“十四運(yùn)”場館場地照度分布研究及照明方案設(shè)計(jì)

于 瑛，崔梓豪，陳 笑，孫 晴

(1.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 建筑設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710055)

體育照明是通過控制目標(biāo)物的亮度與背景，從而獲得良好的照明環(huán)境，使得運(yùn)動(dòng)物體和運(yùn)動(dòng)員能清楚地呈現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)員、現(xiàn)場觀眾和電視機(jī)觀眾的眼前，以達(dá)到良好的比賽和觀賞效果[1].《體育場館照明設(shè)計(jì)及檢測標(biāo)準(zhǔn)》[2](JGJ153-2016)中規(guī)定將體育照明等級(jí)分為六級(jí)，綜合性體育場館因要適用于多種比賽項(xiàng)目的照度需要[3]，且有電視轉(zhuǎn)播需求，場地照明等級(jí)一般在Ⅳ級(jí)以上.為達(dá)到高等級(jí)照明要求，場館中燈具往往數(shù)量多、功率大，使得照明能耗成為了體育場館主要能耗之一，因此，照明節(jié)能設(shè)計(jì)就顯得尤為重要[4-5].

近年來，國內(nèi)外學(xué)者主要從照明設(shè)計(jì)和照明控制兩個(gè)方面對(duì)體育場館節(jié)能照明進(jìn)行了研究.在照明設(shè)計(jì)研究中，韓本慧[6]、黃顯雯等[7]分析了不同設(shè)計(jì)因素對(duì)體育照明質(zhì)量的影響，并根據(jù)結(jié)論進(jìn)行了場館照明節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì).朱悅等[8]研究了燈光投射距離、角度對(duì)照度及其均勻度的影響.田紫娟[9]、趙凱等[10]研究了馬道的形狀、數(shù)量和高度對(duì)場地照度分布的影響，為節(jié)能設(shè)計(jì)提供了參考.Sun W S等[11]、Fred H. Holmes等[12]對(duì)體育館光源進(jìn)行了改造研究，以在較低的投入中獲得更好的照度均勻度.在照明控制研究中，為使用較少燈具達(dá)到多種照明需求，張燕[13]、彭力[14]、古銘秀[15]提出可以根據(jù)使用需要事先設(shè)定燈具模式以進(jìn)行調(diào)節(jié)，使燈具可以重復(fù)使用.彭月月[16]設(shè)計(jì)了可根據(jù)不同照明需要燈具角度能智能調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)燈具，以獲得場地最佳照明.CAO Shengmin[17]基于PID和Karatsuba乘法模型，設(shè)計(jì)了以測光、調(diào)節(jié)為一體的體育場館智能照明控制系統(tǒng).

目前，我國對(duì)綜合性體育場館場地照明系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與研究與國外相比尚存在一定差距.工程中多以面積最大的比賽場地為布燈依據(jù)，對(duì)于小面積的比賽場地僅采用關(guān)閉部分燈具的簡單控制方式，有可能造成場地照度尤其是水平照度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值，使得照明能耗難以合理控制.基于此，本文以“十四運(yùn)”場館為模型，以比賽場地為研究對(duì)象，選擇既滿足國際、國內(nèi)比賽轉(zhuǎn)播要求，又擁有良好節(jié)能效果和較低運(yùn)維成本的Ⅳ級(jí)指標(biāo)為照明標(biāo)準(zhǔn)，研究燈具投光角度、間距、數(shù)量和功率對(duì)綜合性體育場館賽場照度空間分布的影響，并以此為基礎(chǔ)，提出滿足手球、籃球、排球和羽毛球項(xiàng)目照度標(biāo)準(zhǔn)的場地照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，最后借助DIALux照明模擬軟件驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，為照明節(jié)能設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 比賽場地建模與空間照度采樣

1.1 比賽場地建模

本文使用了操作較為簡便且常用的DIALux照明模擬軟件[18-19]進(jìn)行“十四運(yùn)”某場館比賽場地建模.根據(jù)照明標(biāo)準(zhǔn)[2]中對(duì)燈具布置的建議和對(duì)馬道長度、位置的規(guī)定，如圖1、2所示.馬道端點(diǎn)與場地底線中點(diǎn)的連線的投影線與底線夾角宜大于30°，馬道上的燈具瞄準(zhǔn)角應(yīng)在25～65°之間，且考慮場地尺寸和距離對(duì)照度的影響，故選取體育場館建模主要參數(shù)，如表1所示.

圖1 體育場館燈具布置位置圖Fig.1 Layout of lamps and lanterns in stadiums

圖2 馬道燈具安裝位置Fig.2 Installation location of catwalk lamps

表1 體育場館建模主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of sports venue modeling

根據(jù)十四運(yùn)體育館尺寸、觀眾席和選擇的馬道位置構(gòu)建出的體育場館模型，如圖3所示.

圖3 體育場館比賽場地模型Fig.3 Model of sports venues

1.2 空間照度采樣

在《體育場館照明設(shè)計(jì)及檢測標(biāo)準(zhǔn)》中推薦采用中心點(diǎn)照度計(jì)算法反映場地內(nèi)照度分布情況，即將場地劃分為網(wǎng)格，取其中心作為照度計(jì)算點(diǎn)，其中手球場地網(wǎng)格為2 m×2 m，籃球、排球和羽毛球網(wǎng)格均為1 m×1 m.在采樣過程中，水平照度采樣高度為1 m.除了水平照度外，Ⅳ級(jí)照明標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于主、輔攝像機(jī)方向垂直照度均有要求.場地內(nèi)的主攝像機(jī)位置一般都是固定的，根據(jù)其典型布置位置[2]，在場地中線延長線的觀眾席上和羽毛球場地底線后分別布置一臺(tái)攝像機(jī)，如圖4(a)所示，測量主攝像機(jī)垂直照度時(shí)，測量高度取1.5 m.由于比賽項(xiàng)目不同，輔助攝像機(jī)位置很難固定，因此，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可將與四條邊線平行的垂直面上的照度作為輔攝像機(jī)方向照度，即若如圖4(b)所示的X+、X-、Y+和Y-四個(gè)方向的垂直照度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求[20]，可認(rèn)為輔攝像機(jī)垂直照度滿足使用需要，測量高度為1 m.

圖4 攝像機(jī)方向垂直照度示意圖Fig.4 Schematic diagram of vertical illuminance in camera direction

2 比賽場地照度空間分布

燈具投光角度、數(shù)量和功率直接影響比賽場地照度的空間分布，本文選擇目前體育場館照明使用較多的具有非對(duì)稱型配光曲線(圖5)的LED燈具(425 W)[2,21-22]，研究改變其投光角度、數(shù)量和功率對(duì)場地照度空間分布的影響規(guī)律.

圖5 燈具配光曲線 Fig.5 Light distribution curve of lamps

2.1 燈具投光角對(duì)照度空間分布的影響

空間中燈具的投光角度可分為投射角和旋轉(zhuǎn)角.如圖6所示，投射角α為光源投射方向與Z軸的夾角；旋轉(zhuǎn)角β為光源投射方向在XOY面上的投影與X軸的夾角.

圖6 燈具投光角度示意圖Fig.6 Schematic diagram of lamp projection angle

2.1.1 投射角α對(duì)照度空間分布的影響

體育場館場地內(nèi)燈具多為均勻、對(duì)稱布置，常見燈具間距為0.75～1.5m，本文將其分為0.75 m、1 m、1.25 m和1.5 m四種間距.首先選擇最小間距，即0.75 m的布置方案，研究α變化對(duì)場地照度分布的影響.研究中，燈具采用單馬道兩側(cè)布置，且僅布置在場地底線范圍內(nèi).體育場館照明設(shè)計(jì)中燈具投光點(diǎn)一般位于比賽場地內(nèi)，因此可確定α的取值范圍為25～60°，對(duì)應(yīng)燈具投射點(diǎn)由本側(cè)邊線到對(duì)面邊線移動(dòng)范圍.

將α以10°為步長由小及大變化，此時(shí)保持β為0°.不同α?xí)r場地空間照度分布如圖7所示，由圖可以看出：

(1)隨著α的增大，場地內(nèi)水平照度和X+、Y+方向垂直照度皆呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)α=50°時(shí)，照度達(dá)到最大值.由于對(duì)稱布燈，X-、Y-方向垂直照度等參數(shù)與X+、Y+對(duì)稱相等.

(2)相對(duì)于其他位置，場地底線附近照度值普遍較小，影響了場地照度均勻度，若要提高均勻度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮增加底線附近照度值.

圖8為不同燈具間距下均勻度隨α的變化曲線，可以看出不同間距下，均勻度變化趨勢基本相同，可見間距對(duì)均勻度影響不大.當(dāng)α=60°時(shí)，水平和垂直照度均勻度整體較好，因此，后續(xù)研究中投射角α選擇60°.

圖7 不同α角度下照度分布圖Fig.7 Illuminance distribution under different α angle

圖8 不同燈具間距照度均勻度變化趨勢Fig.8 Variation trend of illuminance uniformity of different lamp spacing

2.1.2 旋轉(zhuǎn)角β對(duì)照度空間分布的影響

以場地中線延長線上的單燈為例，取投射角α=60°，當(dāng)β在-40～40°變化時(shí)，燈具投光點(diǎn)位于場地內(nèi)，β的改變影響了場地照度的分布，以β=0°時(shí)場地照度為參照，白色表示該區(qū)域照度有所增加，反之以黑色標(biāo)示，如圖9所示，可以看出：改變旋轉(zhuǎn)角β，可以一定程度提高投射點(diǎn)附近區(qū)域水平和垂直照度，但同時(shí)也會(huì)減小與旋轉(zhuǎn)角相反方向區(qū)域的照度，且β越大對(duì)于照度分布的變化越明顯.雖然改變燈具旋轉(zhuǎn)角β可以改變場地某些區(qū)域的照度分布，但變化量值卻并不大，仿真結(jié)果顯示最大變化量為20 lx，意味著垂直照度變化率僅為2.7%，水平照度變化率則更低.因此，旋轉(zhuǎn)角β適用于對(duì)照度方案設(shè)計(jì)后期進(jìn)行微調(diào)，故在設(shè)計(jì)初期可將β暫取0°.

圖9 β變化對(duì)場地照度分布的影響Fig.9 The influence of β change on the illuminance distribution of the site

2.2 燈具數(shù)量與位置對(duì)照度空間分布的影響

賽場燈具數(shù)量對(duì)場地照度分布有直接影響.本文以手球場地底線為界，將燈具劃分為底線內(nèi)燈具與底線外燈具，以下分別分析底線內(nèi)、外燈具對(duì)場地照度分布的影響.

2.2.1 改變場地底線內(nèi)燈具數(shù)量

將底線內(nèi)燈具間距分別設(shè)定為0.75 m、1 m、1.25 m和1.5 m，對(duì)應(yīng)的場地水平和垂直照度空間分布如圖10所示.可以看出燈具數(shù)量對(duì)場地照度影響顯著，隨著間距的增加，場地照度明顯下降.

圖10 不同燈具間距場地照度分布圖Fig.10 Illuminance distribution map of different space between lamps

當(dāng)間距為1.25 m和1.5 m時(shí)顯然不能滿足Ⅳ級(jí)照明指標(biāo)要求；當(dāng)縮短為0.75 m 和1 m時(shí)，和場地水平照度和Y+方向垂直照度均能滿足Ⅳ級(jí)照明指標(biāo)，且間距為0.75 m時(shí)遠(yuǎn)高于指標(biāo)要求；由于馬道與X方向平行，故該方向垂直照度低于Y方向垂直，因此在0.75 m 和1 m間距時(shí)，其他照度均達(dá)標(biāo)，而X方向的垂直照度仍略低于指標(biāo)值，該問題后續(xù)可以考慮通過增加場地底線外燈具數(shù)量、功率等方式解決.結(jié)合節(jié)能設(shè)計(jì)理念綜合考慮，選擇燈具間距為1 m的布置方案.

2.2.2 改變場地底線外燈具數(shù)量

除了水平和垂直照度以外，照度均勻度也是照度標(biāo)準(zhǔn)中一條重要指標(biāo)，增加底線內(nèi)燈具數(shù)量可以有效提高場地內(nèi)照度，但卻對(duì)底線附近照度改善不大，從而降低了場地照度均勻度，因此考慮在底線外布燈，通過增大底線附近照度，提高場地照度均勻度.

底線外燈具間距仍取1 m，由于馬道長度的限制，每條馬道可增加22盞燈，兩端各為11盞，所增加燈具投射角α皆取60°.根據(jù)旋轉(zhuǎn)角β對(duì)場地照度分布影響的研究，為了更有效地提高場地底線附近照度，應(yīng)盡可能使投光點(diǎn)靠近底線.以1/4場地為例，將底線外燈具分為三組，對(duì)應(yīng)的β分別為-10°、-20°和-30°，如圖11所示.

圖11 增加燈具后場地?zé)艟卟贾脠DFig.11 Layout of lighting in the field after adding lamps

仿真結(jié)果(圖12)顯示此時(shí)場地底線附近的水平和垂直照度較前都有明顯提高，可見通過底線外布燈可以提高底線附近的照度，達(dá)到提高場地照度均勻度的目的.但仍然存在X方向垂直照度不滿足指標(biāo)要求的問題，后續(xù)將探究增加燈具功率對(duì)場地照度分布的影響，以解決該問題.

圖12 場地底線外增加燈具前后照度分布圖Fig.12 Illuminance distribution before and after adding lamps outside the ground line

2.3 燈具功率對(duì)照度空間分布的影響

在同等條件下，X方向垂直照度低于水平照度及Y方向垂直照度是單馬道兩側(cè)布燈方式的必然結(jié)果，僅通過調(diào)整燈具角度很難克服.鑒于此考慮增加單燈功率，通過分析燈具功率對(duì)照度分布的影響，提出解決方案.基于前述研究基礎(chǔ)，分別增加底線內(nèi)和底線外燈具功率(同類型850 WLED)，模擬生成場地照度分布，如圖13所示.并與未增加功率前場地照度分布(圖12增加燈具后)對(duì)比，可以看出：

增大底線內(nèi)、外燈具功率，可提高場地照度值，且相比于前者，增大底線外燈具功率對(duì)于提高底線附近X方向垂直照度作用更明顯.表2為增大底線外燈具功率前后場地各照明指標(biāo)值，對(duì)比Ⅳ級(jí)照明標(biāo)準(zhǔn)，增大功率后水平、垂直照度及均勻度均可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.綜合考慮照明功率密度等節(jié)能指標(biāo)，僅增加底線外燈具功率的方案更可行.

需要注意的是，為了保證電視轉(zhuǎn)播時(shí)整個(gè)場地的照明效果及照明立體感，在標(biāo)準(zhǔn)中除了對(duì)水平或垂直照度自身提出要求以外，還規(guī)定了二者的比值即照度比率的范圍：1.0～2.0，低于此范圍則轉(zhuǎn)播畫面立體感較弱，高于此范圍將導(dǎo)致畫面的立體感過強(qiáng)，甚至?xí)斐晌矬w扭曲.照明設(shè)計(jì)中提高X方向垂直照度的同時(shí)勢必也會(huì)增加水平照度，因此控制這個(gè)指標(biāo)比較困難.增大底線外燈具功率在一定程度上改善了該指標(biāo)，但仍略有超標(biāo).按照2.2.2節(jié)研究結(jié)果，調(diào)節(jié)底線內(nèi)燈具旋轉(zhuǎn)角β可以在一定范圍內(nèi)提高X方向垂直照度，基于此，設(shè)計(jì)中可以通過調(diào)整β微調(diào)照度比率.

圖13 增加燈具功率后場地照度分布圖Fig.13 Distribution of site illumination after increasing the power of lamps

表2 增大底線外燈具功率前后手球場地照明指標(biāo)Tab.2 Lighting index of handball court before and after increasing the power of lamp out of baseline

3 場地照明設(shè)計(jì)方案

3.1 手球場地照明設(shè)計(jì)

上述場地照度空間分布研究以面積最大的手球場地為對(duì)象，結(jié)果表明當(dāng)燈具間隔為1 m，投光角α=60°，增加底線外燈具功率時(shí)，可以滿足除X方向照度比率以外的所有指標(biāo)，并提出通過改變底線內(nèi)燈具旋轉(zhuǎn)角β改善照度比率的設(shè)計(jì)思路.以燈具照射點(diǎn)在賽場內(nèi)為邊界，于是βmax為|40°|，統(tǒng)一調(diào)節(jié)底線內(nèi)燈具，步長取10°，不同β對(duì)應(yīng)的X方向照度比率如表3所示，隨著β的增大，照度比率逐漸減小，當(dāng)β為40°時(shí)可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求.

綜上所述，手球場地照明設(shè)計(jì)如圖14所示，采用了照明指標(biāo),見表4，該方案可以滿足Ⅳ級(jí)照明標(biāo)準(zhǔn).

表3 不同β角度下場地X方向照度比率Tab.3 X direction illuminance ratio of the venue under different β angles

圖14 手球場地?zé)艟卟贾梅桨窮ig.14 Lighting layout of handball court

3.2 其他球類場地照明設(shè)計(jì)

仍使用手球場地?zé)艟撸鶕?jù)上述研究結(jié)論，通過調(diào)整燈具投光角度、旋轉(zhuǎn)角度以及開啟數(shù)量，提出了滿足Ⅳ級(jí)照明標(biāo)準(zhǔn)的籃球、排球和羽毛球場地照明設(shè)計(jì)方案，如圖15所示，照明指標(biāo)見表4.

圖15 不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目場地?zé)艟卟贾梅桨窮ig.15 Lighting arrangement of different event

表4 各項(xiàng)目場地照明指標(biāo)Tab.4 Illuminance index of different sites

由此可見，基于一套燈具，通過調(diào)節(jié)其角度、數(shù)量、功率等參數(shù)完全可以滿足不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目場地照明的要求.

4 結(jié)論

本文以綜合性體育場館場地照明系統(tǒng)為對(duì)象，研究了燈具投射角度、旋轉(zhuǎn)角度、開啟數(shù)量和功率對(duì)場地照度空間分布的影響.基于研究結(jié)果，以體育場館Ⅳ級(jí)照明指標(biāo)為依據(jù)，提出了利用一套燈具，通過調(diào)整燈具角度、開啟數(shù)量、功率等參數(shù)滿足多個(gè)球類運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目場地照明指標(biāo)的設(shè)計(jì)方案.研究得到以下結(jié)論：

(1)投射角α對(duì)場地照度空間分布有顯著影響，而旋轉(zhuǎn)角β僅適用于局部照度調(diào)節(jié)；場地底線外燈具對(duì)底線附近照度的影響高于底線內(nèi)燈具，調(diào)整其開啟數(shù)量和功率可以有效提高場地照度均勻度；

(2)目前體育場館場地照明設(shè)計(jì)采用雙馬道兩側(cè)布燈方案，本文提出單馬道雙側(cè)布燈的方案，二者在燈具數(shù)量、場地照度及其均勻度方面基本相同，雖然燈具總功率后者略高于前者，但后者場地照明照度最小值皆高于標(biāo)準(zhǔn)要求平均值，優(yōu)于IV級(jí)照明標(biāo)準(zhǔn)，且考慮雙馬道的成本投入往往比單馬道增加1倍[23].因此，在僅考慮以上條件時(shí)，本文的設(shè)計(jì)方案成本更低，照明效果更好；

(3)文中主要針對(duì)比賽場地照明進(jìn)行研究，未涉及觀眾席等其他區(qū)域照明，而背景亮度又是影響眩光的重要因素[24]，通過改善背景亮度可以改善場地眩光情況[25]，模擬實(shí)驗(yàn)表明增加了場館其他區(qū)域照明后，眩光指數(shù)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求.

本文針對(duì)具有電視轉(zhuǎn)播要求的賽場照明進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)際運(yùn)行中，為滿足多種使用需求[26]，體育場館更多是作為訓(xùn)練、健身、業(yè)余比賽場地之用，此時(shí)照明等級(jí)較低，完全可通過此方法調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，這種靈活的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式有利于節(jié)能減排、降低用戶運(yùn)行維護(hù)成本.