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体育场馆照明现状分析及展望
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体育场馆照明现状分析及展望
 

 
通过对大量体育场馆照明的实测和调查,取得了包括照明水平、照明质量、照明设计以及照明用电的大量数据,统计分析这些数据对正在修订的《体育场馆照明设计及检测标准》可提供有价值的参考依据,对指导体育场馆照明设计和照明节能具有重要意义。



1.  引言
 
我国自2008年成功举办第29届夏季奥运会之后,现又成功申办2022年冬季奥运会,我国正在从一个体育大国向体育强国迈进。根据国家《关于加快发展体育产业促进体育消费的若干意见》及两会政府工作报告提出的“发展全民健身、竞技体育和体育产业”的精神,体育产业将成为推动经济持续增长的重要力量。截至2013年底,全国共有体育场地169万多个,大型体育场馆6000多座[1],在未来几年,我国体育场馆的数量还将持续增多,这说明我国体育场馆建设仍处于高速发展阶段。对于未来将要兴建的体育场馆,规划上要更加科学,设计上要更加合理,功能上首先要满足体育运动和体育赛事的要求,特别是我国已初步形成了体育职业赛事体系,并承接越来越多的国际重大赛事,对体育场馆的各项要求也就更加严格。
 
体育照明的功能性要求很高,特别是有电视转播的体育场馆对照明的功能性要求就更高,体育场馆中的高照度、高均匀度、高光源显色性等除了要求有好的照明产品、合理的马道设置和高水平的照明设计以外,随之而来的还有高的耗电量。大量的实测调查表明,由于马道位置即灯具安装高度设计不合理,不但直接影响各项照明技术指标,而且还会造成电能的大量浪费。本文将通过对大量体育场馆的实测调查,对照明设计的各项技术指标以及影响照明功率密度的主要因素进行分析,以便为照明设计师在进行体育场馆照明设计时提供参考依据。同时,对目前照明应用中特别引起热议的问题——LED能否用于体育照明作进一步探讨。
 
2.  体育场馆照明实测调查
 
中国建筑科学研究院建工质检中心多年来对全国数百个体育场馆进行了照明检测,并承担了奥运会、亚运会、大运会和历届全运会全部场馆的照明检测、调试和验收工作,积累了大量的照明工程现场检测数据。在《体育照明设计及检测标准》修订过程中编制组各成员单位及照明公司在国内外设计了大量重要体育场馆,在照明设计方面占有很重要的地位,具有极丰富的设计经验,为编制组提供了很多有价值的数据。分析和总结这些宝贵资料对我们完成该标准修订奠定了基础。
 
2.1 场馆实测调查概况
 
采集到的数据包括对全国重要体育场馆现场实测统计整理的300多个场馆,全部为比赛场馆,其中包括大量高级别比赛场馆(Ⅴ或Ⅵ级),另有来自各照明设计单位提供的国内外重大体育场馆的照明设计数据,收集到的场馆数据共计1000多例,以室外体育场、综合体育馆、网球馆、游泳馆居多,有比赛场馆和训练场馆。在1000多例数据中,由于项目内容不全、或检测数据不能达到标准要求等,统计时已将这部分场馆去除,能够参与统计分析的体育场馆数量共计900多个,其中比赛场馆462个和训练场馆约440个。实测调查的内容包括照明方式、灯具安装高度、照明功率、照度、照度均匀度、照度比率、显色指数、色温、眩光等。
 
2.2 场馆的数量和功能等级
 
实测调查的比赛场馆中以室外体育场和综合体育馆居多,功能等级V级的场馆个数略高于Ⅳ级和Ⅵ级,见表1。
 

2.3 灯具安装高度与功能等级
 
根据灯具安装高度统计结果可得出以下结论:
 
(1)体育场灯具安装高度在40m≤h<50m之间的个数占各种高度总数的45.7%,也就是说现有体育场的灯具安装高度几乎有一半都在40m~50m之间;体育馆、网球馆、游泳馆灯具安装高度在15m≤h<25m之间的个数占各种高度总数的60%以上,也就是说体育馆的灯具安装高度一般都在15m~25m之间。
 
(2)总体来说,灯具高度偏低时,低级别(Ⅳ)比赛场馆出现的几率偏大;灯具高度偏高时,高级别(Ⅵ)比赛场馆出现的几率偏大,因为高级别是指重大赛事、高清电视转播,体育场馆容纳的观众席座位多,体量大,马道的位置(灯具安装高度)也会相应提高。灯具安装高度范围以及与运动等级的关系见表2~表3:

注:灯具高度为马道高度,取其马道最高高度。
 
 
3
.  统计数据误差分析与数据取舍
 
在实测调查的900多个场馆数据中由于各种原因,如马道位置设置不合理、灯具配光选择不当以及建筑结构遮挡严重等,造成有的数据离散性较大,根据统计学原理,按误差理论对数据进行取舍。
 
3.1 统计学允许的合理误差范围
 
误差概率分布:当统计值的误差介于±0.6745 (标准误差)范围时,概率为50%;误差介于±2 范围时,概率为95%;误差介于±3 范围时,概率为99.7%;误差出现在±3 范围以外的几率只有0.3%。在有限的统计数据中,一般选择概率误差3 至5 作为合理误差范围或统计上允许的最大概率误差。
 
3.2 可疑统计值的取舍方法
 
通常在一组统计值中会发现某一统计值与其余统计值相差很大,如果保留这一数值,则对平均值及或然误差都将产生很大影响,如果没有充分的理由,则只有根据误差理论决定数值的取舍才是正确的。决定数据取舍的步骤如下:
(1)求出算术平均值以及单个数值的概率误差,计算时可疑数据均应包括在内;
(2)算出可疑的较大偏差与概率误差之比 ;
(3)根据表4中所列统计量个数(n)与对应的偏差d同概率误差y之比( ),决定数据的取舍;
(4)如果统计值的 大于表中的 ,则可舍掉这一统计值。

上述数值舍弃法则是根据Chauvenet数值舍弃标准简化而来的。根据以上原则对实测调查的数据进行了处理,舍弃了个别离散性大的可疑数值。
 
 
4
 实测调查结果分析
 
实测调查结果表明:对于大多数体育场馆来说,由于采用了高性能的光源、灯具产品,具有高效、环保、节能、长寿命等特点,加上高水平的照明设计,各项技术指标基本上都能达到JGJ153《体育场馆照明设计及检测标准》规定的技术指标。本文仅就照明指标与照明节能的关系作进一步分析,从而确定合理的照明功率密度值。
 
4.1 照明指标与照明节能
 
(1)照度和照度均匀度是照明设计中的重要指标,也是照明检测中的主要内容,特别是电视转播对摄像机方向的垂直照度及其照度均匀度有很高的要求,当场地建筑条件(马道过短或过于靠近场地)或其他条件(运动员正前方不能布灯)受到限制时,这一指标很难达到,实践证明灯杆和马道的位置对实施照明方案特别重要,因此在建筑设计时应给予重视;
(2)照度比率:指平均水平照度与平均垂直照度之比,无电视转播时,水平照度值有具体规定,有电视转播要求时,标准中只对水平照度值规定一个范围,即平均水平照度为平均垂直照度的0.75~1.5倍,垂直照度的取值主要由摄像杌类型和电视转播的要求决定,水平照度与垂直照度之比值主要是为了保证整个的照明效果和照明立体感。
控制这项指标有时比较困难,特别是当受到场地和马道条件的限制时,往往需要通过提高水平照度的方法来提高垂直照度值,致使这一比值过大,这样不仅影响照明质量,而且还会大大增加照明功率,造成能源浪费。通过合理的照明设计,将这一指标有效地控制在规定的范围内,对提高照明质量和节约电能有很重要的意义。本调查结果所得照度比率如表5所示。


国际照明委员会(CIE)、国际体育联合会(GAISF)规定平均水平照度和平均垂直照度的比值在0.5~2.0之间,国际广播电视服务机构(OBS)规定主赛区(PA)的比值为0.75~1.5,总赛区(TA)的比值为0.5~2.0,根据编制组对我国体育场馆的实测调查统计结果表明,体育场水平照度与垂直照度之比定在0. 75~1.8;体育馆的定在1.0~2.0之间比较合理,这样更有利于节能。
 
4.2 照明功率密度值
 

我国《建筑照明设计标准》、《城市道路照明设计标准》和《城市夜景明设计规范》中对办公建筑、商业建筑、交通建筑、工业建筑以及道路等均规定了照明功率密度值。在《建筑照明设计标准》和《体育场馆照明设计及检测标准》中尚未对体育场馆的照明功率密度作出规定。由于体育建筑结构的复杂性、竞赛项目的多样化以及体育比赛对照明的高要求,确定其照明功率密度具有一定的难度。
 
相关调查表明,不同类型场地,包括体育场、体育馆、游泳馆、网球馆,达到相同照度时所需要的照明功率有的可相差5倍以上,同样由于建筑结构的不同,相同场地,达到同一照度时,照明功率密度也可相差几倍,可见制定体育场馆的照明功率密度值对照明节能具有重要意义[2]。本文按照上述误差理论,对现场检测和照明设计所取得的数据进行分析整理,取得了无电视转播训练场馆和有电视转播比赛场馆的照明功率密度(LPD)值,为制定体育场馆照明功率密度值提供了参考依据。将实测调查的462个比赛场馆的数据按误差理论进行数据处理,最后总计有448个比赛场馆用来统计照明功率密度(LPD)值。本文主要对常用的金囟灯的4类场馆(体育场、体育馆、网球馆、游泳馆)统计分析了照明功率密度值。以体育场和体育馆为例,分析统计结果见表6~表7。

注:
 
(1)照明方式除体育场有少量为组合式(光带+灯杆)外,基本上都是马道光带式照明。
(2)照明功率密度值均按各等级的主摄像机照度进行折算,并考虑维护系数0.8。

为了更进一步说明体育场馆中照明功率密度的变化规律,将上述实测调查统计结果以体育场为例,将田径和足球项目绘制成图,以便于分析和理解。灯具安装高度与功率密度的关系及比赛等级与功率密度的关系如图1~图4所示。


由实测调查结果可以得出以下几点结论:
 
(1)相同功能等级下,照明功率密度值随灯具安装高度的增加而增加,规律性强;
(2)照明功率密度与功能等级有关,等级越高照明功率密度越大,且为非线性关系。
(3)室外体育场(足球兼田径)足球场地的照明功率密度比田径场地的照明功率密度高,与场地面积大小有关;
(4)对于综合性体育场馆应设计不同的开灯模式。
 
 
5
.  展望
 
体育场馆场地照明多采用传统高强度气体放电灯——金卤灯,照明灯功率高达1OOOW/2000W,灯具安装高度可达到50m~60m。随着LED照明应用的快速发展,LED在体育场馆照明中的应用也引起越来越多人的关注。到目前为止,国内外已有一批新建和改建的体育场馆采用了LED照明,特别是训练场馆,如我国的国家体育总局训练场馆、奥体中心训练场馆、工人体育场足球场、汕头大学体育场馆以及美国的密歇根州立大学等多所大学的体育场馆都已采用了LED照明,比赛场馆也在开始采用LED照明,如美国的NRG体育场、PNC体育馆、英国的切尔西足球场、法国的Ekinox体育馆等均采用了LED照明[3]。预期到2022年冬奥会将会有更多的体育场馆采用LED照明。
 
LED照明以其耗电量小、色品质可调、控制灵活、能瞬时点燃等独有特点,较适合用于体育照明。由于体育场馆要兼顾比赛和电视转播,所以对照明的要求很高,对LED照明的稳定性、眩光、频闪等一系列问题需作进一步深入探讨。将LED用于体育场馆照明必须在产品性能和应用技术上达到相应的要求,如下:
 
(1)LED产品性能要求:
 
(a)LED灯功率和光效值:体育比赛场馆的场地照明照度高达2000lx,虽然LED光源的发光效率高,但要达到如此高的照度,单灯功率也得达到几百瓦(体育馆)甚至上千瓦(体育场),这样大功率的灯散热是一个大问题,各企业也在致力解决这一问题,目前国内外已有此类产品推向市场,形成单灯1OOOW的系列产品,并用于体育场馆和港口码头。根据国家建工质检中心2014年对我国几家主要LED生产企业体育场馆灯具的检测结果,灯具效能均在90lm/W以上,可见LED光效是能满足要求的。
(b)LED的颜色性能指标:显色指数CRI是评价颜色的重要指标,国际上新开发的CQS是一新的显色指数评价系统,适用于传统光源和SSL光源,相对于当前占市场主导地位的激发荧光粉产生白光的LED,CRI评价方法仍然可以采用,对于由蓝光激发黄色荧光粉的发射光谱主要是黄绿光,缺少红光成分R9,所以在相关标准中应增加对风的规定。此外,评价LED颜色性能指标的还有色温、同类光源的色容差、寿命期内的色偏差以及灯具在不同方向上的偏差。因为体育场馆有电视转播,颜色性能无疑是很重要的。
(c)LED灯具配光:体育场馆的灯具安装高度通常在十几米到几十米之间,而且对照度均匀度的要求极高(指高级别的比赛),光的投射距离有的达到一百几十米,光束角也就只有几度,不同的投射距离需要不同的灯具配光,往往一个体育场地需要多种配光,在体育场馆中适宜采用中配光、窄配光和特窄配光。
(d)对LED灯具的重量要求:因为灯具安装高度比较高,控制灯的重量可减少建筑结构的荷载,大大降低建造成本。LED灯具由于要解决散热问题,往往会增加灯具的重量,所以对灯具的重量应该有限值的规定。
 
(2)LED照明应用技术要求:
 
(a)场馆中LED的色漂移:在LED产品的各项颜色性能指标中对显色指数Ra、色温Tcp、光源的色容差、色偏差都可以作出定量规定,但在实际应用中因受各种因素的影响,随着时间的推移,现场显色指数Ra会提高,色温Tcp会降低,使之与初始值之间会有很大差异,如某一奥运场馆,经过几年的使用,现场显色指数Ra由81升到了91,色温Tcp由5500K降低到了4400K,以上是金属卤化物灯的现场数据,而LED用在体育场馆会产生多大的色漂移还有待验证。
(b)LED照明的眩光问题:在体育场馆中眩光不仅会影响比赛,还会影响到运动员的心情,如果出射光直接照射到摄像机镜头上,还会产生摄像机眩光,影响拍摄。解决LED照明引起的眩光除了在灯具设计时要考虑防止眩光外,灯具的安装高度和投射角度也是控制眩光的重要因素。
(c)LED照明的频闪效应:评价频闪效应的指标有两个:频闪比和频闪指数。LED灯的频闪效应较其他几种光源更加突出,在相同频率的情况下,LED灯的频闪比要比金卤灯的频闪比高。在实际应用中频闪对于体育场馆照明尤其重要,当转播比赛需要慢动作或超慢动作回放时,转播画面很容易出现抖动的现象。因此伦敦奥运会对体育电视转播频闪提出了要求,有的体育馆将频闪比定为小于3%。
 
(3)LED照明控制系统:
 
LED用于体育场馆照明在智能控制系统方面具有绝对优势。一是体育场馆照明需要满足多种开灯模式,二是TV应急照明需要光源能瞬时点燃等,金属卤化物灯从开灯到达到额定光通约需要40分钟,如果在比赛进行过程中灯因故熄灭,再重新回到比赛似乎不太可能,北京奥运场馆在投入使用前也都加上了不间断电源,这样不但会大大增加投资,而且还会给使用带来很多不便;又如体育场馆中的安全照明和疏散照明以往都采用卤钨灯,寿命短、光效低,不节能。
 
此外,现在很多比赛,如网球比赛在赛间休息时,有时全场灯关掉,只留运动员座位上的灯光,此前是采用在灯上安装启闭装置,若用LED就可以灵活控制了。还有在体育训练场馆中,运动员可以按需调光,感觉良好。说明LED智能控制系统在体育场馆应用中可以充分发挥作用。
 
(4) LED照明的功率密度:
 
体育场馆照明照度高,用电量大,采用LED照明比传统金卤灯照明有更大的节能潜力。根据《半导体照明产品在训练场馆应用研究》课题对体育训练场馆的实测结果,在满足相同照度指标的前提下,LED灯比传统金卤灯所需的总功率更低,平均节能率约为40%。这说明LED灯的照明功率密度值显著低于传统的金卤灯,在传统照明LPD限值的基础上,可以乘以相应的修正系数,对于比赛场馆的LED照明功率密度值还有待进一步研究。



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