體育照明新技術及其分析

李炳華 李興林 宋鎮江 董 青 楊慶偉汪嘉懿 徐學民 劉 娜 張巧玲

(《體育建筑電氣設計規范》編制組、悉地國際設計顧問有限公司，北京 100080)

1 概述

近年來，作者在編制《體育建筑電氣設計規范》過程中認真地研讀和學習了國際上相關體育照明標準，尤其國際照明委員會CIE的標準、國際足聯FIFA和國際田聯IAAF的標準將引起同仁們高度重視，這些國際上知名組織影響力很大，影響面很廣，對其他運動項目會產生示范效應。認真研究和分析這些新技術的變化有助于吸取他人所長為我所用，繼而服務于我國的體育場館建設和運動會的舉行。

在介紹體育照明新技術之前，先介紹體育照明的術語，目前尚無官方定義，但約定俗成，體育照明系指為比賽場地提供的人工照明，簡稱場地照明。

2 國際體育照明的新技術

2.1 標準的變化

2.1.1 足球場場地照明新標準

2011年國際足球聯合會FIFA頒布新的《足球場》［1］標準，其中第9章是體育照明。其足球場地的照明標準值見表1。

需要說明，該標準一直由足球發達國家參與編制，這些國家足球比賽等級及體系非常完善。表中第Ⅲ等級“國內比賽”與我國的“專業比賽”接近;第Ⅱ等級的“聯賽和俱樂部比賽”屬于低級別的比賽，與我國“業余比賽、專業訓練”相似。

2.1.2 田徑場場地照明新標準

國際田徑聯合會IAAF的最新標準于2008年頒布，即《國際田聯田徑設施手冊》2008年版［2］，其中5.1節是關于體育照明，其田徑場地的照明標準值見表2。

表2 田徑場地的照明標準值

與足球相類似，田徑國際標準也是由歐美發達國家進行編制，田徑各等級比賽比較完善。表2中第Ⅲ等級“國內、國際比賽”盡管沒有電視轉播，但它是專業比賽，與我國的“專業比賽”等級接近;第Ⅱ等級的“俱樂部比賽”也是低級別的比賽，屬于業余比賽，與我國“業余比賽、專業訓練”等級相似。

2.1.3 國際照明委員會的照明新標準

國際照明委員會CIE第169號技術文件［3］——《體育賽事用于彩電和攝影照明的實用設計準則》頒布于2005年，文件要求169號文件應與1989年頒布的CIE83文件［4］［7］結合起來閱讀，83號文件許多技術內容仍然有效。169號文件指出，CIE83—1989文件所示照明水平適用于現代CCD-HDTV的攝像系統。表3和表4列出了照明指標。

北美照明工程協會IES在2009年IESNA RP-6-01文件中，關于體育比賽電視轉播照明的有關參數與CIE 169號文件一致，這說明由于高清電視轉播后，CIE 83文件的有關參數仍然適用。

表3 各體育項目類別的垂直照度 (維持值)

表4 照度比和均勻度

眩光指數GR＜50，僅用于戶外相關方向，參見CIE112—1994。CIE 83號文件給出光源的要求，如表5所示。

表5 對光源的要求

2.1.4 棒球及壘球場場地照明新標準

美國棒球、壘球比較發達，職業化水平高，其棒壘球場地照明標準可謂國際領先。2009年新修訂的《體育和娛樂場地照明》［5］標準 IESNA RP-6-01 R2009規定，無論標清電視還是高清電視轉播，一般顯色指數Ra≥65，相關色溫Tc=3000K～6000K。

2.2 燈具布置的新要求

2.2.1 足球場場地照明的布燈方式

國際足球聯合會FIFA 2011年版的《足球場》標準對足球場照明布置有所調整，主要變化是增加了許多不能布置燈具區域，以保障運動員、裁判員避免眩光的影響，具體是下列部位不能布置燈具:

(1)以底線中點為中心，當有電視轉播時底線兩側各15°角范圍內的空間;當沒有電視轉播時底線兩側各10°角范圍內的空間。

(2)場地中心25°仰角球門后面空間內。

(3)以底線為基準，禁區外側75°仰角與禁區短邊向外延長線20°角圍合的空間，但圖1中所示區域除外。

當然，對于具有足球運動項目的綜合性體育場，第1、2、3所述范圍內可布置燈具，但足球模式時不應開燈。

圖1 足球場不應布置燈具區域示意圖

2.2.2 棒球及壘球場場地照明的布燈方式

棒壘球場燈具布置有如下要求:

(1)棒球場燈具宜采用6桿或8桿布置方式，壘球場燈具宜采用不少于4桿布置方式。當挑篷能滿足要求時，宜利用挑篷安裝燈具。

(2)燈桿應布置在圖2陰影區以外區域。

(3)燈具的高度應符合下列規定 (見圖3):

①燈桿A1和A2上燈具的最小安裝高度應按公式 (1)計算。

式中 ha——A1、A2燈桿上燈具的安裝高度，單位m;

d1——A1、A2燈桿距場地邊線的距離，單位m;

②燈桿B1、B2上燈具的最小安裝高度應按公式 (2)計算。

式中 hb——B1、B2燈桿上燈具的安裝高度，單位m;

圖2 棒壘球場燈桿位置

圖3 棒壘球場燈桿高度

d2——通過B1(B2)燈桿作一條平行于邊線的直線，該直線與場地中線相交，此交點與B1(B2)燈桿的水平距離為d2，單位m;

③燈桿C1～C4上燈具的最小安裝高度應按公式 (3)計算。

式中 hc——C1～C4燈桿上燈具的安裝高度，單位m;

d3——C1～C4燈桿上的燈具最遠投射距離，單位m;

④燈桿上的燈具最低安裝高度不應小于21.3m。

2.3 其他變化

2.3.1 恒流明技術

“恒流明”一詞早在2007版的國際足聯標準中就已經推薦使用，英文為“Constant illumination lamp technology”，也可稱為“恒照度”。國際足聯2011版本標準中繼續推薦使用該技術。恒流明的含義是在光源壽命周期內，光源的光通量保持不變或在很小范圍內變化。因此，恒流明實際上是光源光通量保持不變的現象。毋庸置疑，使用恒流明技術的燈具，可以保持場地內照度不變。

2.3.2 光污染的控制要求

足球場場地照明經常會出現燈光外溢現象，大功率的場地照明照射到體育場外，不僅造成能源浪費，而且產生令人反感的光污染，為此國際足聯對場地照明外溢光提出限制性指標，如表6所示，外溢光在體育場外50m和再向外200m作為計算點和測量點，既考核水平照度，也要考核垂直照度。示意圖見圖4。

表6 足球場場地照明外溢光限值

圖4 足球場外溢光限值示意圖

3 體育照明新技術分析

3.1 標準分析

3.1.1 照度的變化

標準變化最大的當屬國際足聯，從2002版到2011版，國際足聯頒布三個版本的足球標準，以最高等級的比賽為例，將2002版、2007版、2011版三部標準進行比較，同時與我國體育場館照明設計及檢測標準JGJ 153進行對比，列表如表7所示。

需要說明FIFA 2002版有慢動作攝像機Slow Motion Cam.(對應照度 1800lx)和移動攝像機Mobile cam.(對應照度1000lx)，而2007版、2011版只有場內攝像機Field cam，兩類攝像機性質不同，本文取FIFA 2002版中慢動作攝像機方向上的垂直照度1800lx參與比較，詳見圖5。

表7 足球場場地照明照度標準的變化

圖5 國際足聯照度標準的變化示意圖

由圖5可知，固定攝像機方向上的垂直照度2002年版只需1400lx即可，2007版達到不可思議的2400lx，到了2011年版回落到2000lx，與我國標準［6］相一致。場內攝像機方向上的垂直照度基本持平，沒有變化，略高于我國標準。水平照明維持在3000～3500lx水平，低于我國4000lx的要求。

3.1.2 光源色度參數的變化

光源的色度參數對電視轉播至關重要，主要有顯色性和色溫。國際足聯在這方面有明顯的變化，如表8所示。

表8 足球場場地照明光源色度參數的變化

由圖6可知，國際足聯從2002版到2007版將一般顯色指數Ra的下限值由80調低到65，而2011版本繼續維持下限值為65。相關色溫的下限值由5500K下調到4000K。很顯然，我國標準與2002版本的較接近。

3.2.1 部分將詳細分析這種技術動態的合理性。

圖6 國際足聯光源色度參數的變化示意圖

結合3.1.1和3.1.2可知，一般顯色指數Ra、相關色溫Tk降低了，照度水平沒有明顯提高，反而FIFA 2011版比FIFA 2007版有所降低。

3.2 技術分析

3.2.1 光源的色度參數

近年來，隨著攝像機、電視技術水平的提高，攝像機對人工光的適應能力也在提高，對場地照明的顯色指數和相關色溫的要求有所降低。表9列出了部分國際標準的最新要求和技術動態。

作者對國際上新技術的變化和動態進行了研究和分析，供讀者參考。

第一，科研成果驗證了國際上技術的新變化。

在編制《體育建筑電氣設計規范》過程中，規范編寫組針對國際上新出現的技術動態和變化進行了專項研究，即“關于光源色度參數對體育比賽電視轉播圖像質量影響的研究”［8］，文獻8給出了研究過程和結果，由于篇幅所限，在此不再贅述。研究表明，對電視觀眾來說，光源顯色指數為65、相關色溫為4000K與光源顯色指數為90、相關色溫為5500這兩類人工照明情況下拍攝出的體育比賽節目畫面沒有明顯差別，可以被電視觀眾和行業專家所接受。

第二，選擇適宜色溫和顯色性的光源符合節能方針，有利于降低工程造價。

表10列出了主流的大功率金屬鹵化物燈的技術參數［9］［10］，從表中可知，同系列高色溫、高顯色性與標準色溫和標準顯色性相比，光源光效降低10%～30%，而且價格相對也較高，一次投資有所增加。

因此，體育照明應根據體育場館的等級選擇合適色溫和顯色性的光源。

第三，實測全球直播的國際賽事驗證了技術動態。

表9 國際場地照明新標準

表10 大功率金鹵燈光效比較 (工作電壓400V)

作者對2011年部分全球直播的國際賽事場地實測 (見表11)，賽事包括:2011國際泳聯短池游泳世界杯賽、2011年意大利足球超級杯賽、第14屆國際泳聯世界錦標賽、2011年ATP網球大師賽等，賽事均已經圓滿結束，其場地照明的實際色溫為4553K～5717K，顯色指數為61～90.28(見圖7和圖8)。

表11 賽事名稱和比賽時間、地點

綜上所述，作者的研究證實了近年來國際新動向的合理性和科學性，即以較低的能耗獲得觀眾認可的電視畫面。

圖7 部分體育場館場地照明實際顯色指數

圖8 部分體育場館場地照明實際色溫

3.2.2 恒流明技術

如上所述，恒流明技術是國際足聯推薦采用的技術，在光源壽命周期內，其光通量基本保持不變，為場地提供穩定的照明。我國研究機構證明了這一點，復旦大學信息學院光源和照明工程系2009年完成的“恒定照度測試報告”指出，在長達5000小時的照明測試中，實際照度維持值與設計值的偏差在－5%～+4.5%。

另一方面，恒流明技術為節能減排、節省投資也能做出不小的貢獻。復旦大學的“恒定照度測試報告”表明，以恒流明技術的LSG-1500W燈具為例，測試地點位于復旦大學某網球場，總共測試系統運行5000小時，每隔100小時或250小時測試一次，實測數據匯總于表12。

表12 恒流明燈具實測功率

將表12轉換成圖9更加直觀，實測表明，單燈能耗基本不變。光源在整個壽命周期內，前2000小時燈具實際電功率 (包括鎮流器功率)低于燈具的額定功率，2000小時～5000小時燈具電功率略有增加。光源整個壽命周期內燈具實際電功率為其額定功率的86.5%～115.4%，圖中右下斜線為實測數據，其圍合的面積為實際使用的有功電度，電費支出將以此為依據。紅線圍合的矩形為恒定功率1500W運行5000小時，這是理想狀態。實際運行圍合的面積與紅線圍合的面積非常接近，僅增加2.91%。

圖9 恒流明技術的燈具測試分析

從分析可以得出如下結論:

第一，恒流明技術可以獲得穩定的照明效果。從實測數據看，當采用恒流明技術的燈具時，維護系數可取0.95，為了確保可靠性維護系數可取0.9。

第二，所用燈具數量較少。采用恒流明燈具數量上要少用22%，相應電能也少用22%，且一次投資減少，維護量也相應減小。

第三，單燈能耗基本不變。實測表明，光源在整個壽命周期內，前2000小時燈具實際電功率 (包括鎮流器功率)低于燈具的額定功率，2000小時～5000小時燈具電功率略有增加，光源整個壽命周期內燈具實際電功率為其額定功率的86.5%～115.4%。

因此，場地照明采用恒流明技術的燈具在全壽命周期內總能耗有所降低，單燈能耗基本不變，而照度保持相對穩定。

4 結束語

現在，以國際足聯為代表的有些國際標準在技術層面上發生不小的變化，如果說FIFA 2007版本值得我們關注，那么FIFA 2011版不僅僅是關注的問題，應引起專家、學者高度重視。

［1］Football Stadiums.Technical recommendations and requirements.FIFA，5th edition 2011.

［2］IAAFTRACK AND FIELD FACILITIESMANUAL.IAAF，2008 Edition.

［3］Practical design guidelines for the lighting of sport events for color television and filming.CIE 169:2005.

［4］Guide for the lighting of sports events for color television and film systems.CIE Publication No.83:1989.

［5］Sports and Recreational Area Lighting.IESNA RP-6-01:2009.

［6］李炳華，董青主編.體育照明設計手冊.中國電力出版社，2009年2月第一版.

［7］李炳華，王玉卿編.現代體育場館照明指南.中國電力出版社，2004年1月第一版.

［8］李興林，李炳華，董青，楊慶偉，劉娜，張巧玲.關于光源色度參數對體育比賽電視轉播圖像質量影響的研究.照明工程學報，2011年第5期.

［9］李炳華.體育照明節能措施初探.建筑電氣，2009年9期.

［10］李炳華，宋鎮江主編.建筑電氣節能技術及設計指南.中國建筑工業出版社，2011年11月第一版.