體育館照明系統(tǒng)的LED節(jié)能改造

劉　杰，王金鵬，常繼峰，金　強，周宏平

(1.南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇 南京　210037；2.南京林業(yè)大學體育運動中心，江蘇 南京　210037)

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體育館照明系統(tǒng)的LED節(jié)能改造

劉杰1，王金鵬1，常繼峰2，金強2，周宏平1

(1.南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇 南京210037；2.南京林業(yè)大學體育運動中心，江蘇 南京210037)

摘要：以南京林業(yè)大學羽毛球館為例進行了改造照明系統(tǒng)的理論和實驗研究，提出了利用高亮度、長壽命LED燈進行照明改造的方案，并進行了可行性驗證實驗，總結出了不同數量的T5 LED燈管的照度與距離之間的變化規(guī)律，發(fā)現在距離為6m～10m時照度隨燈管個數的變化具有較好的線性關系。然后在46.57m×22.56m場地高9.06m的天花板上沿羽毛球場地兩長邊方向布置了340根LED燈管，總功率為6.12kW，比原照明系統(tǒng)的降低了62.8%。場館基本達到了標準規(guī)定的最低照度要求，驗證了新方案的可行性和優(yōu)越性，為今后類似場館的照明改造提供了有益的參考。

關鍵詞：節(jié)能改造；LED；能耗；照度

引言

體育運動已成為人們生活的重要組成部分，體育場館的建設及體育照明[1-2]正不斷發(fā)展，同時節(jié)約能源的理念越來越深入人心。以南京林業(yè)大學的羽毛球館為例，16盞金鹵燈組成的照明系統(tǒng)下，場地照度僅約60lx，而國際單項體育聯合會總會(GAISF)2007年頒布的多功能室內體育場館人工照明標準規(guī)定在業(yè)余水平組體能訓練時的最小平均水平照度為150lx，因此現有照明系統(tǒng)遠遠達不到標準要求；而LED燈具的發(fā)展為體育場館的傳統(tǒng)照明設施的節(jié)能改造提供了很好的選擇。本文針對南京林業(yè)大學羽毛球館照明系統(tǒng)[3]的節(jié)能改造需求，擬采用LED燈[4]，從提高平均照度、照度均勻度以及節(jié)能降耗的角度來研究制定改造方案，討論其可行性，并期望最終能達到提高場地照度、節(jié)能降耗的目的。

1所需LED燈管數量分析

1.1照度測試系統(tǒng)

為了更好地達到羽毛球館的照度要求，需要測試單個LED燈管和多個LED燈管共同照明時的照度的關系，為進一步確定照明系統(tǒng)的改造方案中燈管的布置以及所需燈管的數量提供依據。

南京林業(yè)大學羽毛球館天花板距離地面的距離為9米，場館大小剛好可以容納9個標準羽毛球場地。實驗中用到的LED燈管型號為T5，功率為18W，數量為6根(6根燈管并行排列)。實驗測量了打開不同數目的燈管時，在照度儀距離燈管不同距離時的照度，距離間隔為1m，測到12m為止。6根燈管安裝在一塊板子上，板子最下邊緣距離地面1m，燈管之間的間距為15cm，照度計放置高度及測量方法如圖1所示。

圖1　測量方法示意圖Fig.1　The schematic diagram of measurement method

實驗在游泳館地下室進行，為了更準確地測出LED燈管的照度，現場除了測量用燈管之外，沒有其他光源，而且照度儀的感光面一定要正對著光源，且每次的測量高度要正對著所測燈管的中間位置，在用讀取照度儀數據時，測量人員不能太靠近測量儀感光面的一側。

1.2數據分析

實驗測得不同燈管數、不同的距離下的照度數據如表1所示。

表1　不同數目的燈管在不同距離下測得的照度　單位：lx

根據表1的測量數據，得到照度分布如圖2所示。

圖2　不同距離下不同燈管個數的照度Fig.2　Illumination measured under the condition of different number of LED or different distance

從圖2中可以得出，相同個數的燈管隨著距離的增大，照度是逐漸減小的，但在3m以后其減小趨勢變緩，在6m～10m時近似呈線性；在同一距離下隨著燈管個數的增加，照度也逐漸增加；圖 2(b)是6m～10m時的放大圖。為了更清楚地分析在某一距離上的照度與燈管個數的關系，分別繪制了4m、6m、8m、9m及10m的曲線，如圖3所示。

圖3　同一距離下不同燈管個數的照度Fig.3　Illumination measured under the condition of the same distance and different number of LED

從圖3可以看出，同一距離下隨著燈管個數的增加照度是增加的，其規(guī)律近似為

y=ax+b

(1)

式中，y為照度值，單位：lx；x為同一距離下不同燈管個數；a為斜率；b為截距。

根據表1的數據可以計算出某一距離上的照度與燈管個數曲線的斜率a和截距b，對所求的相鄰點之間的數值求平均可得aave和bave。通常體育館需要的照明距離都在4米以上，故選取距離為4～10米時a和b的數據列于表2。

表2　不同距離下相應的斜率和截距

當距離為8m時，函數關系為y=4.4x-3.4，根據國家標準規(guī)定最低照度標準為150lx，當y為150時，可得出x的值為34.86，取整數為35；當距離為9m時，函數關系為y=3.4x-3.4，當y為150時，得出x的值為45.12，取整為45；當距離為10m時，函數關系式為y=2.6x-2.93，當y為150時，得出x的值為58.82，取整數為59。通過上述實驗所得到的燈管數及距離與照度的變化規(guī)律，可以預測出對于照明距離為9m時的標準羽毛球場地，若在場地兩長邊附近布置LED燈，則至少需要45個此規(guī)格的LED燈管。

2照明改造

改造前后金鹵燈與LED燈管的分布如圖4所示，改造前金鹵燈分布在羽毛球館兩面的墻上，一共16個，一面各8個；改造后LED燈的分布考慮到了墻角的照度[6]，同時由于墻面對光照的影響，在靠近墻面的地方多增加了幾組LED燈管。

圖4　改造前后金鹵燈與LED燈管分布示意圖Fig.4　Metal halide lamp and LED lamp distribution diagram

羽毛球館中每個場地兩長邊附近布置了4排不少于45個燈管，整個場館共布置了340個LED燈管，燈管之所以布置在羽毛球場地兩側邊附近，主要是為了盡量減少燈光對運動員觀察來球的干擾，同時提高場地上的照度均勻度。由9m距離下的函數關系y=3.4x-3.4可以得出燈管個數為45時每塊場地上的照度為149.6lx，約等于150lx，應能達到了體育場館照明標準規(guī)定的最低照度指標，燈光的改造計劃理論上可行。

比作秀更可怕的是作假。前段時間，河南平頂山有人向媒體反映，因為空氣質量惡化，當地政府部門強制市區(qū)范圍內的十幾家加油站限制加油時間，想加油只能在晚上7點以后，早上8點之前，同時這些加油站要在年底前完成搬遷。

3照度測量

3.1場地選取及網格劃分

根據室內體育館場地燈具的分布和球場平面布局，可以只測1/2或1/4的場地，本體育館采用測量1/4場地的方法[7]。矩形場地照度計算和測量網格點可按圖5確定。

圖5　中心點法測量照度示意圖Fig.5　Illumination schemes of center point measuring method

1)測量網格的長dl和寬dw可按下列方法確定：當l，w不大于10m時，計算網格為1m；當l，w大于10m且不大于50m時，計算網格為2m；當l，w大于50m時，計算網格為5m。

2)測量網格點間距宜為計算網格點間距的2倍。因為整個羽毛球館面積為46.57m×22.56m，因此所選測量面積為20.9m×10.0m，是整個面積的1/4。羽毛球場地網格劃分按表3確定，測量場地被劃分為10×5個網格。

表3　羽毛球場地網格劃分

3.2照度測量

根據標準要求，水平照度應該按照中心點法進行測量計算[8-9]，測量點應該布置在每個網格的中心點上，如圖5所示，實驗采用TASI分體式數字照度計，型號為TASI-8710，實際測試點位于距地面1米的高度。

(2)

式中，Eave為平均照度；Ei為第i個測量點上的照度；n為總的網格點數。

照度均勻度按式(3)、式(4)計算：

(3)

(4)

式中，U1、U2為照度均勻度；Emin為測量場地上的最小照度；Emax為測量場地上的最大照度；Eave為測量場地上的平均照度。

改造前金鹵燈的測量數據如表4所示，改造后LED燈的測量數據如表5所示，改造前后的數據對比如表6所示。

從表6中可以看出羽毛球館場地上的照度從原來的62.74lx提高到了148.39lx，改造后的平均照度的增幅為136.5%，水平照度均勻度U1增幅為92.3%，水平照度均勻度U2增幅為28.1%。改造后的場館照度達到了國標的場館照度要求，證明了利用LED燈具進行體育館照明系統(tǒng)改造取得了成功。

表4　金鹵燈的測量數據

表5　LED燈的測量數據

表6　改造前后照度的對比

4改造后的節(jié)能效果

原照明系統(tǒng)安裝了16盞上海某廠家生產的型號為JLZ100W BT金鹵燈，每個燈頭1kW，共16kW，燈頭每次啟動需要5分鐘。而改造后的照明系統(tǒng)用了340個T5型的LED燈管，每個燈管額定功率18W，共6.12kW，沒有頻閃，即開即亮，壽命大于50 000h。改造前后能耗[10]節(jié)約率達到62.8%。按每天用電5小時，1年350天，每度電費0.6元計算，改造前每年須支出電費16800.0元，而改造后僅需6426.0元，每年節(jié)約電費10374.0元。

在使用金鹵燈時，當某個燈頭發(fā)生故障而不亮時，會嚴重影響多個場地的照明。改為LED燈管照明后，由于每個燈管對相應場地的照度貢獻很小，即使發(fā)生幾個甚至十幾個燈管不亮的情況，對場地照度的影響也不會像原先那樣嚴重。

另外，由于金鹵燈不適合經常開關，在日常使用過程中故障率較高，每年維護更換量較多，相應地維護成本較高，而改造后的維護成本則大大降低。

5結論

本文以南京林業(yè)大學羽毛球館為例進行了提高照度、節(jié)能降耗為目的的照明系統(tǒng)改造研究，并進行了可行性驗證實驗；最后對改造前后的照明系統(tǒng)的效果進行了測試，驗證了本文設計的利用高亮度、長壽命LED燈進行體育館照明系統(tǒng)改造方案的可行性和優(yōu)越性，為今后類似場館的照明改造提供了有益的參考，總結如下：

1)本文通過實驗分析總結了不同數量的T5型LED的照度隨著距離變化的規(guī)律以及某一距離上的照度隨著燈管個數變化的規(guī)律，其中在距離為6m～10m時照度隨燈管個數的變化具有較好的線性關系。

2)根據所設計的布燈方案改造了羽毛球館的照明系統(tǒng)，共用了340個1.2m長的LED燈管，總功率為6.12kW，比原照明系統(tǒng)的降低了62.8%。

3)LED照明系統(tǒng)使得場館照度由原來的62.74 lx提高到了148.39 lx，平均照度增加了136.5%，水平照度均勻度U1增加了92.3%，U2增加了28.1%，基本達到了標準規(guī)定的體育場館的照度要求。

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Energy Saving Reform of the Gymnasium’s Lighting System with LED

Liu Jie1, Wang Jinpeng1, Chang Jifeng2, Jin Qiang2, Zhou Hongping1

(1.NanjingForestryUniversity,SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,Nanjing210037,China;2.NanjingForestryUniversity,SportsCenter,Nanjing210037,China)

Abstract：Take Nanjing Forestry University (NJFU) Badminton Hall as the example, theoretical and experimental studies of the lighting system reconstruction was carried out in this paper. A modification program was proposed by using high-brightness and long-life LED. The associated verification test was done with several T5 LED lamps. The results show that the relationship between illumination and distance, as well as illumination and number of the lamp is linear when the distance is 6m～10m. So 340 lamps was equipped in the new lighting system of NJFU badminton hall (46.57m×22.56m×9.06m), hanging on the ceiling along the longitudinal direction of the badminton courts. The total power is 6.12kW, decreased 62.8% than the old lighting system. The results have basically reached the minimum illuminance requirements of the national standard. Therefore, this indicates that the new program about LED lighting system is feasible. This case should be a useful reference for other similar gymnasium’s lighting system reconstruction.

Key words:energy saving reconstruction；LED lamp；energy consumption；illuminance

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.009

通訊作者：王金鵬，E-mail:mejpw@aliyun.com

基金項目：國家自然科學基金青年基金(No.51408311)