使用空气采样式烟雾探测系统保护关键设施远离火灾困扰

承担重要任务的操作是对一个组织执行任务的能力起关键作用的操作，换句话说，也就是决定一个组织是否有能力发挥其预期功能的必要操作。重要任务机构就是能保证该组织无论外部条件如何，都能持续运作的机构。比如银行业就是一个范例，它必须每天24小时、每周7天都保持运行，而一次微小的服务中断或数据丢失就可能严重影响机构的连续运行，并造成经济损失，尤其在业务高峰期损失更大。
. 72%的重要任务机构工程应用每年都会经历9个小时的停工时间
. 90% 的企业在2年内因重大失误而破产
. 一个金融经济行业务中断1小时的平均成本估计为US$650万

一些公司在遭受灾难之后没有制订经过测试的适当业务恢复计划，两年后这些公司中仅有10%仍在运行。
采用备用电源、备用机械系统和高技术含量的消防系统，能保证机构的业务连续性。本文所讨论的就是烟雾探测系统在重要任务机构的火灾和烟雾破坏预防中所起的作用。
当今数据中心存在的火灾危险
当今的计算机技术使设备体积变得越来越小，需要的空间也更少，但数字化硬件的散热量不但未降低，反而非常高。如此高的热负荷需要通过计算机房的空调系统进行大量冷却，以消除机箱产生的热量，冷却失败会使设备过热，造成火灾隐患。
机械冷却和气流运动是火灾探测设计的基本参数，本文将做进一步讨论。
烟雾探测战略
资料中心内产生的各种烟雾和气流运动为消防工程师设计高效的火灾探测系统带来了挑战。消防系统中最重要的部分就是烟雾探测，探测系统的基本功能是向建筑内的人员发出火灾警报，并用来激活其它系统，比如机械排气系统和水、气体等灭火系统。
传统的烟雾探测器，即早期烟雾探测器(EWSD) 和传统的点式探测器都是电离式或光电式的。电离式设计用来探测易燃液体等产生的极小颗粒，而光电式的探测对象则是PVC等非天然材料产生的较大颗粒。这说明光电式探测器更适合于计算机设施内常见的火灾类型，但仍有几个因素决定了它在此类环境中的不足。
消防业内把探测器分为早期烟雾探测(EWSD) 与极早期烟雾探测(ICAM)，而实际上有些人对这两个术语的使用非常随意，并未正确区分其中的差异。EWSD系统在建筑内的人员受到威胁之前探测到火灾，此时通常已经能够觉察到烟雾。让我们来看标准办公室里的纸篓引起的火灾示例：在纸起火几秒钟之后产生烟雾，并向屋顶上升，这股明显的热烟雾很快会进入烟雾探测腔触发警报，向人们发出火灾通知。与此相反，如果同一个房间内的计算机终端的内部电子元件因故障而发热，则会潜伏几小时之后才点燃明火，我们称此潜伏阶段为火灾的初期阶段。肉眼在此阶段看不到烟雾颗粒，只能闻到气味。EWSD的灵敏度不足以在电气火灾的初期阶段探测到烟雾，只有ICAM 能探测到初期火灾，所以才有“极早期预警”的术语。火灾的初期阶段可能持续几小时甚至几天。
点式烟雾探测器是一种“被动”的探测器，等待气流向它们传送烟雾，其性能会受到高速气流的影响。由于火灾潜伏期的烟雾产生率相对较低，而房间内的气流速度又相当高，因此烟雾运动被机械系统产生的气流所控制。此外，初期阶段产生的烟雾温度不够高，产生的温升几乎无法使烟雾运动到装有点式探测器的屋顶。相反，抽气式烟雾探测系统是主动地从环境空气中连续取样，不用完全依赖热能向探测器传送烟雾。
烟雾破坏
为什么极早期烟雾探测如此重要呢？因为对计算机房的设施连续运行威胁最大的是烟雾对电气设备的破坏，而非火灾的破坏。事实上，根据美国联邦通讯委员会的统计，此类设施损坏有95%都不属于热损坏。
产生于PVC材料和数字电路板的烟雾副产品有HCL等气体，它们会腐蚀IT设备。以下曲线图描述了计算机室内的颗粒增大对设备造成的破坏，即使是16微克的颗粒，也会给电子元件带来温和的长期性腐蚀，而30微克颗粒造成的腐蚀则是活跃且短期内就能产生作用的。因此，设备损伤对其工作性能非常不利。

烟雾可能造成的设备损坏
设备受烟雾侵袭后可能发生的故障

曲线图1：烟雾破坏可能造成的设备故障

空气采样烟雾探测
空气采样烟雾探测系统与传统的点式烟雾探测器大为不同。该系统通常由许多带有小孔的管线构成，它们以几米的间距平行铺设在天花板上方或下方，每根管子上都钻有若干米间距的小孔，这些小孔（即采样点）形成一个矩阵，平均分布于天花板。空气或烟雾通过小孔抽入管道，并利用抽气机的压力继续向前运动，进入安装于附近的高灵敏烟雾探测器。

图示1: 通过毛细管和采样点取得的空气样本

ICAM空气采样式烟雾探测器也是一种空气污染监测器，灵敏度约为传统烟雾探测器的几百倍，而各种独立调查均显示，其误警报发生率却异常地低，这种可靠性归功于它对误警报的主要来源 — 灰尘、气流和电气干扰的高度免疫力。因此有可能在发生火灾几小时前，就检测到整个保护区域内材料过热的早期症状，通常有充足的时间采取人为措施或自动措施（比如通过电路断路器的动作断开引起发热的电路）。可见，空气采样烟雾探测的主要作用是预防火灾。
以下是烟雾浓度与时间的关系图，说明ICAM能探测到的烟雾阶段。

ICAM 最可喜的一个特点是它的灵敏度设置非常灵活，使探测器发出警报的烟雾浓度设置可以为0.001% Ob/m 到 20% Ob/m，Obscuration（暗度）是烟雾使能见度降低的程度 ，烟雾越浓，暗度越高，能见度则越低。
前三个浓度级别设置为一般值，“警报” 0.03% Obs /m 、“动作” 0.06% Obs /m 、“火灾1” 0.12% Obs /m是相对清洁的环境的标准设置，但有时可能要设置“火灾2” 10% Obs /m ，确认已发生严重火灾，烟雾浓度达到该点时就要选择激活灭火系统。
规定这些报警级别是为了激活紧急反应，例如，“警报”状态仅用于召集本地工作人员调查异常状况，一旦烟雾继续扩散，“动作”状态将被激活，这会启动烟雾控制程序，通过疏散系统启动警报，并通过传呼机或手机短信向更多的工作人员发出警报。“火灾1”说明火灾的条件已非常成熟或已经起火，在此阶段，建筑内的人员已疏散，火警控制面板上的“保护区域”已激活，警报信号已传送到当地的消防监视部门。
一旦烟雾浓度充分证明火灾已开始，报警级别“火灾2”即发出响应，灭火系统也将启动。
一种产品既能提供极早期预警，又能在更晚的阶段启动灭火程序，这还是第一次。毫无疑问，如果消防系统的建设和消防程序运行无误，则采取早期措施后就无需再运行报警级别“火灾2”。但它毕竟是一个安全网络，所以必须面面俱到。
应该探测到多少烟雾?
“暗度”这个计量单位已成为当今业内烟雾探测灵敏度的标准定义，它是烟雾使能见度降低的程度 ，烟雾越浓，暗度越高，能见度则越低。
烟雾探测器的标准烟雾探测级别:
电离式: 3.0 - 11% ob/m
光电式: 6.0 - 15% ob/m
光束对射式: 3.0% ob/m
ICAM: 0.001 – 20% ob/m
真如电气进行的试验显示，可以通过在受控房间内燃烧一定长度的电线来判定烟雾浓度ob/m 。比如在面积为1000平米，天花板高度为4.5米的房间内，燃烧一根长约480米的18 AWG （美制电线标准，外径约1.02毫米）电线的绝缘层，整个室内将产生13%ob/m的烟雾浓度。
而如果只燃烧0.3米同样的绝缘层，则整个房间产生的烟雾浓度约为0.0156 ob/m。即使如此低的水平，ICAM极早期烟雾探测系统也能探测得到。
在1000m2的房间内燃烧电线测得的烟雾浓度
火灾期间产生的烟雾数量和颜色取决于燃烧材料的类型和数量。印刷电路板在燃烧潜伏期的放热率可能为1到2千瓦，相比之下，纸篓起火会产生15千瓦或更高的放热率。如果对ICAM进行性能评估，则它所能探测到的资料中心的火势必须小于或等于1.0千瓦。
目前，在电信设施和计算机室内进行的测试中采用了切合实际的现场法，以确定火灾探测系统的效率，而过去的系统测试是将一罐烟雾喷入管网末端或点式探测器，已确认系统是否正常运行。这种测试并不能检查系统在小型火灾中的性能，而ICAM的基准正在于此。
当前常用的测试方法是BS6266 "Code of Practice for Fire Protection for Electronic Data Processing Installations（《电子数据处理安装的消防操作技术规范》）". 测试方法是对一根很短（1米）的带PVC涂层的电线施加电器过载，电线即会产生少量几乎觉察不到的灰色烟雾，以此模拟远低于1.0千瓦的潜伏期火灾。
通常是在试运转期间进行室内测试，ICAM 应当在60 – 120 秒或任何设计值之内发出警报。
从理论上讲，消防工程师用来确定高气流环境中火灾影响的流体力学计算模型(CFDM)应该能够计算出此类火灾造成的破坏程度。
假设计算机室内产生的任何烟雾都因高速气流而充分混合，则可以运用消防工程分析确定任何规模火灾的破坏程度（每立方米的颗粒质量），这对估计IT设备在各种火灾状态下受到的破坏程度非常有用。如曲线图1所示，IT设备遭到火灾破坏后更容易发生故障。
传统设计技术之外的技术
虽然消防系统的设计最初都是基于传统的消防技术规范，但现在越来越强调符合个别环境要求的基于性能的规范，此类设计通过对功能、风险因素、内部配置和特定环境条件的测评，确定最佳的消防系统。
设计者在设计极早期预警火灾探测系统时，必须考虑到以下因素：
1. 室内气流特征及空气交换率
2. 每台探测器或每个采样点的覆盖面积
3. 每个采样点的灵敏度要求
4. 房间尺寸及特征 — 活动地板、高天花板等
5. 紧急反应系统通知
6. 空气提取和灭火等机械控制系统的激
探测系统的设计必须同时满足空气处理系统为开启或关闭的条件，此概念被称为“主烟雾探测与辅烟雾探测”。主探测系统作用于开启CRAC单元时的烟雾运动区域，辅探测系统作用于关闭CRAC单元时的烟雾运动区域。
以下举例描述了CRAC 回流空气路径中的主探测方式，ICAM 的这种方式很适合以EWSD 点式探测器作为辅探测系统的小房间。

下例显示了主探测和辅探测的ICAM管网配置。天花板上和地板腔中的采样管用于辅探测，探测回流空气路径烟雾的管线是主探测。此设计方式适合低屋顶、小面积的房间。

空气流量高的大房间最好结合采用天花板探测、地板腔探测和回流空气探测。
覆盖区域
覆盖区域是探测器设计的重要数据，其重要性在性能和高效、低成本方面体现得尤其突出。
下图是一个2000 平米区域（这是BS、AS和NFPA规范允许的最大区域）中ICAM探测器的栅状布局。ICAM探测器与点式探测器的采样点都是按照大多数技术规范的规定，以相同的方法加工的，从图中可以看出，每个采样点的有效覆盖面积是它周围的圆形区域或附近10m x 10m = 100m2的方形区域（下图系根据AS1670设计，适合空气流量低的环境）。当ICAM探测器用于高气流环境中时，可以增加取样孔，缩短采样管之间的距离，以减小每个采样点的覆盖区域。

现有的相应设计规范和标准已对天花板探测技术做出了规定，但新制定的国家防火协会（NFPA） 76号文件《电信设施火灾防护标准》草案还是第一个采用了基于性能的说明性方法的电信设施消防设计规范。其中对覆盖区域和探测器灵敏度都进行了详细说明，目前，文件规定“空间中安装的每个传感器和采样口的覆盖区域都不应超过200平方英尺（参见51页，6-5.3.1.2*节），除非传感器或采样口有高、低两种级别，则各级别的每个采样口或传感器的覆盖面积可以在400平方英尺以内”。
NFPA 72号文件《美国国家消防设计规范》建议，在空气交换率为每小时60次的高气流环境中，每台点式探测器的覆盖区域应降为11.5平米。
英国标准 — BS 6266 (1992), 5.2.5.1节，探测器间距/总则规定“从自动火灾探测的角度来看，电子数据处理（EDP）区域与其它很多场所受到的火灾危险有很大的差异。这种区域贵重设备集中，一点微弱的火星或烟雾都很容易对其造成破坏，潜在损失又特别高，因此采用较短的探测器间距非常重要。探测器密度应足够大，既能快速探测到最小火灾，又不会增加误警报风险。探测器密度高于正常水平是因为空调系统会稀释火灾产生的烟雾”。

5.2.5.2 节，点式探测器规定“表1给出了不同位置各探测器的推荐覆盖面积： EDP 限高3米以上的机房探测器间距最大为15至25平米（150至250平方英尺） 。 ”
中国国家标准 — GB50116-2008《火灾自动报警系统设计规范》，9.1.1.8节火灾自动报警探测器选型规定“对于需要早期发现火灾的特殊场所，可以选择高灵敏度的吸气式感烟火灾探测器，且应将该探测器的灵敏度设置为高灵敏度状态；也可根据现场实际分析早期可探测的火灾参数而选择相应的探测器。”9.4节通过管路采样的吸气式感烟火灾探测器的选择规定“下列场所宜采用吸气式感烟火灾探测器：1 具有高空气流量的场所。2 点型感烟、感温探测器不适宜的大空间或有特殊要求的场所。3 低温场所。4 需要进行隐蔽探测的场所。5 需要进行火灾早期探测的关键场所。6 人员不宜进入的场所。”10.2.16 通过管路采样的吸气式感烟火灾探测器的设置应符合下列规定：
“1 非高灵敏度型吸气式感烟火灾探测器的采样管网安装高度不应超过16m，高灵敏度吸气式感烟火灾探测器的采样管网安装高度可以超过16m。
2 吸气式感烟火灾探测器的每个采样孔的保护面积、保护半径应符合点型感烟火灾探测器的保护面积、保护半径的要求。
3 一台探测器的采样管总长不宜超过200m，单管长度不宜超过100m。采样孔总数不宜超过100 个，单管上的采样孔数量不宜超过25 个。
4 当采样管道采用毛细管布置方式时，毛细管长度不宜超过4m。
5 当采样管道布置形式为垂直采样时，每2℃温差间隔或3m 间隔（取最小者）应设置一个采样孔。
6 灵敏度可调的高灵敏度管路吸气式感烟火灾探测器必须设置为高灵敏度。
7 吸气管路和采样孔应有明显的火灾探测器标识。
8 有过梁、空间支架的建筑中，采样管路应固定在过梁、空间支架上。
9 探测器保护的建筑高度大于16m 的场所时，探测器的采样管应采用水平布管和下垂布管结合的布管方式，采样管采用垂直安装时，每2℃温差或间隔3m 间隔（取最小值）应设置一个采样孔，并保证至少有两个采样孔低于16m，并宜有2 个采样孔设置在开窗或通风空调对流层下面1m 处。”
与上述设计规范一样，一些保险公司也有相应的规定，比如Factory Mutual 在《财产损失预防数据表》(5-48), 第7页“自动火灾探测”中指出“对于空气交换率为20次/小时或100英尺/分钟（0.5米/秒）的房间，每台探测器的最大覆盖面积必须在200平方英尺（20平方米）以内”。
因此得出的结论为：应增加高气流环境中的探测器数量以更为可靠地探测到火灾，但是同样要强调探测器的灵敏度。
空气采样烟雾探测器的灵敏度
尽管缩短探测器间距能更为可靠地探测到烟雾，但并不能确定产生的烟雾浓度是否足以触发警报，因此，系统灵敏度在ICAM的设计中也非常重要。
空气采样烟雾探测系统采样点的灵敏度对保证分区内协调、灵敏的探测格外重要，但设计规范和标准并未将该系统在环境中累计空气取样的能力考虑在内。
累计空气取样指空气采样烟雾探测器利用采样点网络进行烟雾取样的方法，其中的每个采样点都能对采集到探测器的烟雾起作用。在高气流的环境中，烟雾颗粒遍布整个房间，累计取样发生作用，这种现象就变得非常有用。
举例说明一个屋顶装有10个采样点，面积为200平米的房间。如果探测器的灵敏度设置为0.1 Obs/m，这就要保证每个采样点的灵敏度为0.1 x 10 = 1.0% Obs/m，即当只有一个采样点暴露于烟雾中时，1.0% Obs/m的灵敏度就达到触发警报的要求。这是因为计算机模型的流体力学原理已将其它取样孔造成的烟雾稀释考虑在内。
同一个例子，如果烟雾进入三个取样孔，则触发警报的有效灵敏度为0.1 x 10/3 = 0.33 % obs/m，自此可见累计探测是如何为提供极早期预警发挥作用的。
如果同一个房间设计为ICAM，每台探测器的灵敏度为5% Ob/m，则只有当整个房间或一整台探测器的烟雾浓度达到该点时，才会触发警报。
目前市场上处于领先地位，灵敏度也是最高的探测器就是ICAM，灵敏度达到0.001 Obs/m。分可一编程的四级报警阈值：警告，行动，火警1，火警2。
结语
重要任务机构不可以中断运行，尤其是因火灾导致的中断，否则会造成巨大的经济损失和潜在的业务风险。应该与火灾防护一样防止烟雾损伤，因为它会对IT和电信设备产生很坏的影响。对火灾和烟雾破坏的预防作用最重大的就是极早期预警烟雾探测系统，比如ICAM，它能达到性能目标，在火灾的极早期阶段探测到烟雾。 ICAM空气采样烟雾探测系统的特点是设计者有很大的灵活性，既能满足惯用的设计规范，又能满足当今基于性能的方法要求，这些特点包括：
. 能探测从潜伏期到大型不同规模的火灾
. 能随意进行天花板、地板腔或贯穿回流空气入口的设计
. 可用于以下功能的多级警报水平：
. 向火灾值班人和消防队员发出可靠的早期预警
. 开始分阶段疏散
. 有序启动断电系统或空气提取系统
. 启动自动灭火
参考文献
1. (来源：Steven R. Christensen 与Lawrence L. Schkade, "Financial and Functional Impact of Computer Outages on Business," 阿林顿，德克萨斯大学)
2. (来源： Standish Group Research, 1998)
3. (来源： Computer world, 1997年8月4日)
4. 1999年布宜诺斯艾利斯第二届国际消防研讨会 — 电信设施
5. 英国标准6266号文件
6. 美国国家防火协会（NFPA） 72、 76号文件
7. AS1670
8. Factory Mutual
9. ICAM空气采样烟雾探测系统

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