林若慈，王飛翔，高雅春

(中國建筑科學研究院，北京　100013)

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體育場館照明現(xiàn)狀分析及展望

林若慈，王飛翔，高雅春

(中國建筑科學研究院，北京100013)

通過對大量體育場館照明的實測和調查，取得了包括照明水平、照明質量、照明設計以及照明用電的大量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析這些數(shù)據(jù)對正在修訂的《體育場館照明設計及檢測標準》可提供有價值的參考依據(jù)，對指導體育場館照明設計和照明節(jié)能具有重要意義。

體育照明；照明功率密度；LED照明

引言

我國自2008年成功舉辦第29屆夏季奧運會之后，現(xiàn)又成功申辦2022年冬季奧運會，我國正在從一個體育大國向體育強國邁進。根據(jù)國家《關于加快發(fā)展體育產(chǎn)業(yè)促進體育消費的若干意見》及兩會政府工作報告提出的“發(fā)展全民健身、竟技體育和體育產(chǎn)業(yè)”的精神，體育產(chǎn)業(yè)將成為推動經(jīng)濟持續(xù)增長的重要力量。截至2013年底，全國共有體育場地169萬多個，大型體育場館6000多座[1]，在未來幾年，我國體育場館的數(shù)量還將持續(xù)增多，這說明我國體育場館建設仍處于高速發(fā)展階段。對于未來將要興建的體育場館，規(guī)劃上要更加科學，設計上要更加合理，功能上首先要滿足體育運動和體育賽事的要求，特別是我國已初步形成了體育職業(yè)賽事體系，并承接越來越多的國際重大賽事，對體育場館的各項要求也就更加嚴格。

體育照明的功能性要求很高，特別是有電視轉播的體育場館對照明的功能性要求就更高，體育場館中的高照度、高均勻度、高光源顯色性等除了要求有好的照明產(chǎn)品、合理的馬道設置和高水平的照明設計以外，隨之而來的還有高的耗電量。大量的實測調查表明，由于馬道位置即燈具安裝高度設計不合理，不但直接影響各項照明技術指標，而且還會造成電能的大量浪費。本文將通過對大量體育場館的實測調查，對照明設計的各項技術指標以及影響照明功率密度的主要因素進行分析，以便為照明設計師在進行體育場館照明設計時提供參考依據(jù)。同時，對目前照明應用中特別引起熱議的問題——LED能否用于體育照明作進一步探討。

1　體育場館照明實測調查

中國建筑科學研究院建工質檢中心多年來對全國數(shù)百個體育場館進行了照明檢測，并承擔了奧運會、亞運會、大運會和歷屆全運會全部場館的照明檢測、調試和驗收工作，積累了大量的照明工程現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)。在《體育照明設計及檢測標準》修訂過程中編制組各成員單位及照明公司在國內(nèi)外設計了大量重要體育場館，在照明設計方面占有很重要的地位，具有極豐富的設計經(jīng)驗，為編制組提供了很多有價值的數(shù)據(jù)。分析和總結這些寶貴資料對我們完成該標準修訂奠定了基礎。

1.1場館實測調查概況

采集到的數(shù)據(jù)包括對全國重要體育場館現(xiàn)場實測統(tǒng)計整理的300多個場館，全部為比賽場館，其中包括大量高級別比賽場館(Ⅴ或Ⅵ級)，另有來自各照明設計單位提供的國內(nèi)外重大體育場館的照明設計數(shù)據(jù)，收集到的場館數(shù)據(jù)共計1000多例，以室外體育場、綜合體育館、網(wǎng)球館、游泳館居多，有比賽場館和訓練場館。在1000多例數(shù)據(jù)中，由于項目內(nèi)容不全、或檢測數(shù)據(jù)不能達到標準要求等，統(tǒng)計時已將這部分場館去除，能夠參與統(tǒng)計分析的體育場館數(shù)量共計900多個，其中比賽場館462個和訓練場館約440個。實測調查的內(nèi)容包括照明方式、燈具安裝高度、照明功率、照度、照度均勻度、照度比率、顯色指數(shù)、色溫、眩光等。

1.2場館的數(shù)量和功能等級

實測調查的比賽場館中以室外體育場和綜合體育館居多，功能等級Ⅴ級的場館個數(shù)略高于Ⅳ級和Ⅵ級，見表1。

表1　場館數(shù)量和比賽等級統(tǒng)計

1.3燈具安裝高度與功能等級

根據(jù)燈具安裝高度統(tǒng)計結果可得出以下結論：1)體育場燈具安裝高度在40m≤h<50m之間的個數(shù)占各種高度總數(shù)的45.7%，也就是說現(xiàn)有體育場的燈具安裝高度幾乎有一半都在40～50m之間；體育館、網(wǎng)球館、游泳館燈具安裝高度在15m≤h<25m之間的個數(shù)占各種高度總數(shù)的60%以上，也就是說體育館的燈具安裝高度一般都在15～25m之間。 2)總體來說，燈具高度偏低時，低級別(IV)比賽場館出現(xiàn)的幾率偏大；燈具高度偏高時，高級別(VI)比賽場館出現(xiàn)的幾率偏大，因為高級別是指重大賽事、高清電視轉播，體育場館容納的觀眾席座位多，體量大，馬道的位置(燈具安裝高度)也會相應提高。燈具安裝高度范圍以及與運動等級的關系見表2～表3：

表2　體育場不同燈具安裝高度下場館數(shù)量統(tǒng)計

表3　體育館不同燈具安裝高度下場館數(shù)量統(tǒng)計

注：燈具高度為馬道高度，取其馬道最高高度。

2　統(tǒng)計數(shù)據(jù)誤差分析與數(shù)據(jù)取舍

在實測調查的900多個場館數(shù)據(jù)中由于各種原因，如馬道位置設置不合理、燈具配光選擇不當以及建筑結構遮擋嚴重等，造成有的數(shù)據(jù)離散性較大，根據(jù)統(tǒng)計學原理，按誤差理論對數(shù)據(jù)進行取舍。

2.1統(tǒng)計學允許的合理誤差范圍

誤差概率分布：當統(tǒng)計值的誤差介于±0.6745σ(標準誤差)范圍時，概率為50%；誤差介于±2σ范圍時，概率為95%；誤差介于±3σ范圍時，概率為99.7%；誤差出現(xiàn)在±3σ范圍以外的幾率只有0.3%。

在有限的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，一般選擇概率誤差3γ至5γ作為合理誤差范圍或統(tǒng)計上允許的最大概率誤差。

2.2可疑統(tǒng)計值的取舍方法

通常在一組統(tǒng)計值中會發(fā)現(xiàn)某一統(tǒng)計值與其余統(tǒng)計值相差很大，如果保留這一數(shù)值，則對平均值及或然誤差都將產(chǎn)生很大影響，如果沒有充分的理由，則只有根據(jù)誤差理論決定數(shù)值的取舍才是正確的。決定數(shù)據(jù)取舍的步驟如下：

1)求出算術平均值以及單個數(shù)值的概率誤差，計算時可疑數(shù)據(jù)均應包括在內(nèi)；

2)算出可疑的較大偏差與概率誤差之比d/γ；

3)根據(jù)表4中所列統(tǒng)計量個數(shù)(n)與對應的偏差d同概率誤差γ之比(d/γ)，決定數(shù)據(jù)的取舍；

4)如果統(tǒng)計值的d/γ大于表中的d/γ，則可舍掉這一統(tǒng)計值。

表4　可疑數(shù)值舍棄表

上述數(shù)值舍棄法則是根據(jù)Chauvenet數(shù)值舍棄標準簡化而來的。

根據(jù)以上原則對實測調查的數(shù)據(jù)進行了處理，舍棄了個別離散性大的可疑數(shù)值。

3　實測調查結果分析

實測調查結果表明：對于大多數(shù)體育場館來說，由于采用了高性能的光源、燈具產(chǎn)品，具有高效、環(huán)保、節(jié)能、長壽命等特點，加上高水平的照明設計，各項技術指標基本上都能達到JGJ 153《體育場館照明設計及檢測標準》規(guī)定的技術指標。本文僅就照明指標與照明節(jié)能的關系作進一步分析，從而確定合理的照明功率密度值。

3.1照明指標與照明節(jié)能

1)照度和照度均勻度：是照明設計中的重要指標，也是照明檢測中的主要內(nèi)容，特別是電視轉播對攝像機方向的垂直照度及其照度均勻度有很高的要求，當場地建筑條件(馬道過短或過于靠近場地)或其他條件(運動員正前方不能布燈)受到限制時，這一指標很難達到，實踐證明燈桿和馬道的位置對實施照明方案特別重要，因此在建筑設計時應給予重視；

2)照度比率：指平均水平照度與平均垂直照度之比，無電視轉播時，水平照度值有具體規(guī)定，有電視轉播要求時，標準中只對水平照度值規(guī)定一個范圍，即平均水平照度為平均垂直照度的0.75～1.5倍，垂直照度的取值主要由攝像機類型和電視轉播的要求決定，水平照度與垂直照度之比值主要是為了保證整個的照明效果和照明立體感?？刂七@項指標有時比較困難，特別是當受到場地和馬道條件的限制時，往往需要通過提高水平照度的方法來提高垂直照度值，致使這一比值過大，這樣不僅影響照明質量，而且還會大大增加照明功率，造成能源浪費。通過合理的照明設計，將這一指標有效地控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，對提高照明質量和節(jié)約電能有很重要的意義。本調查結果所得照度比率如表5所示。

表5　體育場館照度比率統(tǒng)計

國際照明委員會(CIE)、國際體育聯(lián)合會(GAISF)規(guī)定平均水平照度和平均垂直照度的比值在0.5～2.0之間，國際廣播電視服務機構(OBS)規(guī)定主賽區(qū)(PA)的比值為0.75～1.5，總賽區(qū)(TA)的比值為0.5～2.0，根據(jù)編制組對我國體育場館的實測調查統(tǒng)計結果表明，體育場水平照度與垂直照度之比定在0.75～1.8；體育館的定在1.0～2.0之間比較合理，這樣更有利于節(jié)能。

3.2照明功率密度值

我國《建筑照明設計標準》、《城市道路照明設計標準》和《城市夜景明設計規(guī)范》中對辦公建筑、商業(yè)建筑、交通建筑、工業(yè)建筑以及道路等均規(guī)定了照明功率密度值。在《建筑照明設計標準》和《體育場館照明設計及檢測標準》中尚未對體育場館的照明功率密度作出規(guī)定。由于體育建筑結構的復雜性、競賽項目的多樣化以及體育比賽對照明的高要求，確定其照明功率密度具有一定的難度。相關調查表明，不同類型場地，包括體育場、體育館、游泳館、網(wǎng)球館，達到相同照度時所需要的照明功率有的可相差5倍以上，同樣由于建筑結構的不同，相同場地，達到同一照度時，照明功率密度也可相差幾倍，可見制定體育場館的照明功率密度值對照明節(jié)能具有重要意義[2]。

本文按照上述誤差理論，對現(xiàn)場檢測和照明設計所取得的數(shù)據(jù)進行分析整理，取得了無電視轉播訓練場館和有電視轉播比賽場館的照明功率密度(LPD)值，為制定體育場館照明功率密度值提供了參考依據(jù)。

將實測調查的462個比賽場館的數(shù)據(jù)按誤差理論進行數(shù)據(jù)處理，最后總計有448個比賽場館用來統(tǒng)計照明功率密度(LPD)值。本文主要對常用的金鹵燈的4類場館(體育場、體育館、網(wǎng)球館、游泳館)統(tǒng)計分析了照明功率密度值。以體育場和體育館為例，分析統(tǒng)計結果見表6-表7。

表6　體育場照明功率密度統(tǒng)計

表7　體育館照明功率密度統(tǒng)計

注：1)照明方式除體育場有少量為組合式(光帶+燈桿)外，基本上都是馬道光帶式照明。

2)照明功率密度值均按各等級的主攝像機照度進行折算，并考慮維護系數(shù)0.8。

為了更進一步說明體育場館中照明功率密度的變化規(guī)律，將上述實測調查統(tǒng)計結果以體育場為例，將田徑和足球項目繪制成圖，以便于分析和理解。燈具安裝高度與功率密度的關系及比賽等級與功率密度的關系如圖1～圖4所示。

圖1　田徑場地照明功率密度與燈具安裝高度的關系Fig.1　Relationship between LPD and the height of luminaire in athletic field

圖2　田徑場地照明功率密度與場館等級的關系Fig.2　Relationship between LPD and the venue classification in athletic field

圖3　足球場地照明功率密度與燈具安裝高度的關系Fig.3　Relationship between LPD and the height of luminaire infootball field

圖4　足球場地照明功率密度與場館等級的關系Fig.4　Relationship between LPD and the venue classification in football field

由實測調查結果可以得出以下幾點結論：

1)相同功能等級下，照明功率密度值隨燈具安裝高度的增加而增加，規(guī)律性強；

2)照明功率密度與功能等級有關，等級越高照明功率密度越大，且為非線性關系。

3)室外體育場(足球兼田徑)足球場地的照明功率密度比田徑場地的照明功率密度高，與場地面積大小有關；

4)對于綜合性體育場館應設計不同的開燈模式。

4　展望

體育場館場地照明多采用傳統(tǒng)高強度氣體放電燈——金鹵燈，照明燈功率高達1000W/2000W，燈具安裝高度可達到50～60m。隨著LED照明應用的快速發(fā)展，LED在體育場館照明中的應用也引起越來越多人的關注。到目前為止，國內(nèi)外已有一批新建和改建的體育場館采用了LED照明，特別是訓練場館，如我國的國家體育總局訓練場館、奧體中心訓練場館、工人體育場足球場、汕頭大學體育場館以及美國的密歇根州立大學等多所大學的體育場館都已采用了LED照明，比賽場館也在開始采用LED照明，如美國的NRG體育場、PNC體育館、英國的切爾西足球場、法國的Ekinox體育館等均采用了LED照明[3]。預期到2022年冬奧會將會有更多的體育場館采用LED照明。

LED照明以其耗電量小、色品質可調、控制靈活、能瞬時點燃等獨有特點，較適合用于體育照明。由于體育場館要兼顧比賽和電視轉播，所以對照明的要求很高，對LED照明的穩(wěn)定性、眩光、頻閃等一系列問題需作進一步深入探討。

將LED用于體育場館照明必須在產(chǎn)品性能和應用技術上達到相應的要求，如下：

1)LED產(chǎn)品性能要求：

a)LED燈功率和光效值：體育比賽場館的場地照明照度高達2000lx，雖然LED光源的發(fā)光效率高，但要達到如此高的照度，單燈功率也得達到幾百瓦(體育館)甚至上千瓦(體育場)，這樣大功率的燈散熱是一個大問題，各企業(yè)也在致力解決這一問題，目前國內(nèi)外已有此類產(chǎn)品推向市場，形成單燈1000W的系列產(chǎn)品，并用于體育場館和港口碼頭。根據(jù)國家建工質檢中心2014年對我國幾家主要LED生產(chǎn)企業(yè)體育場館燈具的檢測結果，燈具效能均在90 lm/W以上，可見LED光效是能滿足要求的。

b)LED的顏色性能指標：顯色指數(shù)CRI是評價顏色的重要指標，國際上新開發(fā)的CQS是一新的顯色指數(shù)評價系統(tǒng)，適用于傳統(tǒng)光源和SSL光源，相對于當前占市場主導地位的激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光的LED，CRI評價方法仍然可以采用，對于由藍光激發(fā)黃色熒光粉的發(fā)射光譜主要是黃綠光，缺少紅光成分R9，所以在相關標準中應增加對R9的規(guī)定。此外，評價LED顏色性能指標的還有色溫、同類光源的色容差、壽命期內(nèi)的色偏差以及燈具在不同方向上的偏差。因為體育場館有電視轉播，顏色性能無疑是很重要的。

c)LED燈具配光：體育場館的燈具安裝高度通常在十幾米到幾十米之間，而且對照度均勻度的要求極高(指高級別的比賽)，光的投射距離有的達到一百幾十米，光束角也就只有幾度，不同的投射距離需要不同的燈具配光，往往一個體育場地需要多種配光，在體育場館中適宜采用中配光、窄配光和特窄配光。

d)對LED燈具的重量要求：因為燈具安裝高度比較高，控制燈的重量可減少建筑結構的荷載，大大降低建造成本。LED燈具由于要解決散熱問題，往往會增加燈具的重量，所以對燈具的重量應該有限值的規(guī)定。

2)LED照明應用技術要求：

a)場館中LED的色漂移：在LED產(chǎn)品的各項顏色性能指標中對顯色指數(shù)Ra、色溫Tcp、光源的色容差、色偏差都可以作出定量規(guī)定，但在實際應用中因受各種因素的影響，隨著時間的推移，現(xiàn)場顯色指數(shù)Ra會提高，色溫Tcp會降低，使之與初始值之間會有很大差異，如某一奧運場館，經(jīng)過幾年的使用，現(xiàn)場顯色指數(shù)Ra由81升到了91，色溫Tcp由5500K降低到了4400 K，以上是金屬鹵化物燈的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，而LED用在體育場館會產(chǎn)生多大的色漂移還有待驗證。

b)LED照明的眩光問題：在體育場館中眩光不僅會影響比賽，還會影響到運動員的心情，如果出射光直接照射到攝像機鏡頭上，還會產(chǎn)生攝像機眩光，影響拍攝。解決LED照明引起的眩光除了在燈具設計時要考慮防止眩光外，燈具的安裝高度和投射角度也是控制眩光的重要因素。

c)LED照明的頻閃效應；評價頻閃效應的指標有兩個：頻閃比和頻閃指數(shù)。LED燈的頻閃效應較其他幾種光源更加突出，在相同頻率的情況下，LED燈的頻閃比要比金鹵燈的頻閃比高。在實際應用中頻閃對于體育場館照明尤其重要，當轉播比賽需要慢動作或超慢動作回放時，轉播畫面很容易出現(xiàn)抖動的現(xiàn)象。因此倫敦奧運會對體育電視轉播頻閃提出了要求，有的體育館將頻閃比定為小于3%。

3)LED照明控制系統(tǒng)：

LED用于體育場館照明在智能控制系統(tǒng)方面具有絕對優(yōu)勢。一是體育場館照明需要滿足多種開燈模式，二是TV應急照明需要光源能瞬時點燃等，金屬鹵化物燈從開燈到達到額定光通約需要40分鐘，如果在比賽進行過程中燈因故熄滅，再重新回到比賽似乎不太可能，北京奧運場館在投入使用前也都加上了不間斷電源，這樣不但會大大增加投資，而且還會給使用帶來很多不便；又如體育場館中的安全照明和疏散照明以往都采用鹵鎢燈，壽命短、光效低，不節(jié)能。此外，現(xiàn)在很多比賽，如網(wǎng)球比賽在賽間休息時，有時全場燈關掉，只留運動員座位上的燈光，此前是采用在燈上安裝啟閉裝置，若用LED就可以靈活控制了。還有在體育訓練場館中，運動員可以按需調光，感覺良好。說明LED智能控制系統(tǒng)在體育場館應用中可以充分發(fā)揮作用。

4)LED照明的功率密度：

體育場館照明照度高，用電量大，采用LED照明比傳統(tǒng)金鹵燈照明有更大的節(jié)能潛力。根據(jù)《半導體照明產(chǎn)品在訓練場館應用研究》課題對體育訓練場館的實測結果，在滿足相同照度指標的前提下，LED燈比傳統(tǒng)金鹵燈所需的總功率更低，平均節(jié)能率約為40%。這說明LED燈的照明功率密度值顯著低于傳統(tǒng)的金鹵燈，在傳統(tǒng)照明LPD限值的基礎上，可以乘以相應的修正系數(shù)，對于比賽場館的LED照明功率密度值還有待進一步研究。

筆者聲明：

本文及《新版<建筑照明設計標準>的主要技術特點》(趙建平，2014年5期，10月刊，P1～6)、《基于體育場館照明的馬道設置方法的研究》(林若慈、朱悅，2014年5期，10月刊，P32～39)、《體育場館照明節(jié)能模擬計算分析》(趙凱、林若慈，2015年1期，2月刊，P37～44)、《體育場館照明燈具位置和配光對照明指標的影響》(朱悅、林若慈，2015年3期，6月刊，P64～71)、《光源顯色性對電視圖像色彩還原的影響》(趙建平、王京池、朱悅，2015年4期，8月刊，P11～17)六篇文章均由“中國建筑科學研究院標準規(guī)范歷史資料收集整理及成果總結工作”資助完成。

[1] 國家體育總局.第六次全國體育場地普查數(shù)據(jù)公報[DB/OL]. (2016-03-01)[2014-12-26]. http://www.sport.gov.cn/n4/n210/n218/c328625/content.html.

[2] 《體育場館場地照明節(jié)能技術的研究》研究報告[R].2014.

[3] 《半導體照明產(chǎn)品在體育訓練場館應用研究》研究報告[R].2014.

Status Analysis and Prospect of Sports Venues Lighting

LIN Ruoci, WANG Feixiang, GAO Yachun

(ChinaAcademyofBuildingResearch(CABR),Beijing100013,China)

In this article, an analysis about the lighting parameter of sports venues was performed, which is based on the statistics data of quantities of sports venues. The lighting parameter, including lighting levels, lighting quality, lighting design and lighting power was obtained with the methods of both field measurement and data collection derived from other institutions. The result can be used to provide valuable information and reference for the revision of theStandardforLightingDesignandTestofSportsVenuesand it has great significance in lighting design and energy-saving.

sports lighting; lighting power density (LPD); LED lighting

中國建筑科學研究院標準規(guī)范歷史資料收集整理及成果總結工作資助

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.001