体育场馆照明灯具位置和配光对照明指标的影响

朱　悦，林若慈

(1.飞利浦(中国)投资有限公司，北京　100600；2.中国建筑科学研究院，北京　100013)



体育场馆照明灯具位置和配光对照明指标的影响

朱悦1，林若慈2

(1.飞利浦(中国)投资有限公司，北京100600；2.中国建筑科学研究院，北京100013)

摘要：在体育照明中，灯具的安装位置和配光类型对照明结果会产生极大的影响，本文从灯具位置对照明结果的影响、灯具配光对照明结果的影响、障碍物对照明结果的影响三个方面进行分析论证。

关键词：灯具位置；灯具配光；模拟计算

引言

高级别的体育照明中，灯具的位置和配光不但照明影响结果，而且会直接影响到灯具的数量和安装功率，进而对场馆的建筑设计、结构设计都会产生影响。体育照明系统是一个综合性非常强的系统，而不是简单的几个灯具，牵涉到方方面面，不但影响其他专业的实施，而且会影响最终的使用。希望本研究能对场馆的设计、建设及节能具有一定的借鉴和指导意义。

体育照明中，最终的设计包括了多种类型的数据，如照度、照度均匀度、色温、显色指数、眩光计算值、灯具和光源的效率、环境条件(维护系数)等。为了保证论证数据的客观性，本计算的过程数据将力求在同条件下获得，如讨论灯具位置与照度的关系时，其他参数将被设置为相同值。

1灯具的安装位置与灯具实际利用效率的关系

1.1设置原理

多组数据中，灯具投程设置为相同值，设置灯具投射角度α和照度数值是两个变量，同时检测评价GR的最终数据，其他参数如灯具和光源的效率、维护系数(0.8)等均相同值。

场地尺寸为20m×20m，灯具位置到场地中心始终为50米，摄像机距离场地中心始终为60米(高度10米)，按4点眩光计算(见图1)。

1.2灯具设置位置取值

图1　验证原理图Fig.1　Schematic diagram for Verification

灯具安装在场地45度的两个交叉对角线延长线上，根据等投射距离的原则设置16～70度的灯具位置点，共12组，间隔角度为5度。1.3灯具数量、投射瞄准点位置四角每角一个，灯具半光强光束角<1/4场地对角线尺寸(尽量多的光落在场地上，防止投射角度变化后光斑变形导致的光线利用率不同的因素)，灯具全部投射到场地中心位置，灯具高度按照图2的高度计算，保证投射距离相同。

图2　模拟灯具位置Fig.2　Schematic diagram of luminaire position

1.4数据与计算结果

计算数据包含平均水平照度、平均摄像机垂直照度、Grmax眩光最大值(环境系数按照20%和40%取值分别计算两次，分别模拟体育场和体育馆的计算结果)。

参与计算的灯具光学参数如下：

灯具上射光输出比:0%

灯具下射光输出比:81%

灯具总光输出比：81%

光源光通量：200000lm

灯具功率：2133W

灯具半光强光束角：0°～180°[2×7.8°]；90°～270°[2×8.7°]

光源色温：5600K

显色指数：Ra>90

中心光强：10 510cd/1 000lm

计算所使用的灯具配光见图3。不同灯具投射角度模拟计算结果见表1。

图3　计算使用的灯具配光Fig.3　Schematic diagram of luminaire photometric

根据表1计算结果，得到图4，进行数据分析如下：

表1　不同灯具投射角度模拟计算结果

图4　灯具位置与计算结果Fig.4　Schematic diagram of luminaire position and calculation result

1)图4中横坐标为灯具投射角度(灯具主光轴与灯具位置垂线的夹角)，纵坐标为水平照度、垂直照度值和眩光计算值。

2)从数值结果看，当投射角度增大时，水平照度有所增加但增加幅度不如垂直照度比例大。

3)投射角度从70～40度变化过程种，垂直照度几乎呈现直线下降，40度之后速度渐渐变缓慢。

4)投射角度25度后，Grmax的计算值均为10。

1.5结果分析与小结

1.5.1水平、垂直照度和投射角度的关系

1)根据JGJ153和国际指导文件的要求，大部分转播级别的体育场馆的照度值仅对垂直照度的绝对数值有要求，而对水平照度仅仅是均匀度的要求。

2)根据JGJ153规范和国际惯例要求，Eh/Ev=0.5～2，当综合了均匀度要求的因素后，灯具的最小投射角度如果小于25度，这个比例的设计数值可能就会大于2，垂直照度的数值就会偏低，灯具的利用效率会很差。

3)当体育场灯具投射角度达到70度，体育馆灯具投射角度达到65度，GR的计算值就会超过相应的国际、国内的规范要求，因此灯具的最大投射角度必须加以限制(GR的数值分析见下文)。

4)体育照明考虑灯具安装位置时不是考虑灯具绝对安装高度，而是考虑投射角度的限制，因为无论是Eh/Ev的数值，GR的计算数值，真正起到结论性需求的是角度(当然也要适当考虑绝对高度)而不是简单的绝对高度。

5)体育照明的灯具高度也是需要考虑的，这主要是场地的尺寸和灯具的投射角度的组合影响的结果。

6)根据上面的数据，体育场的灯具投射角度范围应该在25～70度，这些都是极限。

7)根据上面的数据，体育馆的灯具投射角度范围应该在25～65度，这些都是极限。

8)考虑到建筑结构的要求和工程造价的控制要求，灯具投射角度在40～65度范围内就会获得非常好的综合效果。

9)当然如果所有的灯具投射角度都是65度左右，可以获得最大的垂直照度，但并不实际。

10)灯具投射角度的越好，体育照明设计的灯具数量会越少，相应的照明系统投资会更少，能耗也会更少。

因此，如果想要达到能耗最低，灯具使用数量最少的目的，需要严格控制灯具的投射角度，而这需要灯具安装位置的支持，而这个要求将涉及到建筑和结构专业的工作。

1.5.2眩光指数GR的问题

1)当灯具投射角度为70度时(虽然范围超出了GR计算公式的范围，但可以有参考价值)，按照20%环境系数取值时的计算结果已经大于50，超出了转播级别体育场的允许范围，即使使用其他设计手段，70度已经是体育场照明灯具投射角度的极限。

2)当灯具投射角度为65度时，按照45%环境系数取值时的计算结果已经大于30，超出了转播级别体育馆的允许范围，即使使用其他设计手段，65度已经是体育场照明灯具投射角度的极限。

3)本计算中，灯具投射的瞄准点仅在场地中心，但实际设计中，由于照度的均匀度要求(尤其是垂直照度具有方向性)，转播场地灯具投射肯定要超过中线，均匀度要求更高的HDTV甚是灯具可能会投射到对面的边线位置，因此投射角度控制应该以最远投射位置为准(在最远位置)的限制。

4)环境系数的取值：20%根据体育场草坪的反射率和周边环境综合考虑后的取值;45%根据体育馆底板的反射率和周边建筑装饰环境综合考虑后的取值。

2灯具的配光类型与实际利用效率的关系

2.1设置原理

图5　投射距离、配光形式影响验证原理图Fig.5　schematic for calculation :aiming distance/photometric

见图5，设置20、30、50、75、100米几个投射距离，在每个投射距离的数据中将分别设置多个同功率、不同配光类型的灯具，达到的照度和均匀度，其他参数如灯具和光源效率、灯具投射角度、维护系数均为相同值。 场地尺寸为20m×20m，灯具投射角度为45度，摄像机距离场地中心始终60米(高度10米)，按4点眩光计算，维护系数为0.8。

本验证仅对数据进行分析，暂不考虑其他合理性的需求。

2.2选用的灯具配光及参数

本验证中选用的灯具配光类型见表2，其它相关参数见表3～表5。

表2　计算使用的灯具配光

表3　灯具照度参数(75米投射距离,灯具高度53m)

表4　灯具照度参数(50米投射距离,灯具高度35.4m)

表5　灯具照度参数(30米投射距离,灯具高度21.2m)

2.3数据分布状况

2.3.175m投射距离不同配光灯具的均匀度表现(见图6)

图6　75m 投射距离时的计算结果Fig.6　Calculation result of 75 aiming distance

1)在75米的投射距离上，使用L4～L5的垂直照度均匀度差异不大。

2)在使用L2和L3的灯具均匀度可以接受，且垂直照度效果非常好， L4/L5/L6的均匀度非常好，但平均垂直照度的数值有比较大的降低。

2.3.250m投射距离不同配光灯具的均匀度表现(见图7)

图7　50m 投射距离时的计算结果Fig.7　Calculation result of 50 aiming distance

1)在50米的投射距离上，使用L4～L6的垂直照度均匀度差异不大。

2)在使用L4的灯具均匀度可以接受，且垂直照度效果非常好，L5/L6的均匀度非常好，但平均垂直照度的数值有比较大的降低。

2.3.330m投射距离不同配光灯具的均匀度表现(见图8)

1)在30米的投射距离上，L1～L5均匀度数值都不太好。

2)仅仅使用L6最宽光束的灯具的均匀度可以接受。

图8　30m投射距离时的计算结果Fig.8　Calculation result of 30 aiming distance

2.4数据分析：灯具光束角与实际利用效率的关系

1)灯具的配光曲线类型与投射距离有一定的匹配关系，综合考虑均匀度、照度的关系后才可以确定配光形式(见表6)。

2)窄光束灯具适宜使用在远距离的投射，但过窄的灯具会影响到均匀度，需要恰到好处。

3)宽光束灯具使用使用在近距离的投射，但过宽的灯具会影响到平均照度值的高低。

4)当灯具照度数据出现拐点(刚开始的稳定线性变化段的最窄光束型号)时，灯具的利用率是最高的。

表6　灯具配光、投射距离与照度计算结果

因此，灯具的配光会影响灯具的使用数量，进而影响到灯具数量和总能耗，合理的灯具配光选择会达到效果和节能的双重效果，因此灯具的配光形式越丰富越会对减少数量和降低能耗有好处。

3光线阻挡与灯具利用效率的关系

将设置不同大小的阻挡体，并随即放置位置，位置与灯具距离1～2米，检测有无阻挡体与照度两个变量的关系，其他参数如灯具参数、位置参数均相同。

3.1设置原理

设置50m的投射距离，在灯具的主光轴外(不阻挡主光轴附近的光线)设置阻挡物，考察阻挡物对照明的影响。灯具高度为35.4m。设置原理图见图9。

图9　阻挡模拟设置原理图 Fig.9　Schematic for Block simulation calculation

场地尺寸为20m×20m，灯具投射角度为45度，摄像机距离场地中心始终为60米(高度10米)，按4点眩光计算，维护系数为0.8。

本验证仅对数据进行分析，暂不考虑其他合理性的需求。

3.2灯具参数及计算结果

使用的灯具参数如下：

灯具上射光输出比:0%

灯具下射光输出比:80%

灯具总光输出比：80%

光源光通量：200000lm

灯具功率：2133W

灯具半光强光束角：0°～180°[2×7.9°]；90°～270°[2×12.7°]

光源色温：5600K

显色指数：Ra>90

中心光强：4230cd/1000lm

计算使用的灯具配光见图10。

图10　计算使用的灯具配光Fig.10　Schematic diagram of luminaire photometric

模拟计算的结果参数如表7所示。

表7　阻挡对照明结果的影响

3.3数据分析：阻挡物对效率的影响

1)在途中，好像阻挡物并没有阻挡光线通道，但还是对照明造成不到20%的损失的结果。

2)这个损失主要来自与1/2光强光束角以外的部分，但这部分对场地照明依然有很大的贡献，更对对面的观众席有大的贡献，因此阻挡物会影响到灯具利用效率。

3)灯具到场地之间的“清空”状态是最好的选择。

4)灯具开启时，表面亮度很高，人眼如果直视灯具，由于眼睛构造原因，根本无法看到灯具安装位置的背景，因此认为马道在钢架内部更美观的想法是错误的，除非观察者是在非比赛时间观看不开启的灯具。

因此，体育馆的很多马道设置到钢架内部都会造成光的损失，这种损失前期设计时无法精确估计，可能导致实施的结果与设计结果有比较大的出入。即使设计时预计到了问题，也会造成灯具使用数量多，增加投资并降低利用效率。同时，被阻挡的光会照亮部分位置的钢结构，且亮斑呈现不规则，这反而会影响视觉效果，因此把马道藏在钢架内部不但达不到美观效果，反而会弄巧成拙。

4结论

根据上文的计算和系统分析，我们可以得出以下结论：

1)体育场馆的灯具安装位置并非可以随意，而是有一个最佳的合理综合成本的位置，但并非离开这个位置就不能实现，且也并非在什么位置都能实现，位置是有底线的，否则无法满足要求。

2)灯具的配光会影响灯具使用效果，需要根据实际安装高度再行设计，确定灯具的使用功率、配光类型、数量、具体位置。

3)灯具与场地之间不能有任何阻挡，包括钢结构，因此，所有认为可以把马道藏在桁架里面更美观的想法实际是错误的，只要灯具开启，效果反而更差。

参考文献

[1] 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] Guide to the artificial lighting of indoor and outdoor sports venues (GAISF)-2003.

Impact on Lighting Effects of Luminaire Position and It’s Light Distribution in Venues Lighting

Zhu Yue1，Lin Ruoci2

(1.Philips(China)InvestmentCo.,Ltd.,Beijing100600,China；2.ChinaAcademyofBuildingResearch，Beijing100013,China)

Abstract：In venues lighting, luminaire position and it’s light distribution type have major impact to lighting effects. This article elaborated lighting effects from the impact of luminaire position, luminaire light distribution and obstacles.

Key words:luminaire position; luminaire light distribution；simulation

中图分类号：TM923

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.016