體育場館照明節能模擬計算分析

趙 凱，林若慈

(1.索恩照明(廣州)有限公司，北京 100022；2.中國建筑科學研究院，北京 100013)

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體育場館照明節能模擬計算分析

趙 凱1，林若慈2

(1.索恩照明(廣州)有限公司，北京 100022；2.中國建筑科學研究院，北京 100013)

根據體育場館中的單雙馬道設計，以室外體育場和綜合體育館為例，使用照度計算軟件，按照推薦的單雙馬道設置選取相應的參數進行照明模擬計算，經過對比分析找出在何種馬道條件下才能夠在滿足各項照明指標要求的基礎上，實現能耗最小化的方法。

照明節能；模擬計算；照明設計

引言

在現代的體育場館照明中，馬道作為一個承載燈具安裝的結構，在照明中所扮演的角色無疑是非常重要的。馬道布燈方式，由于其連續性，布局美觀，安裝便利，且對于燈具投射角度的調整和燈具的維護都比較方便，所以深受設計師青睞。因此，在現代的體育照明中，這種馬道布燈方式，也就更多的被人們所接受并選擇。由于馬道本身是建筑結構的一部分，所以，它受建筑結構的影響是非常大的，而在設定馬道的時候，往往沒有和照明設計師進行充分和必要的溝通，因此設定的馬道位置和高度，往往會對之后的照明設計產生許多不利的影響。

既然馬道的位置和高度的設定，直接決定了該場館的體育照明效果能否完美實現，那么在設定馬道的時候就應該充分考慮后期的照明需求。良好的馬道位置能夠保證在后期照明設計的時候，所有的照明指標均滿足照明設計標準的要求，而不恰當的馬道位置的選擇，也會直接導致后期照明設計存在缺陷。

在本文中，我們針對推薦的馬道形式和高度等參數，分別對各種情況，選用相同類型配光的燈具對照明指標和照明功率密度進行模擬計算，以室外體育場與綜合體育館為例，計算在滿足各項照明轉播指標的基礎上，求得所需要消耗的照明功率密度。

1 模擬計算中馬道形狀和參數的選取

1.1 馬道形狀的選擇

在本次模擬計算中，所驗證的馬道形式包括單馬道和雙馬道兩種形式，單馬道是指沿場地邊線外放置單條通長的馬道，單馬道的位置在已知其水平投影距近邊線距離d以及其距地面的高度h后就可以確定下來。而雙馬道是指馬道沿場地邊線外放置兩條通長的馬道，同理，馬道的位置也不難確定，具體的方法可參照《基于體育場館照明馬道設置方法的研究》中關于確定馬道的位置參數的描述。馬道的形狀則可按照建筑結構和場地形狀來確定，如方形場地選擇方形馬道，橢圓形場地選擇橢圓形馬道等(圖1)。

1.2 馬道參數的選擇

根據《基于體育場館照明馬道設置方法的研究》對體育場館確定馬道位置參數方法的論證，特選擇本次照明模擬計算的馬道參數如表1～表4：

圖1 單馬道、雙馬道布置Fig.1 Single and double catwalk distribution

圖2 單馬道、雙馬道燈具投射角度Fig.2 Luminaire aiming angle for single and double catwalk (eachside)表1 室外體育場單馬道——燈具安裝高度 與各計算參數對應表Table 1 Single catwalk (each side) for athletics- Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

項目φ/(°)θ/(°)w/(m)d/(m)h/(m)s/(m)計算條件田徑(足球)25709319.152.565.6計算條件16525.855.472.3計算條件26034.259.380.7計算條件35545.164.491.6計算條件4307024.768.071.2計算條件5

表2 室外體育場雙馬道——燈具安裝高度與各計算參數對應表Table 2 Double catwalk (each side) for athletics-Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

圖2中，φ為燈具投射方向與場地遠邊線之夾角；θ為燈具投射方向與場地近邊線之夾角；w為場地寬度；d為燈具(馬道)水平投影距近邊線距離；h為燈具(馬道)距地面的高度；d′為雙馬道后排燈具(馬道)水平投影距近邊線距離；s為單馬道燈具(馬道)水平投影距場地中心點距離；s1,s2為雙馬道兩排燈具(馬道)水平投影距場地中心點距離。

表3 綜合體育館單馬道——燈具安裝高度與各 計算參數對應表Table 3 Single catwalk (each side) for gymnasium- Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

表4 綜合體育館雙馬道——燈具安裝高度 與各計算參數對應表Table 4 Double catwalk (each side) for gymnasium- Luminaire mouting height and calculation parameters in corresponding table

表1～表4中馬道的高度均為馬道最高點距地面的高度，而實際情況馬道高度是變化的，尤其是在綜合性體育場中，馬道通常不是水平的結構，而是按照建筑結構的走勢成弧形排列，并且前后排馬道的高度往往不一致。在本文的模擬計算中，已經適當的考慮了這種情況，并對燈具安裝的高度按實際情況作了一些調整。

2 模擬計算中燈具參數的選取及計算條件的設定

2.1 室外體育場燈具配光(表5)

表5 室外體育場燈具配光Table 5 Light distribution of athletics-luminaire

2.2 室外體育場計算條件的設定

室外體育場的模擬計算，按照《體育場館照明設計及檢測標準》JGJ 153—2007的比賽等級，以田徑為例對整體的照明設計進行模擬計算，計算分為三個比賽級別：Ⅵ級-HDTV轉播重大國際比賽，Ⅴ級-TV轉播重大國際比賽，Ⅳ級-TV轉播國家、國際比賽。設計中維護系數取0.8，環境系數取0.2。計算包括主攝像機垂直照度、水平照度、四個正交面的垂直照度、眩光、照度梯度等。

2.3 綜合體育館燈具配光(表6)

表6 綜合體育館燈具配光Table 6 Light distribution of gymnasium-luminaire

2.4 綜合體育館計算條件的設定

綜合體育館的模擬計算，按照《體育場館照明設計及檢測標準》JGJ 153—2007的比賽等級，以體操為例對整體的照明設計進行模擬計算，計算分為三個比賽級別：Ⅵ級-HDTV轉播重大國際比賽，Ⅴ級-TV轉播重大國際比賽，Ⅳ級-TV轉播國家、國際比賽。設計中維護系數取0.8，環境系數取0.2。計算包括主攝像機垂直照度、水平照度、四個正交面的垂直照度、眩光、照度梯度等。

2.5 計算說明

在場館照明模擬計算中，燈具位置參數由表1至表4中的馬道位置參數表確定，分別對不同參數的馬道條件作出相應的模擬計算。表1中有5種計算條件，表2中有7種計算條件，表3中有8種計算條件，表4中有9種計算條件，共29種計算條件，基本上全部覆蓋了綜合體育場館中所能選擇的合理的馬道位置和高度(包括常規單雙馬道燈具布置，特殊異型馬道除外)，通過對這些不同情況的模擬計算，能夠得到更全面更客觀的計算結果。然后，再進一步對這些數據進行分析整理，就可得出不同馬道布置情況下的各種照明指標，以此來進一步分析在何種馬道條件下，在達到相同級別的照明指標時，能夠實現的最小能耗。

3 計算軟件的選擇

Agi32是一個用Microsoft Visual Basic編寫的大型綜合性照明計算軟件，該軟件為商業軟件，開發和服務相對獨立，自身不附帶任何燈具配光文件和數據庫，但兼容 .IES等配光文件格式，而且Agi32是一個獨立運行的程序，它的計算結果不受其他軟件的影響，因此具有權威性和公正性。由于是商業軟件，安裝過程較為復雜，但軟件兼容性較好，運行較穩定，而且程序升級服務完備。軟件開放性強，在各照明廠商的燈具配光文件支持下可以進行室內、室外、日光等任何一種應用方式的照明計算，并可以選擇在計算時是否計入建筑結構對光分布的影響，加入建筑模型后，可渲染出虛擬光分布效果圖。

Agi32軟件界面親和，秉承了AutoCAD以及Microsoft Office系列軟件的操作風格(圖3)。Agi32可以在一個模擬環境中計算燈具和日光照射下的光分布情況。可計算的參數包含照度、亮度、眩光指數(GR)、功率密度分析等，可以通過直接打印報表以及導出為AutoCAD兼容的. dxf文件等方式輸出。

圖3 Agi32軟件操作界面Fig.3 Operating desktop of Agi32 software

Agi32軟件的特點有：可通過散點、直線、曲線、空間平面等多種方式布置照度計算點，可以計算相對于攝像機的垂直照度、眩光指數(GR)、照度梯度和區域功率密度等參數。由于采用類似AutoCAD的操作界面，實時調整燈具瞄準點十分簡便，非常適合進行體育場館的照明計算。本項目的所有照明計算均使用該軟件完成，并通過其直接輸出結果。

4 滿足設計標準要求的LPD值計算結果

4.1 室外體育場計算結果(見表7、表8)

表7 單馬道田徑場地計算結果Table 7 Calculation results of single catwalk for athletics

表8 雙馬道田徑場地計算結果Table 8 Calculation results of double caltwalk for atheltics

4.2 綜合體育館計算結果(見表9、表10)

表9 單馬道體操場地計算結果Table 9 Calculation results of single catwalk for gymnastics

表10 雙馬道體操場地計算結果Table 10 Calculation results of double catwalk for gymnastics

5 模擬計算對比分析

數據分析以高清電視轉播(HDTV)模式和單馬道計算結果為例。

5.1 室外體育場

田徑場地計算分析如圖4所示。

圖4 馬道水平投影距場地近邊的距離d和馬道高度h 對于LPD值的影響(田徑場地)Fig.4 Effect of d and h on LPD for athletics

由圖4可見，馬道高度h和馬道水平投影距場地近邊的距離d對于場地的LPD值有重要影響。在馬道水平投影距場地近邊的距離d相差不大的情況下，隨著馬道高度h的升高，LPD值也就相應的增大，以表1中計算條件2和計算條件5的兩種情況為例，條件2中d=25.8m,h=55.4m，LPD=100.90W/m2；條件5中d=24.7m,h=68m,LPD=116.91W/m2,在d相差不大的情況下，隨著馬道高度的升高，LPD值也隨之升高。

同樣，在馬道高度h相差不大的情況下，隨著馬道水平投影距場地近邊的距離d的增加，LPD值呈現相應減少的趨勢。以表1中計算條件4和計算條件5的兩種情況為例，條件4中d=45.1m,h=64.4m，LPD=107.84W/m2；條件5中d=24.7m,h=68m,LPD=116.91W/m2,在h相差不大的情況下，隨著馬道水平投影距場地近邊的距離增加，LPD值就隨之減少。由此可見，在設置馬道時，適當的降低馬道高度和增加馬道水平投影距場地近邊的距離，對于減少能耗，降低LPD值是有著重要意義的，當然，這種馬道高度的降低和馬道水平投影距場地近邊的距離的增加也是有前提條件的。盲目地降低馬道高度就會導致場地內眩光指數的增大，盲目地增加馬道水平投影距場地近邊的距離，不僅會導致場地內眩光指數的增大，而且當這個距離過遠的時候，反而會導致能源的浪費。所以，在降低馬道高度和增加馬道水平投影距場地近邊的距離時，都要遵從一個基本的原則，就是與馬道位置相關的兩個角度φ和θ的取值，即需滿足圖2中對這兩個角度的取值要求。

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就單雙馬道兩種燈具布置方式而言，選擇雙馬道布燈方式，對于降低LPD值是有著非常重要的意義的，當然，能否選擇雙馬道布置方式，還與場地的結構等方面息息相關，需要在具體實施的時候針對每個項目再做詳細的節能分析。

足球場地計算分析如圖5所示。

圖5 馬道水平投影距場地近邊的距離d和 馬道高度h對于LPD值的影響(足球場地)Fig.5 Effect of d and h on LPD for football

5.2 綜合體育館數據對比分析

體操場地計算分析如圖6所示。

圖6 馬道水平投影距場地近邊的距離d和馬道高度h 對于LPD值的影響(體操場地)Fig.6 Effect of d and h on LPD for gymnastics

籃排球場地計算分析如圖7所示。

圖7 馬道水平投影距場地近邊的距離d和馬道高度h 對于LPD值的影響(籃排球場地)Fig.7 Effect of d and h on LPD for atheltics

圖4～圖7說明，這種變化趨勢在體育場館的照明設計中帶有普遍性。

6 結語

[1] 中華人民共和國建設部.JGJ 153—2007 體育場館照明設計及檢測標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2] 林若慈，朱悅.基于體育場館照明的馬道設置方法的研究[J].照明工程學報，2014，25(5)：32-39.

簡 訊

◆ 2014年12月20-22日，由全國高級照明設計師同學會主辦的“全國高級照明設計師同學會年會及高峰論壇”在四川成都隆重舉行。行業嘉賓、全國高級照明設計師培訓班同學代表近150人參加了此次活動，中國照明學會秘書長竇林平出席。

◆ 2015年1月10日，2015中國室外照明論壇暨中國照明學會室外照明專業委員會年會在貴陽召開，會議由中國照明學會室外照明專業委員會和中國建筑學會建筑物理分會采光照明專業委員會共同主辦，論壇圍繞半導體照明的發展與應用進行交流。來自行業內的專家、設計師、企業代表近150人參加了會議，中國照明學會秘書長竇林平出席。

◆ 2015年1月13日，2015年中國照明學會“凱圖杯”會員羽毛球邀請賽在北京圓滿舉辦。活動由中國照明學會黨支部主辦，廣州凱圖電氣股份有限公司協辦。來自中國照明學會理事及會員代表100余人參加了此次活動,其中80余名運動員參加了比賽。中國照明學會理事長徐淮、副理事長劉世平等參加了活動并為獲獎個人及單位頒獎。中國照明學會副秘書長、黨支部副書記高飛代表學會致開幕詞。中國科協學會服務中心黨委康健應邀參加了活動。

◆ 2015年1月16日，中日韓照明大會組委會第15次工作會議在日本東京舉行。大會組委會中方成員郝洛西、劉世平、鄒念育和秘書崔哲參加此次會議。經過認真討論，會議達成如下共識：第八屆中日韓照明大會于2015年8月20-21日在日本京都女子大學舉行；會議主題為“創造舒適的照明光環境”，會議形式包括研討會、主題報告、口頭報告和短時口頭報告及張貼報告等；會議摘要注冊截止日期為2015年5月7日，論文提交的截止日期為2015年6月30日。希望學會各位理事、專家及廣大科技工作者積極為大會提交論文或專題報告，并積極參加本屆中日韓照明大會。

◆ 2015年1月19-20日，“2015國際光年”開幕儀式在聯合國教科文組織巴黎總部舉行，各國政要、外交官、諾貝爾獎獲得者等數千人共聚現場，研討關于光的多樣話題。

◆ 2014年中國科技論文統計結果顯示，共有1919種中文科技期刊和70種英文科技期刊被收錄其中。《照明工程學報》再次被評為中國科技核心期刊。

◆ 為進一步提高照明設計師職業素質，促進照明行業健康有序發展，規范照明設計師的執業行為，《照明設計師注冊管理辦法》將于2015年實行。根據本辦法，中國照明學會將對全國照明設計師的注冊、執業活動實施統一監督管理。《注冊照明設計師繼續教育管理暫行辦法》也將同步實行。

◆ 2014年“照明設計師”職業資格培訓、鑒定工作取得新進展，全年共開辦初、中、高級培訓班11期，培訓人數489人，為歷年最多。2014年還首次開展了“高級照明設計師(舞臺影視方向)”職業資格考核認定，共有17位長期從事舞臺影視照明工作的專業技術人員獲得職業資格證書。此外，對注冊電氣工程師進行高級照明設計師(國家職業資格一級)和照明設計師(國家職業資格二級)考核認定的各項工作正在進行中。截止至2014年年底，接受“照明設計師”職業資格培訓的從業人員已突破2000人。

Simulation Calculation of the Energy-saving Analysis in Venues Lighting

Zhao Kai1， Lin Ruoci2

(1.ThornLighting(Guangzhou)Limited，Beijing100022,China；2.ChinaAcademyofBuildingResearch，Beijing100013,China)

Based on the design of single or double catwalk，the calculation software was used to do an analysis about the lighting in stadium and gymnasium. In the calculation, we use some recommended parameters. From the analysis, we can find out that when we get the same effect which type of catwalk can reduce the energy consumption most.

the energy saving of lighting; simulation calculation; lighting design

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.007