從綠色節能角度淺析足球場人工照明新要求

李炳華，王炳錚，潘 鑫，李 鵬，岳云濤

(1. 北京建筑大學，北京 100044；2. 悉地(北京)國際建筑設計顧問有限公司，北京 100013)

0 引言

近年來中國體育產業迅速發展，2021年5月28日國家體育總局發布的《關于開展全國足球發展重點城市建設工作的指導意見》提出三個足球發展“五年規劃”，推動專業足球場地建設，以舉辦亞洲杯、世俱杯等重大國際賽事為契機，科學規劃建設專業足球場館。在足球場電氣設計中，場地照明是非常重要的組成部分，需要滿足運動員比賽、觀眾觀看比賽、應急照明的需要，對于高等級場地而言，還要滿足電視轉播、場內廣告等的需要。

國際足球聯合會(Fédération Internationale de Football Association，FIFA)對足球場人工照明標準進行的重大調整，對我國體育場建設將產生巨大影響。綠色足球場地照明涉及資源節約、可靠耐久、健康舒適等方面的綜合性能，本文根據國際足聯新標準的新變化，從綠色節能角度對比國內標準的照度、電源、燈光布置、頻閃等需重點關注的指標，探討我國專用足球場地照明設計未來發展的方向。

1 基本術語

2020新版FIFA足球場人工照明標準發生較大變動，與國內標準部分符號定義有細微差別，為避免產生歧義，在本節進行符號說明。

1.1 照度

E-照度；Eh-水平照度；Ev-垂直照度；Emax-最大照度值；Emin-最小照度；Eave-平均照度；Ehmin-最小水平照度；Ehave-平均水平照度；Evmin-最小垂直照度；Evave-平均垂直照度；Evmai-主攝像機方向垂直照度；Evaux-輔攝像機方向垂直照度。

1.2 均勻度

U-照度均勻度；U1h-最小水平照度與最大水平照度之比；U2h-最小水平照度與平均水平照度之比；U1v-最小垂直照度與最大垂直照度之比；U2v-最小垂直照度與平均垂直照度之比；Uvmai-主攝像機方向垂直照度均勻度；Uvaux-輔攝像機方向垂直照度均勻度；U1.vmai-主攝像機方向最小垂直照度與最大垂直照度之比；U2.vmai-主攝像機方向最小垂直照度與平均垂直照度之比；U1.vaux-輔攝像機方向最小垂直照度與最大垂直照度之比；U2.vaux-輔攝像機方向最小垂直照度與平均垂直照度之比。

1.3 其他參數

Tcp-相關色溫；Ra-一般顯色指數；FFave-平均頻閃比；FFmax-最大頻閃比；GR-眩光指數；MCM-燈光連續性模式；MAUR-最小相鄰均勻比；MF-維護系數。

2 足球場照明新技術分析

2.1 照明等級

JGJ153—2016《體育場館有檢測技術及標準》(以下簡稱“JGJ153”)關于體育場館照明分級規定如表1所示。

體育場館照明使用功能分級 表1

新版FIFA足球場人工照明標準中第4章建議按照舉辦的賽事進行分級，針對不同類型的賽事，規定如表2所示。

照明等級及供電標準 表2

由表2可以看出，對于有轉播需求的賽事，FIFA將其分為A、B、C、D四個級別規定各級技術指標，無電視轉播的足球場，僅要求水平照度≥350lx。相比于國內標準，FIFA同屆賽事跨等級定義照明指標，降低了照明能耗，同時在一定程度上解決了大型賽事后場地的可持續利用問題。

2.2 照明標準分析

從資源節約角度研究新版FIFA足球場照明標準值，有以下幾個方面改動較大。

(1)平均水平照度與平均垂直照度的比值要求有所提高。JGJ153、GB50034-2013《建筑電氣照明設計(以下簡稱“GB50034”)》及新版FIFA標準對有電視轉播的足球場地平均水平照度與平均垂直照度的比值規定如圖1所示。

圖1 平均水平照度與平均垂直照度比值

(2)對水平照度和垂直照度提出新要求。新版FIFA標準與JGJ153的規定如圖2所示，新版FIFA標準明確規定了最小值和平均值，照明設計需要同時滿足兩個指標要求。

圖2 專用足球場照明標準值

通過圖2可以看出，新版FIFA標準對水平照度和垂直照度的要求有所降低，且A、B、C、D四個等級區間指標跨度較大。這意味著即使同屆的小組賽、半決賽和決賽的照度等級也有較大差別，需要采用智能照明控制系統來實現專用足球場地照度最高達到高清轉播級別并逐級遞減的功能。通過調光滿足不同級別賽事活動的不同照度要求。

(3)照度均勻度指標有所下降。新版FIFA標準與JGJ153對水平和垂直照度均勻度的規定如圖3所示。

通過圖3可知，FIFA的A級賽事的照度均勻度指標與JGJ153中最低等級場地規定的照度均勻度指標相同，國內對于專用足球場照度均勻度的指標的要求要高于新版FIFA標準。

(4)對主、輔攝像機方向的垂直照度提出新要求。JGJ153中規定重大比賽時輔攝像機方向的垂直照度應為面向場地周邊四個方向垂直面上的照度，一般輔攝像機方向的垂直照度會比主攝像機方向的垂直照度低一個等級。新版FIFA標準也是根據四個方向(0°、90°、180°、270°)考核垂直照度及其均勻度，規定主攝像機為270°一側，主攝像機和輔攝像機四個方向的垂直照度及均勻度的指標要求相同。此外，與我國標準不同的是，FIFA面向主攝像機方向上的垂直照度測試點距場地1.0m高，而我國要求1.5m。因此在足球場地建設中需要提前設計好馬道條件，才能達到所要求的照度值。

(5)修改顯色指數。對于FIFA的C、D級別足球場地，>70即可，而A、B級別需要>80。

(6)修改色溫標準值。不同于JGJ153滿足最低色溫指標的要求，新版FIFA標準分別對四個級別場地規定了色溫區間范圍，如圖4所示。

圖4 各等級場地色溫區間范圍

(7)增加MCM要求；A級場地不允許中斷，B級場地3min內水平照度需>1 000lx、15min內水平照度需>2 000lx，C級場地3min內水平照度需>1 000lx、 15min內水平照度需>1 250lx，D級場地無連續性要求。

(8)增加頻閃比指標；各級別場地頻閃比指標需同時滿足最大值和平均值的要求，頻閃比指標相關要求會在2.5節中詳細說明。

(9)增加最小相鄰均勻度比率(MAUR)指標；任何給定平面上照度水平的快速變化都會導致攝像機、照相機曝光不一致，此參數與JGJ153中的均勻度梯度相類似，均用于確保相機曝光的一致性。均勻度梯度用某一網格點與其八個相鄰網格點的照度比表示。而MAUR指標用1個主格點及4個次格點測試，任何兩個相鄰點的照度值之差不得大于各級場地規定的允許水平。FIFA的D級場地對此無要求，A、B、C三級場地最小相鄰均勻度比率為0.6、0.6、0.5。

(10)針對LED和HID提出不同的維護系數值。LED和HID的維護系數值分別為0.8和0.9。

2.3 電源分析

JGJ 354—2014《體育建筑電氣設計規范》(以下簡稱“JGJ354”)對于場館的負荷級別如表3所示。

體育場館負荷級別 表3

可靠耐久對于場地電源的重要性不言而喻，新版FIFA標準主要有以下幾個方面的變動。

(1)增加場地電源類別。新版FIFA標準致力于各級場館的電源級別及相應指標，電源要求如表4所示。其中，A+級電源為系統級冗余，A級電源為電源冗余，B級為公共電網供電。

(2)修改主備電源要求。GB 51348-2019《民用建筑電氣設計標準》(以下簡稱“GB51348”)中要求甲級及以上場地照明的一級負荷應由雙重電源供電，可同時工作也可一用一備。而對于特級體育建筑，JGJ354規定TV應急的場地照明為一級負荷中特別重要的負荷，剩余的場地照明為一級負荷，因此，除雙重電源外，還應設置應急/備用電源。新版FIFA標準規定A級在雙重電源基礎上采用不間斷場館技術電源。目前，由于電力系統已形成電網，所以用戶無論從電網取幾路電源進線，都無法保證其獨立性，因此增設應急電源對A、B兩級的一級和一級負荷中特別重要的負荷是很有必要的。

電源總體要求 表4

(3)UPS指標變化。當用電負荷不允許中斷供電或允許中斷供電時間為毫秒級時，多采用 UPS裝置，GB51348的6.3條規定UPS的額定輸出功率應為最大計算負荷的1.3倍，儲能時間宜≥15min設計。新版FIFA標準要求UPS設備的運行時間是主備電源最大預期切換時間的5倍且保證100%照明負荷10min的自動運行，其實轉換時間比較長是由市電轉到柴油發電機組供電后，啟動需要一定時間，在主電源失電5min內，一般柴油發電機都已啟動且進入正常運行供電狀態，可向UPS供電。此外考慮到蓄電池隨使用時間的衰變情況，對于容量較大且有人維護的UPS，其蓄電池初裝容量10min也可滿足。

4)新增匹配連續性模式(MCM)要求，對故障、干擾切換狀態和切換時間提出新要求，無論A、B、C、D四個等級的照明控制都需配備小型UPS。

2.4 燈具布置分析

健康舒適的燈光對于綠色足球場地照明設計是十分重要的，因此足球場地一些區域禁止布置照明燈具，需滿足眩光和控制干擾光的要求。根據JGJ153的6.2.2條，有電視轉播需求的專用足球場可采用場地兩側布置、場地四角燈桿布置或混合布置方式。

(1)采用場地兩側布置時，燈具的位置應滿足圖5所示的規定。

圖5 單排(左)、雙排(右)布置燈具位置圖(陰影部分為可安裝區域)

上圖底線兩側15°角范圍內禁止布置燈具。而新版FIFA標準要求無論是采用多桿布置或光帶式布置都可在禁區布置燈具，如圖6所示。

圖6 FIFA2020標準要求的禁止布燈區域

但禁區內的燈具投射點需在禁區外，禁區內的照明由其他區域安裝的燈具投射，形成互補投射。在最新FIFA標準中，考慮到實際實施的可行性并依據照明實測，為降低眩光，對單條馬道上燈具的安裝高度及瞄準角也有要求。

(2)采用場地四角布置時，《照明設計手冊》規定燈具的布置位置及安裝高度與燈桿至場地中心點的距離，但燈具高度應滿足最低一排燈具到場地中心的連線與場地平面之間的夾角應≥25°，如圖7所示。

圖7 四角布置燈具位置圖(陰影為可安裝區域)

相比于國內標準，新版FIFA標準對四角布置重新定義，規定燈桿應位于圖8所示的區域。該區域是通過與球門線成120°和與球場邊成120°而形成，且燈桿距離角球處應>12m的位置。在大多數情況下，燈桿到燈拍中心的最佳高度為40～45m。

圖8 四角布置燈具位置圖

3)周圈布置

無論是我國標準或舊版FIFA標準，都不支持周圈式布置燈具。而新版FIFA標準在這方面是重大突破。如果場地照明采用周圈式連續布置燈具方式，則燈具的位置應與周邊保持足夠的橫向距離“x”，以確保達到所需的垂直照度水平和照度均勻性，如表5所示。周圈式布置方式一般在體育場屋頂設置馬道進行布置燈具。

燈具橫向距離參考 表5

為了確保球員面部造型符合良好的標準，要將燈具布置在垂直于球場周邊至少20°的角度范圍，最佳角度為25°～30°。

2.5 頻閃分析

為保證足球場地健康舒適的燈光，對光源也有所要求。金鹵燈、LED燈等燈具普遍用于足球場照明，但都不同程度地具有頻閃效應。頻閃效應(圖9)主要用頻閃比指標評價，《照明設計手冊》要求HDTV轉播重大比賽有超高速攝像要求時，頻閃比不宜大于6%。

圖9 頻閃效應的描述

頻閃比可用公式(1)計算：

(1)

式中，A為一個周期內的輸出光通最大值，B為輸出光通最小值。

如表6所示，為頻閃比指標要求。2012年的倫敦奧運會也是采用的下表標準。

頻閃比參考表 表6

相比于國內標準，新版FIFA標準要求則不同，并提出了具體的測試方法，選取12個高頻測試點計算，如圖10所示。

圖10 頻閃比測試點示意圖

圖中6個頻閃比測試點應在90°平面、270°平面、距地面高度1m處獲取垂直頻閃比值，最大允許頻閃比如表7所示。

FIFA各級別場地最大允許頻閃比 表7

表中12點平均值為算數平均值，最大值為12個點中的最高測量值。但用于降低頻閃比的措施不應影響平面上照度的均勻性，因此涉及來自不同角度重疊光通量的場地照度系統應使用24個頻閃比測試點，以確保所有區域的照度均勻性一致。

新版FIFA標準雖然降低了部分級別較低的場館頻閃標準，但針對各個級別場館提出了更具體的頻閃比測量方法、場地限值等新要求，值得借鑒。

3 結束語