大功率LED燈在體育建筑照明中的應(yīng)用

黃日帶

(廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510010)

引言

現(xiàn)代建筑越來越注重照明系統(tǒng)的綠色、節(jié)能、高效，尤其是對(duì)于燈具多、要求高、能耗大的體育建筑。傳統(tǒng)體育場館大多使用金屬鹵化物燈作為場地照明，近些年來大功率LED燈由于其節(jié)能優(yōu)勢開始逐漸應(yīng)用，但一些新建場館仍首選金屬鹵化物燈。這主要是因?yàn)長ED燈具存在散熱不佳、眩光及光衰嚴(yán)重等問題，所以LED燈具目前還無法在專業(yè)體育場館的照明領(lǐng)域全面推廣[1]。隨著LED照明技術(shù)的發(fā)展，上述問題在實(shí)踐中不斷地得到解決[2-4]。部分專業(yè)體育照明廠商已成功將大功率LED燈具應(yīng)用于籃球、足球、羽毛球和網(wǎng)球等專業(yè)體育場館中[5]，并滿足了國際重大賽事的使用要求。因此，在體育建筑中大規(guī)模應(yīng)用大功率LED燈將會(huì)成為體育建筑照明的發(fā)展方向。

1 兩種燈具的對(duì)比

金屬鹵化物燈為氣體放電燈，光線聚集，照射距離遠(yuǎn)，穿透力強(qiáng)。但其啟動(dòng)較慢，超過1 000 W的大功率金鹵燈通常需要5～10 min才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在大型體育賽事時(shí)，為避免突發(fā)斷電事故，須配置“在線式EPS”作為應(yīng)急電源，使得造價(jià)提高，同時(shí)也難以進(jìn)行智能控制，照明方案較為單一。普通金屬鹵化物燈的壽命只有幾千小時(shí)，使得維修保養(yǎng)成本較高，更換頻繁。

大功率LED燈是一種新型節(jié)能環(huán)保燈具，光效高、壽命長，且啟動(dòng)速度快，可以瞬時(shí)點(diǎn)亮，也便于智能化控制。但LED燈具存在散熱、眩光及光衰的問題，在實(shí)踐中需要附加技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，也使得燈具本身的價(jià)格提高。但綜合其節(jié)能特性從長遠(yuǎn)角度來看，大功率LED燈是更為經(jīng)濟(jì)的選擇，也是綠色節(jié)能燈具的發(fā)展方向。

2 應(yīng)用案例分析

以廣東省肇慶新區(qū)體育中心體育館和專業(yè)足球場的照明工程為例說明大功率LED燈在體育建筑中的應(yīng)用方案及應(yīng)用過程中的重難點(diǎn)問題。

2.1 項(xiàng)目概況

肇慶新區(qū)體育中心以“硯生水墨”為主題，“一場兩館一園”緊密結(jié)合。項(xiàng)目建成后要求能夠滿足省級(jí)、市級(jí)綜合性比賽要求，且能夠成為組織開展群眾性體育賽事、全民健身的場所。

本工程用地總面積約為17.4萬m2，總建筑面積約為8.2萬m2。其中專業(yè)足球場建筑面積約為4.8萬m2，建筑高度為48.5 m，建筑層數(shù)為4層；體育館主館建筑面積約為3萬m2，建筑高度為33.5 m，建筑層數(shù)為4層；訓(xùn)練館建筑面積約為0.36萬m2，建筑高度23.3 m，建筑層數(shù)為1層。本工程的一場兩館均屬于單層體育建筑。專業(yè)足球場的體育建筑等級(jí)為乙級(jí)，為中型體育場規(guī)模；體育館的體育建筑等級(jí)為乙級(jí)，為大型體育館規(guī)模。專業(yè)足球場擁有20 000座觀眾席，體育館擁有8 000座觀眾席。

2.2 照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

專業(yè)足球場和體育館的照明標(biāo)準(zhǔn)按照相關(guān)規(guī)范如表1所示。

表1 專業(yè)足球場和體育館的照明標(biāo)準(zhǔn)

2.3 照明設(shè)計(jì)思路

本場館的場地照明以滿足2018年廣東省第十五屆運(yùn)動(dòng)會(huì)為主，同時(shí)兼顧滿足TV轉(zhuǎn)播重大國際比賽要求、本市綜合賽事，以及平時(shí)全民健身使用的需求。本場館建成后將成為新區(qū)的山水名片和地標(biāo)性建筑。為滿足以上要求，本場地照明不僅要求實(shí)現(xiàn)良好的觀賽效果，還要兼顧城市名片的廣告效應(yīng)，所以照明效果需具有瞬時(shí)開啟和可編程控制的演示功能，同時(shí)在綠色節(jié)能經(jīng)濟(jì)方面也需要起到示范作用。綜合以上標(biāo)準(zhǔn)和要求，所選用的燈具應(yīng)滿足以下條件：最大限度地減少眩光對(duì)運(yùn)動(dòng)員和觀眾的影響；滿足綠色二星建筑的要求，照明功率密度值滿足目標(biāo)值，優(yōu)先選用節(jié)能燈具；燈具安裝在高空間的馬道上，需滿足后期低成本維護(hù)的需求。

對(duì)比金屬鹵化物燈和大功率LED后可知，LED燈具有節(jié)能、可調(diào)可控、維護(hù)成本低的優(yōu)勢，能夠滿足綠色二星建筑對(duì)于照明功率密度目標(biāo)值的要求,同時(shí)LED燈具固有的散熱、眩光及光衰的問題不可忽略。經(jīng)過對(duì)市場上現(xiàn)有專業(yè)體育LED燈具的調(diào)研并借鑒其他項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目中采取以下措施：

1)通過將驅(qū)動(dòng)器與燈具分離，使用高壓鑄鋁燈具殼體，很好地解決了大功率LED的散熱問題。

2)通過增加防眩光罩技術(shù)，解決LED的眩光問題。

3)通過采用控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)燈具的輸出光效，成功地解決光衰問題，能滿足5年內(nèi)甚至10年內(nèi)光衰值在5%以內(nèi)。

由此可見，經(jīng)過改進(jìn)的大功率LED燈具可以滿足設(shè)計(jì)的需求。因此，為滿足項(xiàng)目建成后的使用需求，并實(shí)現(xiàn)成為地標(biāo)建筑的目標(biāo)，最終決定采用專業(yè)LED體育照明燈具進(jìn)行場館照明設(shè)計(jì)。

2.4 照明系統(tǒng)構(gòu)成

照明系統(tǒng)采用散熱性較強(qiáng)的碳化硅襯底的大功率LED燈作為主要照明燈具，并配套光效調(diào)節(jié)控制器，使光衰控制在10年5%以內(nèi)。燈具和驅(qū)動(dòng)器分離，燈具的驅(qū)動(dòng)器集中放置在驅(qū)動(dòng)器箱中。同時(shí)對(duì)所有燈具配置眩光罩，其中400 W LED燈具要求分別配置內(nèi)置和外置防眩光罩，1 400 W LED燈具每顆燈珠要求配置防眩光罩。另外要求所有燈具的每顆LED燈珠上均采用單獨(dú)透鏡。

場地照明燈具和驅(qū)動(dòng)器全部在馬道安裝，燈具廠商自行提供與馬道相配套的安裝支架，驅(qū)動(dòng)器箱的定位由廠家根據(jù)現(xiàn)場安裝情況確定。

場地照明的控制方式采用DMX智能調(diào)光系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制；同時(shí)在配電柜內(nèi)設(shè)置手動(dòng)按鈕，可以實(shí)現(xiàn)本地手動(dòng)控制。

最終對(duì)兩塊場地給出如下照明設(shè)計(jì)方案：

1)專業(yè)足球場場地正常照明設(shè)計(jì)采用1 400 W的LED-228NB燈具176套,共分為63組控制，分組編號(hào)分別為A1～A61、M26、M27。本場地應(yīng)急照明設(shè)計(jì)采用400 W的LED-96燈具32套,共分為14組控制，分組編號(hào)分別為S1～S14。

2)體育館場地正常照明設(shè)計(jì)采用400 W的LED-96燈具148套,共分為74組控制，分組編號(hào)分別為A1～A74。體育館場地應(yīng)急照明設(shè)計(jì)采用400 W的LED-96燈具20套,共分為12組控制，分組編號(hào)分別為S1～S12。訓(xùn)練館場地正常照明設(shè)計(jì)采用400 W的LED-96燈具16套,共分為16組控制，分組編號(hào)分別為C1～C16。

2.5 照明系統(tǒng)評(píng)價(jià)

在綠色節(jié)能方面，一方面，最終的設(shè)計(jì)值達(dá)到《體育場館照明設(shè)計(jì)及檢測標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 153—2016)的目標(biāo)值[6，7]，滿足綠色建筑的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示；另一方面，將使用大功率LED燈后的專業(yè)足球場照明系統(tǒng)與使用金屬鹵化物燈的肇慶舊體育中心改造項(xiàng)目進(jìn)行比較，如表3所示，可以發(fā)現(xiàn)在場地大小相近的條件下，用于比賽照明的大功率燈具數(shù)量降低，使得照明總功率減小，說明大功率LED燈在節(jié)能方面確實(shí)發(fā)揮了顯著作用。

在對(duì)LED燈具的缺陷改造方面，驅(qū)動(dòng)器和燈具分離解決了LED燈具的散熱問題；而采取將燈具的驅(qū)動(dòng)器集中放置在驅(qū)動(dòng)器箱中，驅(qū)動(dòng)器箱就近安裝在馬道上的安裝方式，不僅有利于LED燈具散熱，還能分散減少燈具承重和迎風(fēng)面積，更有利于燈具的后期維護(hù)；此外，通過增加防眩光罩技術(shù)完美地解決LED的眩光問題；通過采用控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)燈具的輸出光效，成功地解決光衰問題。

表2 專業(yè)足球和體育館的單位照度功率密度

表3 LED燈與金屬鹵化物燈節(jié)能效果對(duì)比

在經(jīng)濟(jì)性方面，雖然經(jīng)過改造的LED燈具單個(gè)造價(jià)較高，可以達(dá)到金屬鹵化物燈的2倍及以上，但綜合其長期的節(jié)能效益，整體上實(shí)現(xiàn)了更好的經(jīng)濟(jì)效益。以本項(xiàng)目中的專業(yè)足球場為例，按照每天開燈5 h，每年365天約有60%的天數(shù)開燈計(jì)算，商業(yè)參考電價(jià)為0.8632元/度，一年專業(yè)足球場場地照明約可節(jié)約電費(fèi)35萬元。

在照明效果方面，LED燈具啟動(dòng)關(guān)閉速度快，照明系統(tǒng)配套相應(yīng)的智能控制系統(tǒng)，其照射角度、亮度、時(shí)間等均可調(diào)節(jié)，具備適應(yīng)不同場合的多種照明模式，如在體育賽事開場秀、中場秀及閉幕階段均可實(shí)現(xiàn)不同的照明效果，滿足各種賽事的特殊照明需求，有助于烘托出不同的比賽氛圍。

3 結(jié)束語

大功率LED燈具有節(jié)能環(huán)保、啟動(dòng)快、壽命長、可控制等優(yōu)勢，在其散熱、眩光及光衰問題逐漸解決以后，將更適用于大型體育建筑中。肇慶新區(qū)體育中心項(xiàng)目中采用燈具與驅(qū)動(dòng)器分離、配置眩光罩并增加光效調(diào)節(jié)控制器，解決了LED燈具應(yīng)用中的難題，取得了很好的運(yùn)行效果，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)也達(dá)到了綠色建筑的標(biāo)準(zhǔn)，為大功率LED在體育建筑中的推廣使用提供了參考。