某二次装修改造工程中吸气式感烟火灾探测的应用研究

某二次装修改造工程中吸气式感烟火灾探测的应用研究
发布时间：2023-02-06T01:05:32.257Z 来源：《工程建设标准化》2022年9月第18期作者：王磊
[导读] 在深圳某商业广场改造工程火灾报警系统设计过程中，存在传统顶棚安装式探测器和红外对射探测器无法对中庭高大空间进行火灾探测保护的问题。

王磊
（重庆市设计院有限公司，重庆市 400015）
摘要: 在深圳某商业广场改造工程火灾报警系统设计过程中，存在传统顶棚安装式探测器和红外对射探测器无法对中庭高大空间进行火灾探测保护的问题。

通过对商业购物中心中庭高大空间影响火灾探测的因素、各类型火灾探测的工作原理、工作特性、设计安装进行分析，提供了管道吸气式探测器能可靠应用于复杂装饰中庭采光顶高大空间的火灾报警探测器的解决方案。

希望借此对以后类似项目中的火灾报警探测器设计选型具有一定的指导意义。

关键词：火灾自动报警系统、商业购物中心、中庭高大空间、管道吸气式感烟探测器
0引言
随着我国社会经济和城市化建设的高速发展，人们对商业购物中心的期望值日益提高。

内部装饰独具特色的大型商业购物中心应运而生。

大型商业购物中心建筑往往设计了中庭采光顶高大空间，该空间内存在复杂装饰造型，宣传条幅、展品、货物，烟气流动的距离较长，烟气温度和浓度会迅速降低以及热障现象等，这些设施和烟气现象使顶棚安装式的感烟及感温探测器和红外对射探测器无法及时探测到火灾，对传统火灾探测器的探测效果产生严重干扰，导致探测器无法提供准确有效的报警信号，让消防安全面临艰巨的挑战。

通过工程的实际应用发现，将管道吸气式感烟探测器应用在此类项目的中庭采光顶高大空间，能有效地解决传统火灾探测器及红外对射探测器对中庭高大空间探测失效和误报的问题。

1项目提出的背景
选择火灾探测器首先需要仔细分析所应用的建筑结构和环境特点。

在大型商业购物中心项目的中庭高大空间里，烟气流动的距离较长，温度和浓度会迅速降低。

在火灾初期，相当多的烟气可能升不到顶棚便开始发生弥散。

特别是在夏天，太阳光的照射具有重要的影响，它可致使中庭大空间上部形成一定厚度的热空气层，这种热空气层的温度可能比火灾初期烟气的温度还要高，从而阻止火灾烟气上升到大空间的顶棚。

同时，中庭大空间内存在复杂装饰造型，宣传条幅、展品、货物等，也对传统火灾探测器的有效探测产生不利影响。

在基于以上情况，顶棚安装式的各种点式感烟及感温火灾探测器在这种空间内均无法及时探测到火灾，因为初期火灾的烟气可能到不了探测器所在的位置。

若使烟气的浓度或温度达到可以启动火灾探测器的程度，则火势早已发展到相当大的规模，失去了早期报警的意义。

因此，《火灾自动报警系统设计规范》（GB 50116－2013）第5.2.1条规定高度大于12m的房间不适合选择点式感烟及感温探测器。

《火灾自动报警系统设计规范》（GB 50116－2013）第12.4节的规定，适合在高度大于12m的空间场所中使用的有线型光束感烟火灾探测器、吸气式感烟火灾探测器、图像型感烟火灾探测器和火焰探测器。

同时，根据火灾自动报警系统设计规范》（GB 50116－2013）第12.4.3条，线型光束感烟火灾探测器不适用于高度大于26米的建筑空间。

2商业购物中心中庭高大空间影响火灾探测的因素
（1）中庭采光顶高大空间存在复杂造型和运营装饰物,如天幕（打孔LED屏覆盖整个采光顶）、宣传条幅、展品、货物等对火灾探测器的有效探测有不利影响，容易引起误报。

对中庭采光顶高大空间而言，目前主流设计为线性光束红外对射探测器+消防水炮自带图像探测器的组合。

但线性光束红外对射探测器在商业广场等中庭采光顶高大空间存在复杂装饰物的情况下会阻挡对射射线，其可靠性大大降低且容易发生误报。

同时，线性光束红外对射探测器对设备安装的稳定性要求高，当建筑发生震动或外力对已调试完成的设备产生碰撞时，也可能造成探测器工作失效或误报警。

（2）中庭采光顶高大空间存在烟雾稀释现象。

火灾烟柱夹带更多的空气往上升，传统地会形成15°的烟雾角度，而且由于夹杂着空气，随着高度的上升，烟雾浓度会越来越低。

对点式感烟探测器和红外对射探测器的探测效果存在不利影响。

火灾烟柱形成15°的烟雾角度
（3）中庭采光顶高大空间存在热障效应。

所谓“热障效应”，是指对于空间较大的建筑来说，尤其是中庭采用密闭玻璃顶时，太阳光的直射、空调系统及其他电气设备工作产生的热气，会导致空间顶部形成一定厚度的热空气层，称之为“热障层”，火灾时烟雾作上升运动，当烟雾的温度比热障层空气的温度低，就无法继续上升，也就不能到达烟感探测器附近，这样就形成了“热障效应”。

环境热量变化程度高并且火焰能量比较小时可能发生分层，而且难以预测分层发生的高度，因此热障效应带来的最大危害是导致烟感探测器不能及时的探测到环境中的烟雾，造成报警延迟，无法准确报警。

模拟烟雾热障效应导致烟雾分成现象
3设计规范中可用于中庭高大空间的各类火灾探测器的功能原理
（1）红外光束感烟探测器
红外光束感烟探测器是根据红外光束通过烟雾发生散射、反射和吸收等现象造成红外光强发生变化的原理进行火灾探测。

红外光束感烟探测器属于线型探测器，它对探测范围内的某一线状窄条周围烟气参数响应。

它与点型感烟探测器的主要区别在于：线型感烟探测器将光束发射器和光电接受器分为两个独立的部分，使用时分别安装在相对的位置，中间用光束连接起来。

但红外光束感烟探测器适用于高度不超过26m的大空间建筑，并且若探测器设置不合理，有可能因为热障现象而达不到早期报警的效果。

此外，红外光束感烟探测器设置后，要避免后期运营过程中在中庭悬挂的宣传条幅形成光路障碍使得探测器无法正常工作，产生误报警。

（2）光截面图像感烟探测器
光截面图像感烟火灾探测器是利用主动红外光源作为目标，结合红外面阵接收器形成多光束红外光截面，通过成像的方式和利用图像处理的方法，测量烟雾穿过红外光截面对光的散射、反射及吸收情况，利用模式识别、持续趋势、双向预测算法实现对早期火灾的识别与判断。

由于有烟雾通过红外光截面的时候才能发生报警，因此光截面图像感烟探测器也受热障现象的影响。

对于复杂装饰空间和对美观要求高的中庭，光截面图像感烟探测器无法通过调整布置解决以上设施设备带来的探测困难。

（3）图像火灾探测器
图像火灾探测技术针对高大空间建筑火灾中普遍存在的技术难题，即火灾的误报、漏报和延误报警，以及火灾的早期扑救问题，通过对火灾的热、色、形、光谱及运动特性的研究，在色度模型、稳定性模型、增长趋势模型的基础上，发展了纹理模型、立体视角模型、基于红外影像的频域纹理模型、闪烁模型，提出了基于彩色影像和红外影像的双波段火灾识别模型，采用了图像处理、计算机视觉、人工智能等多项高新技术，实现了大空间建筑早期火灾的探测和三维空间定位。

更高性能的3波段红紫外火焰探测器是在双波段红外火焰探测器的基础上增加了紫外火焰探测功能，具有更强的抗干扰能力、更低的误报率和更广的应用范围。

（4）吸气式烟雾探测系统
吸气式烟雾探测系统的核心技术有两点，即激光散射测量和烟粒子计数。

其工作原理是系统借助于高效抽气泵，通过防火区管道网络上的抽样孔连续不断地抽取空气样本，采集的空气样本经过滤器进入测量腔，在测量腔内特定的空间位置安装有测量光源及接收器，测量光源发出的光束照射到空气样本上，如样本上有烟粒子存在，光束将产生散射，光接收器接受散射的光信号，根据测得散射光强弱变化或光信号脉冲数，测量出空气样本中的烟粒子量。

测量的信号经“人工神经网络”微处理器后，与预先设定的报警阈值比较，如达到某一报警阈值，则在显示器上给出相应的报警信号。

实际测试数据表明，在空气中烟粒子浓度达到1000 个/m3 时，探测器可发出报警信号。

吸气式烟雾探测系统采用了激光探测技术、人工神经网络和独特的主动式空气采样技术，充分体现了现代神经生物学、信号处理和贮存技术的结晶，并具有以下特点：
a．灵敏度高（比传统的高1000倍），误报率极低，可靠性高； b．主动抽取空气样品进行探测，改变以往被动接受烟雾的形式； c．自学习功能。

系统可以根据周围的环境进行学习，根据所积累的数据设置灵敏度，以达到在任何环境中都能精确探测的效果； d．自动比较功能。

系统可以设置警报的延时输出，经过一段时间的比较，可以确信烟雾的稳定变化再发出警报，从而避免由于环境的异常变化造成的误报；
e．采用灰尘识别技术，用三层滤网装置，将非烟雾的灰尘等污染物在进气口就滤除掉； f．可调整分级报警功能，针对不同用户的环境要求实施不同的报警级别； g．应用范围广，安装布网形式多样； h．能够自动检测并显示故障状态，可以确保从现场不间断采取空气样本； i．用激光散射测量方法精确，测量范围大，对任何大小的烟雾粒子均有很好的响应。

管道吸气式探测器的工作原理示意图在高大空间的火灾报警探测器的设计中，如吸气式烟雾探测系统的采样管布置不合理，也同样会因热障现象而影响探测效果。

因此规范要求在《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-2013第12.4.4条要求：管道吸气式探测器的采样管宜采用水平和垂直结合的布管方式，并应保证至少有两个采样孔在16m以下，以此避免热障现象对吸气式探测器的影响。

传统的烟雾探测系统灵敏度低，难以在火情隐患发生的极早期阶段进行探测，只有在产生大量可见浓烟后才能发出预警，而此时火灾已经发展到非常严重的地步，不仅错过了最佳的处理时机，也将造成极大的损失。

通过吸气式感烟火灾探测器系统模块的分析，其在火灾的阴燃阶段就能探测到火情，能为处理火情隐患赢得宝贵时间，此种探测器是一种高灵敏度的极早期感烟火灾探测器。

注：%obs/m是遮蔽度或减光率，有时也记为%/m，意思是指在经过单位长度后，光被烟雾颗粒遮蔽程度的百分比。

当有烟雾存在时，光线的前进会受烟雾遮蔽，烟雾浓度越高，光线衰减程度越高，反之在很纯净的空气中，光线几乎没有衰减。

各类型火灾探测器的有效探测范围
可应用于大空间建筑的火灾探测系统比较
通过对比发现，光电火焰探测和图像火焰探测等火焰探测系统不受热障现象的影响，适合于探测发展迅速，产生强烈光和火焰辐射的火灾，但是对于隐燃火无法及时探测。

红外光束感烟火灾探测系统、光截面图像感烟火灾探测系统等感烟探测系统能够及时探测到处于隐燃阶段的火灾，但是容易受热障现象的影响，且红外光束感烟火灾探测系统和光截面图像感烟火灾探测系统不适合高度超过26m的空间。

吸气式探测器不受热障效应影响，且适用于火灾发生极早期的探测。

在商业项目中，中庭两侧商铺的可燃物主要为固体可燃物，既要考虑发展迅速有强烈光和火焰辐射的火灾，也要考虑有阴燃阶段，产生大量烟和少量热，很少或没有火焰辐射的火灾，并且首层中庭作为中岛区域，是商场内人员疏散的必经之道，需要做到早期报警，给人员更多的可用疏散时间，以防止火灾发展到一定规模后对人员造成伤害。

因此中庭火灾探测系统采用火焰探测器和吸气式感烟探测器的组合，既能达到早期探测火灾的目的，又能减少误报和漏报。

结合项目特点，根据项目消防性能化评估的要求下，对消防难度大的项目需设置可靠性更高的消防探测报警措施来达到早期预防火灾发生的目的。

报告亦要求深圳某商业广场改造工程中庭需采用3波段红紫外火焰探测器和吸气式感烟探测器作为本项目的消防加强措施。

因此，在改商业广场改造工程设计实施过程中，涉及到管道吸气式感烟火灾探测器在商业购物中心中庭复杂装饰区域高大空间中的应用。

此类探测器的应用可靠的解决了复杂中庭高大空间极早期火灾探测的难题。

4管道吸气式探测器的在中庭采光顶高大空间里应用优势
（1）采样管道可根据现场环境和保护对象，在规范和图集的要求下随意敷设。

（2）针对烟雾热障的问题可以在垂直管道上设置采样点或在垂直方向上敷设一圈采样管。

（3）由于管道吸气式探测器的末端为PVC管或金属管，其损坏的几率远小于一般探测器损坏的几率。

因此维保人员只需要在探测器的安装位置对系统进行维护，非常方便高效。

（4）由于采样孔仅2~4mm，可在对有装饰美观需求的位置可灵活处理。

（5）吸气式烟雾探测可用于肮脏多尘场所。

先进的吸气式烟雾探测器具有环境自学习功能，可根据设定自动调节灵敏度，带有激光腔自清洁功能的双级内置式过滤器，新型外置式过滤器和环境参照探测技术等使吸气式烟雾探测能适应各种复杂环境场所。

5实际工程中的设计应用
深圳某商业广场改造工程位于深圳市。

项目为大型商业建筑，项目总建筑面积为304416.48m2。

建筑地下2 层，地上6 层，地下一层至六层为商业用房，地下二层为地下车库，建筑总高度为36m，局部高度42m，为一类高层公共建筑，耐火等级一级。

根据前文所述规范及对各类适用于高大空间的探测器的分析，以及本项目消防性能化评估报告的要求下，本项目对中庭采光顶采用了3波段红紫外火焰探测器和管道吸气式感烟探测器作为建筑消防的加强措施。

由于该项目中庭采光顶高40米，且装饰效果复杂，如何既满足规范要求，又将对装饰效果影响降到最低是本次设计需要解决的又一难题。

根据《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-2013第6.2.17条规定可知：本项目中庭采光顶高度远大于16米，因此需选用高灵敏度型吸气式感烟火灾探测器；《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-2013第12.4.4条规定：吸气式感烟探测器的采样管宜采用水平和垂直结合的布管方式，并应保证至少有两个采样孔在16m以下，并宜有2个采样孔设置在开窗或通风空调对流层下面1m处。

参照国标图集《火灾自动报警系统设计规范》图示14X505-1第79页的示意图，结合本工程中庭的实际情况，在中庭1层、2层四周以及中庭采光顶的正下方设计了吸气
式感烟探测器的采样孔，确保设计满足规范及图示要求。

由于中庭四周无可利用的结构柱，因此在中庭四周的采样管单独设置了控制主机，避免了采样管在竖向上对建筑装饰产生印象。

同时，为了解决中庭四周采样孔的隐蔽性和美观性问题，装饰设计特地在中庭四周设计了点式呼吸灯。

本项目中庭设计管道吸气式探测器器位置说明：1，中庭1、2、4、5是由负一层贯穿至屋顶，通高达45.5米，在一层，二层的中庭洞口四周（满足规范要求16米以下设置采样孔的要求）和屋顶层中庭顶部设计布置了吸气式探测；2、中庭3由一层贯穿至屋顶，通高40米，在二层的中庭洞口四周（满足规范要求16米以下设置采样孔的要求）和屋顶层中庭顶部设计布置了吸气式探测；3、中庭6~8由一层贯穿至5层截止，通高28.5米，在二层的中庭洞口四周（满足规范要求16米以下设置采样孔的要求）和屋顶层中庭顶部设计布置了吸气式探测。

中庭采光顶1、2、4、5正下方设计了天幕（即顶部LED打孔屏），管道式吸气探测器的采样孔设计在天幕的背面，既能探测中庭火情，也能对LED打孔屏进行火灾探测，同时，还不影响建筑装饰的美观需求。

中庭顶部的采样管道结合采光顶的钢结构柱安装，对装饰效果几乎无影响。

6存在的问题及建议
目前，管道吸气式感烟探测器更多的是应用在数据机房项目。

但本次研究中，通过分析管道吸气式感烟探测器的工作原理，其在极早期火灾探测阶段所展现出来的安全性、可靠性比一般商业项目中庭高大空间采用的红外对射探测器更具优势。

建议今后我们在对类似项目进行火灾自动报警系统设计时，应根据项目的实际建设情况进行火灾探测设备的选型，而不应利用常规设计经验即选用红外对射探测器，应综合考虑安全性、可靠性、落地性对商业购物中心中庭高大空间等类似位置的火灾探测器选择影响，确保项目顺利推进。

参考文献
[1]公安部沈阳消防研究所.GB50116火灾自动报警系统设计规范[S].北京：中国计划出版社，2013.
[2]中国建筑标准设计研究院.14X505-1火灾自动报警系统设计规范图示[M].北京：中国计划出版社，2014.9.。