高大室內空間應急照明設計中的光源選擇

王 磊

(清華大學建筑設計研究院有限公司，北京 100084)

高大室內空間應急照明設計中的光源選擇

王 磊

(清華大學建筑設計研究院有限公司，北京 100084)

高大室內空間的應急照明對于空間內人員的安全有重要意義。通過研究高大空間中應急照明系統的特性，分析了鹵鎢燈、大功率緊湊型熒光燈、高強氣體放電燈和LED燈應用在應急照明系統中的可行性，總結了高大室內空間的應急照明設計的關鍵點，并給出了設計建議。

應急照明；高大室內空間；LED；光源；照明設計

引言

民用建筑中的體育館、會展中心、博物館、劇場、倉庫等很多都具有高大的室內空間，這些空間的特點是頂棚距地面的高度超過12 m。由于建筑空間形式和使用功能的特殊性，在這類建筑中應急照明系統設計的標準、光源和燈具選型、供電系統等都是照明設計師關注的重點。

體育館、會展中心、劇場屬于典型的人員密集場所，發生緊急情況需要立刻啟動安全照明保證場館秩序和疏散照明供室內人員有序撤離，此時要保證光源能夠迅速啟動并提供足夠的地面水平照度[1]。舞臺、倉庫等空間可能存在大量可燃物，一旦發生火災，較高的空間會由于屋頂熱屏障效應、煙霧微粒的溫度擴散特性等原因，在空間出現煙霧分層滯留的現象，阻礙空間頂部的燈光照向地面，影響地面的水平疏散照度。即使在正常情況下，較高的房間高度也導致光輻射在傳輸過程中會被空氣中的介質吸收、散射和反射，造成光輻射量的衰減[2]。這就要求在高大空間的設計中選擇更高的標準，設置更大功率的光源或更多數量的燈具。隨著我國照明標準的不斷更新，照明光源技術的不斷發展以及設計師對于照明設計理解的提升，國內高大空間內應急照明設計也越來越趨于完善。

1 應急照明的設計標準

在我國的現行規范中，對于類似場所的疏散照明和安全照明都有明確要求。

1)《建筑設計防火規范》中要求人員密集場所的疏散照明的地面最低水平照度不應低于3 lx[3]；

2)《建筑照明設計標準》中要求人員密集場所疏散照明的地面平均照度不應低于2 lx，疏散通道的照度最大值與最小值之比不應大于40∶1[4]；

3)《體育建筑電氣設計規范》中要求觀眾席和運動場地的安全照明的平均水平照度不應低于20 lx，通道疏散照明的地面最低水平照度值不應低于5 lx[5]；

4)《會展建筑電氣設計規范》中要求展廳安全照明的照度值不低于一般照明照度值的10%，針對普通展廳和高檔展廳分別為20 lx和30 lx[6]；

5)《交通建筑電氣設計規范》中要求人員密集場所的疏散照明地面最低照度不低于5 lx[7]；

6)上海市地方標準《民用建筑電氣防火設計規程》中要求觀眾廳、展覽廳等人員密集場所的地面水平最低照度不低于10 lx[8]。

可以看出，大多數規范都是對場所的最低水平照度進行限定。從安全的角度而言，在沒有均勻度限制的情況下，高大空間的疏散照明用最小水平照度進行設計更加合理，更利于人員疏散。如果僅以平均照度進行限定，即使規定了最大和最小照度值的比率，也很難避免大空間內存在暗區和盲區。因此，筆者建議，在選擇設計標準時，應首先滿足空間的最低水平照明，在滿足這個標準的前提下，再核算是否滿足平均水平照度及最大最小照度比值的要求。

其次，在人員密集區的疏散水平照度標準普遍高于其他場所的照度標準。究其原因，較高的地面照度會為疏散人員提供更好的辨識度，更適于空間復雜和人員密集的場所進行安全疏散。

此外，無論是否是高大空間，應急照明設計中還需滿足一些基本要求，如光源瞬時啟動、連續供電的時間、電源轉換的間隔時間等。而對顯色性、均勻度、眩光水平等舒適性的指標通常無特殊要求。

需要特別注意的是，不同標準對于同一參數可能會因為側重點不同而有所差異，因此設計師要充分了解設計項目的特點，綜合分析設計需遵循的不同標準的異同，從安全的角度出發，選取適合的設計參數。

2 應急照明系統中的光源選擇

由于高大空間的特殊性，進行應急照明設計時的照明計算、光源和燈具選型、供電系統等都與普通空間的設計有所不同。本文就從光源選擇的角度，針對常用的光源，包括鹵鎢燈、緊湊型熒光燈、金屬鹵化物燈、LED燈，對高大室內空間應急照明中的疏散照明和安全照明的設計進行分析和說明。

2.1 鹵鎢燈

鹵鎢燈可瞬時啟動、結構簡單、顯色性好、安裝方便、價格低廉，雖然其光效低、壽命短，但一直到20世紀90年代，由于沒有更加適合的光源，大功率的鹵鎢燈或白熾燈曾經是高大空間應急照明的首選光源。

以筆者2003年設計的某體育館為例，觀眾區面積約1 800 m2，空間高度約22 m。為滿足當時照明標準要求的疏散照明的地面最低照度不小于1 lx，設計了16套100 W單端鹵素燈光源的廣照型投光燈作為應急照明，其中100 W鹵鎢燈的標稱光通量為1 650 lm。安裝后進行了現場測試，疏散通道的最低水平照度為1.2 lx，平均水平照度為2.6 lx。從這個結果可以看出鹵鎢燈光效較低。而一旦發生火災，當空間彌漫煙霧時，到達地面的光線衰減，地面照度的實際效果必然會小于測試值，從而影響疏散效果。

此外，本項目施工完成到測試僅3個月時間，就有5套光源損壞。鹵鎢燈壽命短的缺點可見一斑。隨著我國發布《關于逐步禁止進口和銷售普通照明白熾燈的公告》，從2012年10月1日起，按功率大小分階段逐步禁止進口和銷售普通照明白熾燈，同時伴隨其他更高效的光源的發展，除了一些特殊的場所，白熾燈和鹵鎢燈已經逐步退出照明應用市場。

2.2 緊湊型熒光燈

相對于發光面積較大的直管型熒光燈，同功率的緊湊型熒光燈發光部位更集中。當燈具安裝高度較高時，只有增加下射方向的光強，才能保證有足夠的光線射向地面。因此，直管型熒光燈很少應用于高大空間。而緊湊型熒光燈與鹵鎢燈相比，其光效更高，壽命更長，而且可以與E27燈口的鹵鎢燈互換，使得其在一段時間成為替代鹵鎢燈的光源。本文之前提到的體育館就在2010年用85 W、5 300 lm的4U型緊湊型熒光燈替換了原有的鹵鎢燈，更換后的總供電容量減少了15%，但地面最低水平照度提高到2.7 lx，平均照度提高到了6.5 lx，照明效果和節能效果都得到了提高。但是需注意到，多U型的大功率緊湊型熒光燈由于光源外形的限制，散熱條件較差，光強分布特性也差強人意，而且大功率緊湊型熒光燈不是市場的主流產品，光源質量參差不齊。應用于高大空間仍有光通量低，效率低的缺點有待解決。

2.3 高強度氣體放電燈

金屬鹵化物燈及其他高強度氣體放電燈顯然具有更高的光效和更大的功率，更適用于高大空間的一般照明。但是，不能瞬時啟動的特性決定其無法作為通常意義上的應急光源。相關數據表明，當為金鹵燈供電的電源電壓有超過5 ms，且幅值超過-15%的電壓波動，金鹵燈就可能熄滅。而金鹵燈一旦熄滅，即使電壓恢復也不能瞬時點燃，需等待數分鐘至光源內溫度降低、氣體壓強下降后，金鹵燈才能重新點亮。應急照明設計要求當正常電源失效后，立刻轉由應急電源為燈具提供電源。柴油發電機和通常的應急電源系統(EPS)都不能確保電源轉換過程中的電壓恒定，因此無法保證電源切換后的金鹵燈持續工作。此外，對于劇場和體育館，緊急情況下還要求作為疏散照明和安全照明的應急燈能夠按指令瞬時點亮，并迅速達到最大光輸出，這也是金鹵燈無法實現的。因此，金鹵燈等高強度氣體放電燈并不適合作為應急照明系統的光源。

但是在某些特定的場合，配以相應的配電設施，如UPS或快速切換型EPS，金鹵燈也能作為應急光源。例如，筆者設計的某奧運會比賽場館，為保證賽事轉播的要求，場地的金鹵燈都采用在線式UPS供電。一方面可以保證電源切換過程中電壓的穩定，工作中的金鹵燈不會熄滅。另一方面，場地燈光都是在賽前60 min即開啟，當觀眾和運動員、工作人員進入賽場時，金鹵燈已經處于正常工作狀態，萬一發生緊急事件，即使正常電源故障，已經處于工作狀態的由UPS供電的金鹵燈還可以作為應急照明保證人員的疏散，不存在需要瞬時點亮的問題。在這樣一種特殊的情境下，金鹵燈也是可以作為應急照明光源使用的。需要注意的是，由于金鹵燈的啟動電流一般為正常工作電流的1.3～1.8倍，持續時間約為1～5 s，而UPS過載能力有限，因此建議按照正常負載工作電流的1.7～2倍配置UPS容量為宜，或采用分組啟動的方式以降低瞬時啟動電流對UPS的影響。

2.4 LED燈

近幾年，以LED為代表的固態光源發展迅速。LED燈具有光效高、可以瞬時啟動、壽命長、體積小等特點。從應急照明的需求分析，由于LED光效高，大功率的LED燈可以提供足夠多的光通量，可以設置較少數量的燈具滿足高大空間安全照明和疏散照明的照度要求。此外LED的瞬時響應的特性使其非常適合在緊急狀態下快速啟動，并迅速達到最大輸出。但是，現階段大功率LED燈在散熱、顯色性、眩光控制、色漂移、閃爍等方面與小功率LED燈相比還存在缺陷，影響了LED燈在室內空間的廣泛應用。在高大室內空間應用LED燈作為應急照明的光源時，上述問題是否會影響照明效果？設計師則應針對具體情況具體分析。

散熱是LED燈在設計使用中被關注的重點，不良的散熱條件會影響LED燈的壽命、降低光源光通量，甚至導致LED燈損壞。在展廳、體育館等高大空間，燈具安裝尺寸的限制要遠小于普通的辦公空間，安裝于高頂棚的燈具通常其散熱、通風條件更好，安裝空間更大，可以采用更大散熱片的LED燈具，從而可以從很大程度上消除溫升對LED燈的影響。

高顯色性的光源確實會提高人員判別疏散通道的細節，但較低的顯色性也不會明顯降低人員對疏散線路的辨識。從現行規范的角度，也無對疏散照明顯色性指數的要求。即使某些大功率LED的顯色指數偏低，理論上并不影響其作為應急照明光源被采用。況且現在時常上的高顯色性的大功率LED燈越來越普遍，價格與使用傳統光源的燈相比也更具競爭力。

LED光源尺寸小，亮度高，眩光問題相比其他傳統光源更為明顯，這是LED燈在室內照明中遇到的一個主要問題。但針對高大的室內空間，眩光的影響要小于通常的室內場所，當房間高度超過12 m時，一方面LED的眩光對人眼的影響明顯降低，另一方面，高天棚燈具設計適當的遮光角也較容易實現。且在應急條件下，除非是嚴重的失能型眩光需嚴格避免外，對于影響照明舒適性的眩光指標并無嚴格要求。

綜上所述，表1總結了上述幾類光源的主要特點。

表1 各類光源特性比較

從以上分析可以看出，在高大空間這種特殊場所，大功率LED燈與其他光源相比，更適合作為應急照明的光源。

在筆者設計的某展廳項目中，室內空間長200 m，寬度105 m，燈具安裝高度約為32 m。如果配置150 W鹵素燈應用于安全照明，為滿足10 lx的最低地面水平照度需要設計174套燈具，總安裝功率為26.1 kW。如采用125 W、6 U的緊湊型熒光燈，要達到同樣照度水平需要安裝69套燈具，安裝功率約8.6 kW。

本項目最終的實施方案為采用功率300 W的LED燈，其額定光通量為33 700 lm，峰值光強為87 200 cd，展廳共安裝了465套LED燈具，其中29套作為平時和應急通用的燈具，僅開啟這29套燈具時，地面的最低水平照度達到16 lx，平均照度達到23 lx，總安裝功率為 8.7 kW，現場的照明效果良好。地面水平照度比采用鹵鎢燈的模擬計算照度水平提高50%，安裝功率僅是鹵鎢燈方案的33.3%。

在LED燈的應用中，需注意大功率LED燈配置有較大的散熱片，通常重量要遠大于傳統燈具，本例中采用的LED燈重量就達27 kg，在屋頂馬道的結構設計中要考慮LED燈的安裝重量并采用一定強度的固定構件，防止氣流擾動引起燈具的擺動。

此外，由于LED燈的驅動模塊中存在電容儲能和濾波環節，在燈具啟動過程中需要提供電容的充電電流，因此當LED功率較小時，充電電流與系統容量相比，可忽略不計，而LED燈功率超過100 W且數量較多時，設計電源系統時就要考慮啟動電流的沖擊影響?，F在電氣設計中通常以EPS作為應急照明的應急電源，而EPS的逆變輸出端的IGBT是典型的電流敏感開關器件，EPS利用霍爾元件檢測流過IGBT的電流，一旦電流超過閾值，即通過控制觸發電路，及時關斷相應的IGBT，防止大電流損壞IGBT。如果EPS的容量沒有足夠的裕度，LED的啟動電流很可能會觸發IGBT的保護電路，導致應急照明無法啟動。

這種情況在平時由市政電源供電時不會發生，很容易被設計師和現場施工人員忽視，如果EPS選擇不恰當，在緊急情況下需要EPS電池供電時，會造成應急照明無法啟動，影響人員疏散。

以本項目中300W的LED為例，燈具正常工作電流有效值為1.6 A，峰值為2.3 A，而實際測試中啟動的瞬時峰值電流達到10 A。用一臺額定容量為10 kW的EPS為8套LED燈供電，EPS的電池可以正常啟動。當同時啟動12套LED燈時，EPS電池即發生自保護。以筆者測試的多套不同廠家的EPS系統數據進行歸納，EPS的額定容量應大于驅動的LED燈的容量2.5倍以上，才能保證電池啟動順利完成。當然這個數據與EPS廠家選用的IGBT參數、控制保護策略等也有直接關系。

因此，當高大空間選用大功率LED作為光源，并采用EPS作為應急電源時，設計師宜增加EPS的容量，或采用分回路啟動的方式，降低同時啟動的電流沖擊，或者采用過零觸發的方式，選擇在nπ (n=1,2,3……) 時刻觸發，消除電壓差減少啟動電流。在照明系統調試過程中，筆者也曾嘗試在回路中設置電抗器的方式限制電流的突變，但由于不同回路的自身感抗因回路長度、敷設方式的不同而不同，選用的電抗器參數不易設置，如設置錯誤反而會引起系統震蕩，影響系統的正常運行，因此當系統參數不確定時，筆者不建議串聯電抗器的方式。

3 結論

通過分析鹵鎢燈、緊湊型熒光燈、高強度氣體放電燈和LED的特性，可以看出，僅考慮應急照明系統時，LED燈在照明效果、節能、運維等方面比其他傳統光源具有明顯優勢，應予以優先選用。在選用大功率LED燈時，應注意其啟動電流、散熱、眩光等的影響，保證照明效果。

高大空間由于其建筑自身的特點，應急照明的重要性不言而喻。設計師應充分重視此系統中光源的選擇，并根據所選光源的特點，配置適當的電源系統，通過計算和實測確定最終的照明效果，保證在出現緊急情況下人員可以在安全的照明條件下進行疏散。

[1] 體育場館照明設計及檢測標準：JGJ 153—2016.

[2] 火災自動報警系統設計規范:GB 50116—2013.

[3] 建筑設計防火規范:GB 50016—2014.

[4] 建筑照明設計標準范:GB 50034—2013.

[5] 體育建筑電氣設計規范:JGJ 354—2014.

[6] 會展建筑電氣設計規范:JGJ 333—2014.

[7] 交通建筑電氣設計規范:JGJ 243—2011.

[8] 民用建筑電氣防火設計規程:DGJ 08-2048—2016.

[9] 李鵬，高小平，孫斌. LED光源應用于高大廠房照明的關鍵技術. 照明工程學報，2015,26(3):21-26.

[10] 文尚勝. LED燈具的光品質分析. 照明工程學報, 2011,22(5):107-110.

[11] 董藝. 展覽建筑展廳高大空間照明設計與管理. 現代建筑電氣, 2013(增刊)：257-262.

[12] 謝子建，葉海東，張昕，等. LED半導體照明在室內35米以上高大空間的應用//2014年中國照明論壇——LED照明產品設計、應用與創新論壇論文集.北京：中國照明學會，2014.

Light Source Selection for Emergency Lighting Design in High Indoor Space

WANG Lei

(ArchitecturalResearch&DesignInstituteofTsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

The emergency lighting is of crucial importance to the safety of people in high indoor space. The feasibility of various light sources to be applied in emergency lighting system in high indoor spaces is illustrated by analyzing the characteristics of emergency lighting design and light sources such as halogen lamp, compact fluorescent lamp (CPL), high intensity gas discharge lamp (HID) and light-emitting diode (LED) lamp. Suggestions on high indoor emergency lighting design are provided according to the research conclusion.

emergency lighting; high indoor space; LED； light source; lighting design

TU88

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.04.012