朱　悅，林若慈

(1.飛利浦(中國)投資有限公司，北京　100600；2.中國建筑科學研究院，北京　100013)

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體育場館照明燈具位置和配光對照明指標的影響

朱悅1，林若慈2

(1.飛利浦(中國)投資有限公司，北京100600；2.中國建筑科學研究院，北京100013)

摘要：在體育照明中，燈具的安裝位置和配光類型對照明結(jié)果會產(chǎn)生極大的影響，本文從燈具位置對照明結(jié)果的影響、燈具配光對照明結(jié)果的影響、障礙物對照明結(jié)果的影響三個方面進行分析論證。

關鍵詞：燈具位置；燈具配光；模擬計算

引言

高級別的體育照明中，燈具的位置和配光不但照明影響結(jié)果，而且會直接影響到燈具的數(shù)量和安裝功率，進而對場館的建筑設計、結(jié)構設計都會產(chǎn)生影響。體育照明系統(tǒng)是一個綜合性非常強的系統(tǒng)，而不是簡單的幾個燈具，牽涉到方方面面，不但影響其他專業(yè)的實施，而且會影響最終的使用。希望本研究能對場館的設計、建設及節(jié)能具有一定的借鑒和指導意義。

體育照明中，最終的設計包括了多種類型的數(shù)據(jù)，如照度、照度均勻度、色溫、顯色指數(shù)、眩光計算值、燈具和光源的效率、環(huán)境條件(維護系數(shù))等。為了保證論證數(shù)據(jù)的客觀性，本計算的過程數(shù)據(jù)將力求在同條件下獲得，如討論燈具位置與照度的關系時，其他參數(shù)將被設置為相同值。

1燈具的安裝位置與燈具實際利用效率的關系

1.1設置原理

多組數(shù)據(jù)中，燈具投程設置為相同值，設置燈具投射角度α和照度數(shù)值是兩個變量，同時檢測評價GR的最終數(shù)據(jù)，其他參數(shù)如燈具和光源的效率、維護系數(shù)(0.8)等均相同值。

場地尺寸為20m×20m，燈具位置到場地中心始終為50米，攝像機距離場地中心始終為60米(高度10米)，按4點眩光計算(見圖1)。

1.2燈具設置位置取值

圖1　驗證原理圖Fig.1　Schematic diagram for Verification

燈具安裝在場地45度的兩個交叉對角線延長線上，根據(jù)等投射距離的原則設置16～70度的燈具位置點，共12組，間隔角度為5度。1.3燈具數(shù)量、投射瞄準點位置四角每角一個，燈具半光強光束角<1/4場地對角線尺寸(盡量多的光落在場地上，防止投射角度變化后光斑變形導致的光線利用率不同的因素)，燈具全部投射到場地中心位置，燈具高度按照圖2的高度計算，保證投射距離相同。

圖2　模擬燈具位置Fig.2　Schematic diagram of luminaire position

1.4數(shù)據(jù)與計算結(jié)果

計算數(shù)據(jù)包含平均水平照度、平均攝像機垂直照度、Grmax眩光最大值(環(huán)境系數(shù)按照20%和40%取值分別計算兩次，分別模擬體育場和體育館的計算結(jié)果)。

參與計算的燈具光學參數(shù)如下：

燈具上射光輸出比:0%

燈具下射光輸出比:81%

燈具總光輸出比：81%

光源光通量：200000lm

燈具功率：2133W

燈具半光強光束角：0°～180°[2×7.8°]；90°～270°[2×8.7°]

光源色溫：5600K

顯色指數(shù)：Ra>90

中心光強：10 510cd/1 000lm

計算所使用的燈具配光見圖3。不同燈具投射角度模擬計算結(jié)果見表1。

圖3　計算使用的燈具配光Fig.3　Schematic diagram of luminaire photometric

根據(jù)表1計算結(jié)果，得到圖4，進行數(shù)據(jù)分析如下：

表1　不同燈具投射角度模擬計算結(jié)果

圖4　燈具位置與計算結(jié)果Fig.4　Schematic diagram of luminaire position and calculation result

1)圖4中橫坐標為燈具投射角度(燈具主光軸與燈具位置垂線的夾角)，縱坐標為水平照度、垂直照度值和眩光計算值。

2)從數(shù)值結(jié)果看，當投射角度增大時，水平照度有所增加但增加幅度不如垂直照度比例大。

3)投射角度從70～40度變化過程種，垂直照度幾乎呈現(xiàn)直線下降，40度之后速度漸漸變緩慢。

4)投射角度25度后，Grmax的計算值均為10。

1.5結(jié)果分析與小結(jié)

1.5.1水平、垂直照度和投射角度的關系

1)根據(jù)JGJ153和國際指導文件的要求，大部分轉(zhuǎn)播級別的體育場館的照度值僅對垂直照度的絕對數(shù)值有要求，而對水平照度僅僅是均勻度的要求。

2)根據(jù)JGJ153規(guī)范和國際慣例要求，Eh/Ev=0.5～2，當綜合了均勻度要求的因素后，燈具的最小投射角度如果小于25度，這個比例的設計數(shù)值可能就會大于2，垂直照度的數(shù)值就會偏低，燈具的利用效率會很差。

3)當體育場燈具投射角度達到70度，體育館燈具投射角度達到65度，GR的計算值就會超過相應的國際、國內(nèi)的規(guī)范要求，因此燈具的最大投射角度必須加以限制(GR的數(shù)值分析見下文)。

4)體育照明考慮燈具安裝位置時不是考慮燈具絕對安裝高度，而是考慮投射角度的限制，因為無論是Eh/Ev的數(shù)值，GR的計算數(shù)值，真正起到結(jié)論性需求的是角度(當然也要適當考慮絕對高度)而不是簡單的絕對高度。

5)體育照明的燈具高度也是需要考慮的，這主要是場地的尺寸和燈具的投射角度的組合影響的結(jié)果。

6)根據(jù)上面的數(shù)據(jù)，體育場的燈具投射角度范圍應該在25～70度，這些都是極限。

7)根據(jù)上面的數(shù)據(jù)，體育館的燈具投射角度范圍應該在25～65度，這些都是極限。

8)考慮到建筑結(jié)構的要求和工程造價的控制要求，燈具投射角度在40～65度范圍內(nèi)就會獲得非常好的綜合效果。

9)當然如果所有的燈具投射角度都是65度左右，可以獲得最大的垂直照度，但并不實際。

10)燈具投射角度的越好，體育照明設計的燈具數(shù)量會越少，相應的照明系統(tǒng)投資會更少，能耗也會更少。

因此，如果想要達到能耗最低，燈具使用數(shù)量最少的目的，需要嚴格控制燈具的投射角度，而這需要燈具安裝位置的支持，而這個要求將涉及到建筑和結(jié)構專業(yè)的工作。

1.5.2眩光指數(shù)GR的問題

1)當燈具投射角度為70度時(雖然范圍超出了GR計算公式的范圍，但可以有參考價值)，按照20%環(huán)境系數(shù)取值時的計算結(jié)果已經(jīng)大于50，超出了轉(zhuǎn)播級別體育場的允許范圍，即使使用其他設計手段，70度已經(jīng)是體育場照明燈具投射角度的極限。

2)當燈具投射角度為65度時，按照45%環(huán)境系數(shù)取值時的計算結(jié)果已經(jīng)大于30，超出了轉(zhuǎn)播級別體育館的允許范圍，即使使用其他設計手段，65度已經(jīng)是體育場照明燈具投射角度的極限。

3)本計算中，燈具投射的瞄準點僅在場地中心，但實際設計中，由于照度的均勻度要求(尤其是垂直照度具有方向性)，轉(zhuǎn)播場地燈具投射肯定要超過中線，均勻度要求更高的HDTV甚是燈具可能會投射到對面的邊線位置，因此投射角度控制應該以最遠投射位置為準(在最遠位置)的限制。

4)環(huán)境系數(shù)的取值：20%根據(jù)體育場草坪的反射率和周邊環(huán)境綜合考慮后的取值;45%根據(jù)體育館底板的反射率和周邊建筑裝飾環(huán)境綜合考慮后的取值。

2燈具的配光類型與實際利用效率的關系

2.1設置原理

圖5　投射距離、配光形式影響驗證原理圖Fig.5　schematic for calculation :aiming distance/photometric

見圖5，設置20、30、50、75、100米幾個投射距離，在每個投射距離的數(shù)據(jù)中將分別設置多個同功率、不同配光類型的燈具，達到的照度和均勻度，其他參數(shù)如燈具和光源效率、燈具投射角度、維護系數(shù)均為相同值。 場地尺寸為20m×20m，燈具投射角度為45度，攝像機距離場地中心始終60米(高度10米)，按4點眩光計算，維護系數(shù)為0.8。

本驗證僅對數(shù)據(jù)進行分析，暫不考慮其他合理性的需求。

2.2選用的燈具配光及參數(shù)

本驗證中選用的燈具配光類型見表2，其它相關參數(shù)見表3～表5。

表2　計算使用的燈具配光

表3　燈具照度參數(shù)(75米投射距離,燈具高度53m)

表4　燈具照度參數(shù)(50米投射距離,燈具高度35.4m)

表5　燈具照度參數(shù)(30米投射距離,燈具高度21.2m)

2.3數(shù)據(jù)分布狀況

2.3.175m投射距離不同配光燈具的均勻度表現(xiàn)(見圖6)

圖6　75m 投射距離時的計算結(jié)果Fig.6　Calculation result of 75 aiming distance

1)在75米的投射距離上，使用L4～L5的垂直照度均勻度差異不大。

2)在使用L2和L3的燈具均勻度可以接受，且垂直照度效果非常好， L4/L5/L6的均勻度非常好，但平均垂直照度的數(shù)值有比較大的降低。

2.3.250m投射距離不同配光燈具的均勻度表現(xiàn)(見圖7)

圖7　50m 投射距離時的計算結(jié)果Fig.7　Calculation result of 50 aiming distance

1)在50米的投射距離上，使用L4～L6的垂直照度均勻度差異不大。

2)在使用L4的燈具均勻度可以接受，且垂直照度效果非常好，L5/L6的均勻度非常好，但平均垂直照度的數(shù)值有比較大的降低。

2.3.330m投射距離不同配光燈具的均勻度表現(xiàn)(見圖8)

1)在30米的投射距離上，L1～L5均勻度數(shù)值都不太好。

2)僅僅使用L6最寬光束的燈具的均勻度可以接受。

圖8　30m投射距離時的計算結(jié)果Fig.8　Calculation result of 30 aiming distance

2.4數(shù)據(jù)分析：燈具光束角與實際利用效率的關系

1)燈具的配光曲線類型與投射距離有一定的匹配關系，綜合考慮均勻度、照度的關系后才可以確定配光形式(見表6)。

2)窄光束燈具適宜使用在遠距離的投射，但過窄的燈具會影響到均勻度，需要恰到好處。

3)寬光束燈具使用使用在近距離的投射，但過寬的燈具會影響到平均照度值的高低。

4)當燈具照度數(shù)據(jù)出現(xiàn)拐點(剛開始的穩(wěn)定線性變化段的最窄光束型號)時，燈具的利用率是最高的。

表6　燈具配光、投射距離與照度計算結(jié)果

因此，燈具的配光會影響燈具的使用數(shù)量，進而影響到燈具數(shù)量和總能耗，合理的燈具配光選擇會達到效果和節(jié)能的雙重效果，因此燈具的配光形式越豐富越會對減少數(shù)量和降低能耗有好處。

3光線阻擋與燈具利用效率的關系

將設置不同大小的阻擋體，并隨即放置位置，位置與燈具距離1～2米，檢測有無阻擋體與照度兩個變量的關系，其他參數(shù)如燈具參數(shù)、位置參數(shù)均相同。

3.1設置原理

設置50m的投射距離，在燈具的主光軸外(不阻擋主光軸附近的光線)設置阻擋物，考察阻擋物對照明的影響。燈具高度為35.4m。設置原理圖見圖9。

圖9　阻擋模擬設置原理圖 Fig.9　Schematic for Block simulation calculation

場地尺寸為20m×20m，燈具投射角度為45度，攝像機距離場地中心始終為60米(高度10米)，按4點眩光計算，維護系數(shù)為0.8。

本驗證僅對數(shù)據(jù)進行分析，暫不考慮其他合理性的需求。

3.2燈具參數(shù)及計算結(jié)果

使用的燈具參數(shù)如下：

燈具上射光輸出比:0%

燈具下射光輸出比:80%

燈具總光輸出比：80%

光源光通量：200000lm

燈具功率：2133W

燈具半光強光束角：0°～180°[2×7.9°]；90°～270°[2×12.7°]

光源色溫：5600K

顯色指數(shù)：Ra>90

中心光強：4230cd/1000lm

計算使用的燈具配光見圖10。

圖10　計算使用的燈具配光Fig.10　Schematic diagram of luminaire photometric

模擬計算的結(jié)果參數(shù)如表7所示。

表7　阻擋對照明結(jié)果的影響

3.3數(shù)據(jù)分析：阻擋物對效率的影響

1)在途中，好像阻擋物并沒有阻擋光線通道，但還是對照明造成不到20%的損失的結(jié)果。

2)這個損失主要來自與1/2光強光束角以外的部分，但這部分對場地照明依然有很大的貢獻，更對對面的觀眾席有大的貢獻，因此阻擋物會影響到燈具利用效率。

3)燈具到場地之間的“清空”狀態(tài)是最好的選擇。

4)燈具開啟時，表面亮度很高，人眼如果直視燈具，由于眼睛構造原因，根本無法看到燈具安裝位置的背景，因此認為馬道在鋼架內(nèi)部更美觀的想法是錯誤的，除非觀察者是在非比賽時間觀看不開啟的燈具。

因此，體育館的很多馬道設置到鋼架內(nèi)部都會造成光的損失，這種損失前期設計時無法精確估計，可能導致實施的結(jié)果與設計結(jié)果有比較大的出入。即使設計時預計到了問題，也會造成燈具使用數(shù)量多，增加投資并降低利用效率。同時，被阻擋的光會照亮部分位置的鋼結(jié)構，且亮斑呈現(xiàn)不規(guī)則，這反而會影響視覺效果，因此把馬道藏在鋼架內(nèi)部不但達不到美觀效果，反而會弄巧成拙。

4結(jié)論

根據(jù)上文的計算和系統(tǒng)分析，我們可以得出以下結(jié)論：

1)體育場館的燈具安裝位置并非可以隨意，而是有一個最佳的合理綜合成本的位置，但并非離開這個位置就不能實現(xiàn)，且也并非在什么位置都能實現(xiàn)，位置是有底線的，否則無法滿足要求。

2)燈具的配光會影響燈具使用效果，需要根據(jù)實際安裝高度再行設計，確定燈具的使用功率、配光類型、數(shù)量、具體位置。

3)燈具與場地之間不能有任何阻擋，包括鋼結(jié)構，因此，所有認為可以把馬道藏在桁架里面更美觀的想法實際是錯誤的，只要燈具開啟，效果反而更差。

參考文獻

[1] 體育場館照明設計及檢測標準：JGJ 153—2007[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] Guide to the artificial lighting of indoor and outdoor sports venues (GAISF)-2003.

Impact on Lighting Effects of Luminaire Position and It’s Light Distribution in Venues Lighting

Zhu Yue1，Lin Ruoci2

(1.Philips(China)InvestmentCo.,Ltd.,Beijing100600,China；2.ChinaAcademyofBuildingResearch，Beijing100013,China)

Abstract：In venues lighting, luminaire position and it’s light distribution type have major impact to lighting effects. This article elaborated lighting effects from the impact of luminaire position, luminaire light distribution and obstacles.

Key words:luminaire position; luminaire light distribution；simulation

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.016