吸氣式空氣采樣火災(zāi)自動報警系統(tǒng)在故宮博物院的應(yīng)用

■ 蘇鵬 故宮博物院

由傳統(tǒng)被動式火災(zāi)探測設(shè)備組成的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，在安裝空間高度、空氣循環(huán)氣流、火災(zāi)早期預(yù)警功能等方面存在局限性。對于特殊重要的場所，如電信機(jī)房、博物館、檔案館、控制中心、核電站等部位，要求對火災(zāi)進(jìn)行極早期報警，就產(chǎn)生了高靈敏度火災(zāi)探測器的需求。吸氣式煙霧探測技術(shù)能在火災(zāi)早期的不可見煙霧階段，正確探測煙的存在并發(fā)出報警信號，為極早期探測預(yù)報火災(zāi)提供了有效、可靠地方法，也被故宮博物院所采用，系統(tǒng)規(guī)模為124臺探測器，成為故宮博物院火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的重要組成部分。

一、技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢

吸氣式煙霧探測技術(shù)又稱空氣采樣極早期煙霧探測技術(shù)，它是利用吸氣泵通過預(yù)先布置好的采樣孔和采樣管道抽取保護(hù)區(qū)內(nèi)的空氣，并將空氣樣本通過探測器對其分析處理的技術(shù)。吸氣式煙霧探測系統(tǒng)由采樣管網(wǎng)、排氣管、探測器等組成。空氣樣本經(jīng)過過濾組件濾去灰塵顆粒后進(jìn)入探測器激光腔，在激光腔內(nèi)利用激光照射空氣樣本，其中煙霧粒子所造成的散射光被接收器接收，接收器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號后送到探測器的控制電路。信號處理后轉(zhuǎn)換為煙霧濃度值，同時，根據(jù)煙霧濃度以及預(yù)設(shè)的報警閥值，產(chǎn)生一個對應(yīng)的輸出信號。

根據(jù)吸氣式煙霧探測技術(shù)特點(diǎn)，其在故宮博物院的應(yīng)用存在幾大優(yōu)勢：

1.報警靈敏度高，實(shí)現(xiàn)極早期探測。普通點(diǎn)型感煙火災(zāi)探測器為被動工作方式，等待煙霧依靠空氣自然對流到達(dá)后才能探測。在火災(zāi)初期，通常煙霧擴(kuò)散速度很慢，需要經(jīng)過較長時間才能到達(dá)探測器，有的根本就到達(dá)不了，探測器無法實(shí)現(xiàn)極早期火災(zāi)探測報警。吸氣式煙霧探測技術(shù)為主動抽氣工作方式，可使靈敏度提高近千倍。因此，它對早期火災(zāi)具有極靈敏的反應(yīng)，可提前預(yù)報極早期火災(zāi)，為人員疏散、火災(zāi)撲救贏得了寶貴的時間。下圖為2004年9月在故宮博物院文華殿進(jìn)行的火災(zāi)報警試驗(yàn)結(jié)果，吸氣式探測器在報警靈敏度方面具有較大優(yōu)勢。

2.實(shí)現(xiàn)對故宮高大空間建筑及其悶頂?shù)挠行綔y。因?yàn)槲鼩馐綗熿F探測技術(shù)具有靈敏度高、可早期報警、抗氣流能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適用于故宮高大空間建筑及其悶頂內(nèi)，彌補(bǔ)了原系統(tǒng)高大空間使用線型紅外對射探測器靈敏度低的不足和悶頂內(nèi)無消防報警技術(shù)的探測盲區(qū)。

3.安裝方式可最大限度保護(hù)古建原貌。吸氣式空氣采樣探測器在故宮主要應(yīng)用于高大建筑及其悶頂、室內(nèi)天花為彩繪形式的建筑，在這兩種建筑形式下，其安裝方式可最大限度保護(hù)古建原貌的特點(diǎn)表現(xiàn)得較為突出。

根據(jù)下圖吸氣式

吸氣式空氣采樣探測器工作方式

空氣采樣探測器工作方式可以看到，當(dāng)PVC采樣管敷設(shè)在頂棚上方時，空采主機(jī)可下引至設(shè)備間。探測悶頂下方空間時，從采樣管引毛細(xì)管采樣，可直接在天花板上開8毫米小孔，也可以通過從安裝在梁上的采樣主管道引出毛細(xì)管，將其探測末端隱藏在斗拱、檀條等不顯眼的位置安裝，達(dá)到既可以滿足探測要求又不破壞建筑物外觀的目的。

毛細(xì)管安裝示意圖

二、實(shí)際應(yīng)用效果

1.誤報率較低

故宮博物院消防報警系統(tǒng)改造工程2016年竣工，已全面投入使用近兩年，除室內(nèi)施工電氣焊作業(yè)、室內(nèi)保潔除塵產(chǎn)生持續(xù)大面積揚(yáng)塵的情況下發(fā)生過報警，總體運(yùn)行穩(wěn)定，誤報率較低。其有效避免誤報基于以下幾點(diǎn)：外置過濾器、內(nèi)置過濾器的雙重過濾；具備自學(xué)習(xí)能力，設(shè)備安裝時自動調(diào)整報警閥值，使之符合現(xiàn)場環(huán)境實(shí)際情況，后期也結(jié)合北方沙塵天氣手動調(diào)整過閥值，規(guī)避環(huán)境因素影響；設(shè)定報警延時防止一次性偶發(fā)煙霧影響。

2.故障率低

系統(tǒng)總體運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低，除去人為因素、不可抗因素、非系統(tǒng)核心部件導(dǎo)致的設(shè)備故障，年均故障不足五次。

3.維護(hù)量大

由于系統(tǒng)工作方式為主動吸氣式，所以灰塵積累導(dǎo)致的

設(shè)備維護(hù)量比傳統(tǒng)點(diǎn)式報警器要大，且故宮絕大部分古建筑密閉性不好，悶頂內(nèi)長期積累的塵土可達(dá)4厘米厚，吸氣管網(wǎng)工作環(huán)境惡劣，如遇大風(fēng)天氣，悶頂內(nèi)還會有揚(yáng)塵情況。

設(shè)備維護(hù)工作量主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：

① 定期更換過濾器

故宮共使用內(nèi)置過濾器124個，外置過濾器260個。內(nèi)置過濾器設(shè)計使用壽命為731天，到期后內(nèi)部化學(xué)成分失效影響過濾效果，需及時更換，否則灰塵進(jìn)入主機(jī)機(jī)芯造成設(shè)備故障維修成本較高。外置過濾器可清潔后重復(fù)利用，如效果不佳時再行更換。結(jié)合系統(tǒng)規(guī)模，目前年均更換過濾器50個。

② 定期清理采樣管網(wǎng)

采樣孔不斷吸氣，灰塵會逐漸積累堵塞采樣孔，尤其是空氣潮濕時，灰塵易凝結(jié)、堆聚。采樣孔堵塞影響進(jìn)氣量，氣流值低于原始?xì)饬髦档?0%時，系統(tǒng)會報出低氣流故障，報警靈敏度下降，需要維護(hù)清理管道。清理方法主要有兩種，一是在設(shè)備間空氣采樣探測器的位置，通過氣泵內(nèi)吸或反吹采樣管，疏通采樣孔，這種方法較為便捷，但如果清理效果不佳，就需要第二種方法，維護(hù)人員到頂棚上用毛刷直接清掃采樣孔，費(fèi)時費(fèi)力，尤其是故宮古建筑大殿高度較高，如太和殿頂棚下高度約14米，頂棚上高度約11米，頂棚下和頂棚上都要搭設(shè)腳手架才能進(jìn)行維護(hù)。為了盡量避免用到第二種維護(hù)方法，就需要增加維護(hù)頻次。系統(tǒng)建成時，廠家建議每3個月進(jìn)行一次管道清理，系統(tǒng)規(guī)模124臺探測器，如按此頻率，平均每天都在進(jìn)行維護(hù)，工作量巨大。后期我們采取的辦法是，每周記錄每條管道氣流值，氣流值低于原始?xì)饬髦档?0%，還未達(dá)到報警線時即進(jìn)行維護(hù)，既增加了維護(hù)頻次，又做到有的放矢，不盲目增加工作量，平均每臺探測器年均清理一次。

從下圖可以看到環(huán)境、天氣因素對采樣管道氣流值的影響。靜怡軒、倦勤齋屬低矮建筑，室內(nèi)環(huán)境較為潔凈，可看到半年內(nèi)氣流值較為平穩(wěn)，下降幅度不大；東華門、東北角樓屬高大建筑，且位于故宮城墻上，建筑密閉性弱于靜怡軒和倦勤齋，可看到氣流值下降幅度較大，維護(hù)頻次較高。

從東華門和東北角樓氣流值曲線可以觀察到在2017年6月下旬至7月上旬、8月上旬至8月下旬均有兩次明顯的下降過程。結(jié)合2017年夏季北京天氣情況，共出現(xiàn)5次強(qiáng)降雨天氣過程，“6.22”暴雨、“7.6”暴雨、“7.20”中到大雨，局地暴雨、“8.2”中到大雨，局地暴雨、“8.22”大到暴雨，局地大暴雨。我們發(fā)現(xiàn)氣流值下降幅度最大的時期，也是降水量最大的時候，疑因空氣濕度大加速了灰塵的凝結(jié)，導(dǎo)致吸氣孔堵塞問題加劇。

三、技術(shù)展望

1.杜絕誤報

現(xiàn)有光電感煙探測器通過直接探測火災(zāi)煙顆粒散射光的光強(qiáng)進(jìn)行報警，易受非火災(zāi)煙霧顆粒如水汽、油煙、粉塵等干擾產(chǎn)生誤報警。如上文所說，在持續(xù)大量粉塵情況下，吸氣式空氣采樣火災(zāi)報警系統(tǒng)也會產(chǎn)生誤報警。如何徹底杜絕誤報，是未來技術(shù)發(fā)展方向之一，目前已有相關(guān)產(chǎn)品在這一方向上進(jìn)行探索。

如云霧室型空氣采樣式極早期火災(zāi)探測器，通過云霧室的機(jī)械處理，將火災(zāi)發(fā)生的極早期不可見煙階段產(chǎn)生的大量不可見微米粒子（0.002μm；μ=10-6）通過水的張力，將這些粒子包含在小水滴中心，形成一顆顆約20μm的細(xì)小霧狀水滴，增加了顆粒直徑，打破傳統(tǒng)光電探測器探測光源波長所限，進(jìn)而能夠測出數(shù)量極為可觀的次微米粒子數(shù)量，可以將報警閥值大幅度上調(diào)從而杜絕誤報并實(shí)現(xiàn)極早期火災(zāi)報警。

再如采用雙光源雙波長的空氣采樣極早期火災(zāi)探測器，通過研究不同波長入射光對火災(zāi)煙霧顆粒和非火災(zāi)干擾顆粒的光散射特性，以及對不同直徑顆粒的有效甄別，改善光電感煙探測機(jī)理，從而降低誤報。

2.降低維護(hù)率

系統(tǒng)維護(hù)頻次較高，主要為管網(wǎng)采樣孔清理維護(hù)，降低維護(hù)率可從兩方面著手，一是防積塵，在采樣孔、標(biāo)準(zhǔn)采樣頭上做文章，提高工藝標(biāo)準(zhǔn)、材料選型，減少毛刺、防靜電。二是實(shí)現(xiàn)自動吹掃功能，在探測主機(jī)處安裝氣泵，結(jié)合閥門控制功能，與主機(jī)管道氣流值聯(lián)動，當(dāng)氣流值下降到設(shè)定值后自動啟動氣泵清潔，目前國內(nèi)暫無相關(guān)應(yīng)用，但已有廠家著手進(jìn)行研發(fā)。

四、結(jié)語

吸氣式空氣采樣火災(zāi)自動報警系統(tǒng)作為故宮博物院火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的重要組成部分，在實(shí)現(xiàn)極早期預(yù)警、高大空間建筑及其悶頂內(nèi)的防護(hù)方面起到重要的作用，是非常有效、可靠地探測手段。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、誤報率較低，但受故宮古建筑實(shí)際情況、環(huán)境所限，設(shè)備維護(hù)率較高。從實(shí)際應(yīng)用所面臨的問題，本文也提出了技術(shù)發(fā)展上的展望。

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