建筑舞台区火灾探测器选择探讨

马亚雄, 高 磊

(中国海诚工程科技股份有限公司, 上海 200031)

0 引 言

建筑舞台区具有空间高大、人员密集、可燃物较多、表演环境复杂等特点。火灾自动报警系统是建筑消防设计的重要组成部分,在火灾初期可以及时发现火情,对保障人们生命安全及财产安全至关重要[1-4]。

本文将以“舞台区如何选择火灾探测器”作为主线,通过查阅国家标准规范及文献资料,分析各类火灾探测器基本原理,遵循消防设计中火灾报警及时可靠的基本原则,综合考虑设计的合理合规性及可行性,并给出解决方案。

1 消防设计背景

某舞台区长为36 m,宽为16 m,高为25 m,23 m标高处为舞台设备格栅层。通常舞台区按照以下原则进行消防设计:建筑专业,舞台区属于同一防火分区;暖通专业,舞台区为独立防烟分区;电气专业,舞台区为独立火灾探测区域和报警区域;给排水专业,舞台区格栅层下火灾危险等级为严重危险Ⅱ级,分三个区设置雨淋系统,每个区设置一组雨淋阀控制,每组雨淋阀由各区火灾自动报警系统联动开启。

2 火灾探测器设置要求

根据GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》(以下简称《火规》)第12.4.1条“高度大于12 m的空间场所宜同时选择两种及以上火灾参数的火灾探测器”,关键点在于:“火灾参数”具体指什么?如何合理选择火灾参数?

根据《火规》第4.2.3条“雨淋系统联动控制方式,应由同一报警区域内两只及以上独立的感温火灾探测器或一只感温火灾探测器与一只手动火灾报警按钮的报警信号,作为雨淋阀组开启的联动触发信号。应由消防联动控制器控制雨淋阀组的开启”,关键点在于:舞台区选择何种感温火灾探测器联动开启雨淋系统?

笔者查阅给排水专业相关规范和图集,发现雨淋阀可以采用火灾自动报警系统联动开启,也可以采用传动管方式开启。《火规》第4.2.3条也明确“本条规定的雨淋系统是指通过火灾自动报警系统实现管网控制的系统”。因此,如果舞台区采用传动管方式开启雨淋阀可行,就无需火灾自动报警系统联动电动开启,也就不存在以上感温火灾探测器的选择问题。与给排水同事讨论,发现舞台区高大空间场景中,传动管方式开启雨淋阀并不适用,原因为:传动管方式开启雨淋阀需要设置闭式感温喷头,其设置高度有规范限制,不适用于此类高大空间[5-7]。

3 分 析

3.1 火灾参数

GB/T 5907.1—2014《消防词汇 第1部分:通用术语》(以下简称《通用术语》)中第2.5条“火灾参数:表示火灾特征的物理量”;第2.3条“火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧”;第2.21条“燃烧是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应,通常伴有火焰、发光、和(或)烟气的现象”。结合现实生活中对火灾的认知,基础火灾参数应理解为:燃烧产生的烟气,放热反应产生的温度变化,以及燃烧产生的火焰。其中,火焰会随着温度的继续升高,先后放出不可见红外光、可见光、不可见紫外光。

3.2 火灾探测器

结合对火灾参数的理解,以GB/T 5907.5—2015《消防词汇 第5部分:消防产品》中火灾探测器的分类为基础,查阅整理火灾探测器产品标准。常见的火灾探测器及对应的产品标准和火灾参数如表1所示。

表1 常见的火灾探测器及对应的产品标准和火灾参数

b源自上海市DGJ 08-2048—2016《民用建筑电气防火设计规程》附录D。

c不包括可燃气体探测器和一氧化碳火灾探测器。

d以上产品标准均为消防产品市场准入认证(CCCF)的产品检验标准。

3.3 舞台区域火灾探测器选择

民用建筑中,通常情况下火灾是由小到大、由发展到熄灭的过程。可见温度(本文指异常高温)从始至终伴随火灾发展,相较于烟气的可能误报和火焰的滞后报警,是及时可靠的基础火灾参数。《火规》第4.2.3条要求,不允许选用感烟火灾探测器是为了避免误动作,不允许采用火焰探测器是为了避免动作滞后造成损失,仅允许选用感温火灾探测器及时可靠的联动开启雨淋系统。

舞台区应选择基础火灾参数为烟气和温度的火灾探测器,既满足两种火灾参数的火灾探测器,又满足舞台区雨淋系统需感温火灾探测器联动的需求。

选用基础火灾参数为烟气的火灾探测器时,考虑舞台幕布遮挡,表演会产生雾气(表演用干冰),应优先选用管路吸气式感烟火灾探测器。水平采样管敷设于顶部舞台格栅下,考虑烟气热障效应影响,还应布置垂直采样管(可参考国标图集14X505-1第79页)。

选用基础火灾参数为温度的火灾探测器时,常见的点型感温火灾探测器因探测高度限制,线型感温火灾探测器因需要直接接触被保护物,都不适用于舞台区高大空间场景。

双波段/三波段红外火焰探测器是普通红外火焰探测器的升级版,拓宽了可探测红外波长范围,用于感知更广范围的火焰,其本质还是红外火焰探测器。双波段图像型火灾探测器是在红外火焰探测器的基础上增加可见光摄像机。当红外探测器检测到火焰后,摄像机通过对火焰(可见光)及其闪烁的确认发出火灾报警,提高火灾报警的可靠性。其基础火灾参数为火焰,间接火灾参数为可见光视频图像,既属于火焰探测器又属于图像型火灾探测器,其产品标准执行GB 15631—2008《特种火灾探测器》(简称《特种火灾探测器》)。

因此,将(双波段/三波段)红外/紫外火焰探测器或双波段图像型火灾探测器作为舞台区第二种火灾探测器[1-2],会造成火灾报警滞后,不符合火灾报警及时基本原则,不合理;基础火灾参数不是温度,不属于感温火灾探测器,联动开启舞台雨淋系统,不符合《火规》第4.2.3条要求。

3.4 热成像图像型火灾探测器

热成像图像型火灾探测器是一种接收物体发出的红外辐射的图像型火灾探测器,前端镜头一般采用非制冷型传感器,内置红外探测器,根据物体间及物体与背景间的温度差,形成体现物体温度分布的热像图[5]。热成像图像型火灾探测器基本架构如图1所示。

图1 热成像图像型火灾探测器基本架构[5]

热成像图像型火灾探测器间接火灾参数为视频图像(热图像),基础火灾参数为温度,既属于图像型火灾探测器,又属于感温火灾探测器。作为舞台区第二种火灾探测器联动开启雨淋系统,合理合规。

特别说明一下,使用普通摄像机监测现场环境形成实时视频图像的火灾探测器,其火灾参数为可见光,属于图像型火灾探测器。通常作为其他各类火灾探测器的附加和补充功能,用于提高火灾报警可靠性。

3.5 理论分析

自然界中所有物体的温度在绝对零度以上,都会不停地发出热红外线,物体红外辐射能量的强弱与其温度直接正相关。根据普朗克公式,能量与热量/温度成正比,与频率成正比,与波长成反比。根据韦恩定律,物体产生最大辐射量的波长和温度乘积为常数。

典型红外火焰探测器可探测波长为3～5 μm,其对应报警温度基本略高于常见可燃物被点燃后的火焰温度。(双波段/三波段)红外火焰探测器将可探测波长范围拓宽至3～11 μm,对应可报警温度范围更广,通常采用2个/3个不同波长的红外传感器,其中1个用于探测火焰红外辐射,另外1个/2个用于监视环境中其他物体的红外辐射,结合火焰的闪烁特征,提高火灾报警的可靠性。紫外火焰探测器和可见光图像型火灾探测器同理,主要用于可燃物产生火焰后及时可靠的火灾报警。

典型热成像图像型火灾探测器可探测波长为8～14 μm,其对应预警温度基本略低于常见易燃或可燃物燃点或闪点,主要用于易燃或可燃物达到燃点或闪点前的温度异常进行及时可靠的火灾报警。

3.6 热成像图像型火灾探测器优点

(1) 穿透能力强。红外热辐射比可见光具有更强的穿透能力,特别是位于8～14 μm的长波红外热辐射。舞台表演期间可能会产生雾气(表演用干冰)以及幕布的遮挡,都不影响其有效范围内的温度探测形成热图像[7]。

(2) 全天候工作能力,抗强光干扰。红外热成像不借助照明光和环境光,是根据目标与背景的辐射产生景物图像,并且也不会受可见光强光干扰。普通的可见光图像型火灾探测器夜间需要保证摄像机最低照度且易受强光干扰,无法提供稳定可靠的火灾报警。舞台表演期间的舞台灯光、火焰表演等,不影响红外热成像,且夜间无需提供最低照度也能保证稳定工作。

(3) 作用距离远,功耗低寿命长。热像仪对物体辐射的红外线进行成像,不受环境光和照明光的限制,一般长焦热成像仪能观测3 km以上的人员和6 km以上的车辆。非制冷红外热成像仪的寿命可达45 000 h。

3.7 热成像图像型火灾探测器产品现状

目前市面上仅有少数厂家生产热成像图像型火灾探测器,如盛赛尔的SSD-TD-MFL-2/3可视热成像感温火灾探测器,海康威视的NP-FVW100安消智能摄像机,滨海安消防的AFD-SHF0304感温感烟感火焰三目图像型火灾探测器。以上产品仅有CCC认证,认证标准采用《特种火灾探测器》,但并未取得消防产品市场准入CCCF认证。猜测原因:工程设计中大多选用吸气式感烟火灾探测器、光束感烟火灾探测器、红外/紫外火焰探测器或双波段图像型火灾探测器[1-2],极少选用热成像图像型火灾探测器。导致其市场需求不高,产品成本偏高,厂家出于成本考虑,仅进行基本的CCC认证。

《特种火灾探测器》对图像型火灾探测器试验中,其试验源为“煤油和汽油混合液的燃烧火焰”。物体温度达到燃点产生火焰后的温度明显高于被点燃前温度。采用《特种火灾探测器》作为热成像图像型火灾探测器的产品检测标准是不严谨的。制定真正适用于热成像图像型火灾探测器的产品检测国家标准,作为消防产品市场准入的认证标准,已迫在眉睫。已有企业制定相关产品标准,如海康威视企业标准Q/HKD 012—2020《热成像感温火灾探测器》。

4 结 语

针对建筑舞台区火灾探测器的选择,在满足规范要求的前提下,遵循消防设计火灾报警及时可靠的基本原则,舞台区应选用基础火灾参数为烟气和温度的火灾探测器。

舞台区第一种火灾探测器,考虑幕布遮挡以及表演时有雾气产生,建议选择管路吸气式感烟火灾探测器,其布置应满足规范要求且应布置垂直采样管。第二种火灾探测器,考虑联动雨淋系统,需选用热成像图像型火灾探测器,应确保其满足现行产品标准,且取得CCCF认证。一般其设置可根据项目情况,可选用以下两种方案。方案1:选用既具有红外热成像功能又具有可见光摄像机功能的图像型火灾探测器时,应配备两种前端镜头:用于探测范围内物体温度,形成热图像的热成像镜头;基于可见光,监测范围内实时视频图像的摄像机镜头。当热图像发出范围内温度异常火灾预警时,可通过摄像机实时视频图像,人工进一步判断是否需要火灾预警联动开启相关消防设施,提高火灾探测的可靠性。方案2:选用仅具有红外热成像功能的图像型火灾探测器时,考虑舞台表演时可能出现正常情况下的高温,应在各雨淋系统分区内设置手动报警按钮。当热图像发出范围内温度异常火灾预警时,需现场人员根据实际情况,确认有火灾隐患后按下火灾报警按钮,发出火灾预警联动开启相关消防设施。