潔凈廠房內送回風系統對火災自動報警的影響分析

楊秘林

(北京順義區消防救援支隊，北京 101300)

0 引言

潔凈廠房在我國是一個行業應用非常廣泛的基礎性配套產業，目前在諸多領域均有涉及，如微電子、醫藥衛生、生物工程、航天航空等領域。隨著經濟的發展，潔凈廠房的規模越來越大，設備越來越精細，對消防設計的要求越來越高，而且由于規范的滯后性[1]，當前的標準規范不太適應于實際工程中出現的問題。盡管很多消防工作者對潔凈廠房的消防設計問題進行了研究，但仍然缺少全面、詳實的解決方案。潔凈廠房多為封閉式空間，要求具有較高的潔凈度，為此設置了多種空調送回風方式，這導致了室內氣流組織形式的多樣性，迫使氣流向特定的方向流動，這將會導致火災自動報警探測系統不能及時探測，使消防聯動裝置延遲動作，不能起到早期報警的效果。

1 潔凈廠房送回風系統氣流形式對煙氣的影響

1.1 潔凈廠房送回風系統的氣流形式

潔凈廠房內一般采用三類空調系統：一是集中式潔凈空調系統；二是分散式潔凈空調系統；三是半集中式潔凈空調系統。為了有效、快速地排除室內污染，使速度、溫濕度、潔凈度等參數滿足使用要求，潔凈廠房均設置不同形式的送回風系統，根據氣流流型將潔凈廠房送回風系統分為兩大類：單向流送回風系統和非單向流送回風系統。

1.1.1 單向流送回風方式

在單向流潔凈室內，從送風口到回風口，氣流流經途中的斷面基本沒有變化，全室斷面上的流速比較均勻，在工作區域內氣流流線為單向且平行，沒有渦流。單向流潔凈室送回風方式按照送風口和回風口位置的不同又可分為上送風側墻回風、上送風地板回風和水平送回風，如圖1～圖3所示。

圖1 單向流潔凈室上送風側墻回風

圖2 單向流潔凈室上送風地板回風

圖3 單向流潔凈室水平送回風

1.1.2 非單向流潔凈室送回風方式

非單向流潔凈室的原理是靠潔凈送風氣流擴散、混合、不斷稀釋室內空氣，把室內污染逐漸排出，達到平衡，即稀釋作用。因此，非單向流潔凈室是氣流以不均勻的速度，呈不平行流動，并伴有回流或渦流的潔凈室，非單向流送回風方式可分為上送風側墻回風、上送風屋頂回風及上送風側墻屋頂回風，如圖4～圖6所示。

圖4 非單向流潔凈室上送風側墻回風

圖5 非單向流潔凈室上送風屋頂回風

圖6 非單向流潔凈室上送風側墻屋頂回風

筆者對26棟建成潔凈廠房、30套潔凈廠房圖紙的空調送回風系統進行調研，絕大多數潔凈廠房采用屋頂送風側墻回風方式，部分電子廠房企業采用屋頂送風側墻和屋頂合用回風的方式，只有極少部分有特殊要求的電子潔凈廠房中的部分潔凈室采用屋頂送風地板回風的方式，具體結果見表1。

1.2 潔凈廠房送回風方式對火災煙氣的影響

1.2.1 單向流送回風方式對火災煙氣的影響

根據《潔凈廠房設計規范》(GB 50073—2013)[2]中的規定，在潔凈度1～3級時平均風速在0.3～0.5 m·s-1之間，潔凈度4～5級時平均風速為0.2～0.4 m·s-1之間。一般情況下，室內火災煙氣垂直方向速度隨高度的升高而增大，在0.65～0.75 m·s-1之間，水平方向速度更加緩慢，約為0.15 m·s-1[3]。因此，單向流送回風方式對火災煙氣的運動會產生較大影響，在水平方向布置時甚至可以改變煙氣的水平運動方向，如果探測器位置選擇不當，會造成探測不及時甚至探測不到的嚴重后果。

對單向流送回風方式而言，送風口大都設置在屋頂或者墻壁側方向，火災發生時，熱煙氣會因為空氣浮力而向上蔓延[4]，此時頂棚向下的送風系統根據風速的大小會一定程度上打亂煙氣的運動、抑制煙氣向上蔓延，同時頂棚不斷涌入的新鮮氣流最終將熱煙氣下壓至地面附近的回風口才能排出，這對于車間內工作人員安全疏散是非常不利的。即使送風口設置在左側墻壁、回風口在右側墻壁，發生火災時，煙氣會被左側墻壁送風口不斷供給的新鮮風流控制在右側回風口區域，最終排至室外，但對于復雜的廠房，車間相鄰布置位置錯綜復雜，實現這種墻壁左側送風、右側回風的空調系統從經濟和施工安裝角度考慮都不是最佳選擇。整體而言，這三種送回風方式均會對火災煙氣的運動規律造成影響。

1.2.2 非單向流送回風方式對火災煙氣的影響

對非單項流送回風系統而言，由于布置的送回風口位置使車間內形成循環風流，風向不像單項流送回風系統那樣單一。這樣布置的好處是室內空氣可以經常性的循環流動，局部的有害氣體可以被循環氣流迅速帶出室外，無需通過送風口的供風將室內氣體全部壓至回風口實現室內更新空氣的目的。但是對于火災初期產生的煙氣，非單向流送回風系統可以及時將熱煙氣排出室外，防止其在地面附近過多的積聚，但也一定程度上延緩了火災自動報警系統的動作時間或使報警器失效。

表1 潔凈廠房空調送回風方式統計表

注：表中的合用指在屋頂和側墻同時設置回風口。

根據《潔凈廠房設計規范》[2]中的規定，在潔凈度超過5級時，應采用非單向流送回風方式，送風量以每小時換氣次數規定，從10次到60次不等。以規范中規定的4 m廠房為例，假設面積為100 m2，送風口20 m2，則氣流平均速度約為0.3 m·s-1，依然會對火災煙氣的運動造成明顯影響。

2 潔凈廠房火災自動報警系統應用現狀

潔凈廠房內的火災一般屬于普通火災，火災都有一個從輕到重的發展過程，一般來說可以分為四個階段：火災起始階段，存在人們肉眼看不見的特別微弱的煙；第二階段，人們肉眼可以看見有明顯的煙霧，這就是我們常見的離子、光電感煙探測器工作的階段；第三階段，陰燃燃燒聚集起來的熱量會引起可燃物進一步燃燒并產生火焰，這是常見的火焰探測器的工作階段；第四階段，高溫和強熱會使燃燒環境溫度急劇上升，溫度升高數十攝氏度乃至上百攝氏度，這就是我們常見的感溫探測器、線性定溫探測器的工作范圍。綜上所述，采用感煙探測器監測煙霧可以很好地實現早期報警，如果通過監測可見光或者火焰，很可能不能及時監測到火災情況并錯過最佳滅火和人員救援時間，因此對潔凈廠房來說應該安裝感煙探測器[5]。同時，通過實地調查北京順義地區的17家醫藥企業、9家電子生產企業潔凈廠房，發現有16家醫藥潔凈廠房、9家電子潔凈廠房設置了火災自動報警系統，均采用了感煙探測器作為監測火災報警的手段。

通過相關文獻[5]及表1實際調查結果可知，國內潔凈廠房目前主要采用感煙探測器進行火災報警，其效率較低，對后續人員疏散和救援造成很大的影響。澳大利亞VESDA公司的lase-PLUS火災探測技術和GODEX公司的LED火災探測技術、英國KIDDE公司的Unilaser火災探測技術作為早期火災探測及報警技術的代表，可以在火災初期第一時間探測到火災，在其國內得到了很好地推廣，并取得了很好效果，為后續撲滅火災和人員疏散、救援贏得了充足時間。鑒于此，研究潔凈廠房送回風方式對現有火災報警系統的影響，并對此作出改進顯得尤為急迫。

3 潔凈廠房送回風方式對火災報警系統的影響

現有規范雖然對潔凈廠房火災自動報警系統作出了明確要求，但是對其設置火災自動報警系統的具體形式、類型和布置方式等未作出明確規定。由上文描述的實際調查結果可知，我國現在大部分潔凈廠房均采用點式煙霧火災探測器作為火災報警系統。

絕大多數潔凈廠房為了達到潔凈度要求，均采用非單向流的上送風側墻回風、非單向流的上送風側墻屋頂合用回風的送回風方式，該種送回風方式對火災熱煙氣的運動有很大影響，改變廠房內換氣次數，隨著送回風口風速的增加，必然會對房間內的煙氣運動規律產生影響，從而不能達到火災自動報警的后果。圖7所示為其中一種非單向流送回風方式對火災探測器的影響?；馂漠a生的熱煙氣受到空氣浮力的作用向上蔓延，受到送風口向下的風速作用，熱煙氣不能第一時間到達頂棚探測器位置，因此一定程度上延緩了探測器的報警時間。

部分潔凈度要求比較高的潔凈室采用了單向流的上送風側墻回風、上送風地板回風的送回風方式，這樣在火災情況下，對煙氣的向上蔓延產生了一個反向作用或者橫向作用的力，必然會影響煙氣向屋頂的蔓延，從而導致延遲報警或者無法報警。如圖8所示，頂棚送風口供給的大量新鮮空氣將火災過程中的熱煙氣下壓控制在火源位置附近，致使頂棚位置的火災探測器不能很好地發揮作用。

圖7 非單向流送風方式對火災探測器的影響

圖8 單向流送回風方式對火災探測器的影響

4 潔凈廠房內火災報警系統的有效設置方式分析

潔凈廠房的潔凈度標準是最重要的條件之一，為了達到要求需要設置具有凈化功能的空調循環系統。但是在發生火災時，該設備就會對火災自動報警裝置的動作產生影響[6]。部分煙霧會被吸進空調循環系統中，甚至排出室外，從而導致煙氣濃度的稀釋，延誤報警。

空氣采樣報警系統，即吸氣式火災煙霧探測系統，通過抽氣機將空氣主動的、高頻率的吸入采樣管中，過濾后，產生空氣樣本，用于分析和監測煙霧的定量數據[7]，從而實現報警，可以很好地解決上述問題。吸氣式火災煙霧探測器最大的特點是靈敏度非常高，能在火災極早期檢測到空氣中的微量煙氣顆粒，通常在大量可見煙氣生成之前就可以發出警報。此外，吸氣式探測器采樣管網安裝比較靈活，可以根據不同的環境做不同的采樣管網布置。在潔凈廠房中，既可以在空調回風口做防護，也可沿著設備做局部防護，還可以把采樣點通過毛細采樣的方式伸入到防護柜體內。空氣采樣報警系統與傳統感煙火災探測系統的性能對比見表2[8]。

在沒有條件進行計算機模擬時，如廠房設備復雜等情況下，可以將采樣管路布置在回風口處。根據前述分析，吸氣式火災探測器可以在火災發生的極早期檢測到煙氣顆粒，而此時尚未有肉眼可見的煙氣產生，因此也不存在煙氣本身的速度，產生的少量煙顆粒會隨室內氣流到達回風口處。因此，可以先將吸氣式感煙探測器的采樣孔設置于回風口處，而由于設備的布置方式會影響氣流的速度和方向，需要在系統安裝完成后進行性能測試，調整采樣管位置。

表2 傳統感煙火災探測器和空氣采樣報警系統的對比