吸氣式空氣采樣火災自動報警系統在故宮 博物院的應用

摘要：吸氣式空氣采樣火災自動報警系統作為故宮博物院火災自動報警系統的重要組成部分，在實現極早期預警、高大空間建筑及其悶頂內的防護方面起到重要的作用。從實際應用角度來看，系統運行穩定、誤報率較低，但維護頻次較高，本文結合系統日常運行參數統計，介紹該系統在故宮博物院的應用情況，并結合使用中面臨的主要問題提出了技術展望。

關鍵詞：吸氣式；空氣采樣；火災自動報警系統；極早期

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

一、技術特點及應用優勢

吸氣式煙霧探測技術又稱空氣采樣極早期煙霧探測技術，它是利用吸氣泵通過預先布置好的采樣孔和采樣管道抽取保護區內的空氣，并將空氣樣本通過探測器對其分析處理的技術。吸氣式煙霧探測系統由采樣管網、排氣管、探測器等組成。空氣樣本經過過濾組件濾去灰塵顆粒后進入探測器激光腔，在激光腔內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，接收器將光信號轉換成電信號后送到探測器的控制電路。信號處理后轉換為煙霧濃度值，同時，根據煙霧濃度以及預設的報警閥值，產生一個對應的輸出信號。

根據吸氣式煙霧探測技術特點，其在故宮博物院的應用存在幾大優勢：

1.報警靈敏度高，實現極早期探測。普通點型感煙火災探測器為被動工作方式，等待煙霧依靠空氣自然對流到達后才能探測。在火災初期，通常煙霧擴散速度很慢，需要經過較長時間才能到達探測器，有的根本就到達不了，探測器無法實現極早期火災探測報警。吸氣式煙霧探測技術為主動抽氣工作方式，可使靈敏度提高近千倍。因此，它對早期火災具有極靈敏的反應，可提前預報極早期火災，為人員疏散、火災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行的火災報警試驗結果，吸氣式探測器在報警靈敏度方面具有較大優勢。

2.實現對故宮高大空間建筑及其悶頂的有效探測。因為吸氣式煙霧探測技術具有靈敏度高、可早期報警、抗氣流能力強、抗干擾能力強等優點，所以非常適用于故宮高大空間建筑及其悶頂內，彌補了原系統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無消防報警技術的探測盲區。

3.安裝方式可最大限度保護古建原貌。吸氣式空氣采樣探測器在故宮主要應用于高大建筑及其悶頂、室內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古建原貌的特點表現得較為突出。根據下圖吸氣式

空氣采樣探測器工作方式可以看到，當PVC采樣管敷設在頂棚上方時，空采主機可下引至設備間。探測悶頂下方空間時，從采樣管引毛細管采樣，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管，將其探測末端隱藏在斗拱、檀條等不顯眼的位置安裝，達到既可以滿足探測要求又不破壞建筑物外觀的目的。

二、實際應用效果

1.誤報率較低

故宮博物院消防報警系統改造工程2016年竣工，已全面投入使用近兩年，除室內施工電氣焊作業、室內保潔除塵產生持續大面積揚塵的情況下發生過報警，總體運行穩定，誤報率較低。其有效避免誤報基于以下幾點：外置過濾器、內置過濾器的雙重過濾；具備自學習能力，設備安裝時自動調整報警閥值，使之符合現場環境實際情況，后期也結合北方沙塵天氣手動調整過閥值，規避環境因素影響；設定報警延時防止一次性偶發煙霧影響。

2.故障率低

系統總體運行穩定，故障率低，除去人為因素、不可抗因素、非系統核心部件導致的設備故障，年均故障不足五次。

3.維護量大

由于系統工作方式為主動吸氣式，所以灰塵積累導致的

設備維護量比傳統點式報警器要大，且故宮絕大部分古建筑密閉性不好，悶頂內長期積累的塵土可達4厘米厚，吸氣管網工作環境惡劣，如遇大風天氣，悶頂內還會有揚塵情況。

設備維護工作量主要體現在以下兩點：

① 定期更換過濾器

故宮共使用內置過濾器124個，外置過濾器260個。內置過濾器設計使用壽命為731天，到期后內部化學成分失效影響過濾效果，需及時更換，否則灰塵進入主機機芯造成設備故障維修成本較高。外置過濾器可清潔后重復利用，如效果不佳時再行更換。結合系統規模，目前年均更換過濾器50個。

② 定期清理采樣管網

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、堆聚。采樣孔堵塞影響進氣量，氣流值低于原始氣流值的40%時，系統會報出低氣流故障，報警靈敏度下降，需要維護清理管道。清理方法主要有兩種，一是在設備間空氣采樣探測器的位置，通過氣泵內吸或反吹采樣管，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，維護人員到頂棚上用毛刷直接清掃采樣孔，費時費力，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腳手架才能進行維護。為了盡量避免用到第二種維護方法，就需要增加維護頻次。系統建成時，廠家建議每3個月進行一次管道清理，系統規模124臺探測器，如按此頻率，平均每天都在進行維護，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，氣流值低于原始氣流值的60%，還未達到報警線時即進行維護，既增加了維護頻次，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，室內環境較為潔凈，可看到半年內氣流值較為平穩，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。結合2017年夏季北京天氣情況，共出現5次強降雨天氣過程，“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。我們發現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，導致吸氣孔堵塞問題加劇。

三、技術展望

1.杜絕誤報

現有光電感煙探測器通過直接探測火災煙顆粒散射光的光強進行報警，易受非火災煙霧顆粒如水汽、油煙、粉塵等干擾產生誤報警。如上文所說，在持續大量粉塵情況下，吸氣式空氣采樣火災報警系統也會產生誤報警。如何徹底杜絕誤報，是未來技術發展方向之一，目前已有相關產品在這一方向上進行探索。

如云霧室型空氣采樣式極早期火災探測器，通過云霧室的機械處理，將火災發生的極早期不可見煙階段產生的大量不可見微米粒子（0.002μm；μ=10-6）通過水的

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張力，將這些粒子包含在小水滴中心，形成一顆顆約20μm的細小霧狀水滴，增加了顆粒直徑，打破傳統光電探測器探測光源波長所限，進而能夠測出數量極為可觀的次微米粒子數量，可以將報警閥值大幅度上調從而杜絕誤報并實現極早期火災報警。

再如采用雙光源雙波長的空氣采樣極早期火災探測器，通過研究不同波長入射光對火災煙霧顆粒和非火災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理，從而降低誤報。

2.降低維護率

系統維護頻次較高，主要為管網采樣孔清理維護，降低維護率可從兩方面著手，一是防積塵，在采樣孔、標準采樣頭上做文章，提高工藝標準、材料選型，減少毛刺、防靜電。二是實現自動吹掃功能，在探測主機處安裝氣泵，結合閥門控制功能，與主機管道氣流值聯動，當氣流值下降到設定值后自動啟動氣泵清潔，目前國內暫無相關應用，但已有廠家著手進行研發。

四、結語

吸氣式空氣采樣火災自動報警系統作為故宮博物院火災自動報警系統的重要組成部分，在實現極早期預警、高大空間建筑及其悶頂內的防護方面起到重要的作用，是非常有效、可靠地探測手段。系統運行穩定、誤報率較低，但受故宮古建筑實際情況、環境所限，設備維護率較高。從實際應用所面臨的問題，本文也提出了技術發展上的展望。

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作者簡介：蘇鵬（1984—），男，本科學歷，故宮博物院保衛處工程師，主要研究方向：博物館安防。