Détecteurs de fumée pour gaines : effets de divers facteurs sur leur efficacité

Solution constructive n^o 72, Déc. 2008

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Par G.D. Lougheed

Dans ce numéro, on expose les résultats de recherches menées sur les mouvements de la fumée dans les installations de chauffage, ventilation et conditionnement d'air (CVCA) et sur l'efficacité des détecteurs de fumée installés dans les gaines. On y trouve des lignes directrices destinées aux professionnels et aux organismes de réglementation dans le contexte des exigences des codes nord-américains relatives à de tels détecteurs.

La plupart des codes du bâtiment, y compris le Code national du bâtiment du Canada (CNB)¹, contiennent des exigences relatives à l'utilisation de détecteurs de fumée dans les gaines des installations CVCA. Conformément à une recommandation présentée par le National Board of Fire Underwriters en 1939², les exigences visent à ce que l'installation CVCA cesse de fonctionner pendant un incendie pour minimiser la circulation de la fumée par l'entremise des ventilateurs de l'installation CVCA. Dans la plupart des cas, les détecteurs doivent être installés dans la gaine d'alimen­tation en air, en aval des prises d'air frais, des filtres et des ventilateurs (voir la figure 1). Certaines autorités exigent aussi l'installation de détecteurs dans la gaine de reprise. Les exigences relatives à l'installation figurent dans les normes, y compris la norme CAN/ULC-S524³.

Figure 1. Installation CVCA à volume constant et zone unique de type courant.

Les recherches et les analyses de données justifiant cette exigence sont rares, voire inexis­tantes. Par conséquent, le Fire Detection Institute* a lancé des recherches sur la détection de la fumée dans les gaines pour fournir des données techniques aux comités d'élabora­tion des codes et des normes ainsi qu'aux concepteurs d'instal­lations CVCA. Les recherches, menées de concert par l'IRC-CNRC et l'Université du Maryland (UMD), ont porté sur l'utilisation de détecteurs de fumée pour gaines comme moyen de détecter la présence d'incen­dies ou de fumée dans les installations CVCA et sur l'intégration de ces détecteurs aux systèmes de gestion de la fumée des bâtiments. L'UMD a effectué des expériences à petite échelle ainsi que des modé­lisations tandis que l'IRC-CNRC a mené des expériences à grande échelle dans son installation d'essais de dix étages.
* Le Fire Detection Institute a récemment fusionné avec la Fire Protection Research Foundation.

Le projet de recherche s'est intéressé à des enjeux soulevés au sujet de la nécessité de disposer de détecteurs de fumée pour gaine, de leur installation et de leur utilisation. La question clé était : la détection de fumée dans les gaines est-elle efficace et le coût supplémentaire qu'elle entraîne est-il justifié compte tenu des probabilités de fausses alarmes et d'alarmes intempestives? Plus précisément, les enjeux qui ont été analysés étaient la comparaison des forces d'entraînement des ventilateurs d'une installation CVCA et de celles produites par l'incendie, l'effet de la dissipation de la fumée, du vieillissement de la fumée, du type de filtre de l'installation CVCA et de la circulation stratifiée dans les gaines de l'installation CVCA sur la détection, ainsi que l'efficacité des tubes d'échantillon­nage servant à la détection dans les gaines.

Comparaison des forces d'entraînement

L'interruption du fonctionnement de l'installation CVCA vise à minimiser la circulation de la fumée dans le bâtiment provoquée par les ventilateurs de l'installation CVCA. Par contre, elle n'empêche pas la fumée de se déplacer dans les cages (gaines d'ascenseurs, cages d'escaliers et gaines techniques verticales) et gaines du bâtiment sous l'effet des différences de pression produites par l'incendie et les conditions ambiantes (gaines d'extraction et effets du vent). La recherche a tenté d'établir si la circulation de fumée découlant du fonctionnement des ventilateurs de l'installation CVCA est significative si on la compare à celle que l'incendie lui-même et les autres facteurs produisent.

Il a été établi que les différences de pression dues à l'installation CVCA étaient normalement plus importantes que celles découlant des autres facteurs, y compris l'incendie lui-même. Ces différences de pression supérieures ont augmenté le débit d'air et le transport de la fumée vers des étages où aucun incendie ne s'était déclaré. Les résultats confirment qu'en l'absence d'une stratégie de gestion active de la fumée, les ventilateurs de l'installation CVCA doivent effectivement être arrêtés lorsqu'un incendie est détecté, comme l'exigent les codes et les normes. L'étendue des avantages que permet l'arrêt des ventilateurs dépend des caractéristiques du bâtiment en question. Des modèles informatiques permettent de quantifier cet avantage⁴.

Effets de la dissipation

Depuis longtemps, les ingénieurs et les responsables des codes craignaient que la fumée ne soit pas présente en concentration suffisante dans les gaines de l'installation CVCA pour que les détecteurs réagissent de manière fiable aux incendies que l'on s'attend généralement qu'ils détectent. Afin de répondre à cette question, les chercheurs de l'IRC-CNRC ont mené des expériences en se servant de quatre différents types de détecteurs de fumée pour gaines offerts sur le marché : les détecteurs à variation d'ionisation, les détecteurs photoélectriques, les détecteurs à échantillonnage et les détecteurs multicapteurs. Ils ont comparé la sortie analogique (signal) de chaque détecteur à la densité optique de la fumée, mesurée au même endroit dans la gaine de reprise de l'installation CVCA. Les mesures relatives aux effets de la dissipation et du vieillissement ont été prises dans une gaine de reprise. De plus, les résultats seraient les mêmes dans le cas de détecteurs installés dans la gaine d'alimentation.

Comme le montre le tableau 1, le signal de sortie des détecteurs était proportionnel à la densité optique de la fumée. Le seuil que doit atteindre le signal de sortie analogique des détecteurs pour que le signal de dérangement ou d'alarme se déclenche est déterminé par l'entremise de l'unité de commande. Habituellement, ce seuil est inférieur à l'intensité maximale du signal de sortie des détecteurs. Comme on le voit dans le tableau 1, tous les détecteurs ont réagi à la présence de fumée dans l'installation CVCA quand sa concentration est devenue comparable à celles faisant office de critères pour l'évacuation sécuritaire des bâtiments.

Tableau 1. Réaction du détecteur (signal de sortie analogique) par rapport à la densité optique de la fumée et à la visibilité.

*Distance de visibilité d'un objet éclairé par devant.

Vieillissement de la fumée

La fumée est constituée de particules solides, de gouttelettes liquides, de gaz et d'agglomérats de ces trois types de matières. À mesure que la fumée s'éloigne de sa source, elle refroidit et ses caractéristiques changent (taille, forme et couleur des particules). De plus, les dépôts de suie qui s'accumulent sur les surfaces environnantes réduisent la quantité de fumée en suspension dans l'air. Avant l'exécution de la présente recherche, nous en savions peu sur la manière dont le phénomène nommé vieillissement de la fumée influait sur le fonctionnement des détecteurs de fumée commerciaux.

Les chercheurs ont abordé le vieillissement de la fumée en mesurant la quantité de particules en suspension ainsi que leur taille. Ils ont constaté qu'en comparaison avec le nombre de particules fines présentes à la prise d'air de la gaine, le nombre de particules fines présentes à 3 m en aval était 10 fois inférieur. Par contre, ils ont observé qu'entre ces deux mêmes points, le nombre de particules grossières avait doublé (à mesure que la fumée vieillit, les particules qui la composent se regroupent et leur taille augmente). Ces observations laissent supposer que le phénomène de vieillissement de la fumée se produit plus rapidement que ce qui avait été anticipé. De plus, dans les gaines, le phénomène se produit surtout dans les premiers mètres⁵.

Tableau 2. Effet du type de filtre de l'installation CVCA sur le signal de sortie du détecteur.

Les recherches antérieures indiquaient que le vieillissement de la fumée pouvait faire réagir les détecteurs photoélectriques plus rapidement que les autres, car leur fonctionnement repose davantage sur le diamètre des particules que sur leur concentration. Cependant, les expériences à grande échelle menées dans l'installation de l'IRC-CNRC ont démontré que le signal de sortie de tous les détecteurs de fumée pour gaine dépend principalement de la densité optique de la fumée. Les mesures ont été prises dans la gaine de reprise de la salle des installations mécaniques, située à une distance considérable du compartiment en proie à l'incendie. Quand la fumée atteignait l'endroit de la prise des mesures, elle avait refroidi (température proche de la température ambiante) et s'était mélangée à l'air et à la fumée provenant de huit étages de l'instal­lation. Les résultats indiquent que le vieillissement de la fumée n'a pas eu d'effet sur la détection de la fumée par les détecteurs pour gaine.

Filtres de l'installation CVCA

Les filtres de l'installation CVCA retiennent une partie de la fumée quand l'air vicié les traverse. La quantité de particules retenues dépend du type de filtre utilisé. La performance des filtres est quantifiée par l'entremise d'essais conformes aux normes de l'ASHRAE⁶ comprenant notamment la mesure du pouvoir d'arrêt topique, qui indique l'efficacité avec laquelle le filtre retient les particules en suspension dans le flux d'air.

Les mesures ont été prises dans l'installation de l'IRC-CNRC, dans la gaine de reprise et dans la gaine d'alimentation, en aval du filtre. Une comparaison des mesures prises à ces deux endroits a indiqué que le type de filtre de l'ins­tallation CVCA a eu un effet sur la performance des détecteurs de fumée (tableau 2). Les détecteurs de fumée sur lesquels l'effet a été le plus grand (réduction de l'intensité du signal transmis par le détecteur) sont les détecteurs photoélectriques, car ils réagissent moins aux particules de petit diamètre qui traversent les filtres.

Les résultats laissent supposer qu'il faut tenir compte de la position, du type et de l'efficacité des filtres de l'installation CVCA pour l'évaluation de la performance des détecteurs de fumée pour gaines. Dans le cas d'une gaine de reprise, le détecteur de fumée pour gaines est normalement installé en aval de l'ensemble des prises d'air de la gaine de reprise et en amont des filtres, des prises d'air frais et des ventilateurs (voir la figure 1). De cette manière, les filtres n'ont aucun effet sur la réaction du détecteur. Dans le cas d'une gaine d'alimentation, le détecteur de fumée pour gaines est installé en aval de la prise d'air frais, du filtre, de la zone de conditionnement et du ventilateur (voir la figure 1). Dans ce cas, les filtres ont un effet sur la détection des incendies (autrement que si le filtre lui-même brûle), car ils peuvent réduire la concentration de particules en suspension dans l'air jusqu'à un niveau où il n'est pas nécessaire d'en tenir compte. Les résultats du projet indiquent que les détecteurs pour gaines réagissent si la fumée présente dans l'installation CVCA atteint les concentrations qui font normalement office de critères pour l'évacuation sécuritaire des bâtiments.

Circulation stratifiée

Par le passé, les normes ont recommandé que les détecteurs de fumée pour gaines soient installés à une certaine distance (entre 3 et 10 fois le diamètre de la gaine) des coudes, prises d'air et sorties d'air de la gaine afin de permettre à la fumée de se mélanger uniformément à l'air circulant dans la gaine. Les professionnels ont averti que, dans les tronçons de gaine longs et continus, la fumée peut se stratifier, ce qui a des consé­quences sur la réaction du détecteur installé dans la gaine (l'inquiétude vient du fait que la stratification fait en sorte que la fumée se concentre dans la partie supérieure de la gaine, ce qui peut empêcher sa détection).

En prenant des mesures dans une gaine située à proximité de l'incendie, les chercheurs ont pu démontrer qu'à faible vitesse, la force ascensionnelle fait en sorte que la fumée se concentre dans la partie supérieure de la gaine. Cependant, à mesure que la vitesse augmente, la fumée est distribuée avec de plus en plus d'uniformité. Le degré de stratification dépend de la différence entre la température de la fumée et celle de l'air ambiant⁵.

D'autres expériences ont été menées avec une série de détecteurs de fumée pour gaines dont les tubes d'échantillonnage avaient été disposés à la verticale et à l'horizontale. Ces détecteurs ont été installés dans un long tronçon de gaine, dans la salle des installations mécaniques CVCA de l'installation d'essais de l'IRC-CNRC, laquelle se trouve à bonne distance de l'incendie. Cette distance était largement suffisante pour que la fumée refroidisse. Par conséquent, aucune stratification thermique n'a été observée. Dans le cadre des études, la performance de tous les détecteurs a été très similaire, sans égard à leur emplacement ou à leur orientation. Les détecteurs situés près des coudes et des sorties d'air ont été les moins réactifs (sortie analogique). De plus, les résultats donnent à penser que rien ne justifie l'exigence d'installer les détecteurs de fumée pour gaines à une grande distance (entre 3 et 10 fois le diamètre de la gaine) des coudes, prises d'air et sorties d'air. Cependant, il est recommandé de les installer au milieu d'un tronçon droit.

Si la température de la fumée est supérieure à la température ambiante, on peut s'attendre à ce qu'il y ait stratification dans la gaine jusqu'à ce que la fumée ait parcouru une distance suffisante pour se mélanger à l'air ambiant et pour que son énergie se soit dissipée dans le milieu environnant. La distance à partir de laquelle la stratification devient un facteur dont il faut tenir compte dépend de la différence entre la température de la fumée et celle de l'air ambiant. Ce résultat permet d'affirmer que le meilleur endroit où installer un détecteur de fumée dans une gaine horizontale est la partie supérieure de la gaine. Les détecteurs de fumée pour gaines dotés de tubes d'échantillonnage peuvent être installés de sorte que le tube d'échantillonnage soit à la verticale. Dans un tel cas, les détecteurs doivent être installés dans la partie supérieure de la gaine pour minimiser l'accumulation potentielle de poussière dans le dispositif de détection.

Efficacité des tubes d'échantillonnage

Il existe deux manières de détecter la fumée dans les gaines. La première fait appel à des détecteurs ponctuels installés dans les gaines. Il s'agit du même type de détecteur que ceux que l'on fixe au plafond. L'autre manière fait appel à un détecteur situé dans un boîtier fixé à l'extérieur de la gaine. Les tubes d'échantillon­nage pénètrent dans la gaine afin de recueillir un échantillon représentatif de l'air qui y circule.

Les essais normalisés auxquels on soumet les détecteurs de fumée comprennent l'évaluation du dispositif d'échantillonnage à cinq débits différents compris entre 1,52 m/s et 20,32 m/s. Puisque certains doutes ont été exprimés au sujet de l'efficacité des tubes d'échantillonnage utilisés, des inspections ont été menées dans 65 bâtiments commerciaux de la région de Baltimore et de Washington. Les débits observés lors de ces inspections étaient compris entre 2,06 m/s et 40,64 m/s. Seules deux installations CVCA dépassaient le débit maximal précisé dans l'essai normalisé⁵.

D'autres expériences ont été effectuées afin de mesurer la réaction des détecteurs de fumée pour gaines dans des installations où le débit d'air était compris entre 4,0 m/s et 19 m/s. Aucune variation significative de la performance des détecteurs n'a été observée à l'intérieur de cette fourchette. Il a été établi que les tubes d'échantillonnage sont efficaces pour l'ensemble des débits d'air habituellement observés dans les installations CVCA.

Résumé

Les résultats du projet de recherche indiquent que :

• l'arrêt de l'installation CVCA réduit la quantité de fumée passant par l'installation de CVCA;
• la dissipation et le vieillissement de la fumée n'ont aucun effet sur l'efficacité des détecteurs de fumée installés dans les gaines;
• le type de filtre de l'installation CVCA a un effet sur la réaction des détecteurs, surtout sur celle des détecteurs photoélectriques, car ces derniers réagissent peu aux particules fines qui traversent les filtres;
• les détecteurs réagissent normalement à la présence de fumée avant que sa concentration n'empêche l'évacuation sécuritaire des occupants, et ce, peu importe s'ils sont installés dans une gaine de reprise ou d'alimentation.

De plus, les résultats de l'étude fournissent certaines lignes directrices à propos de l'emplacement des détecteurs de fumée pour gaines et démontrent l'efficacité des tubes d'échantillonnage pour les débits compris à l'intérieur de la fourchette habituellement observée dans les installations CVCA.

Consulter les ouvrages de référence 7 et 8 pour des renseignements supplémentaires sur la présente recherche.

Ouvrages de référence

1. Code national du bâtiment du Canada, Conseil national de recherches, Ottawa, 2005.

2. National Board of Fire Underwriters. « Smoke hazards of air-conditioning systems », NFPA Quarterly 33, 1939, p. 113-122.

3. CAN/ULC S524, Standard for the Installation of Fire Alarm Systems, Underwriters' Laboratories of Canada, Ottawa, 2001.

4. Mower, F.W., Milke, J.A. and Torero, J.L., « A Comparison of Driving Forces for Smoke Movement in Buildings »,, Journal of Fire Protection Engineering, Volume 14, 2004, p. 237-264.

5. Wolin, S.D., Ryder, N.L., Leprince, F., Milke, J.A., Mowrer F.W. and Torero, J.L., « Measurements of Smoke Characteristics in HVAC Ducts »,, Fire Technology, Volume 37, 2001, p. 363-395.

6. ANSI/ASHRAE 52.1, Gravimetric and Dust-Spot Procedures for Testing Air-Cleaning Devices Used in General Ventilation for Removing Particulate Matter, American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, GA, 1992.

7. NEMA, « The Efficacy of Duct Smoke Detection », Fire Protection Engineering, Winter 2006.

8. NEMA, « Duct Smoke Detection », Fire Protection Engineering, Spring 2006.

M. G.D. Lougheed, Ph.D., est agent de recherche principal au sein du programme Recherche en incendie, à l'Institut de recherche en construction du Conseil national de recherches du Canada.

© 2008
Conseil national de recherches du Canada
Septembre 2008
ISSN 1206-1220