超高层建筑消防探测与报警

2015-09-20高翱潘刚徐放

智能建筑与智慧城市 2015年1期

高翱，潘刚，徐放

(公安部沈阳消防研究所)

1 引言

随着我国城市化进程的加快，投资建设高楼大厦的热潮在各地持续升温。建筑物向着高层、大规模、综合性方向发展己成为世界性趋势，超高层建筑也越来越多。国际上对高层建筑的分类在是1972年8月在美国宾夕法尼亚洲的伯利恒市召开的国际高层建筑会议上专门讨论确定的，大致按照高度分为四类。第一类高层建筑：9～16层（高度到50m）；第二类高层建筑：17～25层（高度到75m）；第三类高层建筑：26～40层（最高到100m）；第四类超高层建筑：40层以上（高度100m以上）。在我国，高度超过100m的建筑称为超高层建筑[1]。

由于超高层建筑物层数多、空间大，且多是融办公、商贸、娱乐为一体的综合性大楼，公众人员密集，一旦发生火灾，情况错综复杂，扑救难度大，极易引发群死群伤的恶性事故，因此，其消防安全问题非常突出，主要表现为：功能复杂，起火因素多；火势蔓延快；火势蔓延途径多、危害大；疏散人员多、路径长等[2～3]。消防探测与报警系统用于尽早探测初期火灾并发出报警[4]，以便采取相应措施（例如疏散人员、呼叫消防队、操作防排烟设备、启动灭火系统等），防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。

2 消防探测报警技术发展现状

火灾探测技术的目的就是要在火灾发生的早期，准确地判断火警、预报火警，从而保障人民的生命财产安全。为了实现这一目标，自18世纪末，人们就开始了火灾探测方面的研究工作。1890年，英国利用金属受热膨胀原理发明了感温火灾探测器，并且作为一种主要的火灾探测报警器件在一些场所应用。20世纪中期，瑞士研发出离子感烟火灾探测器，人类首次实现了对阴燃火灾的早期探测报警。20世纪70年代，我国第一个感烟火灾探测报警系统问世；80年代末，火灾自动报警系统的结构开始以微型计算机为核心，从多线制系统连接过渡到了总线制数据传输，进而逐步完善和成熟起来。90年代中后期，单片机技术的日臻完善及低成本化，使火灾探测器具有了火灾判断算法程序，并使系统数字通讯能力得到同步发展和提高，初步形成了智能化火灾自动报警系统。进入21世纪，随着微电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信与信息技术等在火灾自动报警技术领域广泛应用，火灾探测与自动报警技术、消防设备联动控制技术、建筑消防设施远程监控技术取得了突飞猛进的发展，逐步形成了以火灾自动探测与报警为基本内容、以计算机协调控制和管理各类消防设备为基本手段、具有较强火灾识别能力的智能化火灾自动报警系统[5～8]。

3 现有的火灾探测报警体系在超高层建筑中的使用

高层建筑的防火设计遵循“预防为主，防消结合”的消防工作方针，针对高层建筑发生火灾的特点，立足自防自救，采用可靠的防火措施，做到安全适用、技术先进、经济合理。《高层民用建筑设计防火规范》中明确指出[1]，当高层建筑的高度超过250m时，建筑设计防火应对特殊的防火措施进行专题研究，并应提交国家消防主管部门组织专题研究论证。超高层建筑一般是包括商业、酒店、办公等多种使用功能的综合体。业主往往从运营管理角度出发，提出了不同使用功能区域由不同的物业管理公司独立管理的需求。在此前提下，火灾自动报警系统及控制室的设置应满足运营管理的需要，其控制形式可采用分散和集中相结合的方式，即在不同的功能区域内设置消防分控室和功能相对独立的报警系统；同时为了确保整体功能的完善，确定某一个消防分控室作为控制中心，通过设置在消防控制中心火灾报警系统与其他区域设置的火灾报警系统互联，构成统一的技术平台，能够集中显示、监视和记录各类报警信息和设备运行状态。其中，消防联动系统的设置应根据消防灭火设备的划分情况来确定，当各类消防灭火设施能够按照不同使用区域分开时，其相关区域的消防联动系统可设置于各消防分控室内。当不能划分时，应由消防控制中心统一设置。超高层建筑在进行火灾自动报警系统设计时应遵循以下几条原则。

1）设计人员应掌握易发生火灾的因素及地点、火灾蔓延途径，了解安全疏散路径、其他消防设施(如消火栓和灭火器)布置地点等情况。应熟悉火灾自动报警系统的基本知识、有关报警设备的性能、使用条件与使用方法等。在此基础上、针对具体保护对象的特点，结合消防总体设计对报警系统的要求，综合考虑，确定总体方案。

2）系统设计应严格执行《火灾自动报警系统设计规范》、《火灾报警系统施工及验收规范》、《高层民用建筑设计防火规范》、《建筑设计防火规范》、《工业与民用建筑供电系统设计规范》，以及一些专用建筑的防火规范如《人民防空工程防火设计规范》、《汽车库设计防火规范》等有关规定。

3）在满足系统基本要求的前提下，应做到“安全可靠、使用方便、经济合理”。必须保证系统本身是安全可靠的，能有效发挥其对超高层建筑的保护作用。系统应便于管理人员控制、操作、维护，提高系统可靠性。应采用科学设计计算方法及行之有效的技术和设备。在满足使用要求的前提下，力求简单实用，节省投资。

4）设计过程自始至终要和当地消防监督机构密切协商，从实际出发，正确、合理地确定设计方案。

图1 火灾预警与传统火灾探测报警示意图

4 火灾探测报警与火灾预警技术

火灾探测报警技术已经被人们普遍认可和接受，在火灾防控方面发挥了重要作用。然而，对于火灾防控（尤其是超高层建筑火灾防控）工作来说，仅局限于针对火灾发生后进行探测报警的技术手段是不够的，迫切需要在火灾的孕育期即实现对火灾的预警。火灾预警的基本含义就是通过探测表征火灾孕育阶段的物理量，来实现对火灾孕育阶段的报警。它与火灾探测报警的最大区别是在火灾成灾前报警，以及报警后的处置方式。它是对火灾形成过程中尚未成灾时的探测报警，能够在成灾前提供几秒、几分甚至几小时的宝贵时间，针对不同情况进行有效处置，避免火灾的发生，最大程度地减少火灾损失。因此，与火灾预警相对应的有效处置方法也是十分重要的。火灾预警与传统火灾探测报警示意图如图1所示。

公安部沈阳消防研究所长期致力于火灾探测报警及火灾预警技术的研究与探索，并以国家科技支撑项目课题《电气火灾原因调查与防范关键技术研究》和《基于物联网的火灾征兆探测与消防设施综合信息平台技术研究与应用示范》等科研项目为平台，在火灾预警实用技术领域进行了开拓性的研究工作并取得了实质性进展。

5 适用于超高层建筑消防探测报警的新技术

5.1 电气火灾预防技术

电气火灾预防技术一直是国内外研究的重点领域，尤其是电弧型和过热型电气火灾故障预防技术的开发和应用，一直受到国际上消防和低压电器领域的普遍关注。目前，许多国家都在组织制订相应标准，积极开发新型防护产品，并把它作为当前低压电器防火的一个重要方向。在我国，供电和电气产品特点的故障模式及特征量的基础研究数据缺乏，防护产品质量良莠不齐，故障早期识别和预警技术与智能型防护产品欠缺，检验与评价技术指标不健全，部分种类产品的检验与评价技术不完善，没有建立健全合理有效的火灾预防工程应用方法等；因此，亟需完善我国的电气电弧故障火灾模式和特征量数据，研制开发适合我国特点的、针对电气电弧火灾、过电流、接触不良等电气火灾的智能型预警产品，并通过完善产品检验与工程适用性验证，解决电气火灾预警技术与产品技术发展的瓶颈问题，有效遏制电气火灾的上升势头。为此，沈阳消防研究所正在就此方面开展研究工作；在电网波动、电气设备正常电弧和各种故障电弧方面，通过大量实验，建立了几十万个以实验数据为基础的数据库（因电弧的重复率低），引领开展适合我国国情的电弧型和过热型电气火灾故障预防技术及产品的研发。在产品检测技术方面，开发了串联、并联短路实验装置和电弧故障特性模拟发生装置。也在该类产品的检验标准方面做了大量工作。

5.2 风管火灾探测技术

超高层建筑暖通空调系统中的风管组成了一个复杂的管道系统，主要用于将调制后的适宜空气按设计流量高效率地输送和分配，但在火灾发生的时候，火灾烟雾、有毒气体和火焰由于空调系统的气流影响，极有可能沿着风管蔓延，从而使火势扩大，引发更大的火灾。因此，对暖通空调风管系统中火灾的有效探测和报警，具有重要的现实意义。在此方面，沈阳消防研究所自主研发出了风管火灾探测器。风管感烟火灾探测的基本原理：风管中的气流由于压差通过采样孔经总压管进入盒体,在盒体内流过感烟探测单元,由静压管（即排气管）重新排出到风管中。如果气流中有烟雾,就会触发探测器报警,并按预设逻辑联动相关设备（风机、阀等）动作。由于探测器安装在风管外部,因而具有使用简单、维护方便等优点,是目前风管火灾探测器的主流产品。

5.3 点型感烟火灾探测器的长期运行效果性能分析定量测试技术

空气中悬浮的粉尘是引发点型感烟火灾探测器误报警的一个主要因素。火灾探测器性能受粉尘影响主要有两种情况：一种是火灾探测器用于没有特殊扬尘过程的场所（如宾馆客房、办公室、实验室、仓储室等），在此环境条件下，主要是低密度浮尘通过扩散、静电吸附在光学探测腔内，长期累积对火灾探测器的性能造成影响；另一种是火灾探测器用于工业与民用建筑的门厅、走廊、车间、古建筑等开敞或半开敞空间场所，由开放的自然环境（如开窗）或者人为扰动（如清扫、空调造成的空气循环等），引发粉尘对火灾探测器产生时间干扰。粉尘在探测器的探测腔中长时间沉积，会导致探测器工作点发生漂移，而工作点的漂移则有可能发生漏报警或频繁误报警。沈阳消防研究所依托国家科技支撑项目课题《基于物联网的火灾征兆探测与消防设施综合信息平台技术研究与应用示范》，通过火灾探测典型环境下干扰气溶胶浓度与粒子尺寸分布的数据获取与分析，建立干扰气溶胶再悬浮试验装置，结合火灾探测器干扰物长期沉积效果的模拟分析，研发出点型火灾探测器长期运行效果性能分析与瞬态误报干扰的定量性能测试技术手段。

6 超高层建筑消防探测报警技术发展展望

当前超高层建筑消防探测报警问题已成为全世界面临的共同难题，其消防探测报警不仅仅是对传统的消防探测报警手段进行直接的扩展，而且有着自己的特殊性，如：由于超高层建筑的火灾防控、扑救难度大，需要进一步将火灾防控的关口前移；受消防部门灭火设备性能的限制，发生火灾时从外部对超高层建筑予以支援的难度较普通建筑大，对自身消防系统的要求更高；消防设施电气化程度更高，管理维护更加复杂等。因此，加强超高层建筑消防探测报警技术的研究，提高我国超高层建筑消防技术水平，具有十分重要的现实意义。笔者认为，应该重点在以下几方面加强超高层建筑中的消防探测报警技术研究。

6.1 加强火灾预警技术研究

为提高超高层建筑火灾的防控能力和防灾减灾能力，必须做到火情或火灾隐患的及早发现，为遏制火灾的发生发展、人员疏散逃生及火灾的及时扑救争取时间，实现火灾防控关口前移。为此，我们应该加强火灾预警技术的研究，在火灾隐患成灾前，对可能引发火灾的危险和隐患进行预警并处理。

6.2 加强火灾联动控制技术的研究

在超高层建筑的火灾防控工作中存在一系列困难，如：使用单位较多，人员集中且流量大；存在大量的竖向通道，它们会形成巨大的“烟囱”效应，使得火灾迅速蔓延；疏散距离长，疏散极度困难；由于建筑高度高，消防水池和水箱的储水量难以满足高载荷火灾延续时间内的使用等。因此，超高层建筑火灾联动控制应根据自身消防特点设定，目前，我们在此方面的基础理论、实用技术研究等都存在一定的不足，应在以后的工作中予以加强。

6.3 加强物联网技术在火灾探测报警领域的应用

物联网是指通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程的各种信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。在超高层建筑中，一旦建筑消防设施出现故障、瘫痪以及擅自关停，在火灾时不能有效发挥作用，将造成不可估量的损失。因此，应加强物联网技术在火灾探测报警领域的研究和应用技术，为提高火灾探测报警系统的可靠性提供实用的技术手段。