吸气式空气采样火灾自动报警系统在故宫博物院的应用

■ 苏鹏 故宫博物院

由传统被动式火灾探测设备组成的火灾自动报警系统，在安装空间高度、空气循环气流、火灾早期预警功能等方面存在局限性。对于特殊重要的场所，如电信机房、博物馆、档案馆、控制中心、核电站等部位，要求对火灾进行极早期报警，就产生了高灵敏度火灾探测器的需求。吸气式烟雾探测技术能在火灾早期的不可见烟雾阶段，正确探测烟的存在并发出报警信号，为极早期探测预报火灾提供了有效、可靠地方法，也被故宫博物院所采用，系统规模为124台探测器，成为故宫博物院火灾自动报警系统的重要组成部分。

一、技术特点及应用优势

吸气式烟雾探测技术又称空气采样极早期烟雾探测技术，它是利用吸气泵通过预先布置好的采样孔和采样管道抽取保护区内的空气，并将空气样本通过探测器对其分析处理的技术。吸气式烟雾探测系统由采样管网、排气管、探测器等组成。空气样本经过过滤组件滤去灰尘颗粒后进入探测器激光腔，在激光腔内利用激光照射空气样本，其中烟雾粒子所造成的散射光被接收器接收，接收器将光信号转换成电信号后送到探测器的控制电路。信号处理后转换为烟雾浓度值，同时，根据烟雾浓度以及预设的报警阀值，产生一个对应的输出信号。

根据吸气式烟雾探测技术特点，其在故宫博物院的应用存在几大优势：

1.报警灵敏度高，实现极早期探测。普通点型感烟火灾探测器为被动工作方式，等待烟雾依靠空气自然对流到达后才能探测。在火灾初期，通常烟雾扩散速度很慢，需要经过较长时间才能到达探测器，有的根本就到达不了，探测器无法实现极早期火灾探测报警。吸气式烟雾探测技术为主动抽气工作方式，可使灵敏度提高近千倍。因此，它对早期火灾具有极灵敏的反应，可提前预报极早期火灾，为人员疏散、火灾扑救赢得了宝贵的时间。下图为2004年9月在故宫博物院文华殿进行的火灾报警试验结果，吸气式探测器在报警灵敏度方面具有较大优势。

2.实现对故宫高大空间建筑及其闷顶的有效探测。因为吸气式烟雾探测技术具有灵敏度高、可早期报警、抗气流能力强、抗干扰能力强等优点，所以非常适用于故宫高大空间建筑及其闷顶内，弥补了原系统高大空间使用线型红外对射探测器灵敏度低的不足和闷顶内无消防报警技术的探测盲区。

3.安装方式可最大限度保护古建原貌。吸气式空气采样探测器在故宫主要应用于高大建筑及其闷顶、室内天花为彩绘形式的建筑，在这两种建筑形式下，其安装方式可最大限度保护古建原貌的特点表现得较为突出。

根据下图吸气式

吸气式空气采样探测器工作方式

空气采样探测器工作方式可以看到，当PVC采样管敷设在顶棚上方时，空采主机可下引至设备间。探测闷顶下方空间时，从采样管引毛细管采样，可直接在天花板上开8毫米小孔，也可以通过从安装在梁上的采样主管道引出毛细管，将其探测末端隐藏在斗拱、檀条等不显眼的位置安装，达到既可以满足探测要求又不破坏建筑物外观的目的。

毛细管安装示意图

二、实际应用效果

1.误报率较低

故宫博物院消防报警系统改造工程2016年竣工，已全面投入使用近两年，除室内施工电气焊作业、室内保洁除尘产生持续大面积扬尘的情况下发生过报警，总体运行稳定，误报率较低。其有效避免误报基于以下几点：外置过滤器、内置过滤器的双重过滤；具备自学习能力，设备安装时自动调整报警阀值，使之符合现场环境实际情况，后期也结合北方沙尘天气手动调整过阀值，规避环境因素影响；设定报警延时防止一次性偶发烟雾影响。

2.故障率低

系统总体运行稳定，故障率低，除去人为因素、不可抗因素、非系统核心部件导致的设备故障，年均故障不足五次。

3.维护量大

由于系统工作方式为主动吸气式，所以灰尘积累导致的

设备维护量比传统点式报警器要大，且故宫绝大部分古建筑密闭性不好，闷顶内长期积累的尘土可达4厘米厚，吸气管网工作环境恶劣，如遇大风天气，闷顶内还会有扬尘情况。

设备维护工作量主要体现在以下两点：

① 定期更换过滤器

故宫共使用内置过滤器124个，外置过滤器260个。内置过滤器设计使用寿命为731天，到期后内部化学成分失效影响过滤效果，需及时更换，否则灰尘进入主机机芯造成设备故障维修成本较高。外置过滤器可清洁后重复利用，如效果不佳时再行更换。结合系统规模，目前年均更换过滤器50个。

② 定期清理采样管网

采样孔不断吸气，灰尘会逐渐积累堵塞采样孔，尤其是空气潮湿时，灰尘易凝结、堆聚。采样孔堵塞影响进气量，气流值低于原始气流值的40%时，系统会报出低气流故障，报警灵敏度下降，需要维护清理管道。清理方法主要有两种，一是在设备间空气采样探测器的位置，通过气泵内吸或反吹采样管，疏通采样孔，这种方法较为便捷，但如果清理效果不佳，就需要第二种方法，维护人员到顶棚上用毛刷直接清扫采样孔，费时费力，尤其是故宫古建筑大殿高度较高，如太和殿顶棚下高度约14米，顶棚上高度约11米，顶棚下和顶棚上都要搭设脚手架才能进行维护。为了尽量避免用到第二种维护方法，就需要增加维护频次。系统建成时，厂家建议每3个月进行一次管道清理，系统规模124台探测器，如按此频率，平均每天都在进行维护，工作量巨大。后期我们采取的办法是，每周记录每条管道气流值，气流值低于原始气流值的60%，还未达到报警线时即进行维护，既增加了维护频次，又做到有的放矢，不盲目增加工作量，平均每台探测器年均清理一次。

从下图可以看到环境、天气因素对采样管道气流值的影响。静怡轩、倦勤斋属低矮建筑，室内环境较为洁净，可看到半年内气流值较为平稳，下降幅度不大；东华门、东北角楼属高大建筑，且位于故宫城墙上，建筑密闭性弱于静怡轩和倦勤斋，可看到气流值下降幅度较大，维护频次较高。

从东华门和东北角楼气流值曲线可以观察到在2017年6月下旬至7月上旬、8月上旬至8月下旬均有两次明显的下降过程。结合2017年夏季北京天气情况，共出现5次强降雨天气过程，“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。我们发现气流值下降幅度最大的时期，也是降水量最大的时候，疑因空气湿度大加速了灰尘的凝结，导致吸气孔堵塞问题加剧。

三、技术展望

1.杜绝误报

现有光电感烟探测器通过直接探测火灾烟颗粒散射光的光强进行报警，易受非火灾烟雾颗粒如水汽、油烟、粉尘等干扰产生误报警。如上文所说，在持续大量粉尘情况下，吸气式空气采样火灾报警系统也会产生误报警。如何彻底杜绝误报，是未来技术发展方向之一，目前已有相关产品在这一方向上进行探索。

如云雾室型空气采样式极早期火灾探测器，通过云雾室的机械处理，将火灾发生的极早期不可见烟阶段产生的大量不可见微米粒子（0.002μm；μ=10-6）通过水的张力，将这些粒子包含在小水滴中心，形成一颗颗约20μm的细小雾状水滴，增加了颗粒直径，打破传统光电探测器探测光源波长所限，进而能够测出数量极为可观的次微米粒子数量，可以将报警阀值大幅度上调从而杜绝误报并实现极早期火灾报警。

再如采用双光源双波长的空气采样极早期火灾探测器，通过研究不同波长入射光对火灾烟雾颗粒和非火灾干扰颗粒的光散射特性，以及对不同直径颗粒的有效甄别，改善光电感烟探测机理，从而降低误报。

2.降低维护率

系统维护频次较高，主要为管网采样孔清理维护，降低维护率可从两方面着手，一是防积尘，在采样孔、标准采样头上做文章，提高工艺标准、材料选型，减少毛刺、防静电。二是实现自动吹扫功能，在探测主机处安装气泵，结合阀门控制功能，与主机管道气流值联动，当气流值下降到设定值后自动启动气泵清洁，目前国内暂无相关应用，但已有厂家着手进行研发。

四、结语

吸气式空气采样火灾自动报警系统作为故宫博物院火灾自动报警系统的重要组成部分，在实现极早期预警、高大空间建筑及其闷顶内的防护方面起到重要的作用，是非常有效、可靠地探测手段。系统运行稳定、误报率较低，但受故宫古建筑实际情况、环境所限，设备维护率较高。从实际应用所面临的问题，本文也提出了技术发展上的展望。

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