“十四運”場館場地照度分布研究及照明方案設計

于 瑛，崔梓豪，陳 笑，孫 晴

(1.西安建筑科技大學 機電工程學院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學 建筑設計研究院 陜西 西安 710055)

體育照明是通過控制目標物的亮度與背景，從而獲得良好的照明環境，使得運動物體和運動員能清楚地呈現在運動員、現場觀眾和電視機觀眾的眼前，以達到良好的比賽和觀賞效果[1].《體育場館照明設計及檢測標準》[2](JGJ153-2016)中規定將體育照明等級分為六級，綜合性體育場館因要適用于多種比賽項目的照度需要[3]，且有電視轉播需求，場地照明等級一般在Ⅳ級以上.為達到高等級照明要求，場館中燈具往往數量多、功率大，使得照明能耗成為了體育場館主要能耗之一，因此，照明節能設計就顯得尤為重要[4-5].

近年來，國內外學者主要從照明設計和照明控制兩個方面對體育場館節能照明進行了研究.在照明設計研究中，韓本慧[6]、黃顯雯等[7]分析了不同設計因素對體育照明質量的影響，并根據結論進行了場館照明節能優化設計.朱悅等[8]研究了燈光投射距離、角度對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、數量和高度對場地照度分布的影響，為節能設計提供了參考.Sun W S等[11]、Fred H. Holmes等[12]對體育館光源進行了改造研究，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，為使用較少燈具達到多種照明需求，張燕[13]、彭力[14]、古銘秀[15]提出可以根據使用需要事先設定燈具模式以進行調節，使燈具可以重復使用.彭月月[16]設計了可根據不同照明需要燈具角度能智能調節的旋轉燈具，以獲得場地最佳照明.CAO Shengmin[17]基于PID和Karatsuba乘法模型，設計了以測光、調節為一體的體育場館智能照明控制系統.

目前，我國對綜合性體育場館場地照明系統工程設計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，對于小面積的比賽場地僅采用關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高于標準值，使得照明能耗難以合理控制.基于此，本文以“十四運”場館為模型，以比賽場地為研究對象，選擇既滿足國際、國內比賽轉播要求，又擁有良好節能效果和較低運維成本的Ⅳ級指標為照明標準，研究燈具投光角度、間距、數量和功率對綜合性體育場館賽場照度空間分布的影響，并以此為基礎，提出滿足手球、籃球、排球和羽毛球項目照度標準的場地照明系統設計方案，最后借助DIALux照明模擬軟件驗證設計方案的可行性，為照明節能設計提供依據.

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]進行“十四運”某場館比賽場地建模.根據照明標準[2]中對燈具布置的建議和對馬道長度、位置的規定，如圖1、2所示.馬道端點與場地底線中點的連線的投影線與底線夾角宜大于30°，馬道上的燈具瞄準角應在25～65°之間，且考慮場地尺寸和距離對照度的影響，故選取體育場館建模主要參數，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Tab.1 Main parameters of sports venue modeling

根據十四運體育館尺寸、觀眾席和選擇的馬道位置構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《體育場館照明設計及檢測標準》中推薦采用中心點照度計算法反映場地內照度分布情況，即將場地劃分為網格，取其中心作為照度計算點，其中手球場地網格為2 m×2 m，籃球、排球和羽毛球網格均為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級照明標準對于主、輔攝像機方向垂直照度均有要求.場地內的主攝像機位置一般都是固定的，根據其典型布置位置[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攝像機，如圖4(a)所示，測量主攝像機垂直照度時，測量高度取1.5 m.由于比賽項目不同，輔助攝像機位置很難固定，因此，標準規定可將與四條邊線平行的垂直面上的照度作為輔攝像機方向照度，即若如圖4(b)所示的X+、X-、Y+和Y-四個方向的垂直照度達到標準要求[20]，可認為輔攝像機垂直照度滿足使用需要，測量高度為1 m.

圖4 攝像機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、數量和功率對場地照度空間分布的影響規律.

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

2.1 燈具投光角對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對照度空間分布的影響

體育場館場地內燈具多為均勻、對稱布置，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變化對場地照度分布的影響.研究中，燈具采用單馬道兩側布置，且僅布置在場地底線范圍內.體育場館照明設計中燈具投光點一般位于比賽場地內，因此可確定α的取值范圍為25～60°，對應燈具投射點由本側邊線到對面邊線移動范圍.

將α以10°為步長由小及大變化，此時保持β為0°.不同α時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α=50°時，照度達到最大值.由于對稱布燈，X-、Y-方向垂直照度等參數與X+、Y+對稱相等.

(2)相對于其他位置，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，設計時應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，可見間距對均勻度影響不大.當α=60°時，水平和垂直照度均勻度整體較好，因此，后續研究中投射角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 旋轉角β對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β在-40～40°變化時，燈具投光點位于場地內，β的改變影響了場地照度的分布，以β=0°時場地照度為參照，白色表示該區域照度有所增加，反之以黑色標示，如圖9所示，可以看出：改變旋轉角β，可以一定程度提高投射點附近區域水平和垂直照度，但同時也會減小與旋轉角相反方向區域的照度，且β越大對于照度分布的變化越明顯.雖然改變燈具旋轉角β可以改變場地某些區域的照度分布，但變化量值卻并不大，仿真結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，旋轉角β適用于對照度方案設計后期進行微調，故在設計初期可將β暫取0°.

圖9 β變化對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 燈具數量與位置對照度空間分布的影響

賽場燈具數量對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燈具與底線外燈具，以下分別分析底線內、外燈具對場地照度分布的影響.

2.2.1 改變場地底線內燈具數量

將底線內燈具間距分別設定為0.75 m、1 m、1.25 m和1.5 m，對應的場地水平和垂直照度空間分布如圖10所示.可以看出燈具數量對場地照度影響顯著，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

當間距為1.25 m和1.5 m時顯然不能滿足Ⅳ級照明指標要求；當縮短為0.75 m 和1 m時，和場地水平照度和Y+方向垂直照度均能滿足Ⅳ級照明指標，且間距為0.75 m時遠高于指標要求；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，其他照度均達標，而X方向的垂直照度仍略低于指標值，該問題后續可以考慮通過增加場地底線外燈具數量、功率等方式解決.結合節能設計理念綜合考慮，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量

除了水平和垂直照度以外，照度均勻度也是照度標準中一條重要指標，增加底線內燈具數量可以有效提高場地內照度，但卻對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°.根據旋轉角β對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，應盡可能使投光點靠近底線.以1/4場地為例，將底線外燈具分為三組，對應的β分別為-10°、-20°和-30°，如圖11所示.

圖11 增加燈具后場地燈具布置圖Fig.11 Layout of lighting in the field after adding lamps

仿真結果(圖12)顯示此時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要求的問題，后續將探究增加燈具功率對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布燈方式的必然結果，僅通過調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照度分布的影響，提出解決方案.基于前述研究基礎，分別增加底線內和底線外燈具功率(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)對比，可以看出：

增大底線內、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值，對比Ⅳ級照明標準，增大功率后水平、垂直照度及均勻度均可滿足標準要求.綜合考慮照明功率密度等節能指標，僅增加底線外燈具功率的方案更可行.

需要注意的是，為了保證電視轉播時整個場地的照明效果及照明立體感，在標準中除了對水平或垂直照度自身提出要求以外，還規定了二者的比值即照度比率的范圍：1.0～2.0，低于此范圍則轉播畫面立體感較弱，高于此范圍將導致畫面的立體感過強，甚至會造成物體扭曲.照明設計中提高X方向垂直照度的同時勢必也會增加水平照度，因此控制這個指標比較困難.增大底線外燈具功率在一定程度上改善了該指標，但仍略有超標.按照2.2.2節研究結果，調節底線內燈具旋轉角β可以在一定范圍內提高X方向垂直照度，基于此，設計中可以通過調整β微調照度比率.

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Tab.2 Lighting index of handball court before and after increasing the power of lamp out of baseline

3 場地照明設計方案

3.1 手球場地照明設計

上述場地照度空間分布研究以面積最大的手球場地為對象，結果表明當燈具間隔為1 m，投光角α=60°，增加底線外燈具功率時，可以滿足除X方向照度比率以外的所有指標，并提出通過改變底線內燈具旋轉角β改善照度比率的設計思路.以燈具照射點在賽場內為邊界，于是βmax為|40°|，統一調節底線內燈具，步長取10°，不同β對應的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β為40°時可滿足標準要求.

綜上所述，手球場地照明設計如圖14所示，采用了照明指標,見表4，該方案可以滿足Ⅳ級照明標準.

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 手球場地燈具布置方案Fig.14 Lighting layout of handball court

3.2 其他球類場地照明設計

仍使用手球場地燈具，根據上述研究結論，通過調整燈具投光角度、旋轉角度以及開啟數量，提出了滿足Ⅳ級照明標準的籃球、排球和羽毛球場地照明設計方案，如圖15所示，照明指標見表4.

圖15 不同運動項目場地燈具布置方案Fig.15 Lighting arrangement of different event

表4 各項目場地照明指標Tab.4 Illuminance index of different sites

由此可見，基于一套燈具，通過調節其角度、數量、功率等參數完全可以滿足不同運動項目場地照明的要求.

4 結論

本文以綜合性體育場館場地照明系統為對象，研究了燈具投射角度、旋轉角度、開啟數量和功率對場地照度空間分布的影響.基于研究結果，以體育場館Ⅳ級照明指標為依據，提出了利用一套燈具，通過調整燈具角度、開啟數量、功率等參數滿足多個球類運動項目場地照明指標的設計方案.研究得到以下結論：

(1)投射角α對場地照度空間分布有顯著影響，而旋轉角β僅適用于局部照度調節；場地底線外燈具對底線附近照度的影響高于底線內燈具，調整其開啟數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計采用雙馬道兩側布燈方案，本文提出單馬道雙側布燈的方案，二者在燈具數量、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準要求平均值，優于IV級照明標準，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，本文的設計方案成本更低，照明效果更好；

(3)文中主要針對比賽場地照明進行研究，未涉及觀眾席等其他區域照明，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]，模擬實驗表明增加了場館其他區域照明后，眩光指數能夠達到標準要求.

本文針對具有電視轉播要求的賽場照明進行了設計，實際運行中，為滿足多種使用需求[26]，體育場館更多是作為訓練、健身、業余比賽場地之用，此時照明等級較低，完全可通過此方法調節實現，這種靈活的照明系統設計方式有利于節能減排、降低用戶運行維護成本.