空氣取樣式煙霧探測系統靈敏度指標ASI

黑色的狗

空氣取樣式煙霧探測系統煙霧探測性能的探討

作者：陳俊宏

摘要

    本文探討空氣取樣式煙霧探測系統在不同探測區域面積、取樣孔數量（間距）及探測器警報閥值條件下對系統靈敏度的影響。

關鍵字：空氣取樣，吸氣式，極早期，火災預警，探測區域，靈敏度，煙霧探測器

    空氣取樣式煙霧探測器（Air Sampling Type Smoke Detector）或稱吸氣式感煙火災探測器（Aspirating Smoke Detector）做為火警探測器的一種在全世界已得到廣泛的應用。在規劃此類系統時設計人員一般可能會根據廠家提供的設備最大保護面積、管路長度及取樣孔數，再針對保護區域的面積大小，依照每個取樣孔的保護面積相當於一個侷限型（點型）煙霧探測器的原則，將取樣管路及取樣孔平均分佈在保護區域內。

    稍微瞭解空氣取樣式煙霧探測系統的人應該都知道，取樣孔靈敏度與其取樣孔數量有關，取樣孔數量越多，單孔靈敏度越差；反之孔數越少，單孔靈敏度則越高。這是因為開孔數越多，單一取樣孔的進氣比例就越少，這樣在火災發生時從這個取樣孔進入的煙霧就需要更高的濃度才能使抵達探測主機的煙霧濃度上升至警報閥值產生警報。舉例說明，假設探測主機的警報閥值為0.2%obs/m，對一個10個取樣孔的系統，每一個取樣孔的進氣比例假設均為10%，這樣單一取樣孔的煙霧靈敏度為0.2%obs/m÷10% = 2%obs/m。若有25個孔則單孔靈敏度為0.2%obs/m÷4% = 5%obs/m。若整個管路若有100個取樣孔的話，那麼單孔靈敏度則成為0.2%obs/m÷1% = 20%obs/m。當取樣孔數越多的情況下，單孔的靈敏度可能會比傳統的侷限型（點型）煙霧探測器（靈敏度5～15%obs/m）還要差。因此設計不良的系統跟所謂的極早期火災預警效果可能會有很大的落差。

探測區域大小

    當然，實際的取樣孔數量與探測主機保護面積（以下稱探測區域）大小是有直接的關係的，以探測區域大小為250m2，500m2，1000m2，2000m2的不同條件下，假設每個取樣孔保護面積均設計為25m2（取樣孔間距為5m×5m），警報閥值設為0.2%obs/m，其計算結果如下表

探測區域	250m2	500m2	1000m2	2000m2
取樣孔數	10個	20個	40個	80個
單孔進氣比例	10%	5%	2.5%	1.25%
單孔靈敏度	2 %obs/m	4 %obs/m	8 %obs/m	16 %obs/m

    從上述計算結果來看，每一個取樣孔的靈敏度與探測區域大小是直接成反比的。當然或許有人會質疑，上述範例中的每個取樣孔的保護面積設計25m2是否可以加大，這樣取樣孔數就可以減少，單孔靈敏度也就提高了。答案當然是可以，一般而言取樣孔保護面積是比照侷限型（點型）探測器，如果以英國BS5839規範要求，保護面積最大為100m2，這樣上述的例子則成為

探測區域	250m2	500m2	1000m2	2000m2
取樣孔數	~3個	5個	10個	20個
單孔進氣比例	33.3%	20%	10%	5%
單孔靈敏度	0.6 %obs/m	1 %obs/m	2 %obs/m	4 %obs/m

    從上表的計算結果看起來單孔靈敏度似乎提高了，不過事實上這樣的設計對於整個系統的靈敏度並沒有提高。這是因為雖然單孔靈敏度提高了，但是取樣孔保護面積也變大了。以2000m2的情況為例，每100m2面積當中如果取樣孔保護面積為100m2那麼這個區域當中只會配置1個取樣孔且其靈敏度是4%obs/m，若是取樣孔保護面積為25m2那麼這個區域就會配置4個靈敏度為16%obs/m的取樣孔。假設有火災發生時，這100m2的區域當中瀰漫4%obs/m濃度的煙霧時，1個4%obs/m的取樣孔可以讓探測主機產生警報，但是同樣的，當這4%obs/m濃度的煙霧進入這4個16%obs/m靈敏度的的取樣孔時，其累計的煙霧濃度也同樣可以讓探測主機產生警報，因為這4個進氣比例為1.25%的取樣孔的進氣比例相加後也是5%（4×1.25% = 5%）。所以每100m2配置有1個靈敏度為4%obs/m的取樣孔跟配置有4個靈敏度為16%obs/m的取樣孔的探測效果其實是一模一樣的，都是4%obs/m@100m2。

   事實上，在上述的例子當中，唯一能夠改變探測效果或是系統靈敏度的，其實只有調整探測主機的警報閥值。當上述計算的警報閥值從0.2%obs/m調整為0.1%obs/m時，系統靈敏度就提高為2倍；若調整為0.05%obs/m時，系統靈敏度就提高為4倍。只是，警報閥值的調整必須配合保護環境的特性，否則可能會增加誤報的可能性。

警報閥值與保護環境

    一般來說警報閥值的設置與保護環境的煙霧背景值高低及變化大小有關，譬如在較開放的倉庫，平時會有貨物及車輛進出，在這種環境下倉庫內振動產生的灰塵及倉庫外風吹起的揚塵，車輛排放的尾氣，甚至天氣的陰晴變化都會使環境煙霧背景值增加，因此警報閥值設為0.5%obs/m可能較為合適，過高的靈敏度很可能會導致經常誤報。在一般的辦公室環境，警報閥值可能設為0.2%obs/m也不容易誤報。在電信及電腦機房，由於環境相對較為封閉，而且有空調系統控制溫溼度，因此警報閥值可能可以設為0.1%obs/m。在潔淨廠房或無塵室這樣的極度乾淨的環境當中，警報閥值甚至可以提高到0.05%obs/m或更高也不會有誤報問題。

系統靈敏度

   因此，警報閥值的調整與保護環境特性有極大的關係，不能隨意調整，而取樣孔靈敏度除了取樣孔數量有關之外，還與每一個取樣孔的保護面積大小有關。這也是筆者認為EN54-20空氣取樣式煙霧探測器測試標準當中對於靈敏度的分類可能會導致設計人員單純考慮取樣孔數量，而不考慮探測區域大小或是警報閥值（環境特性）的影響，使得整個設計方案與系統靈敏度或探測性能一點關係也沒有的原因。

    EN54-20空氣取樣式煙霧探測器測試標準當中參考了BFPSA對於空氣取樣式煙霧探測器靈敏度系統的規定，將探測器靈敏度分為

n  高靈敏度Very High Sensitivity：靈敏度優於0.8%obs/m

n  加強靈敏度Enhanced Sensitivity：靈敏度優於2%obs/m

n  普通靈敏度Normal Sensitivity：相當於傳統侷限型煙霧探測器的靈敏度

    以AVA產品在瀋陽消防電子產品質量檢驗中心的煙霧靈敏度測試為例，在高靈敏度測試條件下，取樣孔數量為25個。如果設計人員用每個取樣孔保護面積為80m2的條件下去設計，在不考慮管路長度對反應時間的影響時，理論上一個探測區域的大小可以達到80x25=2000m2。但如果設計人員將取樣孔保護面積定為20m2時，則一個探測區域的大小僅為20x25=500m2。取樣孔數量相同，單孔靈敏度相同，但是探測區域大小卻大不相同（在實務上這也代表整個項目所需的探測主機的數量會有很大的差異）。一般人以常識判斷都應該覺得有問題，一套系統保護500m2跟保護2000m2，探測效果怎麼可能會一樣呢！相反的，就如同前面所提到的，在探測面積相同的情況下，不同的取樣孔數量，其系統靈敏度應該是一模一樣的。以前述的探測區域500m2為例，每個取樣孔保護面積為20m2，總共25個取樣孔；與每個取樣孔保護面積為10m2，總共50個取樣孔，這兩種設計方案的系統靈敏度是相同的。因此不能說在同樣500m2探測區域大小的條件下，開25個取樣孔才是高靈敏度系統，而開50個取樣孔就不是高靈敏度系統。

空氣取樣探測靈敏度指標ASI（Aspirating-detection Sensitivity Index）

    在此，筆者提出一個檢視一套空氣取樣式煙霧探測系統的探測性能或系統靈敏度的一個指標ASI，Aspirating-detection Sensitivity Index。

ASI  = Alarm Level×Detection Zone

       = Port Sensitivity×Port Coverage

其中

Alarm Level警報閥值（%obs/m）

    探測主機合理的警報閥值，就如同之前提到的，與保護環境的特性有關，警報閥值必須是合理的，不應超過容許的誤報率。

Detection Zone探測區域（m2）

    為探測區域面積大小，是一個空氣取樣式煙霧探測器及其連接取樣管路所保護的範圍。通常探測區域大小主要應考慮相關法規當中針對不同場所對於探測區域或防火分區大小的規定，以及所需達到的靈敏度探測效果。

Port Sensitivity取樣孔靈敏度（%obs/m）

    取樣孔靈敏度，與警報閥值及取樣管路上的總開孔數量有關。為方便計算，本篇文章中假設每個取樣孔的靈敏度是相同的。不過事實上在取樣孔大小相同的情況下，沿着取樣管路上的取樣孔進氣比例會隨着管長逐漸減少，因此靈敏度也會隨之降低。

Port Coverage取樣孔保護面積（m2）

    每個取樣孔實際上的保護面積，一般而言取樣孔保護面積比照侷限型（點型）煙霧探測器的設計標準。

    而ASI指標若用整個探測區域以及探測主機閥值來計算時與單獨看一個取樣孔的靈敏度及其保護面積來計算時，二者的結果是相同的。也就是說不論是從整個區域來看，或是截取局部區域來看，系統靈敏度是一樣的。以下針對幾個空氣取樣式煙霧探測器常見的應用場所比較其ASI指標

表：ASI指標計算範例

應用場所	合理警報閥值    （%obs/m）	探測區域    （m2）	單孔保護面積    （m2）	單孔靈敏度    （%obs/m）	取樣孔數	ASI指標
有車輛進出的倉庫、生產線或類似環境	0.5	2000	100	10	20	1000
	0.5	2000	25	40	80	1000
	0.5	1000	100	5.0	10	500
	0.5	1000	25	20	40	500
	0.5	500	100	2.5	5	250
	0.5	500	25	10	20	250
	0.5	200	25	4.0	8	100
	0.5	200	10	10	20	100
環境較封閉的倉庫、生產線及辦公室等環境	0.2	2000	100	10	20	400
	0.2	2000	25	40	80	400
	0.2	1000	100	5.0	10	200
	0.2	1000	25	20	40	200
	0.2	500	100	2.5	5	100
	0.2	500	25	10	20	100
	0.2	500	10	10	50	100
	0.2	250	25	2.0	10	50
	0.2	250	10	5.0	25	50
電腦/通訊機房	0.1	500	50	1.0	10	50
	0.1	500	25	2.0	20	50
	0.1	500	10	5.0	50	50
	0.1	250	25	1.0	10	25
	0.1	250	10	2.5	25	25
無塵室Waffle Slab	0.05	500	10	2.5	50	25
	0.05	250	10	1.25	25	12.5
	0.05	250	5	2.5	50	12.5
無塵室    Dry Coil	0.05	50	1	2.5	50	2.5
	0.05	25	1	1.25	25	1.25

    ASI指標越小，系統靈敏度越高，ASI指標越大，系統靈敏度越差。從不同應用場所可能的計算結果來看， ASI指標可以有將近數百倍的差異。也就是說從最靈敏的在無塵室一套空氣取樣式煙霧探測器僅保護數十平方公尺的Dry Coil，到最不靈敏的倉庫應用中一套探測主機保護2000平方公尺的空間，中間的差異有數百倍之多，也就是其性能將有數百倍的區別。

    在倉庫之類的高大空間應用中，設計單位可能用一套空氣取樣式煙霧探測器來保護將近2000m2的空間。就如同上面所探討的，探測區域面積越大，ASI指標會越大，系統性能則越差。有時為了某些原因（譬如測試驗收）很可能會直接把探測主機的警報閥值調低，這樣做雖然把性能提高了，但也同時增加了系統的誤報機率。要想降低誤報率，又要有好的探測性能，最好的做法是減少探測區域大小。又譬如在骯髒環境的應用中，警報閥值只能設置成較不靈敏以避免誤報，而此類骯髒環境還需要有高靈敏度的探測性能時只能減少探測區域的面積大小。就如同ASI指標計算範例表格所計算的，骯髒環境0.5%obs/m的警報閥值與200m2的探測區域，與0.2%obs/m的警報閥值與500m2的探測區域，其ASI指標均為100，二者具有相同的探測性能。

    就上述針對探測區域大小、警報閥值以及ASI指標的探討過程來看，只要探測區域面積大小被限制住之後探測性能就固定了。只是考慮到增加空氣取樣管路或是多鑽幾個取樣孔的成本並不高，筆者的建議會是在相同探測區域大小的條件下多配置一些取樣孔以增加煙霧進入取樣孔的機會，減少煙霧從起火源擴散至取樣孔的時間。

結論

    本文提出空氣取樣探測靈敏度指標ASI（Aspirating-detectionSensitivity Index）來表示一個空氣取樣式煙霧探測系統的性能，由ASI指標可以直觀的看出系統的煙霧探測性能，以及探測區域大小與警報閥值對系統靈敏度性能的影響。雖然取樣孔數量多寡會影響單一取樣孔的靈敏度，但是當探測區域大小被確定之後，整個空氣取樣煙霧探測系統的探測性能就與取樣孔數量無關。警報閥值的設置必須合理，雖然提高靈敏度可以提高探測性能，但也同時提高了誤報率。兼顧探測性能與誤報率的最佳方法是減少探測區域面積大小。探測區域大小固定下來之後可以適當的增加取樣孔數量。