“十四运”场馆场地照度分布研究及照明方案设计

　　摘要：针对目前综合性体育场馆场地照明设计中，照明系统一次投入大，运行能耗高等问题，以陕西省十四运场馆为模型，采用单马道两侧布灯方式，以Ⅳ级照明指标为依据，借助DIALux模拟研究了灯具投射角度、旋转角度、开启数量和功率对场地照度空间分布的影响。结果表明：改变投射角α对场地照度影响显著，而旋转角β适用于局部照度微调;场地底线外灯具对底线附近照度的影响高于底线内灯具，调整其开启数量和功率可以提高底线附近照度，从而有效提高场地照度均匀度。基于研究结果提出利用一套灯具，通过调整灯具角度、开启数量、功率等参数满足多个运动项目场地照明设计方案，为场地照明优化设计提供依据。

　　关键词：综合性体育场馆;Ⅳ级照明指标;DIALux控制;照度空间分布;照明设计;降低成本

　　体育照明是通过控制目标物的亮度与背景，从而获得良好的照明环境，使得运动物体和运动员能清楚的呈现在运动员、现场观众和电视机观众的眼前，以达到良好的比赛和观赏效果[1]。《体育场馆照明设计及检测标准》[2](JGJ153-2016)中将体育照明等级分为六级，综合性体育场馆因要适用于多种比赛项目的照度需要[3]，且有电视转播需求，场地照明等级一般在Ⅳ级以上。为达到高等级照明要求，场馆中灯具往往数量多、功率大，这使得照明能耗成为了体育场馆主要能耗之一，因此照明节能设计就显得尤为重要[4、5]。

　　近年来，国内外学者主要从照明设计和照明控制两个方面对体育场馆节能照明进行了研究：在照明设计研究中，韩本慧[6]、黄显雯等[7]分析了不同设计因素对体育照明质量的影响，并根据结论进行了场馆照明节能优化设计;朱悦等[8]研究了灯光投射距离、角度对照度及其均匀度的影响;田紫娟[9]、赵凯等[10]研究了马道的形状、数量和高度对场地照度分布的影响，为节能设计提供了参考;SunWS等[11]、FredH.Holmes等[12]对体育馆光源进行了改造研究，以在较低的投入中获得更好的照度均匀度。

　　在照明控制研究中，为使用较少灯具达到多种照明需求，张燕[13]、彭力[14]、古铭秀[15]提出可以根据使用需要事先设定灯具模式以进行调节，使灯具可以重复使用;彭月月[16]设计了可根据不同照明需要灯具角度能智能调节的旋转灯具，以获得场地最佳照明;CAOShengmin[17]基于PID和Karatsuba乘法模型，设计了以测光、调节为一体的体育场馆智能照明控制系统。目前我国综合性体育场馆场地照明系统工程设计与研究尚存在一定距离。工程中多以面积最大的比赛场地为布灯依据，对于小面积的比赛场地仅采用关闭部分灯具的简单控制方式，有可能造成场地照度尤其是水平照度远高于标准值，使得照明能耗难以合理控制。

　　基于此，本文以“十四运”场馆为模型，以比赛场地为研究对象，选择既满足国际、国内比赛转播要求，又拥有良好节能效果和较低运维成本的Ⅳ级指标为照明标准，研究灯具投光角度、间距、数量和功率对综合性体育场馆赛场照度空间分布的影响，并以此为基础，提出满足手球、篮球、排球和羽毛球项目照度标准的场地照明系统设计方案，最后借助DIALux照明模拟软件验证设计方案的可行性，为照明节能设计提供依据。

　　1比赛场地建模与空间照度采样

　　1.1比赛场地建模

　　本文使用了操作较为简便且常用的DIALux照明模拟软件[18、19]进行“十四运”某场馆比赛场地建模。根据照明标准[2]中对灯具布置的建议和对马道长度、位置的规定。马道端点与场地底线中点的连线的投影线与底线夹角宜大于30°，马道上的灯具瞄准角应在25°～65°之间，且考虑场地尺寸和距离对照度的影响。

　　1.2空间照度采样

　　《体育场馆照明设计及检测标准》中推荐采用中心点照度计算法反映场地内照度分布情况，即将场地划分为网格，取其中心作为照度计算点，其中手球场地网格为2m×2m，篮球、排球和羽毛球网格均为1m×1m。在采样过程中，水平照度采样高度为1m。

　　除了水平照度外，Ⅳ级照明标准对于主、辅摄像机方向垂直照度均有要求。场地内的主摄像机位置一般都是固定的，根据其典型布置位置[2]，在场地中线延长线的观众席上和羽毛球场地底线后分别布置一台摄像机，测量主摄像机垂直照度时，测量高度取1.5m。

　　由于比赛项目不同，辅助摄像机位置很难固定，因此标准规定可将与四条边线平行的垂直面上的照度作为辅摄像机方向照度，即若所示的X+、X-、Y+和Y-四个方向的垂直照度达到标准要求[20]，可认为辅摄像机垂直照度满足使用需要，测量高度为1m。

　　2比赛场地照度空间分布

　　灯具投光角度、数量和功率直接影响比赛场地照度的空间分布，本文选择目前体育场馆照明使用较多的具有非对称型配光曲线的LED灯具(425W)[2、21、22]，研究改变其投光角度、数量和功率对场地照度空间分布的影响规律。

　　2.2灯具数量与位置对照度空间分布的影响

　　赛场灯具数量对场地照度分布有直接影响。本文以手球场地底线为界，将灯具划分为底线内灯具与底线外灯具，以下分别分析底线内、外灯具对场地照度分布的影响。

　　2.2.1改变场地底线内灯具数量

　　将底线内灯具间距分别设定为0.75m、1m、1.25m和1.5m，对应的场地水平和垂直照度空间分布。可以看出灯具数量对场地照度影响显著，随着间距的增加，场地照度明显下降。

　　2.2.2改变场地底线外灯具数量

　　除了水平和垂直照度以外，照度均匀度也是照度标准中一条重要指标，增加底线内灯具数量可以有效提高场地内照度，但却对底线附近照度改善不大，从而降低了场地照度均匀度，因此考虑在底线外布灯，通过增大底线附近照度，提高场地照度均匀度。底线外灯具间距仍取1m，由于马道长度的限制，每条马道可增加22盏灯，两端各为11盏，所增加灯具投射角α皆取60°。根据旋转角β对场地照度分布影响的研究，为了更有效的提高场地底线附近照度，应尽可能使投光点靠近底线。以1/4场地为例，将底线外灯具分为三组，对应的β分别为-10°、-20°和-30°。

　　3场地照明设计方案

　　3.1手球场地照明设计

　　上述场地照度空间分布研究以面积最大的手球场地为对象，结果表明当灯具间隔为1m，投光角α=60°，增加底线外灯具功率时，可以满足除X方向照度比率以外的所有指标，并提出通过改变底线内灯具旋转角β改善照度比率的设计思路。以灯具照射点在赛场内为边界，于是βmax为|40°|，统一调节底线内灯具，步长取10°，不同β对应的X方向照度比率，随着β的增大，照度比率逐渐减小，当β为40°时可满足标准要求。

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　　4结论

　　本文以综合性体育场馆场地照明系统为对象，研究了灯具投射角度、旋转角度、开启数量和功率对场地照度空间分布的影响。基于研究结果，以体育场馆Ⅳ级照明指标为依据，提出了利用一套灯具，通过调整灯具角度、开启数量、功率等参数满足多个球类运动项目场地照明指标的设计方案。研究得到以下结论：

　　(1)投射角α对场地照度空间分布有显著影响，而旋转角β仅适用于局部照度调节;场地底线外灯具对底线附近照度的影响高于底线内灯具，调整其开启数量和功率可以有效提高场地照度均匀度。

　　(2)目前体育场馆场地照明设计采用双马道两侧布灯方案，本文提出单马道双侧布灯的方案，二者在灯具数量、场地照度及其均匀度方面基本相同，灯具总功率后者略高于前者，但双马道的成本投入往往会比单马道增加1倍[23]。因此，在仅考虑以上条件时，本文的设计方案成本更低。

　　(3)文中主要针对比赛场地照明进行研究，未涉及观众席等其他区域照明，而背景亮度又是影响眩光的重要因素[24]，通过改善背景亮度可以改善场地眩光情况[25]，模拟实验表明增加了场馆其他区域照明后，眩光指数能够达到标准要求。本文针对具有电视转播要求的赛场照明进行了设计，实际运行中，为满足多种使用需求[26]，体育场馆更多是作为训练、健身、业余比赛场地之用，此时照明等级较低，完全可通过此方法调节实现，这种灵活的照明系统设计方式有利于节能减排、降低用户运行维护成本。

　　参考文献References

　　[1]魏永健.体育照明质量检测和设计的新方法[D].天津：天津大学，2005.WEIYongjian.Newmethodofqualitytestinganddesignofsportslighting[D].Tianjin:TianjinUniversity,2005

　　[2]体育场馆照明设计及检测标准：JGJ153-2016[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.Standardforlightingdesignandtestofsportsvenues：JGJ153-2016[S].Beijing:ChinaArchitecture&BuildingPress,2016

　　[3]陈晓洁.体育场馆的分类[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2011,(11):181-182.CHENXiaojie.Classificationofsportsvenues[J].Management&TechnologyofSME,2011,(11):181-182.

　　[4]李炳华，董青.体育照明设计手册[M].北京：中国电力出版社,2009.LIBinghua,DONGqing.Guideforthelightingdesignofsportsvenues[M].Beijing：ChinaElectricPowerPress,2009.

　　作者：于瑛1，崔梓豪1，陈笑1，孙晴2