論LED在體育館場地照明改造中的應用

李曉彬

(北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

1 引言

目前各大、中型城市的體育館建設基本飽和，隨著“后奧運”時代的來臨，體育館改造項目逐漸增多，每次改造幾乎都不可避免對場地照明系統進行調整，而調整的目標往往要求達到更高的照明標準，尤其是照度標準值。在現有建筑層高、結構荷載、設備空調、電氣負荷容量等對燈具布置有影響的因素都基本定型的基礎上，若仍選用傳統的金屬鹵化物燈進行方案設計，盲目增加燈具數量，很可能在改造過程中不符合場地的現狀，設計方案最終不能實現。因此，考慮一種新的燈具作為備選，在必要時替代傳統的金鹵燈顯得尤為重要。本文以新近設計的一個乒乓球館場地照明系統的改造為例，通過分析比較得出在場地照明系統改造中應用LED的可行性方案，對日后工程設計工作具有一定的指導作用。

2 場館照明現狀及照明設計標準

2.1 場館照明現狀

本工程為某乒乓球館改造項目，場館為乒乓球隊的日常訓練場館，地上3層，地下1層，總建筑面積約13 545m2，其中地上二層、三層為乒乓球訓練場地，層高分別為7.5m和9.9m，每層均布置有24塊14m×7m的標準乒乓球場地。

場地現有燈具為400W金屬鹵化物燈，采用直接照明，燈具布置在場地上方，光束垂直于場地平面的頂部布置方式。場地照度標準值為水平800lx，每塊場地布置有4盞燈具，其中二層燈具安裝高度下皮距地與建筑現有吸音體同，三層燈具安裝高度下皮距地與網架下弦同，距地面凈高均不小于6m，現有場地燈具布置如圖1所示(以二層為例)。

圖1 現有場地照明燈具布置

2.2 場館照明改造要求

應運動隊要求，此次改造乒乓球場地照明燈具需全部更新，場地平時訓練的照度標準由現有的水平800lx提高到水平1 200lx。同時為了提高運動員賽前適應場地的能力，每層選出8塊場地專門用來作為賽前適應性訓練，其照度要求達到水平1 600lx的標準。

2.3 場館照明設計標準

根據規范《體育場館照明設計及檢測標準》(JGJ 153-2007)，乒乓球場地的照明標準應符合規范中表4.1.4的規定(如表1所示)。

由此可以看出，運動隊提出的照度要求在規范中并沒有對應值，為了遵從一個統一的設計標準，按照運動隊要求的照度與標準規定的照度相類比的原則，要求平時訓練參照第Ⅲ等級，使用功能為“專業比賽”的相關標準執行；賽前適應性訓練參照第Ⅳ等級，使用功能為“電視轉播國家、國際比賽”的相關標準執行。這樣就明確了此次場地照明改造的設計標準值。

表1 規范《體育場館照明設計及檢測標準》(JGJ 153-2007)中表4.1.4

3 選用傳統照明燈具的布置方案

體育館場地照明設計的基本原則是燈具選擇。一般來說，當燈具安裝高度低于6m時，宜選用熒光類燈具；當燈具安裝高度在6m～18m時，宜選用功率不超過400W的中等功率金屬鹵化物類燈具。此次改造場地照明燈具安裝高度大于6m，且現有燈具為400W金屬鹵化燈，為保持前后設計的一致性，本方案仍選用同種規格的燈具類型。

3.1 平時訓練的布燈方案

經過模擬計算，將現有燈具更換為高光效的400W金屬鹵化物燈，在現有燈具布置方式的基礎上增加2盞燈具，即一塊場地布置6盞燈具，形成2(行)×3(列)的陣列，6盞燈全部開啟即可達到水平1 200lx的照度標準，燈具布置如圖2所示。

圖2 400W金屬鹵化物燈滿足平時訓練的布置方案

3.2 賽前適應性訓練的布燈方案

選定的需要進行賽前適應性訓練的場地，其燈具布置仍需滿足平時訓練，故需要在上述平時訓練的布燈方案基礎上進行，經過模擬計算，燈具布置如圖3所示。

圖3 400W金屬鹵化物燈滿足賽前適應性訓練的布置方案

在平時訓練時，1～6號燈開啟，7～10號燈關閉；賽前適應性訓練時，1～4號燈和7～10號燈開啟，5～6號燈關閉。相當于平時訓練燈具仍形成2(行)×3(列)的陣列，而為滿足賽前適應性訓練水平1 600lx的照度標準，需在平時訓練的燈位基礎上再均勻布置2盞燈具，形成2(行)×4(列)陣列。重復利用1～4號燈具，可以在滿足照明均勻度的前提下盡量減少燈具數量，從而使得此塊場地能同時滿足平時/賽前訓練這兩種照明模式。

3.3 傳統燈具布置方案存在的問題

選用傳統金屬鹵化物燈具的場地照明改造方案，其存在最大的問題就是同等規格燈具數量的大幅度增加。每層24塊場地均要滿足平時訓練，每塊場地較原有燈具數量增加2盞；另有8塊場地為滿足賽前適應性訓練，每塊場地較平時訓練的燈具數量再增加4盞。故總共需要增加的燈具數量為24×2+8×4=80盞，這基本相當于原有燈具數量(24×4=96盞)增加了一倍，由此給場地改造帶來如下問題。

3.3.1 眩光對照明質量的影響

由于乒乓球運動有手拋高球的技術特點，運動員抬頭很可能會看見場地燈具，因此眩光的控制顯得尤為重要。為避免眩光干擾，室內場地的投光點最低處到燈具的仰角必須大于45°，而仰角的大小取決于燈具的安裝位置和高度，其中以安裝高度最為重要。

本工程二層場地的燈具安裝條件最不利，現有層高7.7m，燈具安裝高度僅為6m，且基本沒有調整的余地，而改造后照明的亮度會大幅提高，受這兩個相互關聯的因素影響，選用防眩光燈具無疑是抑制眩光的可行辦法。但場館現有燈具上已安裝防眩透明棱紋擋板，運動員反映效果并不理想，傳統金屬鹵化物燈的防眩燈具在其安裝條件受限、數量大幅提高的情況下，已很難滿足限制眩光的作用，勢必會嚴重影響照明質量。

3.3.2 燈具發熱對空調系統的影響

眾所周知，傳統金屬鹵化物燈的發熱量很大，即便其發光效率相比其他光源已較高，但也僅有30%的電能轉化成光能，不包括光源在燈具里的損失，所以實際的發光效率可能會低于15%，其余的電能均轉化成熱量損耗了，這就是金屬鹵化物燈發熱量大的原因。

如此大的熱能增量對現有空調系統的影響是不容忽視的，空調機組、管道、出風口等相關設備的規格或數量均需要變動，這樣的變動同樣受到現有建筑格局的制約，超出了此次改造的可調范圍，故此方案是沒有可行性的。

3.3.3 照明負荷對電氣系統的影響

1)本方案金屬鹵化物燈的整燈功率為420W～440W，這是選用電子鎮流器的功率值，在燈具數量幾乎翻倍的情況下，經核算需要對現有低壓配電柜場地照明回路的出線開關及配電干線進行更換。

2)更換現有場地照明末端配電箱，其末端照明支路需根據控制方式進行調整，增加大量的支路開關及管線。

3)調整現有場地照明控制方式，采用智能照明控制系統，通過開/關量的變化實現賽前適應性訓練、平時訓練或清掃模式之間的切換。

4 應用LED的解決方案

4.1 LED的相關技術參數

本設計LED燈選用36顆貼片式LED整體封裝而成，整燈功率為380W，燈具選用經過磨砂處理的反光罩并提供對稱型配光。LED主要的技術參數如表2所示。

表2 LED的主要技術參數

4.2 LED的燈具布置方案

根據LED的技術規格，假定燈具安裝高度為6m，維護系數取0.8，為滿足此次改造的要求，經過模擬計算，平時訓練的燈具布置同本文3.1節金屬鹵化物燈，詳見圖2；賽前適應性訓練的布燈方式見圖3，將圖3中5、6號燈取消即滿足水平1 600lx的標準，通過調光控制達到平時訓練1 200lx的要求。

4.3 與傳統金屬鹵化物燈的方案比較

此方案由于賽前適應性訓練的場地照明燈具數量較金屬鹵化物燈減少了2盞，每層有8塊這樣的場地，總共減少16盞。即將地上二層、三層場地內現有金屬鹵化物燈替換為LED的同時，再各自增加64盞LED即可滿足改造要求。不光從數量上較傳統金屬鹵化物燈節省20%，同時結合本文3.3節金鹵燈布置方案存在的幾個問題作如下比對。

4.3.1 眩光控制

為了限制眩光，本工程LED燈具選用經過磨砂處理的反光罩，出光方式為漫反射式，能有效限制燈具亮度，此外根據燈具亮度校驗了燈具遮光角，滿足了相關規定，最大程度抑制了眩光。在燈具全部安裝前選取部分場地進行了試裝，經測試平時訓練已滿足規范要求，賽前適應性訓練的眩光指數稍高于標準值，但經運動員親身體會后表示可以接受。

4.3.2 燈具發熱量

據測算，LED發熱量僅是金屬鹵化物燈的30%甚至更低，且本工程LED燈具主體結構是一個成型的散熱筒，從而保證空氣垂直對流，提高了散熱效率。雖然LED數量較現有燈具有所增加，但經核算發熱量僅為現有燈具的60%～70%，對空調系統沒有任何實質影響。

4.3.3 電氣系統

1) 經核算，選用金屬鹵化物燈每層場地照明負荷容量增加約35kW，需更換現有低壓配電柜場地照明回路的出線開關及配電干線。采用LED，照明負荷容量增加約20kW，通過查閱原圖，現有出線斷路器的殼架電流可以滿足新增負荷，僅需調整開關的整定值即可。另外，現有電纜原設計已放大一級，載流量滿足要求，故低壓配電柜場地照明回路的出線開關及線纜均可不作更換。

2) LED選用DALI數字調光控制系統，每個LED燈具自帶DALI調光鎮流器，通過DALI網關對其進行控制，實現開關、場景、調光、狀態查詢及故障檢測等功能。 每個DALI調光鎮流器都有唯一地址，系統對燈光的調節可以到每盞燈，實現單燈單控，滿足對每張乒乓球臺或某一片區域進行單獨控制，控制方式靈活。

金屬鹵化物燈雖然也可以實現單燈單控，但末端配電箱出線需要單燈單回路，這無疑會增加出線開關、管線、智能模塊的數量，同時加大配電箱的尺寸。而DALI控制系統則不受配電回路所帶燈具數量的影響，一條回路可以帶3～4盞LED燈，避免上述情況發生。

4.3.4 應用LED的場地照明計算結果

燈具設置方式如本文4.2節所述，平時訓練分別對某一塊場地、某區域場地及全場這三種情況進行計算；賽前適應性訓練選取指定的某塊場地計算，其計算結果如表3所示。

相應的計算參數對應的等照度曲線如圖4～圖7所示。

表3所示計算結果表明，本設計選用LED滿足此次改造所要求的照明標準值。

表3 應用LED的場地照明計算數據

圖4 乒乓球場地某一球桌計算面等照度曲線圖(1 200lx)

圖5 乒乓球場地部分球桌周圍計算面等照度曲線圖(1 200lx)

圖6 乒乓球全場計算面等照度曲線圖(1 200lx)

圖7 乒乓球場地某一球桌計算面等照度曲線圖(1 600lx)

5 結束語

體育館改造項目由于其自身的特殊性，場地照明標準與建筑既有條件有時難免會產生沖突。在傳統照明燈具不能解決問題時，不妨考慮選用LED的布燈方案，在滿足要求的同時還能達到綠色節能的目的。

目前體育建筑場地照明系統選用LED的工程案例并不多見，在新建項目及有電視轉播要求的體育場館，傳統金屬鹵化物燈仍是場地照明的首選，日后隨著LED技術的成熟及成本的降低，其可否在上述場所大量推廣應用還有待論證，望本文能起到拋磚引玉的作用。以上觀點和結論不一定完全正確，望各位同行前輩提出寶貴意見并給予指正。

[1] 中國建筑科學研究院.體育場館照明設計及檢測標準(JGJ 153-2007)[S].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2] 中國建筑科學研究院.建筑照明設計標準(GB 50034-2013)[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.

[3] 北京照明學會照明設計專業委員會.照明設計手冊第二版[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4] 諾伯特·萊希納(美國)，譯者：張利，等. 建筑師技術設計指南：采暖·降溫·照明(原著第2版)[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[5] 北京市建筑設計研究院.建筑電氣專業技術措施[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.