消防光警報(bào)器中光源的選擇與應(yīng)用研究

作者簡(jiǎn)介：

袁景梅（1978- ），女，回族，山西晉城人，博士研究生，工程師，研究方向：消防工程。

摘要：

在所有消防施工項(xiàng)目中，消防光警報(bào)器是一種必不可少的機(jī)電設(shè)備。本文分析了消防光警報(bào)器中常用的氙燈和LED燈兩種光源的基本工作原理及其主要特點(diǎn)，用光譜輻射計(jì)測(cè)量了光學(xué)性能，主要包括相對(duì)光譜圖以及光效、光通量等指標(biāo)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，氙燈光源更加接近太陽(yáng)光光譜，能夠獲得均勻的照明效果，提高視覺(jué)舒適性。同時(shí)，分析了模擬的火災(zāi)環(huán)境中煙霧隨時(shí)間變化的分布特性，探討了不同波長(zhǎng)光的穿透煙霧的性能。結(jié)果表明，氙燈在可見(jiàn)光波段中紅光波段能量比較多，因此比LED光源穿透煙霧的能力更強(qiáng)，更適合在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)；光警報(bào)器；氙燈；LED燈；相對(duì)光譜；光通量；煙霧

引言

在工程應(yīng)用中，消防光警報(bào)器主要用于在火災(zāi)等緊急情況下發(fā)出炫目的閃光，警示建筑中人員，同時(shí)有效指示疏散的關(guān)鍵部位，引導(dǎo)人員有效疏散[1]。光警報(bào)器采用的光源主要有氙燈和LED燈兩種。在消防安全咨詢活動(dòng)中，有經(jīng)驗(yàn)的工程師通常會(huì)建議業(yè)主采用氙燈光源。本文對(duì)提出這種建議的原因進(jìn)行了比較深入的分析，主要從光學(xué)性能以及穿透火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)煙霧能力的角度為此種選擇提供了依據(jù)，并分析了未來(lái)發(fā)展中LED所具備的潛力。

一、兩種光源的基本特性

（一）氙燈光源

氙氣燈是一種傳統(tǒng)的照明光源，其工作原理是通過(guò)電流在氙氣充填的燈泡中產(chǎn)生電弧放電，激發(fā)氙氣原子釋放紫外線，再由熒光粉轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的白光，主要特點(diǎn)是亮度高。

（二）LED燈光源

LED燈是一種新型照明光源，屬于固態(tài)半導(dǎo)體器件，其工作原理是通過(guò)半導(dǎo)體材料在電流作用下發(fā)光。當(dāng)電流通過(guò)LED芯片時(shí)，激發(fā)半導(dǎo)體材料中的電子，使其躍遷并釋放光子，從而產(chǎn)生可見(jiàn)光，主要特點(diǎn)是節(jié)能、壽命長(zhǎng)[2]。

二、兩種光源光學(xué)性能的測(cè)試

（一）測(cè)試樣品準(zhǔn)備

本研究購(gòu)買了長(zhǎng)禾消防報(bào)警設(shè)備銷售的氙燈聲光警報(bào)器和LED聲光警報(bào)器作為樣品。兩個(gè)警報(bào)器除光源不同外，其他標(biāo)稱的工作條件均相同：工作電壓24v，閃光頻率1Hz-2Hz。

（二）測(cè)試儀器的基本原理

樣品測(cè)量采用高精度快速光譜輻射計(jì)，其型號(hào)為HAAS-2000。該光譜輻射計(jì)可以對(duì)光源的光度和色度進(jìn)行準(zhǔn)確而快速的測(cè)量分析[3]。其設(shè)計(jì)是在基于滿足國(guó)際照明委員會(huì)CLE標(biāo)準(zhǔn)出版物的基礎(chǔ)上而形成的，基本原理為積分球原理。

圖1中S為光源，在涂了白色漫反射層的積分球內(nèi)壁經(jīng)過(guò)多次反射之后產(chǎn)生的光照度疊加在積分球的球壁上任意一點(diǎn)B上，形成特定的光照度。由積分球原理可以得出，球面上任意一點(diǎn)B的光照度E為：

E=E1+Φ4πR2*ρ1-ρ

公式中，積分球內(nèi)壁的反射率ρ和積分球的半徑R均為常數(shù)。如果擋去直接射向B點(diǎn)的光（方法為在光源S和任意的B點(diǎn)之間放一擋屏）則E1=0，此時(shí)根據(jù)公式可以看出被測(cè)光源的光通量Φ與球壁上任意一點(diǎn)的光照度E成正比。這樣通過(guò)測(cè)量球壁窗口上的光照度E，就可算出光源的光通量Φ。在分別測(cè)得對(duì)照光源和待測(cè)光源的照度之后，通過(guò)比較可以求出待測(cè)光源的光通量[4]。

（三）測(cè)試結(jié)果及分析

1.相對(duì)光譜

氙燈光源光譜更加均勻，更接近太陽(yáng)光的光譜分布。這樣能夠減少眩光和色彩失真，提高視覺(jué)舒適度，適合長(zhǎng)時(shí)間觀察和工作。作為在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)需要持續(xù)工作的一種報(bào)警設(shè)備，氙燈光源對(duì)人的視覺(jué)更加友好。

2.測(cè)試條件及主要光學(xué)性能結(jié)果指標(biāo)

可以發(fā)現(xiàn)LED燈的相關(guān)色溫CCT（全稱為CorrelatedColorTemperature）遠(yuǎn)高于氙燈，屬于冷光源。氙燈的CCT是接近自然光（通常的CCT值在5000-6500開(kāi)爾文之間）的，會(huì)讓人的眼睛更加舒適，不易造成視覺(jué)疲勞和眼睛干澀等癥狀。

光效是指光源產(chǎn)生的可見(jiàn)光輸出功率與其消耗的電功率之比。通常用單位流明/瓦（lm/W）來(lái)表示光效，即每瓦消耗的電功率可產(chǎn)生多少流明的可見(jiàn)光輸出。光效越高，表示光源可以更高效轉(zhuǎn)換電能為光能，同時(shí)也意味著更節(jié)能和更環(huán)保。從測(cè)試結(jié)果看，LED光源的光效要高于氙燈光源。

光通量是指光源在所有方向上發(fā)出的總光功率，通常用單位流明（lm）來(lái)表示。光通量是描述光源總體亮度的參數(shù)，與光源發(fā)出的光的總量相關(guān)。光通量的數(shù)值大小表示光源發(fā)出的總光量，數(shù)值越大表示光源發(fā)出的光越強(qiáng)烈。可見(jiàn)氙燈光源發(fā)出的光更強(qiáng)烈。

根據(jù)GB26851-2011《火災(zāi)聲和/或光警報(bào)器》4.1.2.2規(guī)定[5]：火災(zāi)光警報(bào)器的光信號(hào)在100lx-500lx環(huán)境光線下，25m處應(yīng)清晰可見(jiàn)，可見(jiàn)氙燈對(duì)于實(shí)現(xiàn)本條規(guī)定更有優(yōu)勢(shì)。

三、兩種光源穿透煙霧能力分析

（一）光源穿透煙霧能力的原因

火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)通常會(huì)有大量煙霧。根據(jù)GB50116-2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]第6.5.3條規(guī)定：當(dāng)火災(zāi)警報(bào)器采用壁掛方式安裝時(shí)，其底邊距離地面的高度應(yīng)大于2.2m（根據(jù)人員的身高情況，最有利于人員辨別的高度是2.2m-2.5m）。

用煙氣模擬軟件pyrosim建模[7]一個(gè)高度為2.9m、面積為60m2的房間，模擬在自噴系統(tǒng)和機(jī)械排煙系統(tǒng)均失效、門窗開(kāi)啟的狀態(tài)下，著火房間煙層高度的變化：50s后煙層高度開(kāi)始急劇下降，而煙層高度基本穩(wěn)定到1.25m需要經(jīng)過(guò)200s的時(shí)間；煙層高度基本穩(wěn)定后，著火房間疏散門處的煙層下降至1.8m左右。可見(jiàn)火災(zāi)發(fā)生后若火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器處于手動(dòng)狀態(tài)，火焰溫度不足以使自噴系統(tǒng)的噴頭爆裂，煙氣就會(huì)在幾分鐘的時(shí)間內(nèi)籠罩光警報(bào)器。因此，除了對(duì)正常環(huán)境下消防光警報(bào)器的光照度有要求外，也應(yīng)該對(duì)光源穿透煙霧的能力提出一定要求，才能達(dá)到其有效指示疏散的關(guān)鍵作用。

（二）光穿透煙霧能力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

馮繼青等人[8]計(jì)算了當(dāng)煙霧濃度隨時(shí)間變化時(shí)，不同波長(zhǎng)激光穿過(guò)煙霧后透過(guò)率相應(yīng)的變化，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)煙霧濃度隨時(shí)間變化時(shí)（如圖4），試驗(yàn)波長(zhǎng)的激光透過(guò)率變化趨勢(shì)一致，都是先下降至一個(gè)最低值（此時(shí)相應(yīng)煙霧濃度最大），然后再逐漸上升最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值（與煙霧濃度的變化趨勢(shì)相反），如圖5所示。

圖5反映出了當(dāng)煙霧濃度很大時(shí)，接近可見(jiàn)光波段的光透過(guò)率下降非常明顯（因?yàn)?.8和1.06波長(zhǎng)相差比較小，所以兩條線基本重合）。同時(shí)，也反映出光波長(zhǎng)越長(zhǎng)，煙霧中的微小顆粒對(duì)燈光的散射和吸收越少，光的透過(guò)率越高。可見(jiàn)煙霧對(duì)光透過(guò)率影響很大，有必要對(duì)消防光警報(bào)器光源穿透煙霧的能力進(jìn)行認(rèn)真分析，以對(duì)實(shí)際工程建設(shè)提供有價(jià)值的建議。

（三）兩種光源穿透煙霧能力的分析

通過(guò)對(duì)比圖2和圖3消防聲光警報(bào)器分別采用氙燈和LED燈兩種光源時(shí)測(cè)量得到的相對(duì)光譜圖，可以明顯看到氙燈光源在380nm到800nm的整個(gè)波段光譜分布比較均勻，光譜連續(xù)且相對(duì)較寬，特別是在波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的紅光波段能量比較充足。LED光源的能量在400nm左右藍(lán)光波段有一個(gè)較強(qiáng)的峰值，這個(gè)波段的光波長(zhǎng)較短，而在相對(duì)較長(zhǎng)波段的光能分布形成另外一個(gè)以500nm左右綠光波段為峰值的弦線，以致在600nm-800nm長(zhǎng)波段能量非常小。結(jié)合光源穿透煙霧能力的分析得知，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透煙霧的能力越強(qiáng)。可以得出結(jié)論：目前市場(chǎng)上的消防聲光報(bào)警器中，采用氙燈作為光源的產(chǎn)品比采用LED光作為光源的產(chǎn)品穿透煙霧的能力更強(qiáng)，因而更適合在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)分別采用氙燈光源和LED光源的兩種消防聲光警報(bào)器的光源部分光學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)量，分析了模擬的火災(zāi)環(huán)境中煙霧分布隨時(shí)間變化的分布特性以及不同波長(zhǎng)光的穿透煙霧的性能。得出結(jié)論：氙燈光源的相對(duì)光譜分布比LED光源更加接近太陽(yáng)光的相對(duì)光譜分布，對(duì)人的視覺(jué)更加友好，不易造成視覺(jué)疲勞和眼睛干澀等癥狀。在火災(zāi)等煙霧環(huán)境下，氙燈光源在靠近紅色光的長(zhǎng)波波段的光能量更為充足，能夠提供相對(duì)清晰的視野，對(duì)人員的指引作用更加有效，有助于人們進(jìn)行逃生或救援行動(dòng)。LED光源的穿透能力相對(duì)較弱，能見(jiàn)度較低。因此，在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)等需要穿透煙霧的環(huán)境中，氙燈光源更適合應(yīng)用。雖然LED的光譜比較窄，但是可以通過(guò)一定的技術(shù)更改光譜中顏色組成，色溫也可以根據(jù)需求改變，從而使整體性能更加優(yōu)于氙燈，并且LED在光效方面存在一定優(yōu)勢(shì)，因此未來(lái)LED在消防聲光警報(bào)器中可能更具潛力。

參考文獻(xiàn)

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