高大空间火灾探测技术

王辉

（总装备部工程设计研究总院）

1 引言

随着经济的发展，建筑技术水平的提高，具有高大空间的建筑物越来越多。这些场所如何进行火灾探测、报警的问题也突显出来。由于很多高大空间的体量已超出现行标准GB 50116－2013规定设置的探测器所能探测的范围，这就导致设计及实际落实中的不规范，如果采取的方案及措施不合理，直接的结果就是探测手段失效、失准，为建筑物的安全留下隐患，一旦发生火灾可能会带来重大损失甚至危及人员的生命安全。

2 高大空间火灾的特点

2.1 火灾蔓延速度快

在具有高大空间的建筑物内，若室外温度低于室内温度，由于室内空气密度小，此时在中庭、楼梯、竖井等部位，就会有上升的气流，这种现象叫做 “烟囱效应”。一旦发生火灾，由于空间高大，没有阻隔，加之“烟囱效应”的作用，火灾蔓延速度将非常快，且扑救也相对困难。如1994年12月新疆克拉玛依火灾，1998年5月北京玉泉营环岛家具城火灾，1997年12月吉林长春商业城火灾，1999年1月四川达川市百货商场火灾等，都造成了严重的人员伤亡和经济损失。

2.2 探测响应时间长

受建筑本身如阳光屋顶、玻璃幕墙以及空调系统等影响，高大空间建筑物内的气流扰动比较大。既有向上的气流（如前所述），也有向下的气流。两种气流相互作用形成不同空气团，从而出现空气分层现象：空间上部为热空气团，下部为冷空气团（或者相反）。这种空气分层现象将阻碍火灾初期烟雾的上升，甚至有可能使烟雾滞留于某一层面，从而延误感烟探测器的报警时间。

另外，高大空间多数也是人员聚集的场所，这也加重了其火灾的危险性。

3 探测手段

正由于高大空间火灾的高危性且难于快速反应，各国火灾防范专业人士一直致力于研究高大空间火灾探测技术。目前用于高大空间的火灾探测技术有红外光束探测、空气管采样探测、图像型火灾探测。

3.1 红外光束探测

红外光束探测有感烟式探测器和火焰探测器。

红外光束感烟探测器主要是由一个发射器和一个接收器构成，工作原理是发射器发出红外光线，如果接收器接受的光线减弱到设定的数值，接收器就会发出报警信号。火焰探测器是探测火焰发出的红外（或紫外）光线，达到设定值即可报警。

红外光束感烟探测器经常应用高度在20m左右的大空间，火焰探测器的探测距离一般为30m左右。在火灾类型符合或须对火焰做出快速反应的场所，应采用火焰探测器与红外光束感烟探测器叠加的探测方式，如北京电视台的中庭即采用这种方式。

但红外光束感烟探测器有一定的局限性，火焰探测器仅适宜有强烈火焰辐射和无阴燃的火灾；红外光束感烟探测器受环境影响比较多，在有大量粉尘、机械振动干扰较大、探测光路上存在遮挡、磁场较强或高温的场所都不适用。

当被探测空间过高时，烟雾探测器会受到以下两方面因素的影响而延迟报警时间：一是由于烟雾升起时不断混入空气，升得越高，混入空气越多，而烟雾浓度也就越低，这就意味着烟雾探测器不能及时报警；二是受空气分层现象的影响（如前所述）导致烟雾探测器不能及时报警。

3.2 空气管采样探测

空气管采样探测系统由采样管道、吸气泵、过滤器、探测腔以及控制器组成，如图1所示。工作原理是通过吸气泵接连不断将防护区内的空气吸入采样管，经过滤后进入探测腔，通过激光进行分析和测定烟雾浓度，根据不同的烟雾浓度值发出不同的告警信号。

图1 空气管采样探测系统示意图

传统红外光束感烟探测器属于被动式探测，即烟雾必须达到探测器位置且浓度足够才可报警，而空气管采样探测是主动的，即使是微量烟雾也可探测到，同时探测范围宽，从阴燃阶段一直到可见烟雾阶段（被动烟雾探测器的响应区）设置4个报警级别。这样在火灾极早期便可发出告警，为查找火源、控制火情发展以及人员疏散赢得更多的时间。

采样系统的工作原理决定了该系统的应用广泛性。空气管采样探测系统不存在振动、磁场干扰的问题；也不受空间形状、洁净度的限制，即使是多尘的环境，由于系统具有粉尘过滤环节，避免了类似其他烟雾探测器的误报问题。如八一电影制片厂摄影棚，棚高18m，安装了空气管采样探测系统，在运行近两年的时间内没有发生误报，其间曾发生大功率灯具将缆线烤糊的情况，采样系统及时发出告警，避免了火灾的发生。

空气管采样探测也会受空气分层的影响，导致空气采样探测的报警时间延长。

3.3 图像型火灾探测

目前图像型火灾探测有双波段火灾探测技术和光截面感烟火灾探测技术，如图2所示。

1）双波段图像型火灾探测系统由摄像机、并行处理器、信息处理主机构成。在该系统中将摄像机作为前端探测器，获取监控现场的红外图像和彩色图像，信息处理主机根据火灾燃烧过程中的光谱特性、色度特性、纹理特性、运动特性等，对图像进行对比判别，以此实现识别火灾信息的功能。它具有以下特点。

图2 图像型火灾探测系统构成示意图

（1）探测距离远，响应速度快，报警确认简单、直观，能有效消除误报。

（2）前端探测器可具有防爆、防潮功能，轻松应对环境恶劣场所。

（3）能对现场进行实时录像，保留现场第一手资料，为事后分析、处理提供依据。

2）光截面图像感烟火灾探测系统由红外光源、红外摄像机、并行处理器、信息处理主机构成。在该系统中以红外光点阵作为发射器，红外摄像机作为接收器，通过分析探测区域红外光斑图像来判别火灾信息。其原理与红外光束感烟探测相同，但具有以下特点。

（1）对保护空间可以任意曲面式覆盖，不需要准直光路，一个接收器对应多个发射器。

（2）图像探测克服了红外光束感烟探测器抗震能力差的缺点。

（3）通过对点阵中相邻光束的分析，可以避免红外光束感烟探测器由于偶然因素而引起的误报问题。

图像型火灾探测技术很好地解决了高大空间火灾探测中的灵敏度和可靠性问题，能够准确区分真实火焰和各种干扰源，如各种灯光、太阳辐射、电弧焊、耀斑辐射、黑体辐射、CO2热气体排放等，适用于各种高大空间建筑物。

该探测手段在国内是一项新技术，近年已有一些工程采用，如上海旗忠森林网球中心及即将建成的武汉保利文化广场等。

4 结束语

对高大空间火灾探测方案的选择应建立在性能化设计基础上，不同情况采取不同探测技术，或者几种技术的混合。通过性能化设计，对可能出现的火灾规模、类型，烟雾在空间内的流动和扩散状况进行分析，才能选出既科学有效又经济合理的探测方案。