ビル向けの煙検知技術――数多くの規制と認証に対応する

Technical Article ビル向けの煙検知技術―― 数多くの規制と認証に 対応する 著者：Grainne Murphy、マーケティング・マネージャ 煙の検知の重要性 煙の検知に関する規制は、人命に関連するものなので非常に重要 スマート・ビルディング技術は、静的なビルをインテリジェン です。煙を検知するシステムが誤作動したことによって避難行動 ト・ビルとして知られる能動的かつ効率的な存在に転換するため が発生してしまうと、業務が無駄に中断されたり、パニックが引 のものへと進化しつつあります。その転換を支えるには、維持費 き起こされたりする可能性があります。特に最近のビルは、膨大 や管理費を低減するための技術が必要です。環境に優しいビル、 な数の人を収容するように設計されます。例えば、ワシントン州 ゼロ・エミッション、CO2の排出量の削減といったメガトレンド にあるBoeingのエバレット工場は、約4万人を収容できるよう を推進するには、ビル内で監視／制御を行うためのより多くのモ に設計されました。厨房では、調理を行う際に湯気や蒸気が生じ ダリティが必要になります。そうしたソリューションの適用は、 ます。つまり、厨房はまさに煙検知器が誤作動する可能性がある ビル内で勤務する人々の快適性と生産性を高めることにつながり 場所です。ただ、警報がうるさいからといって、煙検知器をオフ ます。また、ビルの安全性を高めるための計測／制御もより一層 にしておくことは許されません。また、本当に緊急事態が発生し 重要になります。このような動きは、ますます厳しくなる規制に た場合に、ビル内の人の避難に許される時間も短くなっています。 よって推進されています。 合成素材は無炎状態で燃焼し、その煙によって短時間で人命が奪 われる可能性があるからです（図1）。 安全性を高めるための解決策である煙の検知には、人命の救助と いう重大な目的があります。 火災に関する新しい規制では、誤作動を最小限に抑えつつ、実際 に火災が発生した場合には、より迅速に警報を発することを求め 煙の検知に関連する市場は、主に以下のような理由に基づいて革 ています。本稿では、いくつかの国際規格（既に規定されている 新を続けています。 ものと、今後策定が予定されているもの）を紹介すると共に、煙 X 産業用ビルの増加：国際エネルギー機関（IEA：International を検知する技術と市場におけるその意味について解説します。 Energy Agency）は、世界中のビルの床面積は年に約3%の 割合で増加すると予測しています。その要因としては、発展途 上国で都市化が進み、エネルギーが利用しやすくなっている ことが挙げられます。 X ビルにおける合成素材の利用の増加 死亡事案の3/5 死亡事案の23% 避難に許される時間は 83%短縮 建物に煙検知器が 煙検知器は設置されていたが、 合成建築材の使用が増加したことに伴い、 設置されていなかった 誤作動が多いために 1970年代と比べて火災の発生時に オフにされていた 許される避難時間は短くなっている 図1. 正確な煙の検知の重要性を示すデータ VISIT ANALOG.COM/JP

煙検知システムに利用されている主な技術としては、以下の2つ 欧州 が挙げられます。 X EN 14604：煙警報器（2006年） X イオン化式の煙検知器：2枚の帯電板に挟まれた少量の放射 BS EN 54：火災検知システム、火災警報システム（2015年） X 性物質を利用する方式であり、空気をイオン化して電流を流 ■ Part 29：複数のセンサーを使用する火災検知器。煙セン します。煙がチャンバに入ると、電流値が低下して警告／警 サーと熱センサーを組み合わせたポイント型検知器など。 報機能が作動します。この方式では、初期段階の火災を必ず 検知できるとは限りません。そのため、欧州の一部の国と米国 国際 では、イオン化式の検知器の使用は禁止されています。 X ISO 7240：火災検知システム、火災警報システム（2018年） X 光電式の煙検知器：光を利用して煙を検知する光検出チャン ■ Part 7：散乱光、透過光、イオン化を利用したポイント型 バをベースとする方式です。煙が存在する場合、LED光が屈 検知器 折して光検出器に入射します。光検出器に光線が当たると、 X 中国のポイント型検知器向け規格：ISO 7240の 2003年版 警報機能が作動します。 に基づいています。 国際規格の概要 UL 268とUL 217は、米国とカナダの規制を網羅しています。 煙の検知については、5つの主要な国際規格が存在します。認証 事実上、有炎燃焼するポリウレタン製フォーム・パッドからの煙 を得るための要件は、それぞれに異なります。煙を検知するため の規定濃度と、焦げたハンバーガーからの煙の規定濃度を区別す のシステムは、完全な試験を行わなければ最終製品とはなりませ る技術（とアルゴリズム）が必要になります。カナダの規制では、 ん。ただ、サブシステムのレベルで実施できる煙検知技術の試験 煙試験用に異なるチャンバの設定が求められます。これら以外に、 も存在します。それは、正式な認証に採用され得るものではあり EN 14604、BS EN 54、ISO 7240という3つの規格があります。 ません。しかし、コストのかかる最終システムの認証を実施する EN 14604は、2006年に発行された欧州の規格です。BS EN 前に、一定の水準を満たしていることを確認するという意味では 54は、2015年に発行された欧州の規格EN 54の英国版であり、 効果があります。 そのPart 29に煙の検知に関する規定が存在します。ISO 7240 は、2018年に発行された国際標準規格で、Part 7が煙に関連し 以下、5つの国際規格の概要を示します。 ています。中国のポイント型検知器に関する現行の規格は、ISO 7240の2003年版に基づいています。 米国とカナダ X UL 268：火災警報システム用の煙検知器 試験の詳細 ■ 第 7 版：2020 年 5月 29日に発効予定ですが、2021年 以下では、各規格で定められた試験とその試験における設定の要 6月30日に延期される可能性があります。 件という2つの側面について、UL規格を例に説明します。 X UL 217：煙警報器 X 光源から光検出器までの距離dは5フィートまたは2m、ビー ■ 第 8 版：2020 年 5月 29日に発効予定ですが、2021年 ム径は4インチ～ 6インチ（10.2cm～ 15.2cm）という標 6月30日に延期される可能性があります。 準の寸法でナトリウム・ランプ（589nm）を使用します。 これらの規格には、ポリウレタン・フォームの有炎／無炎燃焼試 火災室での試験は、火災の発生から警報機能が作動するまでの時 験と、調理時に発生する煙による誤作動の試験（ハンバーガー試 間、または減光率（場合によってはその両方）を使って定義され 験）が追加されています。 ます（図2）。減光率は、煙の濃度の測定単位です。煙が存在す る場合に検出器（D）に到達する光量を、清浄な空気中で検出器 （D）に到達する光量と比較して測定します。減光率が高いほど、 煙の濃度は高いということになります。 減光率の測定値をグラウンド・トゥルースとして定義 散乱断面 （煙と波長に依存） 減光率βは、ft-1またはm-1の単位で測定 光源 D = Lexp(‒nsmokeαsTd) ~ L(1 ‒nsmokeαsTd) （L） 減光センサーは以下のように校正： 検出器 （D） β = nsmokeαsT 煙の濃度 図2. UL規格の試験用の構成例 2　 ビル向けの煙検知技術――数多くの規制と認証に対応する

現時点で最も厳しい試験規格は、北米／カナダで採用されている 試験に対する準備、各国際規格に重複する内容 UL 217とUL 268です。以下に、関連する試験の一部の内容を 上述した5つの主要な試験規格について、以下、要件をまとめま まとめますが、それら以外にも数多くの試験があります。なお、 す。 以下に示す内容は、UL 217の第8版、UL 268の第7版に即して X UL 268とUL 217 います。 ■ 28 種類の組み立て済み試料のすべてを各試験で使用する X 紙類の燃焼 こと（試験機関と別途合意している場合を除く） ■ 240秒以内に警報が発せられること X EN 14604 ■ X 木材の燃焼 20種類の試料を使用する。試料には応答閾値が高い（感 度が低い）ものから順に番号を付ける ■ 240秒以内に警報が発せられること X BS EN 54 X 無炎燃焼の煙 ■ 22種類の試料を使用する。感度が低い6つの試料に17か ■ 減光率が29.26%/mに達する前に警報が発せられること ら22の番号を付け、それ以外の試料には任意の順で1か X ポリウレタン・フォームの有炎燃焼 ら16の番号を付ける ■ 減光率が15.47%/mに達する前、および360秒以内に警 X ISO 7240 報が発せられること ■ 20種類の試料を使用する。感度が低い4つの試料に17か X ポリウレタンの無炎燃焼 ら20の番号を付け、それ以外の試料には任意の順で1か ■ 減光率が 34.3%/mを超える前に警報が発せられること ら16の番号を付ける X ハンバーガー（誤作動） テスト用の設定は重要です。それにより、5つの規格の各試験で ■ 減光率が 0.987%/mを超える前、またはMIC値が 59.3% いくつの検出器が必要になるかが決まるからです。UL 268とUL ～ 49.2%の範囲にある場合には警報や異常通知が発せら 217では、28種類の試料のすべてを各試験に使用することが求 れないこと められます。他の3つの規格では、規定されたとおりに試料に番 X 感度の試験、塵埃の試験、高湿度の試験 号を付けます。そして、個々の試料を使い、特定の試験に合格す ■ 警報や異常通知を発してはならない ることを目指します。例えば、ISO 7240では、すべての試料に ■ 感度の試験では、制御された煙チャンバ内で減光率を測定 対して再現可能性の試験が求められます。その一方で、眩しい光 し、作動状態を確認する に関する試験では、試料3だけを使用します。各規格に準拠する X 引火性の液体の燃焼（カナダのUL 268のみ） には、特定のデバイスを特定の試験に合格させなければなりませ ■ 240秒以内に警報が発せられること ん。すべての規格に準拠するには、各規格の全試験を実施する必 要があります。つまり、複数の規格に重複する部分はないという EN 14604、BS EN 54、ISO 7240では、同じような試験でも ことになります。とはいえ、2つの異なるUL規格で同一の試験 感度のレベルが異なっていたり、液体（ヘプタン）の燃焼、綿の 条件が定義されており、一方に準拠すれば他方にも事実上、準拠 無炎燃焼、低温で黒煙を発する液体の燃焼などに関する規定が追 していることになるというケースもあります。例えば、EN 54- 加されていたりする場合があります。試験の詳細について知りた 29、EN 14604、ISO 7240では、煙が充満したトンネルと火災 い場合は、各規格の全体に目を通してください。 室に関して同一の要件が定義されており、両方の試験場で一部の 試験が実施されます。これらの規格では、大気についても同一の 条件が設定されています。 Visit analog.com/jp　 3

煙を検知するための技術―― X 消費電力が少ないので、より多くのデバイスを有線／無線ルー 個々のケースに応じた解決策が必要に プに接続することが可能です。 ここまで、5つの国際規格が、煙を検知するための技術や、各種 X サイズが小さいので、設置が困難な場所にも配備できます。 の定義、煙検知器の試験とどのように関連するのか簡単に説明し X LEDのサプライ・チェーン管理が不要になります。 てきました。本稿では、各規格の詳しい比較／分析を実施するこ X 標準的な表面実装プロセスで組み立てを実施できます。 とを目的とはしていません。そうではなく、各規格に準拠するた めにはいかに複雑な対応が必要なのかを明らかにすべく、いくつ かの例を示しました。国／地域ごとに、異なる方法（と設定）に フォトダイオードと 青色LEDと よる一連の試験が非常に細かく規定されていることをご理解いた アナログ・フロント・エンド 赤外線LED だけたでしょう。 現時点で最も厳しい規格はUL 217とUL 268です。そのため、 これらを満たせば、高い確率で他の規格にも準拠できるはずで す。但し、他の地域の試験をUL規格の試験で代用することはで きません。各国／地域の規格に準拠するには、それぞれに定めら 図3. 煙検知用の光モジュール「ADPD188BI」 れた要件や方法に則って、非常に厳格に試験を実施する必要があ ります。個々の国では、今後、より厳しい規格が定められていく はずです。 今後を見据える 各種の規格が更新され、より小型で精度の高い煙検知システムが 各種の規格への準拠を目指す上では、ULリステッドのコンポー 求められるようになっています。また、お客様からは、設置が難 ネントやサブシステムを利用するとよいでしょう。それにより、 しい場所も含めて、より広範に煙検知器を配備できるようにして 規格に準拠するための課題が緩和されます。また、ULレコグニ ほしいという要望が寄せられています。そうしたニーズに応える ションのコンポーネントや材料であれば、ULが評価済みである には、コンポーネントの小型化と低消費電力化を図る必要があり ことが保証されています。そうしたコンポーネントは、ULの認証 ます。波長の異なる2つの信号を検出するシステムであれば、新 を得る可能性のある最終製品のみを対象としています。そのため、 たな規格の要件である誤作動の低減に対応できます。S/N比が高 それらを最終製品や最終システムで採用すれば、認証へ向けた負 くダイナミック・レンジが広いシステムも、煙の種類の識別能力 荷が軽減されます。本稿執筆時点で、アナログ・デバイセズは煙 を向上させることに貢献します。光学技術はダイナミック・レン 検出用の光モジュール「ADPD188BI」をULリスティングに申 ジの向上に有効です。それだけでなく、信頼性を高め、フォーム・ 請中です。 ファクタを縮小し、消費電力を削減することができます。 ADPD188BIは、LED、フォトダイオード、アナログ・フロント・ 煙や蒸気による警報機能の誤作動を抑えることができれば、煙検 エンドを3.8mm×5.0mm×0.9mmの小型パッケージに収容し 知器を厨房や浴室などに高い密度で設置できるようになります。 た製品です（図3）。この製品がもたらすメリットとしては、以下 より多くのデバイスをビルに設置することで、より大規模なネッ の事柄が挙げられます。 トワーク・システムを構成できます。また、消費電力を削減すれ コンポーネントの数を削減できます。 ば、バッテリによる駆動（や稼働時間の延長）が可能になります。 X あるいは、より多くのデバイスを主電源ループに接続できるよう X S/N比が高くダイナミック・レンジが広いため、より小さい になります。一方、システム・レベルで見ると、迅速に警報を発 信号を測定できます。そのため、人命にかかわる既存／新規 するためには、無線ネットワークの遅延を抑えなければなりませ の規制に対応可能です。 ん。人命にかかわるという側面から、煙の検知用の物理的なシス X 2 色の光を使用する検出方法と高いダイナミック・レンジによ テムとしては、今後もスタンドアロン型の装置が使用され続ける り、誤作動を減らすことができ、検証済みの警報機能が得ら かもしれません。しかし、将来的には、避難や緊急照明に対応す れることが保証されます（誤作動の煩わしさが原因となって るビル制御システムに煙検知の機能を組み込むことが求められる 警報機能がオフにされる状況を回避できます）。 可能性もあります。そうなると、より小さなフォーム・ファクタ の製品がより一層重要になります。 4　 ビル向けの煙検知技術――数多くの規制と認証に対応する

著者について EngineerZone® Grainne Murphy（grainne.murphy@analog.com）は、 オンライン・ アナログ・デバイセズの産業／IoT分野向けソリューショ サポート・コミュニティ ン・グループでマーケティング・マネージャを務めていま アナログ・デバイセズのオンライン・サポート・コミュニ す。25年以上にわたるエンジニアリング経験に基づき、イ ティに参加すれば、各種の分野を専門とする技術者との連 ンテリジェント・ビルに関連する主要な製品群と将来の方 携を図ることができます。難易度の高い設計上の問題につ 向性に関するお客様のニーズ、エンゲージメント、マーケ いて問い合わせを行ったり、FAQを参照したり、ディス ティング／コミュニケーション戦略を管理しています。リ カッションに参加したりすることが可能です。 ムリック大学で工学分野の学士号を取得。オックスフォー ド・ブルックス大学で経営学の修士号を取得しています。 ez.analog.com にアクセス ＊英語版技術記事はこちらよりご覧いただけます。 ※初出典　2020年 マイナビニュース 本　　　　社 〒105-6891 東京都港区海岸1-16-1　ニューピア竹芝サウスタワービル10F 大 阪 営 業 所 〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原3-5-36　新大阪トラストタワー10F 名古屋営業所 〒451-6040 愛知県名古屋市西区牛島町6-1　名古屋ルーセントタワー38F ©2020 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 本紙記載の商標および登録商標は、各社の所有に属します。 Ahead of What’s Possible はアナログ・デバイセズの商標です。 TA21834-12/19 VISIT ANALOG.COM/JP