消防光警報器中光源的選擇與應用研究

作者簡介：

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：

在所有消防施工項目中，消防光警報器是一種必不可少的機電設備。本文分析了消防光警報器中常用的氙燈和LED燈兩種光源的基本工作原理及其主要特點，用光譜輻射計測量了光學性能，主要包括相對光譜圖以及光效、光通量等指標。通過對比發現，氙燈光源更加接近太陽光光譜，能夠獲得均勻的照明效果，提高視覺舒適性。同時，分析了模擬的火災環境中煙霧隨時間變化的分布特性，探討了不同波長光的穿透煙霧的性能。結果表明，氙燈在可見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，更適合在火災現場的應用。

關鍵詞：火災；光警報器；氙燈；LED燈；相對光譜；光通量；煙霧

引言

在工程應用中，消防光警報器主要用于在火災等緊急情況下發出炫目的閃光，警示建筑中人員，同時有效指示疏散的關鍵部位，引導人員有效疏散[1]。光警報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中，有經驗的工程師通常會建議業主采用氙燈光源。本文對提出這種建議的原因進行了比較深入的分析，主要從光學性能以及穿透火災現場煙霧能力的角度為此種選擇提供了依據，并分析了未來發展中LED所具備的潛力。

一、兩種光源的基本特性

（一）氙燈光源

氙氣燈是一種傳統的照明光源，其工作原理是通過電流在氙氣充填的燈泡中產生電弧放電，激發氙氣原子釋放紫外線，再由熒光粉轉換為可見光，從而產生強烈的白光，主要特點是亮度高。

（二）LED燈光源

LED燈是一種新型照明光源，屬于固態半導體器件，其工作原理是通過半導體材料在電流作用下發光。當電流通過LED芯片時，激發半導體材料中的電子，使其躍遷并釋放光子，從而產生可見光，主要特點是節能、壽命長[2]。

二、兩種光源光學性能的測試

（一）測試樣品準備

本研究購買了長禾消防報警設備銷售的氙燈聲光警報器和LED聲光警報器作為樣品。兩個警報器除光源不同外，其他標稱的工作條件均相同：工作電壓24v，閃光頻率1Hz-2Hz。

（二）測試儀器的基本原理

樣品測量采用高精度快速光譜輻射計，其型號為HAAS-2000。該光譜輻射計可以對光源的光度和色度進行準確而快速的測量分析[3]。其設計是在基于滿足國際照明委員會CLE標準出版物的基礎上而形成的，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壁經過多次反射之后產生的光照度疊加在積分球的球壁上任意一點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B的光照度E為：

E=E1+Φ4πR2*ρ1-ρ

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

（三）測試結果及分析

1.相對光譜

氙燈光源光譜更加均勻，更接近太陽光的光譜分布。這樣能夠減少眩光和色彩失真，提高視覺舒適度，適合長時間觀察和工作。作為在火災現場需要持續工作的一種報警設備，氙燈光源對人的視覺更加友好。

2.測試條件及主要光學性能結果指標

可以發現LED燈的相關色溫CCT（全稱為CorrelatedColorTemperature）遠高于氙燈，屬于冷光源。氙燈的CCT是接近自然光（通常的CCT值在5000-6500開爾文之間）的，會讓人的眼睛更加舒適，不易造成視覺疲勞和眼睛干澀等癥狀。

光效是指光源產生的可見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）來表示光效，即每瓦消耗的電功率可產生多少流明的可見光輸出。光效越高，表示光源可以更高效轉換電能為光能，同時也意味著更節能和更環保。從測試結果看，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出的總光功率，通常用單位流明（lm）來表示。光通量是描述光源總體亮度的參數，與光源發出的光的總量相關。光通量的數值大小表示光源發出的總光量，數值越大表示光源發出的光越強烈。可見氙燈光源發出的光更強烈。

根據GB26851-2011《火災聲和/或光警報器》4.1.2.2規定[5]：火災光警報器的光信號在100lx-500lx環境光線下，25m處應清晰可見，可見氙燈對于實現本條規定更有優勢。

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

火災現場通常會有大量煙霧。根據GB50116-2013《火災自動報警系統設計規范》[6]第6.5.3條規定：當火災警報器采用壁掛方式安裝時，其底邊距離地面的高度應大于2.2m（根據人員的身高情況，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]一個高度為2.9m、面積為60m2的房間，模擬在自噴系統和機械排煙系統均失效、門窗開啟的狀態下，著火房間煙層高度的變化：50s后煙層高度開始急劇下降，而煙層高度基本穩定到1.25m需要經過200s的時間；煙層高度基本穩定后，著火房間疏散門處的煙層下降至1.8m左右。可見火災發生后若火災自動報警控制器處于手動狀態，火焰溫度不足以使自噴系統的噴頭爆裂，煙氣就會在幾分鐘的時間內籠罩光警報器。因此，除了對正常環境下消防光警報器的光照度有要求外，也應該對光源穿透煙霧的能力提出一定要求，才能達到其有效指示疏散的關鍵作用。

（二）光穿透煙霧能力的實驗驗證

馮繼青等人[8]計算了當煙霧濃度隨時間變化時，不同波長激光穿過煙霧后透過率相應的變化，并進行了相應的實驗驗證。當煙霧濃度隨時間變化時（如圖4），試驗波長的激光透過率變化趨勢一致，都是先下降至一個最低值（此時相應煙霧濃度最大），然后再逐漸上升最后達到一個穩定值（與煙霧濃度的變化趨勢相反），如圖5所示。

圖5反映出了當煙霧濃度很大時，接近可見光波段的光透過率下降非常明顯（因為0.8和1.06波長相差比較小，所以兩條線基本重合）。同時，也反映出光波長越長，煙霧中的微小顆粒對燈光的散射和吸收越少，光的透過率越高。可見煙霧對光透過率影響很大，有必要對消防光警報器光源穿透煙霧的能力進行認真分析，以對實際工程建設提供有價值的建議。

（三）兩種光源穿透煙霧能力的分析

通過對比圖2和圖3消防聲光警報器分別采用氙燈和LED燈兩種光源時測量得到的相對光譜圖，可以明顯看到氙燈光源在380nm到800nm的整個波段光譜分布比較均勻，光譜連續且相對較寬，特別是在波長比較長的紅光波段能量比較充足。LED光源的能量在400nm左右藍光波段有一個較強的峰值，這個波段的光波長較短，而在相對較長波段的光能分布形成另外一個以500nm左右綠光波段為峰值的弦線，以致在600nm-800nm長波段能量非常小。結合光源穿透煙霧能力的分析得知，波長越長，穿透煙霧的能力越強。可以得出結論：目前市場上的消防聲光報警器中，采用氙燈作為光源的產品比采用LED光作為光源的產品穿透煙霧的能力更強，因而更適合在火災現場的應用。

結語

綜上所述，本文對分別采用氙燈光源和LED光源的兩種消防聲光警報器的光源部分光學特性進行了測量，分析了模擬的火災環境中煙霧分布隨時間變化的分布特性以及不同波長光的穿透煙霧的性能。得出結論：氙燈光源的相對光譜分布比LED光源更加接近太陽光的相對光譜分布，對人的視覺更加友好，不易造成視覺疲勞和眼睛干澀等癥狀。在火災等煙霧環境下，氙燈光源在靠近紅色光的長波波段的光能量更為充足，能夠提供相對清晰的視野，對人員的指引作用更加有效，有助于人們進行逃生或救援行動。LED光源的穿透能力相對較弱，能見度較低。因此，在火災現場等需要穿透煙霧的環境中，氙燈光源更適合應用。雖然LED的光譜比較窄，但是可以通過一定的技術更改光譜中顏色組成，色溫也可以根據需求改變，從而使整體性能更加優于氙燈，并且LED在光效方面存在一定優勢，因此未來LED在消防聲光警報器中可能更具潛力。

參考文獻

[1]徐玲獻，劉凱，張穎琮.火災警報器的設置解讀《〈火災自動報警系統設計規范〉圖示》[J].建筑電氣，2014，33（09）：23-26.

[2]邵若燕，劉建軍，吳睿驊，等.脈沖氙燈電源研究[J].強激光與粒子束，2019，31（02）：12-16.

[3]孫茂占.照明光源的革命談新一代照明光源LED[J].新材料新裝飾，2014（01）：5.

[4]明文威.汽車光源光通量的測量方法[J].時代汽車，2018（03）：98-99.

[5]GB26851-2011火災聲和/或光警報器[S].中國標準出版社，2012.

[6]GB50116-2013火災自動報警系統設計規范[S].中國計劃出版社，2014.

[7]林熙.基于Pyrosim的老年人照料設施火災模擬分析[J].河南科技，2022，41（14）：26-31.

[8]馮繼青，高春清，劉義東，等.激光對于煙霧的穿透特性分析[J].光學技術，2006，32（06）：883-885.