浅谈建筑物消防系统的智能化设计

　　摘 要：目前，我国大中城市中高档的宾馆客房和智能住宅小区、商业用楼等建筑的防火安全工作，由于开展较早，技术力量较强，火灾自动报警及联动灭火系统已实现全过程智能化。而中小城市中，由于这项工作起步较晚，各方面的技术力量都较弱，建筑中由于消防系统电气安装不合理而引起火灾或使小火蔓延成灾的案例屡见不鲜。
　　关键词：自动报警及联动　火警广播　线路敷设
　　目前，我国大中城市中高档的宾馆客房和智能住宅小区、商业用楼等建筑的防火安全工作，由于开展较早，技术力量较强，火灾自动报警及联动灭火系统已实现全过程智能化。而中小城市中，由于这项工作起步较晚，各方面的技术力量都较弱，建筑中由于消防系统电气安装不合理而引起火灾或使小火蔓延成灾的案例屡见不鲜。
　　消防系统智能化除了具备火灾初期自动报警功能外，还要在消防中心的报警器上附设有直接通往消防部门的电话、自动灭火控制柜、火警广播系统等。当发生火灾时，立即在本层或本区域火灾报警器上发出报警信号，同时在总服务台或消防中心的报警设备上发出报警信号，并显示发生火灾的楼层、房号或区域的代号；启动火警广播，组织人员安全疏散和启动消防电梯，随后，报警联动信号驱动自动灭火控制柜工作，启动防火门以封闭火灾区域，并在火灾区域自动喷洒水或灭火剂灭火；其次开动消防泵和自动排烟装置。在计算机程序的控制下，根据火警探测器提供的现场火势信息，随机采取各种有效的自动灭火措施。消防人员可根据火灾发生的情况，采取人工直接灭火或人工操作固定式灭火设备灭火。 把安全工程师站点加入收藏夹
　　1 火灾自动报警及联动灭火系统工作原理
　　火灾自动报警及联动灭火系统是对建筑物内火灾进行监测、控制、报警、扑救的系统。其工作原理是：当建筑物内某一现场着火或已构成着火危险时，各种对光、温、烟、红外线等反应灵敏的自动触发器件(包括火灾探测器、水流指示器、压力开关等)，将现场检测到的实际状态信息(烟气、温度、火光等)以电气或开关信号形式立即送到报警器，报警器将这些信息与现场正常状态进行比较，若确认已着火或即将着火，则输出两路信号：一路指令声光显示器动作，发出音响报警，并显示火灾现场地址(楼层、房间)。同时记录时间，通知火灾广播机工作，火灾专用电话开通向消防队报警等；另一路指令设于现场的执行器(继电器、接触器、电磁阀等)，开启各种消防设备，如喷淋水、喷射灭火剂、启动排烟机、关闭隔火门等。为了防止系统失灵和失控，在各现场附近还设有手动开关，用以报警和启动消防设施。它是一种简单易行、报警可靠的触发装置。警报装置是在确认火灾后，用警铃、警笛、高音喇叭等音响设备自动或手动向外界通报火灾发生，供疏散人群、向消防队报警等用。 对一些建筑平面比较复杂或特别重要的建筑物，为了使发生火灾时值班人员能不假思索地确定报警部位，可采用火灾模拟显示盘，它较普通火灾报警控制器的显示更为形象和直观。某些大型或超大型的建筑物，为了减少火灾自动报警系统的施工布线，已广泛采用总线制火警系统、数据采集器或中继器。
　　2 火灾自动报警及联动灭火系统电源及线路敷设
　　电源是向触发装置、报警装置、警报装置提供电能的设备。火灾自动报警系统中的电源应由消防电源供电，还要由直流备用电源。合理确定消防用电设备的负荷等级并保障其供电可靠性是电气防火设计中的一个基本问题。高层建筑中的消防控制室、消防水泵、消防电梯、防烟排烟设施、火灾自动报警、自动灭火系统、应急照明、疏散指示标志和电动的防火门、窗、卷帘、阀门等消防用电的负荷等级，应符合现行国家标准《高层民用建筑设计防火规范》的规定。此外还必须增设应急电源。常用的应急电源是独立于正常电源的发电机组。供电网络中有效地独立于正常电源的专门馈电线路，即设置了三个电源。目前我国生产的快速起动柴油发电机，可实现15s内自起动，能满足疏散照明和备用照明转换时间要求，但不能满足安全照明和需要快速转换的备用照明的要求，需和蓄电池组合使用(蓄电池连续供电时间不应少于20min)，在大型、重要高层建筑中这种方式较常见。高层建筑的消防控制室、消防水泵、消防电梯、防烟排烟风机等的供电，应在最末一级配电箱处设置自动切换装置。在设计中应根据各工程的实际情况，按楼层或按防火分区设置一台总的双电源自动切换装置，采用耐火耐热配线分别引至各消防用电设备。
　　消防用电设备的配电线路，除了有可靠的电源外，还要有可靠的配电线路，才能保证对消防用电设备安全可靠供电。在高层建筑中，电线、电缆的布线范围广，一旦着火，易形成“导火链”作用，造成火势蔓延。因此在工程设计中，用于消防控制、消防通信、火灾报警以及用于消防设备(如消防水泵、排烟机、消防电梯等)的传输线路均应采取穿管保护。管线可使用金属管、PVC (聚氯乙烯)硬质或半硬质塑料管及封闭式线槽等，使系统有较强的抵御火灾能力，即使在火情严重的情况下，仍能保证消防系统安全可靠地工作。消防系统中对导线的耐热要求如图1所示。其中包括六个组成系统。所谓防火配线是指由于火灾影响，室内温度高达840℃时，仍能使线路在30min内可靠供电。所谓耐热配线是指由于火灾影响，室内温度高达380℃时，仍能使线路在15min内可靠供电。为了保证线路的耐热性能，许多工程中都规定使用耐高温导线(一般使用耐105℃高温的导线)，或使用阻燃型、防火型的线缆。提高消防用电设备配电线路的供电可靠性，主要从两方面人手，首先是选择可靠的电缆，其二是选择可靠的敷设方式及敷设路径。PVC阻燃电缆，其耐受温度为110℃-140℃。此种类型电缆在受到火烧或高温作用时难起火、难微燃、当火源移开后能停止燃烧或微燃，对预防初期火灾有效，一般用于防火要求较低的线路。云母型耐火耐热电缆，属无机电线电缆之一，它以云母作绝缘耐火层，在900-1000℃火烧或高温辐射作用下1h仍然有效。但在高温作用下，云母不粘结，耐火性能受到影响，为此一般用于高温生产车间。铜芯铜套氧化镁绝缘电缆，其缆芯为铜芯，绝缘物为氧化镁，护套为无缝铜管。由于铜熔点为1083℃，氧化镁熔点为2300℃，故能经受1000℃内火灾(火焰或辐射)热的作用，经90min燃烧仍然有效。同时，铜套和氧化镁无老化、延燃性，不产生烟雾和毒性气体，和同截面电缆相比，外径小载流量大。如：，当负荷电流为70A时，选用铜芯铜套氧化镁绝缘电缆，其截面为10mm2,外径为12．7mm；采用聚氯乙烯护套钢丝铠装电缆，截面为25mm2，外径为32mm。综上所述，可以看出铜芯铜套氧化镁绝缘电缆是一种防火性能好、载流量大的电缆。虽然铜芯铜套氧化镁绝缘电缆价格较贵，但综合考虑其敷设方式、载流等原因，总投资增加有限，且防火性能大大提高。普通的电线电缆由于老化、过负荷运行等原因，都易引起火灾，而且其绝缘层和护套均是易燃物，燃烧时会产生有毒气体，危及人身安全。笔者认为，在高层建筑中一般用电设备配电线路也宜选用阻燃型电线电缆，对消防用电设备配电线路应优先选用铜芯铜套氧化镁绝缘电缆。可在建筑吊顶内明设。在高层建筑的吊顶内通常有风管、水管、电气管架等，采用铜芯铜套氧化镁防火电缆，不仅可以减少电气管架在吊顶内占的空间，并可免去由于采用普通电缆所需的防火桥架而导致吊顶底标高降低或楼层层高增高的影响，而且敷设方便，防火性能好。
　　综合布线系统是智能建筑消防系统的物理基础和骨架。它可以将建筑物中各种信号探测、区域信号、消防设施控制设备等联结在一起，通过智能化布线系统接受不同指令运行，同时将运行状态和结果通过布线系统反馈智能消防系统控制中心。充分考虑一体化的布线方式，施工中要求统一布线安装、统一调试。在设计中不仅要解决语音、资料、图像的信息传输线路的设计，也要综合考虑各子系统的布线方式，目前国内高层建筑中消防用电设备配电线路的敷设方式主要有以下几种：
　　(1)普通电线电缆穿在金属管或阻燃塑料管(氧指数≥35)内并埋设在不燃烧结构体内，这是一种比较经济、可靠的敷设方式。但采用此种方式的线路走向会受到限制，而且穿管暗敷的不燃烧体保护层的厚度不宜小于3cm。这主要是依据我国消防科研所提供的钢筋混凝土构件内钢筋温度与保护层厚度的关系曲线确定；
　　(2)将普通电线电缆穿金属管或金属线槽明敷，并在金属管或金属线槽上涂上防火涂料。采用这种敷设方式要注意电缆电线截面的选择，因为防火涂料当受到火星或火种的作用时，很难被引燃。当受到高温和明火作用时，涂层能吸收热量，形成致密的炭化泡沫，从而阻止热量的传递，防止火焰直接烧到电缆，在一定条件下还可将火阻熄。同样道理，电缆的散热亦会受到影响，要降容使用；
　　(3)绝缘和护套为不延燃性材料的电线电缆敷设在电缆井内。一般电缆井中不仅有消防用电设备的配电线路，还有其它用电设备的配电线路。由于电缆井空间小，电缆集中，一般用电设备的配电线路也应采用阻燃电缆，若选用非阻燃性电缆则必须用防火隔板将其和消防用电电缆隔开。另外，由于竖井烟囱效应，易使火势扩大，所以楼层间应采用防火隔板、防火材料密封隔离，电缆电线在楼层间穿管时，两端管口空隙要用防火材料封堵。
　　3 各种火灾探测器原理特点及适用范围
　　火灾探测器是整个报警系统的检测单元，可分为感温式、感烟式、光电式、可燃气体式和复合式。它们各有特点，但仍有一定的局限和适用范围，要根据安装高度、预期火灾特性及环境条件等选用。
　　4 联动灭火系统火灾报警器种类
　　(1)一体化离子感烟式火灾报警器是将离子感烟式探测器与报警控制器做成一体化典型火灾自动报警装置。这种报警器具有温度、压力、湿度等影响的补偿性能及电路和电源的自检功能，性能稳定可靠。它适用于家庭住宅的火灾预报，也适用于商店、会议室、资料室、机房、仓库等场所的火灾报警。这种报警器可以使用9V叠层电池供电，也可以使用直流电源供电；可以单机使用，也可以连接在一起使用。当一台报警器报警时，所有报警器都发出报警信号，这样可以使在其他房间的人也能听到报警信号。此外，这种报警器还可以与区域报警器联网；
　　(2)通用型火灾报警器。通用型火灾报警器是专为小型商店、小仓库、饮食店、储蓄所、小型建筑工程等单位的需要设计的，它既可以与探测器组成为一个小范围内的独立系统，也可以成为大型集中报警区的一个区域报警控制器。由于这种报警器采用了先进的计算机技术，使报警系统具有一定的智能化功能，它可以接收来自8个回路中各个探测器发出的不同信号，并对这些信号进行分析处理。根据不同信号，分别发出火灾报警信号或故障报警信号。在建筑设计中非要并联不可的情况下，推荐并联探测器数目最多为3只，以保证系统的可靠性；
　　(3)区域火灾报警器。区域火灾报警器按其接线方式的不同，分为分线制区域报警器和总线制区域报警器两种；区域报警器既可以在一定区域内组成独立的火灾报警系统，也可以与集中报警控制器连接起来，组成大型火灾报警系统，并作为集中报警控制器的一个子系统。按其外形不同，分为壁挂式、柜式和台式三种。
　　分线制区域火灾报警器分为10、20、30、50、100个回路等几种，根据需要，容量还可以扩充。分线制区域火灾报警器由若干个电路单元组成，它的作用是将监视区域内探测器、手动报警按钮、水流指示器等送来的电压或电流信号转换为声、光信号并报警，同时在显示板上以数字的形式显示出着火部位。它还为探测器提供24V直流稳压电源，并输出火灾报警信号给集中报警器，还备有操作其他设备的输出接点。
　　总线制区域报警器采用单片计算机技术，连接线少，安装及开通方便。使用总线制接线方式时，探测器必须配用相应的编码底座；使用分线制连接方式时，探测器使用普通安装底座。使用编码底座，区域报警器可与离子感烟式火灾探测器、感温式火灾探测器、编码手动报警按钮等组成火灾报警系统。总线制区域报警器最多可以连接上千个编码器件。
　　(4)集中火灾报警器。当建筑物中设置的区域火灾报警器数量超过3台时，为便于管理和减少值班人员，需安装集中火灾报警器。集中火灾报警器随时采集各区域火灾报警器火灾或故障信号，使值班人员及时采取有效措施，扑灭火灾或排除故障。
　　集中火灾报警器可以连接1—32个区域火灾报警器，连接数万个编码元件。区域报警器与集中报警器的连接，分为分线制、总线制、四总线制和六总线制等多种。分线制连接方法，这里所指为n+4方式。n表示有几台探测器，每台引出一根独立的信号线；4表示有4条共用线，要接到各台探测器上，也就是说每台探测器要接出5条线。常用的分线制连接方式还有2n+2方式，2n表示每台探测器引出两条信号线，2为两个电源线，使用四线制探测器。当使用二线制探测器时，接线为n+l方式，即共用一条电源线，每台探测器引出一条独立的信号线。多线制方式由于火灾报警控制器引出线较多，一般只用于探测器数量少且位置分散的消防系统四总线制接线方式，所有探测器都连接在总线上，没有独立的导线。该接线方式适用于四线制探测器，当环中某部分线路出问题时，可以从闭环的另一方向传输信号，不至于影响其余部分线路的工作。
　　5 火灾自动报警及联动灭火系统控制模块用途
　　在火灾报警与联动灭火系统中有各种类型的输入、输出控制模块和信号模块。控制模块的作用是控制各种联动设备的启闭。如：水泵、防火门、通风道、警铃、广播喇叭等。信号模块的作用是，把各种开关的动作信号反馈到报警器，在报警器上显示该开关设备的位置，从而了解火场的位置。各种控制模块用途如图3所示。使用这些控制模块的目的，是利用模块的编码功能，通过总线制接线，对设备进行控制，减少系统接线。这些模块也要占用报警器的输出端口，在这一点上与配用编码底座的探测器相同。模块的连接方法与探测器的连接方法相同。
　　6 火灾自动报警及联动灭火系统组成
　　6．1 手动火灾报警按钮
　　手动火灾报警按钮可以起到确认火情或者人工发出火警信号的特殊作用。报警区域内每个防火分区，应至少设置一只手动火灾报警按钮。手动火灾报警按钮宜安装在建筑物内的安全出口、安全楼梯口等便于接近和操作的部位。有消火栓的，应尽量设置在靠近消火栓的位置。手动火灾报警按钮分为打破玻璃式按钮和直接按压式按钮，有的火警电话插孔也设置在报警按钮上。
　　6．2 消火栓报警开关
　　消火栓报警开关安装于消火栓箱内。当发生火灾使用消火栓灭火时，手动操作消火栓报警开关，向消防控制室发出火灾报警信号，同时启动有关消防设备。
　　6．3 总线制门灯
　　总线制门灯用于报警指示。门灯上有编码开关，编码开关与同一探测总线上的一只探测器编为相同地址。当该探测器报警时，门灯亮。门灯一般安装在房间门口，当房间内的探测器发现火警时，门灯发出报警信号。
　　6．4 短路隔离器
　　在系统总线发生短路时，短路隔离器将发生短路的部分与总线隔离，保证未短路部分正常工作。一条探测总线可以接1—4只短路隔离器。短路隔离器的安装位置一般在探测总线干路与支路的连接处。
　　6．5 气体灭火系统
　　在不能用水灭火的场所(如配电室、汽车库等)，要使用二氧化碳、四氯化碳、卤代烷等气体灭火剂，由控制中心控制实施灭火。
　　6．6 消火栓灭火系统
　　室内消火栓灭火系统是建筑物内最基本的消防设备。该系统由消防供水系统(包括给水管网、加压泵及阀门等)和电控系统(包括启泵按钮、连接导线、消防中心启泵装置及消防控制柜等)组成。消防中心对室内消火栓灭火系统应有下列控制及显示功能：控制消防水泵的启、停；显示启泵按钮的位置和显示消防水泵的工作状态。
　　6．7 通风、空调、排烟系统
　　在有中央通风、空调系统的建筑物中，可以利用通风空调系统进行排烟和送入新风，使未疏散的人群不被烟窒息死亡。但通风管道也是火灾蔓延的渠道，因此在通风管道内要设有防火阀，用来封闭管道。当火灾区域内温度超过280℃时，再送风和排烟也无必要，这时系统会自动关闭这一部分管道上的送风机和排风机。这些动作都由联动控制系统完成。
　　大型建筑物中还要设专门的排烟道和排烟窗，排烟道上要装排烟机。所有通风排烟设施都是为了在火灾初起、人员疏散时使用，一旦人员疏散完成，这些系统都要关闭。
　　6．8 防火隔离系统
　　建筑物内要划分成若干防火分区，每个分区的面积一般在1000m2左右，这主要是为了控制火势的蔓延。防火分区间的墙壁防火等级较高，密闭性较好，称为防火墙。防火墙上的通道处要安装防火门。在发生火灾时关闭防火门，把火灾控制在一定区域内。防火门可以是手动的也可以是自动的，自动防火门由联动机构控制。比较大的通道要使用防火卷帘门进行封闭；一般采用电动卷帘。为了保证卷帘的耐火性能，在卷帘两侧要装喷水装置进行喷水降温。
　　6．9 火灾事故广播与警报系统
　　发生火灾后，要向建筑物内的人员发出火灾警报，提示人员疏散撤离，这需要使用广播系统和警铃。火灾事故广播系统一般与正常广播系统合一，通过控制模块进行切换，当发生火灾时，广播系统被切换到消防广播中心，由它发出警报并指挥人员撤离。
　　6．10 自动喷水灭火系统
　　自动喷水灭火系统以其目的性强，直接面对着火点，效率高，水渍少等诸多优点，已经成为国际公认的可以普及使用的主动固定消防设施。在美国，自动喷水灭火系统不仅在高层建筑、公共建筑、工厂和仓库中普遍使用，而且已经发展到在家庭住宅中安装这一系统。自动喷水灭火系统按喷头形式，分为闭式和开式两种，每一种形式又可分为多种类型。其中，湿式喷水灭火系统应用最广泛。
　　湿式喷水灭火系统的工作原理及配置如下：在建筑物的顶棚下装有喷头，喷头口用玻璃球堵住。喷头上的玻璃球内装有受热气化的液体，一般为醇类、酯类液体。当环境温度达到一定值时，液体气化，把玻璃球胀碎，使水从喷头中喷出。玻璃球上有色标，表示爆破温度。由于自来水压力低不能用来灭火。建筑物内必须有另一路用水泵加压供水的消防供水系统。当喷头开始喷水时，加压水泵自动开机供水。
　　喷水灭火系统的水管中装有水流探测器(水流报警阀)，当喷头开始喷水、水管中有水流动时，水流探测器发出报警信号，说明动作区域并启动消防水泵为系统供水。建筑物顶部的重力水箱容积一般有限，只能供数个喷头喷水数分钟。
　　7 火灾自动报警系统的形式
　　火灾自动报警系统的形式决定于火灾报警控制器的类别和建筑物的复杂程度。目前国内外工程所采用的火灾自动报警系统有三种基本形式，即：区域报警系统、集中报警系统和控制中心报警系统。联动灭火系统各子系统中的设备均能通过控制模块进行遥控操作，也可以在现场通过手动开关进行操作。
　　7．1 区域报警系统
　　区域报警系统由区域报警控制器、火灾探测器、手动报警按钮和警报装置及电源等组成。区域报警系统比较简单，但使用很广泛。可单独用于工矿企业的重要部位(如配电室、交换机房、仓库)和民用建筑的塔式公寓、办公楼等处。在集中报警和控制中心报警系统中，它是必不可少的子系统。
　　7．2 集中报警系统
　　建筑物中设置的区域火灾报警控制器超过3台时，为便于管理和减少专职值班人员，需采用集中报警系统。集中报警系统由集中报警控制器、区域报警控制器和火灾探测器及警报装置等组成。集中报警系统属于控制中心报警系统的部分，其原理框图如图4所示。
　　高层宾馆、饭店通常采用集中报警系统。集中报警控制器宜设在消防控制室，区域报警控制器放置在各层服务台或工厂某一区域。
　　7．3 控制中心报警系统
　　集中报警系统加上关联的消防控制设备就构成控制中心报警系统。
　　随着建筑的技术的迅速发展，智能建筑的防火设计的不断多样化，单纯的考虑消防系统的某一独立部分是不够的，应该把整个建筑物作为一个整体来考虑，把每一部分的消防措施放到一个整体中去分析。制定智能化建筑消防安全框架，要以智能消防系统设计为核心，充分利用先进的电子信息技术和人工智能，严格执行国家《建筑设计防火规范》、《火灾自动报警系统设计规范》，只有这样，才能杜绝事故隐患。