楼梯间铺设LED灯带辅助疏散效果研究
陈铁鑫 吴宏达 刘海啸
（武警学院研究生三队，河北 廊坊）
摘要：为提高发生火灾时人群在楼梯间的疏散效率，避免人群因发生拥挤时对应急照明灯的光线产生遮挡作用，代替现行的用于辅助照明的荧光材料，提出了利用LED灯带辅助应急照明的新设想。通过实验验证该设想的可行性，按不同照明条件共将实验划分为7组，实验结果表明，疏散人数较少时，应急照明灯可以起到良好的疏散效果，但随着人数的增加，应急照明灯的作用逐渐下降，LED灯带的优势逐渐显现出来。
关键词：楼梯间；疏散效果；应急照明装置；LED灯带
1 研究背景
建筑发生火灾时，普通电梯不能用作人员疏散，楼梯间作为人员安全疏散的必要通道，其应急照明及疏散指示标志的设置情况，直接影响到人员的生命安全。众多火灾事故表明，楼梯间亮度不能达到疏散要求，使得人员不能及时有效地疏散，造成大量伤亡。
目前，市场上运用到的高亮度双头消防应急灯、疏散指示标志使用的都是LED灯。但是实际应用中往往会出现消防应急灯因长期不使用而老化，达不到疏散所需要的亮度要求，以至疏散人员无法掌握疏散路况；即使消防应急灯达到了规范规定的亮度要求，但由于疏散过程中常会发生人员拥挤，遮挡光线的情况，加之火灾烟气的减光性危害，同样可能使得人员无法掌握疏散路况，从而降低疏散效率。因此，楼梯间新型应急照明方式的运用，将直接影响建筑内人员的疏散效果。
世界贸易中心（WTC）首先新型应急照明方式。1993年，WTC遭到恐怖袭击，地下停车场内一辆满载爆炸性物质的车辆发生爆炸，并引起周围车辆剧烈燃烧，燃烧产生的烟雾沿楼梯间向地上建筑蔓延。由于爆炸破坏了普通和应急配电系统，WTC内近万名工作人员不得不在充满烟气并且能见度极低的楼梯间内进行疏散［1］。火灾事故发生后，为解决这一疏散问题，美国纽约新泽西港务局决定在WTC内所有楼梯踏步边沿喷涂荧光材料［2］，具体的实施情况如图1所示。
图1 WTC内楼梯间荧光材料
荧光材料吸收太阳光中的光子能量后使得电子跃迁到更高能级，电子处于高能级时为非稳态，易失去能量重新跃迁回低能级，当电子跃迁到低能级时会损失一部分能量，这部分能量便产生了荧光。利用荧光材料的这一特性，将其运用在楼梯间内，当普通照明灯停止工作时，荧光材料便释放吸收的光子发出荧光，提高疏散效率。2001年WTC再一次遭到恐怖袭击，在NIST进行的事后调查中发现，有33％的幸存者是在荧光材料的指引和帮助下成功逃生的［3］。
但是，目前我国的荧光材料的主要成分是ZnS、SrS和CaS，其中SrS与CaS材料易潮解，所以市场上主要运用的是ZnS材料，但是ZnS它的余晖时间只有2～3h，并且在强光（太阳光）、紫外光作用下容易变质发黑。为延长余晖时间，可以添加钴、铜共同激活ZnS材料，但是会出现红外猝灭现象［4］，及在电灯光（包含较多红光）的照射下，余晖很快熄灭的现象。也可以在ZnS材料中掺入同位素钜147，但放射性同位素的介入，不符合环境保护的要求，并且人体长期接触容易诱发癌症。目前虽然已经研发出无公害的荧光材料，但其专利权属于日本，成本较高。所以荧光材料在WTC中成功运用的案例并不适合我国国情。为解决这一问题，笔者设想利用LED灯带代替荧光材料来辅助疏散照明系统，LED灯具有以下几个特点。
（1）响应快，电致发光原理赋予LED灯带只需几毫秒的响应时间。
（2）安全，驱动单颗LED仅需2.5～3V，驱动电流为几十毫安。
（3）亮度高，峰值亮度要远大于荧光灯。
（4）工作寿命长，普通的LED灯带工作寿命为5万小时。
为研究楼梯间内铺设LED灯带辅助应急照明系统的效果，将进行七组实验实际测量。
2 试验介绍
实验地点选择在武警学院消防实验楼西侧敞开式楼梯间，该实验楼共5层，层高4.2m，共两部疏散楼梯间，采用双跑形式，梯段共14阶踏步，踏步长1.5m，宽0.26m，楼梯间铺设的灯带为绿色圆二线灯带，工作电压220V。用秒表记录每次实验中全部参与人员从起始点疏散到终点所需的时间。起始点设于楼梯间顶层的顶部；终点设于首层楼梯间的底部。实验过程中部分截图如图2～图5所示。
图2 应急照明灯启动
图3 楼梯扶手LED灯带铺设方式
图4 楼梯踏步前沿LED灯铺设方式
图5 楼梯扶手、踏步前沿LED灯铺设方式
实验共分为7组。
（1）未设置任何照明装置。
（2）只设置疏散照明装置。
（3）只沿楼梯扶手设置LED灯带。
（4）只沿楼梯踏步前沿设置LED灯带。
（5）设置疏散照明装置，并沿楼梯扶手设置LED灯带。
（6）设置疏散照明装置，并沿踏步前沿设置LED灯带。
（7）设置疏散照明装置，并沿楼梯扶手、踏步前沿设置LED灯带。
每组实验分为5次，参与人数分别为5人（其中女生1人）、10人（其中女生2人）、15人（其中女生3人）、20人（其中女生4人）、25人（其中女生5人），参与人员年龄均为22～24岁。
3 实验结果与数据分析
分别记录实验中测得的疏散时间，并且计算得到疏散速度，结果如表1所示。
表1 各组实验中疏散时间和疏散速度
3.1 应急照明装置的局限性
根据第1组、第2组、第7组数据作图分析可发现：当实验人数为5人时，第1组未设置照明装置时疏散时间为113.53s，第2组应急照明灯启动后疏散效率明显提高，疏散时间降为67.32s，比第1组实验减少40.7％。但是随着实验人数的增加，应急照明灯的效果逐渐降低，当实验人数为25人时，第2组实验仅比第1组实验减少14.67％，然而此时，第7组实验中启动应急照明灯，并且在楼梯踏步、扶手铺设LED灯带，疏散时间比第1组缩短46.48％。第1、2、7组数据对比如图6所示。
图6 第1、2、7组实验数据对比
疏散人数较多时往往会出现拥挤现象，由于应急照明灯发出的光线被人群遮挡，部分人员在辨别楼梯路况时出现停滞现象，降低疏散效率。然而铺设LED灯带后，由于光源处于人群脚下，且灯带中每个独立的LED灯均位于扶手边缘、踏步边沿，使疏散人员不用刻意去辨别楼梯路况，避免人群发生拥挤，缩短疏散所需时间。所以实验效果证明铺设LED灯带辅助应急照明系统，比应急照明系统单独工作具有更明显的优势。
3.2 LED灯带工作电压问题
根据直观判断，第7组实验中所需疏散时间应该比第4、6组更短，但实验结果却和我们的猜测恰恰相反。根据第4、6、7组数据分析可发现，每组实验中疏散所需时间相差均在正负5s之内，疏散效果相差不大。部分实验人员表示在第7组实验中，由于LED灯带发出的光线亮度太强，在疏散时产生视觉疲劳，出现轻微的眩晕现象。这是导致第7组实验未能达到预期效果的直接原因。通过照度计测量，楼梯间铺设LED灯带在220V电压下工作时，其照度在135～150lx之间，而应急照明灯工作时，照度仅为10～12lx。这也是造成在分析第3、5组和4、6组实验数据时，发现应急照明灯和LED灯带共同工作时，并不比LED灯带单独工作时有具有明显优势的原因，此时，LED灯带才是提高疏散效率的主导因素。
4 结论
为了辅助楼梯间应急照明系统，笔者提出用LED灯代替荧光材料的设想。通过上述7组实验表明，当人数较少时应急照明灯启动可以大幅度提高疏散效率，但是随着疏散人数的增多，应急照明灯的作用逐渐降低。在人员密集的场所内，楼梯间往往会出现人员拥挤的现象，并且由于缺少日常维护，应急照明灯往往无法满足亮度要求，一旦发生火灾，加之烟气对光线的遮挡作用，应急照明灯很难达到预期效果。而楼梯间铺设LED灯带时，由于光源位于脚下，使疏散人员很容易掌握楼梯路况，并且随着疏散人数的增多，LED灯带的这种优势越发明显。
但是，在本次试验中，事先未考虑到LED灯带在220V电压下工作产生的光线亮度过大的情况，导致部分实验人员出现眩晕状态，并且造成LED灯带本身作为辅助装置，却造成了辅助装置在第4、6组实验中占据主导地位的情况。至于LED灯带在日常状态和着火状态下的理想工作电压应设为多少，需要进一步的研究。
除上述未考虑LED灯带工作电压的问题，实验中还存在另外一些影响实验结果的因素。
（1）由于条件限制，实验人员选择年龄均在22～24岁，年龄层比较单一，考虑到该年龄层人员反应能力叫快、身体素质较强，所以实验结果缺乏普遍性。
（2）敞开楼梯间具有外窗，在试验中会通过外窗射入部分可见光，对实验结果产生影响。
针对这些问题，会在今后的研究工作中加以改正。
参考文献
［1］ Isner MS，Klem TJ.World Trade Center Explosion and Fire Investigation Report.1993.National Fire Protection Association，MA，59.
［2］ Averill JD，Mileti DS.Federal Building and Fire Safety Investigation of the World Trade Center Disaster.2005.174.
［3］ New York City Building Code.2005.RS 6-1 and RS 6-1 A.
［4］ 杨曼曼，席小莉，杨频.荧光淬灭和加强理论公式合理性的热力学分析.化学学报，2007.28（8）：13-14.