论LED在体育馆场地照明改造中的应用

李晓彬

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

1 引言

目前各大、中型城市的体育馆建设基本饱和，随着“后奥运”时代的来临，体育馆改造项目逐渐增多，每次改造几乎都不可避免对场地照明系统进行调整，而调整的目标往往要求达到更高的照明标准，尤其是照度标准值。在现有建筑层高、结构荷载、设备空调、电气负荷容量等对灯具布置有影响的因素都基本定型的基础上，若仍选用传统的金属卤化物灯进行方案设计，盲目增加灯具数量，很可能在改造过程中不符合场地的现状，设计方案最终不能实现。因此，考虑一种新的灯具作为备选，在必要时替代传统的金卤灯显得尤为重要。本文以新近设计的一个乒乓球馆场地照明系统的改造为例，通过分析比较得出在场地照明系统改造中应用LED的可行性方案，对日后工程设计工作具有一定的指导作用。

2 场馆照明现状及照明设计标准

2.1 场馆照明现状

本工程为某乒乓球馆改造项目，场馆为乒乓球队的日常训练场馆，地上3层，地下1层，总建筑面积约13 545m2，其中地上二层、三层为乒乓球训练场地，层高分别为7.5m和9.9m，每层均布置有24块14m×7m的标准乒乓球场地。

场地现有灯具为400W金属卤化物灯，采用直接照明，灯具布置在场地上方，光束垂直于场地平面的顶部布置方式。场地照度标准值为水平800lx，每块场地布置有4盏灯具，其中二层灯具安装高度下皮距地与建筑现有吸音体同，三层灯具安装高度下皮距地与网架下弦同，距地面净高均不小于6m，现有场地灯具布置如图1所示(以二层为例)。

图1 现有场地照明灯具布置

2.2 场馆照明改造要求

应运动队要求，此次改造乒乓球场地照明灯具需全部更新，场地平时训练的照度标准由现有的水平800lx提高到水平1 200lx。同时为了提高运动员赛前适应场地的能力，每层选出8块场地专门用来作为赛前适应性训练，其照度要求达到水平1 600lx的标准。

2.3 场馆照明设计标准

根据规范《体育场馆照明设计及检测标准》(JGJ 153-2007)，乒乓球场地的照明标准应符合规范中表4.1.4的规定(如表1所示)。

由此可以看出，运动队提出的照度要求在规范中并没有对应值，为了遵从一个统一的设计标准，按照运动队要求的照度与标准规定的照度相类比的原则，要求平时训练参照第Ⅲ等级，使用功能为“专业比赛”的相关标准执行；赛前适应性训练参照第Ⅳ等级，使用功能为“电视转播国家、国际比赛”的相关标准执行。这样就明确了此次场地照明改造的设计标准值。

表1 规范《体育场馆照明设计及检测标准》(JGJ 153-2007)中表4.1.4

3 选用传统照明灯具的布置方案

体育馆场地照明设计的基本原则是灯具选择。一般来说，当灯具安装高度低于6m时，宜选用荧光类灯具；当灯具安装高度在6m～18m时，宜选用功率不超过400W的中等功率金属卤化物类灯具。此次改造场地照明灯具安装高度大于6m，且现有灯具为400W金属卤化灯，为保持前后设计的一致性，本方案仍选用同种规格的灯具类型。

3.1 平时训练的布灯方案

经过模拟计算，将现有灯具更换为高光效的400W金属卤化物灯，在现有灯具布置方式的基础上增加2盏灯具，即一块场地布置6盏灯具，形成2(行)×3(列)的阵列，6盏灯全部开启即可达到水平1 200lx的照度标准，灯具布置如图2所示。

图2 400W金属卤化物灯满足平时训练的布置方案

3.2 赛前适应性训练的布灯方案

选定的需要进行赛前适应性训练的场地，其灯具布置仍需满足平时训练，故需要在上述平时训练的布灯方案基础上进行，经过模拟计算，灯具布置如图3所示。

图3 400W金属卤化物灯满足赛前适应性训练的布置方案

在平时训练时，1～6号灯开启，7～10号灯关闭；赛前适应性训练时，1～4号灯和7～10号灯开启，5～6号灯关闭。相当于平时训练灯具仍形成2(行)×3(列)的阵列，而为满足赛前适应性训练水平1 600lx的照度标准，需在平时训练的灯位基础上再均匀布置2盏灯具，形成2(行)×4(列)阵列。重复利用1～4号灯具，可以在满足照明均匀度的前提下尽量减少灯具数量，从而使得此块场地能同时满足平时/赛前训练这两种照明模式。

3.3 传统灯具布置方案存在的问题

选用传统金属卤化物灯具的场地照明改造方案，其存在最大的问题就是同等规格灯具数量的大幅度增加。每层24块场地均要满足平时训练，每块场地较原有灯具数量增加2盏；另有8块场地为满足赛前适应性训练，每块场地较平时训练的灯具数量再增加4盏。故总共需要增加的灯具数量为24×2+8×4=80盏，这基本相当于原有灯具数量(24×4=96盏)增加了一倍，由此给场地改造带来如下问题。

3.3.1 眩光对照明质量的影响

由于乒乓球运动有手抛高球的技术特点，运动员抬头很可能会看见场地灯具，因此眩光的控制显得尤为重要。为避免眩光干扰，室内场地的投光点最低处到灯具的仰角必须大于45°，而仰角的大小取决于灯具的安装位置和高度，其中以安装高度最为重要。

本工程二层场地的灯具安装条件最不利，现有层高7.7m，灯具安装高度仅为6m，且基本没有调整的余地，而改造后照明的亮度会大幅提高，受这两个相互关联的因素影响，选用防眩光灯具无疑是抑制眩光的可行办法。但场馆现有灯具上已安装防眩透明棱纹挡板，运动员反映效果并不理想，传统金属卤化物灯的防眩灯具在其安装条件受限、数量大幅提高的情况下，已很难满足限制眩光的作用，势必会严重影响照明质量。

3.3.2 灯具发热对空调系统的影响

众所周知，传统金属卤化物灯的发热量很大，即便其发光效率相比其他光源已较高，但也仅有30%的电能转化成光能，不包括光源在灯具里的损失，所以实际的发光效率可能会低于15%，其余的电能均转化成热量损耗了，这就是金属卤化物灯发热量大的原因。

如此大的热能增量对现有空调系统的影响是不容忽视的，空调机组、管道、出风口等相关设备的规格或数量均需要变动，这样的变动同样受到现有建筑格局的制约，超出了此次改造的可调范围，故此方案是没有可行性的。

3.3.3 照明负荷对电气系统的影响

1)本方案金属卤化物灯的整灯功率为420W～440W，这是选用电子镇流器的功率值，在灯具数量几乎翻倍的情况下，经核算需要对现有低压配电柜场地照明回路的出线开关及配电干线进行更换。

2)更换现有场地照明末端配电箱，其末端照明支路需根据控制方式进行调整，增加大量的支路开关及管线。

3)调整现有场地照明控制方式，采用智能照明控制系统，通过开/关量的变化实现赛前适应性训练、平时训练或清扫模式之间的切换。

4 应用LED的解决方案

4.1 LED的相关技术参数

本设计LED灯选用36颗贴片式LED整体封装而成，整灯功率为380W，灯具选用经过磨砂处理的反光罩并提供对称型配光。LED主要的技术参数如表2所示。

表2 LED的主要技术参数

4.2 LED的灯具布置方案

根据LED的技术规格，假定灯具安装高度为6m，维护系数取0.8，为满足此次改造的要求，经过模拟计算，平时训练的灯具布置同本文3.1节金属卤化物灯，详见图2；赛前适应性训练的布灯方式见图3，将图3中5、6号灯取消即满足水平1 600lx的标准，通过调光控制达到平时训练1 200lx的要求。

4.3 与传统金属卤化物灯的方案比较

此方案由于赛前适应性训练的场地照明灯具数量较金属卤化物灯减少了2盏，每层有8块这样的场地，总共减少16盏。即将地上二层、三层场地内现有金属卤化物灯替换为LED的同时，再各自增加64盏LED即可满足改造要求。不光从数量上较传统金属卤化物灯节省20%，同时结合本文3.3节金卤灯布置方案存在的几个问题作如下比对。

4.3.1 眩光控制

为了限制眩光，本工程LED灯具选用经过磨砂处理的反光罩，出光方式为漫反射式，能有效限制灯具亮度，此外根据灯具亮度校验了灯具遮光角，满足了相关规定，最大程度抑制了眩光。在灯具全部安装前选取部分场地进行了试装，经测试平时训练已满足规范要求，赛前适应性训练的眩光指数稍高于标准值，但经运动员亲身体会后表示可以接受。

4.3.2 灯具发热量

据测算，LED发热量仅是金属卤化物灯的30%甚至更低，且本工程LED灯具主体结构是一个成型的散热筒，从而保证空气垂直对流，提高了散热效率。虽然LED数量较现有灯具有所增加，但经核算发热量仅为现有灯具的60%～70%，对空调系统没有任何实质影响。

4.3.3 电气系统

1) 经核算，选用金属卤化物灯每层场地照明负荷容量增加约35kW，需更换现有低压配电柜场地照明回路的出线开关及配电干线。采用LED，照明负荷容量增加约20kW，通过查阅原图，现有出线断路器的壳架电流可以满足新增负荷，仅需调整开关的整定值即可。另外，现有电缆原设计已放大一级，载流量满足要求，故低压配电柜场地照明回路的出线开关及线缆均可不作更换。

2) LED选用DALI数字调光控制系统，每个LED灯具自带DALI调光镇流器，通过DALI网关对其进行控制，实现开关、场景、调光、状态查询及故障检测等功能。 每个DALI调光镇流器都有唯一地址，系统对灯光的调节可以到每盏灯，实现单灯单控，满足对每张乒乓球台或某一片区域进行单独控制，控制方式灵活。

金属卤化物灯虽然也可以实现单灯单控，但末端配电箱出线需要单灯单回路，这无疑会增加出线开关、管线、智能模块的数量，同时加大配电箱的尺寸。而DALI控制系统则不受配电回路所带灯具数量的影响，一条回路可以带3～4盏LED灯，避免上述情况发生。

4.3.4 应用LED的场地照明计算结果

灯具设置方式如本文4.2节所述，平时训练分别对某一块场地、某区域场地及全场这三种情况进行计算；赛前适应性训练选取指定的某块场地计算，其计算结果如表3所示。

相应的计算参数对应的等照度曲线如图4～图7所示。

表3所示计算结果表明，本设计选用LED满足此次改造所要求的照明标准值。

表3 应用LED的场地照明计算数据

图4 乒乓球场地某一球桌计算面等照度曲线图(1 200lx)

图5 乒乓球场地部分球桌周围计算面等照度曲线图(1 200lx)

图6 乒乓球全场计算面等照度曲线图(1 200lx)

图7 乒乓球场地某一球桌计算面等照度曲线图(1 600lx)

5 结束语

体育馆改造项目由于其自身的特殊性，场地照明标准与建筑既有条件有时难免会产生冲突。在传统照明灯具不能解决问题时，不妨考虑选用LED的布灯方案，在满足要求的同时还能达到绿色节能的目的。

目前体育建筑场地照明系统选用LED的工程案例并不多见，在新建项目及有电视转播要求的体育场馆，传统金属卤化物灯仍是场地照明的首选，日后随着LED技术的成熟及成本的降低，其可否在上述场所大量推广应用还有待论证，望本文能起到抛砖引玉的作用。以上观点和结论不一定完全正确，望各位同行前辈提出宝贵意见并给予指正。

[1] 中国建筑科学研究院.体育场馆照明设计及检测标准(JGJ 153-2007)[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] 中国建筑科学研究院.建筑照明设计标准(GB 50034-2013)[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3] 北京照明学会照明设计专业委员会.照明设计手册第二版[M].北京：中国电力出版社，2006.

[4] 诺伯特·莱希纳(美国)，译者：张利，等. 建筑师技术设计指南：采暖·降温·照明(原著第2版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[5] 北京市建筑设计研究院.建筑电气专业技术措施[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.