院校體訓(xùn)場(chǎng)館LED 燈替代金鹵燈的應(yīng)用研究

吳文龍，高建亭，張科迪

（海軍潛艇學(xué)院教研保障中心，山東 青島 266199）

1 金鹵燈與LED 燈的特性差異

金鹵燈是在高壓汞燈基礎(chǔ)上添加各種金屬鹵化物制成的光源，采用交流電源工作，在汞和稀有金屬的鹵化物混合蒸氣中產(chǎn)生電弧放電發(fā)光。LED 燈利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，采用直流電源工作。當(dāng)兩端施加正向電壓時(shí)，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光。LED 燈與金鹵燈的主要特性差異[1]如表1 所示。可以看出，LED 燈相較金鹵燈在電氣特性上具有優(yōu)勢(shì)，具備替代應(yīng)用的可行性。

2 院校體訓(xùn)場(chǎng)館的照明要求

院校體訓(xùn)場(chǎng)館屬于國(guó)家體育場(chǎng)館的大范疇，其照明要求應(yīng)當(dāng)符合國(guó)家通行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，院校體訓(xùn)場(chǎng)館與地方院校或社會(huì)商業(yè)化場(chǎng)館的運(yùn)行保障存在明顯不同，應(yīng)當(dāng)考慮上述因素帶來(lái)的差異化要求。

2.1 符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

《體育場(chǎng)館照明設(shè)計(jì)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》及《體育照明使用要求及檢驗(yàn)方法》是體育場(chǎng)館照明的主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范依據(jù)。按場(chǎng)館使用功能和電視轉(zhuǎn)播要求，照明分為健身業(yè)余訓(xùn)練、業(yè)余比賽專業(yè)訓(xùn)練以及專業(yè)比賽等不同級(jí)別。分級(jí)情況[2]如表2 所示。

在照明分級(jí)的基礎(chǔ)上，按照運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的不同，各分項(xiàng)體育場(chǎng)館均有對(duì)應(yīng)的照明標(biāo)準(zhǔn)，其中包含水平照度Eh、垂直照度Ev、照度均勻度U（區(qū)分最小照度與最大照度之比U1和最小照度與平均照度之比U2）、顯色指數(shù)（Ra、R9）以及相關(guān)色溫Tcp等多個(gè)指標(biāo)。隨著照明等級(jí)的提高，照度及均勻度等指標(biāo)相應(yīng)提高。對(duì)于無(wú)電視轉(zhuǎn)播的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)照明，水平照度最為關(guān)鍵；而對(duì)于有電視轉(zhuǎn)播的Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ級(jí)照明，垂直照度和顯色指數(shù)更重要。

2.2 適應(yīng)院校使用特點(diǎn)

由于院校培訓(xùn)任務(wù)的特殊性，院校體訓(xùn)場(chǎng)館功能定位以保障相關(guān)教學(xué)訓(xùn)練考核為中心工作，兼顧保障內(nèi)部教職員工學(xué)員健身鍛煉和業(yè)余賽會(huì)。體訓(xùn)場(chǎng)館常年不間斷運(yùn)行，一般不對(duì)外單位及外來(lái)人員開(kāi)放，每日開(kāi)放時(shí)段相對(duì)集中，一般無(wú)電視轉(zhuǎn)播需求。根據(jù)上述使用特點(diǎn)，參照Ⅰ、Ⅱ級(jí)體育場(chǎng)館照明等級(jí)，結(jié)合各分項(xiàng)體育場(chǎng)館保障的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，可以得到院校體訓(xùn)場(chǎng)館的照明標(biāo)準(zhǔn)以滿足日常照明要求，如表3 所示。

表3 中包含水平照度、均勻度、顯色指數(shù)、相關(guān)色溫以及眩光指數(shù)等指標(biāo)。日常教學(xué)訓(xùn)練和健身鍛煉應(yīng)滿足Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，重要考核和業(yè)余賽會(huì)應(yīng)滿足Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3 體訓(xùn)場(chǎng)館照明現(xiàn)狀及替代改造

體訓(xùn)場(chǎng)館照明燈具的布置應(yīng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的特點(diǎn)和場(chǎng)地的特征確定。院校室外體訓(xùn)場(chǎng)地多采用兩側(cè)布燈、四角布燈，混合布燈較為少見(jiàn)；體訓(xùn)館多采用頂部布燈、兩側(cè)布燈，混合布燈較為少見(jiàn)。

3.1 田徑場(chǎng)照明替代改造

某田徑場(chǎng)為標(biāo)準(zhǔn)半圓式400 m 塑膠跑道田徑場(chǎng)，內(nèi)含105 m×68 m 標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)，是院區(qū)內(nèi)軍事體育相關(guān)教學(xué)訓(xùn)練考核及教職員工健身鍛煉開(kāi)展的保障場(chǎng)地。該場(chǎng)地四角布燈照明包含4 組20 m 塔式高桿燈，原每組各安裝12 盞1 000 W 的金鹵燈。2018年底至2019年初，金鹵燈陸續(xù)達(dá)到使用壽命上限，損壞數(shù)量較多，已無(wú)法滿足夜間教學(xué)訓(xùn)練考核要求。將全部金鹵燈更換為400 W LED 燈，在原燈位更換LED 燈，加入照明亮度控制，改進(jìn)定時(shí)調(diào)整方式實(shí)現(xiàn)集控。

表1 金鹵燈與LED 燈特性比較

表2 體育場(chǎng)館照明分級(jí)

表3 院校體訓(xùn)場(chǎng)館照明標(biāo)準(zhǔn)值

3.2 籃球羽毛球館照明替代改造

某體訓(xùn)館中籃球羽毛球館使用面積為1 750 m2，建筑高度為20 m，內(nèi)含1 個(gè)28 m×15 m 的標(biāo)準(zhǔn)籃球場(chǎng)和4個(gè)13.4 m×6.1 m的標(biāo)準(zhǔn)羽毛球場(chǎng)。館內(nèi)兩側(cè)設(shè)有看臺(tái)，是校隊(duì)相關(guān)訓(xùn)練比賽和院內(nèi)教職員工健身鍛煉開(kāi)展的保障場(chǎng)地。該場(chǎng)館兩側(cè)布燈照明原包含120 盞400 W金鹵燈，分別安置在場(chǎng)館上方兩側(cè)馬道。2018年底至2019 上半年，金鹵燈陸續(xù)達(dá)到使用壽命上限近半數(shù)損壞，已無(wú)法滿足日常訓(xùn)練使用要求。因此，將60 盞金鹵燈更換為240 W LED 燈，在原燈位更換LED 燈。

4 效果實(shí)測(cè)及分析

以館內(nèi)籃球場(chǎng)為例，采用中心點(diǎn)法[3-4]重點(diǎn)對(duì)照明替代改造后的場(chǎng)館水平照度和照度均勻度進(jìn)行檢測(cè)。將測(cè)量區(qū)域（28 m×15 m）劃分成正方形網(wǎng)格（2 m×2 m），測(cè)點(diǎn)布置在每個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)上，參考高度取1 m，照度測(cè)量網(wǎng)格點(diǎn)按圖1 確定，其中“o”為測(cè)點(diǎn)。根據(jù)“在照明裝置軸線對(duì)稱或完全對(duì)稱布置的場(chǎng)地可只測(cè)1/2 場(chǎng)地”[2]的原則，對(duì)1/2 場(chǎng)地區(qū)域測(cè)量網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。

圖1 籃球場(chǎng)照度測(cè)量網(wǎng)格點(diǎn)布置圖

如圖2 所示，經(jīng)實(shí)測(cè)計(jì)算，結(jié)合院校體訓(xùn)場(chǎng)館的照明標(biāo)準(zhǔn)，籃球場(chǎng)照明替代改造后重要考核和業(yè)余賽會(huì)照明模式下最小水平照度為460 lx，最大水平照度為1 150 lx，平均水平照度為702 lx，水平照度均勻度U1為0.4、U2為0.65，滿足Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 實(shí)測(cè)情況

在滿足Ⅱ級(jí)照明標(biāo)準(zhǔn)的前提下，以籃球場(chǎng)年均每天5 h 燈光保障、電費(fèi)價(jià)格0.6 元/kW·h 為例，改造前后的情況如表4 所示。

價(jià)格方面，隨著技術(shù)的日趨成熟，滿足同等照明效果的LED 燈已比金鹵燈形成優(yōu)勢(shì)。節(jié)能方面，60盞LED 燈年均可節(jié)約用電量17 520 kW·h，節(jié)省電費(fèi)10 512 元。若考慮后續(xù)60 盞金鹵燈陸續(xù)到壽更換，替代改造的節(jié)能效果將更顯著。耐用方面，金鹵燈標(biāo)稱的使用壽命一般為10 000 h，而LED 燈在50 000 h 以上，且金鹵燈每半年應(yīng)有例行檢修日，LED 燈維護(hù)檢修要求相較更低，替代改造更有利于后期設(shè)備運(yùn)維。

表4 籃球場(chǎng)照明改造前后情況

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)典型院校體訓(xùn)場(chǎng)館照明的替代改造試點(diǎn)應(yīng)用，驗(yàn)證了LED 燈可以替代金鹵燈滿足日常教學(xué)訓(xùn)練考核賽會(huì)照明要求。在滿足相同照度指標(biāo)的前提下，基本保留原照明配電系統(tǒng)，只在原燈位更換LED 燈，同一場(chǎng)館內(nèi)的LED 燈比金鹵燈節(jié)能40%～60%。若后續(xù)LED 照明系統(tǒng)采用整體統(tǒng)一設(shè)計(jì)，節(jié)能優(yōu)勢(shì)還將更明顯。由于LED 燈屬于結(jié)構(gòu)緊湊的固態(tài)光源，平均壽命遠(yuǎn)超金鹵燈，可顯著節(jié)約使用維護(hù)成本。此外，LED燈作為半導(dǎo)體器件，可與信息技術(shù)進(jìn)行深度融合，具有廣闊的應(yīng)用前景，因此應(yīng)積極推廣使用，推動(dòng)院校體訓(xùn)場(chǎng)館照明運(yùn)行、管理和維護(hù)的改革創(chuàng)新。