建筑物烟雾探测技术：认识系列法规与认证
烟雾探测及其重要性
智能楼宇技术正在不断演进发展，将静态的建筑物转变为有生命、高效率的实体，我们称之为智能楼宇。这一发展需要借助能够降低运营成本和维护成本的技术。建筑物变得更加绿色环保、零排放、碳足迹降低已成为未来发展的大趋势，但这同时也需要在楼宇中对更多的指标进行监测和控制。其中的一些解决方案和措施是为了提高工作人员的舒适度和生产力。然而，在愈加严格的法规压力之下，建筑物也需要为提高安全性水平而加强所制定的解决方案和措施。
在安全方面，烟雾探测承担着最重要的任务：挽救生命。
在下列重要因素的推动下，烟雾探测市场已踏上创新之路：
- 工业建筑物数量增加：据国际能源署（IEA）预测，全球建筑物的建筑面积每年增长约3%。主要推动力来自发展中国家的城市化发展和能源需求。
- 建筑物中人工合成材料的使用愈加普及。
因此，当涉及人的生命安全这样的基本需求时，烟雾探测法规至关重要。难题在于如若错误疏散，可能导致停工和恐慌蔓延，尤其是如今的建筑物被设计为能够容纳数千人（例如波音公司位于华盛顿的埃弗里特工厂能够容纳大约40,000人）。蒸汽或气雾可能引发误报，而厨房却是重点防火空间，不能因为烟雾报警器误报就将其关闭。在真正的紧急状况下，由于人工合成材料可能出现阴燃的现象，且其产生的烟雾极为致命，建筑物的疏散时间则更为紧张。现在，新的消防法规规定应最大限度减少错误警报数量，同时加快真正火灾的报警速度。本文将探讨部分即将出台的全球标准和现行的全球标准，以及它们对烟雾探测技术和市场的影响。
烟雾探测系统中存在两种主流烟雾探测技术：
- 离子化系统在带电荷极板之间加入少量放射性物质。这可以使空气离子化，从而产生电流。当烟雾进入探测腔后，会降低电流，激活告警/报警。一些欧洲国家和美国的州禁止使用离子化探测器，因为它一般不能探测出早期阶段的火灾。
- 光电烟雾探测器使用光线来探测火焰。报警器内有一个光敏室，使用光线来探测烟雾。当出现烟雾时，它会将LED光线折射给光探测器。一旦该传感器探测到光线，就会激活警报。
图1：准确的烟雾探测的重要性示例
全球标准概览
根据通过相应认证的不同要求，全球存在五大主流标准。作为端点产品，烟雾探测器系统需要通过完整测试。不过烟雾探测技术的子系统层级也可开展测试。虽然这不能取代完整测试，但在开展高成本的最终系统认证前，可以让人放心。
美国和加拿大
1. UL 268：火灾报警系统烟雾探测器
■ 第7版：预定于2020年5月29日生效，但可能会推迟到2021年6月30日
2. UL 217：烟雾报警器
■ 第8版：预定于2020年5月29日生效，但可能会推迟到2021年6月30日
这些标准包含对聚氨酯燃烧和阴燃以及烹饪误报（汉堡包）测试的最新规定。
欧洲
1. EN 14604：烟雾报警装置（2006年）
2. BS EN 54：火灾探测与火灾报警系统（2015年）
■ 第29章：多传感器火灾探测器—综合使用烟雾传感器和热传感器的定点探测器
国际
1. ISO 7240：火灾探测与报警系统（2018年）
■ 第7章：使用散射光、透射光或离子化的点型烟雾探测器
2. 中国的点型烟雾探测器标准遵循本标准的2003年版本
UL 268和UL 217适用于美国和加拿大法规，上述标准对技术（和算法）能够有效地区分来自燃烧的聚氨酯泡沫板以及汉堡包的特定烟雾浓度提出要求。说明：加拿大法规对烟雾测试腔的设置要求不同。其他三项标准分别是2006年发布的欧洲标准EN 14604，英国对2015年发布的欧洲标准EN 54的解释版BS EN 54（该标准第29章涉及烟雾探测）以及2018年发布的国际标准ISO 7240（该标准的第7章与烟雾有关）。现行的中国点型烟雾探测器标准遵循2003年版的ISO 7240。
测试详细说明
接下来我们就每项标准的两个方面进行探讨：测试与测试的设置要求。下面的示例使用UL标准。
典型尺寸为d = 5ft或d = 2m，光束直径为4"至6"（10.2cm至15.2cm），使用纳蒸汽灯（589nm）。d指光源到光电探测器的距离。
锅炉间测试的测试内容是火灾发生后的报警时间或者减光系数（有时二者）。减光系数是烟雾浓度的测量单位。它测量的是有烟雾条件下抵达探测器的光量（D）与洁净空气中抵达探测器的光量（D）的比较值。减光系数越大，烟雾浓度越大。
现行的最严格的测试标准是北美/加拿大的UL 217和UL 268。
部分相关测试列示如下，但不止于此：
UL 217（第8版）/UL 268（第7版）
1. 纸张失火
■ 必须在t = 240s前报警
2. 木材失火
■ 必须在t = 240s前报警
3. 阴燃烟雾
■ 必须在减光系数达到29.26%/m前报警
4. 燃烧的聚氨酯泡沫
■ 必须在减光系数达到15.47%/m前且t=360s前报警
5. 阴燃的聚氨酯
■ 必须在减光系数达到34.3%/m前报警
6. 汉堡包（错误警报）
■ 在减光系数超过0.987%/m前或MIC值在59.3%到49.2%间时不得发出错误警报
7. 灵敏度测试、灰尘测试、高湿度测试
■ 不得发出错误警报
■ 灵敏度测试测量受控烟雾腔内报警器发出警报时的减光系数
8. 可燃液体失火（UL 268，仅加拿大）
■ 必须在t = 240s前报警
EN 14604、BS EN 54和ISO 7240可能在相同的测试里对灵敏度水平提出不同的要求，或要求提供与液体（庚烷）失火、灼热的阴燃棉花或低温黑烟液体失火等有关的补充规格。
说明：要完整地完成测试，必须完全遵照执行相关规格。
测试规定与国际标准的重叠
下面是五大主流测试标准的要求：
1. UL 268和UL 217
■ 28个装配样本，每项测试全部使用（除非与测试机构另有约定）
2. EN 14604
■ 20个样本：样本按响应阈值，从低到高编号（灵敏度逐次降低）
3. BS EN 54
■ 22个样本：六个最低灵敏度的样本编号为17到22，其余任意按1至16编号。
图2：UL标准测试示例图
4. ISO 7240
■ 20个样本：四个最低灵敏度的样本编号为17到20，其余任意按1至16编号
测试集的重要意义在于，它决定了五项标准的每项测试所需要的探测器数量。UL 268和UL 217需要28个样本，全部用于每项测试。其他三个标准要求对样本进行详细编号，然后按要求让特定样本完成特定测试。例如，ISO 7240要求所有样本参加重现性试验，但只要求样本3参加眩光测试。这对全球合规的意义在于，因为特定装置需要通过特定测试才能合规。每项标准里的每项测试都必须完成且各标准间不能重叠。某些情况下，两项不同的UL标准有相同的测试条件，符合一项标准就相当于符合另一项。
EN 54-29、EN 14604和ISO 7240对烟道和锅炉间有相同要求，针对这两者都要完成特定测试。这些标准对大气条件的要求也相同。某些情况下，两项不同的UL标准有相同的测试条件，符合一项标准就相当于符合另一项。
烟雾探测技术：
不变不能应万变
本文概述了部分烟雾探测技术、技术定义、烟雾探测器测试和这些测试与五大国际标准的关联。本文的目的并不是详细比对这些标准。而是在于通过一些示例说明烟雾探测标准的严格要求，以及符合该标准需经历的复杂过程。每个国际区域对测试集都有非常详细的要求，并且要求采用不同测试方法（和测试设置）。
然而，符合UL 217和UL 268标准（当前最严格的两项标准），可以有效地证明合规性，虽然这并不能替代区域性测试。要取得区域性合规认证，需要十分仔细地研究当地的测试要求以及测试方法。即使在具体国家层面，未来的监管也会越来越严格。
使用通过UL认证的组件或子系统会让人感到放心。UL组件识别表示旨在用于完整产品或系统的组件或材料已经过UL评估。这些组件只能用于可能有资格获得UL认证的最终产品。在本文发表之际，ADPD188BI 和烟雾腔正在等待UL认证。
图3：ADPD188BI烟雾探测模块
ADPD188BI烟雾探测模块集成LED、光电二极管和模拟前端（AFE），采用小型3.8mm × 5.0mm × 0.9mm封装。优势包括：
- 减少组件数量
- 高信噪比（SNR）和宽泛的动态范围有助于测量较弱信号，符合现有的和新出台的生命安全法规
- 通过双色探测和宽泛的动态范围减少错误警报，确保正确报警（并避免关闭报警功能）
- 降低功耗，在有线环路或无线环路上容纳更多装置
- 缩小尺寸，以便在难以触达的地方布置探测器
- 消除LED供应链管理要求
- 采用标准的SMT装配工艺
未来发展趋势
监管环境的不断变化促使更小型、更准确的烟雾探测器系统成为未来发展趋势。除了适应监管环境的变化以外，客户也需要更高的美观度和在多种复杂的部署环境下使用的能力。满足这样的需求将要在缩小尺寸的同时降低功耗。使用双波长探测的系统能够减少错误警报，符合新测试标准的要求。有较高信噪比和较宽泛动态范围的系统也能更好地满足这些要求，并且更准确地识别烟雾类型。光学技术可实现宽泛的动态范围，帮助提高可靠性、缩小尺寸和/或降低功耗。
目前，由于烹饪或蒸汽导致的误报警得以消除，可以在厨房和浴室等地方安装更多烟雾报警器。随着建筑物内报警器数量增多，便可以提供覆盖面更广的报警系统。因此，低功耗要求可助力实现电池供电（延长电池使用寿命），或让主环路容纳更多报警装置。但从系统层面来看，对无线网络而言，加快报警速度则意味着需要低时延网络。鉴于烟雾探测在保障生命安全方面起到重要意义，物理系统应继续保持独立单元形态。不过在将来，也可能需要将烟雾探测纳入到其他建筑物控制系统中，例如纳入疏散照明系统或应急照明系统中。届时缩小尺寸就显得更加重要。