浅析大空间场所火灾自动报警系统的设置

浅析大空间场所火灾自动报警系统的设置
摘要：大空间建筑火灾的早期探测和扑救，一直是一个难以较好解决的世界性难题，世界各国火灾科研机构及消防科技工作者对此都十分关注。

本文对某大空间场所火灾探测和扑救中存在的问题进行了分析，介绍了大空间建筑早期火灾智能探测报警系统的设置，为大空间场所火灾自动报警系统设计提供参考。

关键词：消防大空间早期火灾智能探测
引言
大空间场所火灾探测面临的难题
大空间场所高度比较高，场所内的可燃物一旦发生火灾，火灾探测的时间往往比较长，会延误扑救火灾的最佳时机，带来较大的损失。

在火灾的初起阶段，准确的探测到火情并迅速报警，对于及时组织有序快速疏散，积极有效地控制火灾的蔓延、快速灭火和减少火灾损失都具有重要的意义。

2.火灾探测的基本原理
在火灾初起阶段，建筑物内是会出现不少特殊现象或征兆的，如发热、发光、发声，以及散发出烟尘、可燃气体、特殊气味等。

这些特性是物质燃烧过程中发生物质转换和能量转换的结果，为早期发现火灾、进行火灾探测提供了依据。

按照探测元件与探测对象的关系，火灾探测原理可分为接触式和非接触式两种基本类型。

2.1接触式探测
在火灾的初期阶段，烟气是反映火灾特征的主要方面。

接触式探测是利用某种装置直接接触烟气来实现火灾探测的，因此只有当烟气到达该装置所安装的位置时其感受元件方可发生响应。

烟气的浓度、温度、特殊产物的含量等都是探测火灾的常用参数。

一般建筑中使用最多的是点式探测器，它们有一个直径约10cm 壳体，其内部安装了某种感受烟气浓度、温度或代表燃烧产物（如CO）的元件。

当进入壳体的烟气所具有的浓度或温度达到所用元件的设定危险阈值时，它便发出报警。

2.2非接触式探测
非接触式火灾探测器主要是根据火焰或烟气的光学效果进行探测的。

由于探测元件不必触及烟气，可以在离起火点较远的位置进行探测，故其探测速度较快，适宜探测那些发展较快的火灾。

这类探测器主要有光束对射式、感光（火焰）式和图像式探测器。

光束式探测器是将发光元件和受光元件分成两个部件，分别安装在建筑空间
的两个位置。

当有烟气从两者之间通过时，烟气浓度致使光路之间的减光量达到报警阈值时，便可发出火灾报警信号。

火焰探测器利用光电效应探测火灾，主要探测火焰发出的紫外或红外光，而不用可见光波段，因为它不易有效地把火焰的辐射与周围环境的背景辐射区别开来。

图像式探测法是利用摄像原理发现火灾的，目前主要采取红外摄像与日光盲热释电预警器件进行复合。

一旦发生火灾，火源及相关区域必然发出一定的红外辐射。

在远处的摄像机发现这种信号后，便输入到计算机中进行综合分析，若判定确实是火灾信号则立即发出报警。

由于它所
给出的是图像信号，因此具有很强的可视和火源空间定位功能，有助于减少误报警和缩短火灾确认时间，增加人员疏散时间和实现早期灭火。

3.火灾自动探测报警系统的构成
火灾探测报警系统主要包括火灾探测器和报警控制器两个基本部分，大型的探测报警系统往往还会与自动灭火、烟气控制系统等联动。

火灾探测器的基本功能是对火灾烟气的浓度、温度、火焰（光）和燃烧气体等参量做出有效反应，并通过敏感元件，将表征火灾特征的物理量转化为电信号，送到火灾报警控制器进行处理。

根据探测火灾参数的不同火灾探测器可分为感温、感烟、感光、气体和复合等类型。

随着科学技术水平的不断提高，近年来不断有新型火灾探测器问世，如吸气式探测器、光纤火灾探测器、图像式探测器等，它们分别对不同场合的火灾有着灵敏、可靠的反应。

火灾报警控制器是对火灾探测信号加以处理并做出相应反应的设备，它应具有信号识别、报警、控制、图形显示、事故广播、打印输出及自动检测等功能。

火灾报警控制器大体可以分为区域报警控制器和中央报警控制器两种；某一相对独立的建筑物或建筑群可设一台中央报警控制器。

每台中央报警控制器可管理若干个区域报警控制器。

每个区域报警控制器则用于监控一个报警控制区域，这一监控区域不宜超过一个防火分区，一个防火分区往往又分为几个火灾探测分区；一个区域控制器一般控制几十个探测器。

当探测到的信号超过某一预设定的阈值，即认为发生了火灾，然后将火灾信号转换为可看见或可听到的光声信号，向人们发出火灾警告。

4.火灾探测器的选用
火灾探测器是直接感受火灾信号的部件，它的基本要求是准确、可靠、迅速，而做到这几点实非易事。

目前研制的火灾探测器种类很多，应当说，任何一种火灾探测方法都有自己的优点，也都具有一定的局限性。

性能再好的探测装置安装在不适当的场合或位置，也无法很好地发挥作用。

因此，必须结合建筑物的具体条件和火灾特征选择适用的火灾探测器，这也是性能化防火设计的基本观点。

针对现有的火灾探测技术，现行火灾探测设计规范作了以下规定：
4.1探测器种类选择的一般规定
火灾探测器的选择，应符合下列要求：
对火灾初期有阴燃阶段，产生大量的烟和少量的热，很少或没有火焰辐射的场所，应选择感烟探测器。

对火灾发展迅速，可产生大量热、烟和火焰辐射的场所，可选择感温探测器、感烟探测器、火焰探测器或其组合。

对火灾发展迅速，有强烈的火焰辐射和少量的烟、热的场所，应选择火焰探测器。

对火灾形成特征不可预料的场所，可根据模拟试验的结果选择探测器。

对使用、生产或聚集可燃气体或可燃液体蒸气的场所，应选择可燃气体探测器。

4.2点型火灾探测器的选择
对不同高度的房间，可按表4.1选择点型火灾探测器。

对不同高度的房间点型火灾探测器的选择...表4.1
4.3 高大空间场所的火灾探测
由于烟气空间传播的热量损失对高大空间（高度>12米）火灾探测的影响与常规空间（高度<12米）火灾探测有很大的不同。

由于空间增高，火灾烟气离开火羽流后，烟气温度迅速下降，导致烟气浮力减小，速度降低，烟气上升到一定高度后，烟气浮力与重力达到一种平衡，烟气不再上升，而是在一定高度进行水平扩散；对于空间上空存在热障层的场所，情况更是如此，由于高大空间建筑内用途不同，其空间内物品摆放有很大的差异，根据高大空间建筑内的物品摆放的情况，大致可分为以下两种类型，一种类型是建筑物本身空间高大，且建筑物内物品摆放基本处于空间下部，物品上空具有大量空旷空间，如会展中心、航站楼、体育馆等；另一种类型，建筑物本身高度很高，但内部物品摆放也很高，物品上空没有空旷空间，如高架仓库、工业厂房等。

4.3.1 会议中心、航站楼、家具城、体育馆、展览馆等场所火灾探测
这类场所火灾类型主要是A类火灾，虽然说堆放的物品上空有高大空间，但通常物品本身也具有一定的高度，采用感火焰的探测方式虽然也可以解决探测距离的问题，但是，火源的遮挡也是一个不容忽视的问题，且这类场所火灾过程多以烟为先，因此，采用感烟的方式应是这类场所优先的选择。

鉴于这类场所顶棚高度通常都高于12米，安装于顶棚的点式感烟火灾探测器无法准确快速报警，对于存在热障层的场所，感烟类火灾探测器均不能安装于热障层可能影响的高度，更不能安装于建筑物顶棚，因此，在这类场所，要实现快速早期报警，必须在烟气上升过程中实现探测报警。

红外线型光束火灾探测器是较好的选择，它们在空间的布设方式如下图3-1：
其中：S 线型光束的安装间距，H 热障层下方安装高度
图4-1
S和H的确定，由烟气羽流直径和烟气上升平衡高度确定，烟气羽流直径由以下公式确定：
d=0.48（T/T0）0.5Z(4-1)
d：烟气羽流直径
T：羽流轴线z高度处温度（摄氏度）
T0：环境温度（摄氏度）
Z：高度
T＝T0+(A2/3T0/g)Qc2/3Z-5/3
A=g/CpT0ρ0
Qc：总释热速率Q中的对流部分一般等于0.7Q
对于早期火灾，火灾功率小于1MW时，可近似d=0.5Z，当安装高度位H 时，因此，对于早期火灾的探测，S应该满足下式：
S≦d
S≦0.5H (4-2)
对于处方式规范规定的H≤12米，线型感焰火在探测器安装间距应不大于6米，比现行规范规定的7米小1米。

如果安装高度为8米，按（4-2）式，合理的安装间距为4米，现行的规范规定则过于宽松，这在实际的火灾实验中已经得到证实，合适的设计是，在一般情况下，按照（4-2）式设计光束对射线的间距，对于火灾发展迅速，火灾功率上升快的场所，光束间距应适当进一步减小，因为这时的火灾烟雾上升速度快，烟气羽流直径小。

对于空间远远大于12米，可在被保护空间采取多层布设的方式，加大探测红外光线的密度。

近年来，中国科技大学火灾科学国家重点实验室等单位在图像式火灾探测器的研究方面取得了重要进展。

其中光截面式图像探测系统主要用于探测大空间建筑内的火灾烟气探测。

图4-2为光截面式火灾探测系统的原理图。

图4-2
安装在建筑物一侧的若干微型发光装置发出红外光线，另一侧使用红外CCD摄像头接收。

由于CCD接受器具有面阵成像功能，通过发射器的合理布置，可在整个建筑空间内形成一个水平光截面或立体覆盖的多个光截面，如图4-3。

只要有烟气穿过该截面就会发出报警信号。

由于此系统使用CCD摄像头作为接收装置，可通过调整发射器的间距任意调整覆盖保护截面红外光线的间距，显示器上所显示的是一种图像，可供值班人员进一步确认。

因此这种探测系统也具有很高的准确性。

图4-3
对于空间高大，而且十分空旷，并且易产生火焰燃烧的场所，如汽车展厅，汽车销售大厅，飞机维修库，大型液压站，大型发电机厂房等，应选用适合于远距离火焰探测的报警装置。

在选择火焰报警器时，确定在一定距离发现最小火焰尺寸或火灾功率是一个十分关键的问题，也即是灵敏度的问题。

对于采用图像式双波段火焰探测的场合，探测距离与可发现的最小火焰尺寸、摄像头视场角，图像卡分辨率密切相关，它们之间的关系如下图4-4所示：
图4-4
水平视场宽度和垂直视场宽度分别由下式计算：
L=2S tg(α/2)(4-3)
H=2S tg(β/2)(4-4)
单位像素代表物方尺寸(△x,△y),由下式计算,设成像面水平方向像素值为l,垂直方向像素值为h.
△x=L/l=2S tg(α/2)/l(4-5)
△y=H/h=2S tg(β/2)/l(4-6)
以影像方式进行火灾探测的探测器,火焰像素光斑大小最小值为5×5=25(像素),因此，水平分辨率和垂直分辨率为5像素所代表的火焰尺寸，可发现最小火焰面积为5×5=9(像素)所代表的火焰面积。

以中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室研发LA100型图像探测系统为例，阐述火焰探测器选择的方法，假设图像探测器视角(水平,垂直)有(300,22.50)，(450,33.70)，(600,450)三种,图像卡分辨率为720×512像素,实际使用,单位像素代表的火焰尺寸及面积由下表表示:
4.3.2大空间场所探测方式比较
吸气式感烟探测器具有较高的灵敏度，在洁净环境中，为最佳选择，且对于各种类型火灾的烟气扩散均能做出报警响应，因此空气采样探测器具有很高的报警准确性，漏报率极低。

但受采样管网安装位置影响，相较于线型光束感烟探测器更靠近顶棚，因此响应相对滞后。

线型光束感烟探测器在大空间建筑内可分层设置，对于扩散烟气的报警响应比较灵敏，即烟气扩散到探测器的监测区域并达到一定的浓度探测器即可做出报警响应。

线型光束感烟探测器可分为红外对射型和光截面图像型两种，其两者特点分析比较如下：
红外对射型是由发射器和接收器组成，发射器与接收器必须较精确的对准，否则接收器接收不到发射的红外光线，所以对安装精度要求较高；在使用过程中，由于建筑物的不稳定性，会导致原本对正的接收器和发射器发生偏移，也同样会导致系统的不正常，系统维护相对工作量大。

另外，发射器只有一根发射管组成，发射管的老化，会导致红外线衰减，当达到一定程度时，系统会发生误报，这是必须调整其灵敏度来纠正它，使之正常工作；当其使用到一定程度时，发光管必然报废，导致设备的更新。

感火焰探测方式的比较
火焰探测器对于明火的灵敏度远高于其他感烟探测器，但对于不同火源位置的报警响应速度不同，距离起火点越远的探测器报警响应时间越滞后，因此设计选型时应参考保护空间的距离做适当的选型及点位布设。

火焰探测器据其探测机理又可分为点式红外火焰探测器和图像型火灾探测器。

点式红外火焰探测器分为单波段、双波段、三波段红外火焰探测器和紫外、红外复合火焰探测器等。

其中双波段红外火焰探测器以其可靠性高、成本较低等优势获得了较大的市场，但易受环境干扰，抗阳光、大功率照明灯等热体红外光干扰能力较弱。

图像型火灾探测器采用双波段图像火焰探测技术，由红外CCD和彩色CCD 组成，具有同时获取现场的火灾信息和图像信息的功能特点。

根据建筑物空间高度,确定探测器监控距离,根据希望发现早期火灾火焰尺寸,选择探测器视场角和探测器布设密度。

大空间火灾自动报警系统探测器选用图像型火灾探测器（又叫双波段火灾探测器），对展厅等大空间场所的早期火灾进行有效探测，并实现可视化报警。

双波段火灾探测器采用双波段火灾探测技术，在探测方式上属于感火焰型探测器。

在火灾识别方面，根据火灾在燃烧过程中的光谱特性、色度特性、纹理特性、运动特性以及频谱特，将这些特性模型化、工程化，形成微处理器可执行的火灾识别判据。

5.小结
综上所述，大空间场所安装于顶棚的点式感烟火灾探测器无法准确快速报警，对于存在热障层的场所，感烟类火灾探测器均不能安装于热障层可能影响的高度，更不能安装于建筑物顶棚，因此，在这类场所，要实现快速早期报警，必须在烟气上升过程中实现探测报警。

吸气式探测器、红外线型光束、双波段等火灾探测器是较好的选择。

在实际设计过程中，还应结合大空间场所的空间构造、使用功能，火灾成因，人员流动情况等多方面综合考虑，选择合适的组合探测模式；并充分考虑现场可能影响探测效果的各种因素，如空调和通风系统对火灾烟气扩散的影响，综合比较形成合理的设计方案。

参考文献
[1] GB50016－2006.《建筑设计防火规范》[S]
[2] GB5004－95.《高层民用建筑设计防火规范》[S]
[3] GB 50338－2003.《固定消防炮灭火系统设计规范》[S]
[4] GB 50084－2001.《自动喷水灭火系统设计规范》[S]
[5] GB 19156－2003.《消防水炮通用技术条件》[S]
[6] GB50116－98.《火灾自动报警系统设计规范》[S]
[7] GB50116－92.《火灾自动报警系统施工及验收规范》[S]
[8] DB34/183－1999.《图像型火灾安全监控系统设计、施工及验收规范》[S]
[9] ISO/IEC11801－95.《信息技术互连国际标准》[S]
[10]吴龙标，袁宏永.火灾探测与控制工程[M].合肥：中国科学技术大学出版社.1999.
[11]袁宏永，赵建华，苏国锋.图像型大空间建筑早期火灾智能探测报警技术[M].2001.。