摘要：早期烟雾探测系统在电子洁净厂房担当着不可替代的重要角色，为减小火灾损失起到关键作用。规范虽然就此作出了规定，但其对灵敏度的要求仍存有偏差，所以有必要用实际案例来分析灵敏度的合理设置，并由电子洁净厂房的特点强调设置该系统的必要性。
关键词：早期烟雾探测系统；必要性；灵敏度；案例分析
GB50472-2008《电子工业洁净厂房设计规范》（以下简称《规范》）是由住建部发布用于指导电子工业洁净厂房设计的主要规范，发布实施至今已将近十年。《规范》对早期烟雾探测系统提出了比较具体的要求。《规范》6.2.7和12.3.4第2项都规定了：“回风气流中设有灵敏度严于0.01%obs/m的高灵敏度早期火灾报警探测系统。”笔者根据在大型电子厂房项目经验，以本文总结电子洁净厂房设置早期烟雾探测系统的必要性，并解析其灵敏度的合理设置。
一、电子洁净厂房设置早期烟雾探测系统的必要性
电子工业厂房洁净室火灾与一般建筑物的火灾特性显著不同，主要有两大特点：火灾隐患多、洁净空调系统特殊。
1.火灾隐患多
易燃性液体灾害是洁净室火灾最大隐患，起火点主要是湿式清洗台经常使用丙酮、异丙醇、过氧化氢等易燃性液体来清洗制程中残留的化学物质，再加上制程中经常需要加热或高温，都可能造成低燃点的可燃性液体点燃。另外，可燃性液体导电性较差，易蓄积静电而与高分子塑料容器间产生静电火花，增加潜在火灾危险的可能性。制程中还使用到多种可燃性气体，其中有些在常温常压下会自燃，例如硅甲烷SiH4，只要一泄漏就会与空气中的氧气起剧烈反应，引起燃烧。电子洁净厂房可燃性物质多，废气及废液排放管、湿式蚀刻台、湿式清洗台、载具、墙、地板等皆为可燃性物质，造成火载量增加。另外，湿式清洗台、废气排放管等通常是由高分子材料制成，燃烧具有冒发浓烟或炽烈火焰的特征，在极短时间内会蔓延成一场大火。除此以外，制程中的加温及监控装置故障、电器短路、静电、电力不足及异常断电时用以辅助电力的发电机过热等，都可能造成易燃性液体或气体发火燃烧，或是机器设备及高分子塑材的延烧，使电子厂房洁净室充满危机。
2.洁净空调系统特殊
洁净室以每立方米空气中的最大允许粒子数来确定其空气洁净度等级。数字越小，洁净度等级越高。国际标准ISO14644-1划分了空气洁净度等级（见表1），规定了特定空气洁净度等级下，每立方米空气中，大于某一尺寸的散射体的最大允许数量。（项目实施中仍习惯采用老标准命名，老标准的“百级”～“百万级”对应ISO标准的5～9级。）
为实现洁净度管控目标，电子厂房内洁净等级较高的洁净室（区）的气流比较常用的是采用上送风、下回风或侧回风方式，由洁净室上方的FFU（FilterFanUnit风机过滤机组）送风，气流通过洁净室再通过下技术夹层后进入回风道，或者通过洁净室干盘管直接进入回风道（见图1）。
洁净等级高的洁净室（区）的上方满布或密布FFU，向下的垂直气流使烟气无法按普通室内场所那样在顶棚上聚集。洁净室的楼板，即下技术夹层的顶棚通常会采用开孔华夫板，华夫板下同样也无法产生汇聚烟雾的效果。以上两种情况，如果安装吸顶式点型探测器无法满足规范规定的“至空调送风口边的水平距离不应小于1.5m”的要求，也无法满足感烟火灾探测器在格栅吊顶场所的设置对镂空面积与总面积的比例的要求，另外，洁净室（区）具有换气率大的特点，换进去的空气需要经过净化室净化，再送到洁净室。高速流动的气流也导致了烟雾无法聚集。综上所述，吸气采样式早期烟雾探测系统也是目前电子厂房洁净室唯一有效的火灾自动探测措施。
3.必要性小结
归纳电子洁净厂房的以上特点：由于在制程中要使用到极高毒性、腐蚀性及易燃性气体、液体和大量可燃性塑材，再加上洁净室特有的密闭作业环境及回风系统，所有这些因素都大大增加了电子厂房的风险。因此，早期火灾烟雾监测对电子厂房洁净室在火灾中保持完好无损是至关重要的。只有在烟雾浓度极低时做到迅速探测、准确报警才能及时排除隐患，最大限度地减少火灾的发生。所以，引言中所列的《规范》条款应理解为必要条件，而不是为放宽《建筑设计防火规范》所规定的安全疏散距离和防火分区的要求而采取的选择性加强安全措施。
二、早期烟雾探测系统的灵敏度
设置早期烟雾探测系统的主要目的，就是利用该系统能探测到不可见粒子所造成的遮光率的微小变化，来检测火灾早期阶段形成的不可见烟雾。
如何设置适当的灵敏度来极早探测电子厂房洁净室（区）中处于阴燃阶段的火灾是至关重要的。灵敏度的设定应该遵循两个原则：“有效”加“可靠”。既能实现有效早期报警，又必须可靠消除误报警带来的不良影响或损失。
1.遮光率和灵敏度的概念
早期烟雾探测系统的灵敏度是指可监测到的遮光率变化的能力，用遮光率表示。遮光率又稱光学浓度，是指在单位距离被颗粒散射和吸收掉的光占光总量的百分比，即遮光率=（Io-Ii）/Io×100%/m。（Io：原始光强，Ii：被颗粒散射和吸收后的光强），用%obs/m表示（“obs”是“obscuration“遮挡”的缩写）。遮光率与悬浮粒子大小有关：同等数量的粒子，粒子越大，遮光率越大；粒子越小，遮光率越小。由于在洁净室中，大气中的较大颗粒已经被层层过滤（见图2），该环境下的背景遮光率是极低的。空气洁净度越高，背景遮光率越小。在项目实施中，消防验收部门均要求将《规范》中的0.01%obs/m遮光率作为早期烟雾探测系统的报警阈值，因此《规范》中的灵敏度可理解为所设定的遮光率阈值，警示烟雾浓度达到了某个程度。
2.背景遮光率案例分析
为确定最有效可靠的灵敏度，第一步就是需要了解在正常环境下的洁净室的背景遮光率水平。笔者收集了多个电子和非电子厂房洁净室（区）样本进行集中观察分析。为使案例分析具有可比性，样本采用Xtralis品牌同一型号的早期烟雾探测系统。实测数据采自相应洁净室（区）的下部技术夹层和附近回风口部位，所取的数值虽不完全代表洁净区域内部，但基本可以反映该等级洁净室内部正常运行环境下的背景遮光率水平。（见表2与图3）
根据洁净厂房样本观察：百级至万级电子洁净厂房在0.001%obs/m～0.01%obs/m范围（由于0.001%obs/m已经是最高遮光率精度，因此十级及以上洁净区背景遮光率可以默认为0.001%obs/m）。背景遮光率数值受到洁净度影响明显，数值随粒子浓度变化而逐级上升，以至于可以通过数值比较清晰识别洁净度等级。考虑到粒子越小遮光率越小的关系，在洁净等级所限制的粒子数量范围内，早期烟雾探测系统仍然可以灵敏地探测到5μm以下悬浮颗粒所造成的遮光率变化，说明早期烟雾探测器确实能够有效探测早期不可见烟雾。
由于洁净室内可燃物极其多样，且燃烧本身也是个极其复杂了过程，我们无法明确定义早期燃烧所产生的物质及其颗粒尺寸。但我们可以把火灾初期的某段时间内被烟雾破坏的局部洁净环境设想为相当于普通工业厂房室内大气环境，因此可以对照一下样本“k”的背景遮光率：0.03%obs/m和0.05%obs/m（见图4）。
对比可见，普通工业厂房室内大气环境下的遮光率上升非常明显，也就是说由5μm以上的颗粒所造成的遮光效果更加明显。由此可以推测：随着火灾发展，所造成的悬浮颗粒直径和数量会逐步攀升，较大较多的颗粒会导致遮光率陡然上升。
以样本”f”洁净厂房在模拟烟雾测试状态时的遮光率数值变化曲线为例（见图5）。
该样本的背景遮光率0.008%（总体0.006%），“警告”烟雾阈值设定为0.01%。可以看到在模拟烟雾下的遮光率数值呈现脉冲式的上升，即在极短的几秒钟时间内以几十上百倍地飚升，轻易触及报警阈值。
3.灵敏度设置
根据案例样本观察发现，《规范》所规定的0.01%obs/m灵敏度与我们所采集洁净室样本（千级）在正常环境下的遮光率0.005%～0.008%obs/m仅一步之遥。由于电子洁净室采用的是动态气流，气流的波动会产生遮光率数值的变化。另外，随着探测器的长时间使用，其灵敏度也会产生漂移，极有可能超过0.01%obs/m，从而引起误报警。
0.01%obs/m的灵敏度规定还有一个可操作性不强的问题。所有品牌的早期烟雾探测器灵敏度均可设定为若干个烟雾阈值，分别用于“警告”、“行动”、“预报警”、“报警”等不同等级的报警。《规范》要求既没有明确0.01%obs/m是哪一个等级的灵敏度，也没有明确早期烟雾探测器报警是否需要参与消防设备联动、如何参与。
仍以Xtralis产品为例来考察在“灵敏度严于0.01%obs/m”范围内划分四个报警阈值分级的可行性。（Xtralis产品的最高灵敏度精度为0.001%，可设定的最低报警阈值为0.005%）。以千级电子洁净室样本的背景遮光率中间值0.007%为例，在0.007%到0.01%之间，以0.001%的极限灵敏度精度是无法划分出四个等级报警阈值的。只有在最低的0.005%最低报警阈值基础上，以0.001%最高精度作为分级级差，才能刚好满足分级要求，这显然是极其不合理的。
参考Xtralis厂家针对洁净室推荐的烟雾灵敏度设定阈值如下：
（1）将“警告”报警阈值设定为遮光率背景值加0.015%obs/m；
（2）将“行动”报警阈值设定为遮光率背景值加0.03%obs/m；
（3）将“火警1”报警阈值设定为遮光率背景值加0.05%obs/m；
（4）将“火警2”报警阈值设定为遮光率背景值加0.25%obs/m。
结合洁净室样本”e”的背景遮光率0.005%obs/m与厂家推荐的烟雾灵敏度设定值计算（见表3），我们发现，早期烟雾探测系统厂家在经过数十年的工程案例积累和总结后，得出的经验数据竟然和《规范》定义的灵敏度相差甚远。
4.规定合理灵敏度的意义
在设计和实际使用中，由于《规范》规定了0.01%obs/m的灵敏度，导致出现了以下问题：一方面，电子厂房早期烟雾探测系统设计说明时必须要符合《规范》规定的过高的灵敏度要求，另一方面，在系统使用中，由于担心早期烟雾探测系统误报警而联动消防设备，如防排烟系统动作会破坏洁净环境，造成巨大的经济损失，因此目前的实际使用案例中存在两种情况：
（1）早期烟雾探测完全不参与火警系统联动，仅单纯地作为早期报警辅助系统，出现状况是完全依靠人为确认、干预、排除。但根据电子洁净厂房的气流特点，我们已知早期烟雾探测是目前唯一有效的火灾自动探测系统，这种不参与火警系统联动做法其实是使火警系统丧失了自动联动功能，并且也不能满足GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》的要求。
（2）早期烟雾探测参与火警系统联动，但只是把《规范》要求的0.01%obs/m作為报警阈值来联动现场早期烟雾探测器旁的本地声光报警器，而参与联动其它消防系统的报警阈值设定随意性很大。由于《规范》对灵敏度的定义既不够明确又不尽合理，使得《规范》对灵敏度的要求形同虚设。由此可见，重新规定合理的灵敏度就显得尤为重要。
根据《规范》条文说明：0.01%obs/m的灵敏度是借鉴了美国《洁净室消防标准》NFPA318。（援引美国NFPA318）《规范》所描述的文字内容与美国标准基本一致，但NFPA318标准规定的灵敏度是0.03%obs/foot，单位转换后正确的灵敏度是应该是0.1%obs/m！该数值与案例分析数据及厂家推荐设定值非常吻合。在此数值之下，早期烟雾探测灵敏度可以做到有效合理地分级，既可有预警提示功能，又能够可靠参与火警系统的自动联动。建议《规范》按此数值进行修正。
三、结语
当前，随着国家对半导体产业的推进，近几年会有越来越多的电子工业厂房建设开工。在这样的大背景下，我们的规范编制单位应该以更加务实的精神，仔细审视规范的可行性，尤其是对类似引文中所列的强制性条文，应本着科学的态度作出规定，才能落实到实际应用，才能使早期烟雾探测系统发挥其真正的作用。