可预制成型,又可现场喷涂或灌注成型,可使保温层整体无缝隙密封,是一种目前推广使用的隔热材料。
我国在冷库建造和使用管理中，对防火安有明确的规定，尤其是在建筑材料选择上，根据规范要求，冷间建筑的耐火等级为一、二、三级均可，单层和多层冷间的防火分区分别为3500平米和2500平方米，当设地下室时，只允许设一层，冷藏间防火分区不应大于1500平方米，冷库电力负荷需要系数不宜低于0.55。
目前，我国冷库多为一、二级耐火建筑，少数小型冷库为三级。但是，冷库的楼板要堆放大量货物，又要通行各种装卸运输机械设备，平顶上还设有制冷设备或管道，因此，冷库楼板结构应具有较大的承载力，并必须达到地面结构均布活荷载标准值。低温环境中，特别是周期性冻结和融解循环过程中，建筑结构易受破坏。施工建设中，如果建筑材料不符合规范要求，就可能失去承载能力，发生坍塌，砸坏制冷设备或管道，导致火灾事故发生。
7.5我国冷库制冷系统中80％以上采用氨作制冷剂
氨不仅对人体有一定程度上的危害，还存在火灾的危险性。氨蒸汽在空中的容积浓度达到11％～14％时具有可燃性，而其浓度达到15.5％～27％时遇明火可发生爆炸，这也就是我们所说的爆炸极限。因此，当使用氨作制冷剂时，应加强对制冷系统安运转的监控。
7.7通风系统出于使用的目的考虑，通风系统要求“进入冷间的新鲜空应先行冷却（或加热）”，冷库外界的空很难直接进入冷库。
通风设计的大限制是内外体直接交换。不管是自然通风还是机械通风，新规范中都要求通风管宜选用管径为250mm或是300mm的水泥管。因此，冷库内部发生火灾时往往通风困难，而保温夹层在火灾发生时会由于四处连通，形成良好的通风环境，造成蔓延燃烧。
冷库设施中日常所储存的各种物品很多都属于易燃品，加上这种环境中流很强，空非常干燥，火灾的危险性就大大增加了。火灾会在纸板、塑料包装、油性材料、食品原材料以及木制货盘之间迅速蔓延。所以，越早探测到火灾隐患的存在越好。冷冻或冷藏设施中储存的货物有很多是容易腐烂变质的，所以在任何情况下都要防止温度的升高，这一点非常重要。发生火灾时，火焰产生的热量或因冷库系统停止运行而导致温度上升，都会使库存货物变质和利润的损失。
在此类环境中，即便是初级火灾，如果不能尽早探测并采取措施，也会导致巨大的损失。库存货物长时间暴露在低浓度的烟雾中也会被污染。很多国际性的规范和标准已经意识到了其它传统探测技术在低温环境下的局限性，于是在其规定中反对在环境温度低于0°C(32°F)时使用传统探测设备（火灾自动报警系统由于冷库温度、湿度的特殊环境，不宜选用普通的感烟，感温探测器，）线性感温电缆允许在冷库环境中使用，但感温电缆容易被铲车和其它常用工作流程损坏。
三、火灾报警系统的选择
沃特华Arctic Fox系统采用LED冷光源技术用于保护冷库设施。目前，在低温条件下使用的大多数防火技术都不能提供早期探测报警，且容易被铲车等设备损坏。采用LED冷光源技术空采样烟雾探测系统的极早期报警功能意味着它能够探测初级（阴燃）火灾，而初级火灾能够导致财产损毁、业务彻底中断并危及人身安。
空采样烟雾探测系统，主要的工作原理是利用广谱高能LED技术对空中的烟粒子进行探测。通过分布在防护区的采样管网，将空样品抽取到探测器内进行分析，并显示出防护区的烟雾含量。当其达到各级报警阈值时，发出相应的报警信号，而报警阈值是根据环境的要求设定的。测得的信号，经微处理器处理后，与预先设定的报警阈值比较。如达到某一报警值，则在显示器上给出相应的报警信号。国际上将空采样式烟雾火灾探测器定义为：通过管道抽取被保护空间的空样本到中心检测室，以监视被保护空间内烟雾存在与否的火灾探测器。该探测器能够通过测试空样本了解烟雾的浓度，并根据预先确定的阈值给出相应的报警信号。
探测器采用LED冷光源技术，可以在零下35℃至零上70℃工作，不凝露、不结冰。
探测器主机安装简便,布管灵活,维护工作量更少，完处于监控之下。
采用工业级别电子元器件，只有经过特殊检测的电子器件才能在冷库的低温环境中正常工作。
低温环境 ：防冻夹,自动反吹系统
高尘环境 ：独创涡流道技术，专用空过滤系统
高湿环境 ：冷凝水收集器
Arctic Fox系统吸式感烟火灾探测器具有高灵敏度和主动式吸探测的特点，可克服由于制冷机造成的强劲空对流对火灾探测器的影响，采用流减速膜片和防冻夹技术，在除冰和防止冰霜堵住吸口都起到很大的作用，这使得的产品可以直接安装在冷库内部，吸管道里面没有温度差，也没有由于要穿墙而导致的冷凝水和结冰问题，并且不需要在墙上开孔，避免对隔热层进行损坏，也避免了能源的浪费。
Arctic Fox吸式烟雾探测系统，它能够在火灾的极早期阶段对烟雾进行可靠的探测，从而提供较好的防火性能。
冷库中需要重点保护的区域
冷冻室/冷却室 、冷藏室 、车间及维修区、被保护区下方的回风管道、装卸台及周边区域、办公及监控场所、天花板/屋顶夹层、货架中间
探测器安装要求
如果探测安装在外面，内外较大的温差，容易产生流故障、结冰现象，同时采样管会发生变形、弯曲，从而导致机器无法正常工作及引起设备故障；
探测器放在室外，需要在保温墙上穿孔作业，破坏冷库的结构，影响冷库的保温效果； 
吸式感烟火灾探测器应安装在冷库内，避免由于温差过大而产生出来的结冰及故障，无需在保温墙上穿孔作业，可大限度的降低工程量及保证探测器可靠稳定的工作。
采样管材质的选择
采样管的材质要根据安装场所而定。例如，安装在吊顶上的采样管可以使用适合低温环境和温度经常波动的内部环境的较长采样管。这样的采样管有HFT 无卤素、耐火、耐高温塑料，ABS塑料以及hdpe 高密度聚乙烯塑料等。
施工工艺要求
采样管系统应安装在距离建筑结构尽可能远的位置。接触或距建筑结构近的地方，很容易凝露或结冰。尽管冷库中的工作温度一般都低于0℃，但仍会因热的辐射、对流或传导产生很大的温差。
冷冻装置会间歇性地发送远远低于冷库设计工作温度的冷空，约-35℃至 -40℃。如果采样管直接安装在这一冷流中，温度就会变得非常低。冷冻装置不工作时采样管需要一定时间才能达到冷库温度，因此有可能会结冰，在安装采样管时，尽量避开这一冷流。
采样孔应打在采样管的侧面，这样凝露或冰霜不易积聚，如果打在采样管底部，则很容易被堵住。
采样管应离顶棚或墙壁至少300 mm，以减少从这些表面传导的热量。
设备日常维护保养
处于低温环境下，管路在使用一段时间后，在吸孔处或多或少产生一些霜冻，我们在设备管路敷设时已经使用了专用流减速膜片和防冻夹，配合反吹系统能产生振动，抖落采样孔处的冰霜，防止冰霜堵住采样孔及细菌灶的产生，确保管路通常，流运行平稳。