LED在体育照明中的应用

杨 波

(玛斯柯照明设备(上海)有限公司，上海 201107)



LED在体育照明中的应用

杨 波

(玛斯柯照明设备(上海)有限公司，上海 201107)

本文介绍了LED用于体育照明需要解决的问题和对电气设计的影响，与金卤灯照明进行了分析比较，并对英国酋长足球场作了案例分析，总结了LED用于体育照明的优势与问题，对LED在体育照明中的应用作了展望。

LED；体育照明；金卤灯；照明设计

引言

从2008年第一个LED照明的室外篮球场Beacon Park Basketball球场开始，2010年的Lacey足球场、2013年第一个LED大型室内篮球馆Notre Dome篮球馆、2014年NCAA和NBA中的顶级球馆，包括底特律活塞队、费城76人队、圣安东尼奥马刺队主场，2015年的USTA决赛场地，NRG体育场，阿森纳的酋长体育场，LED在体育照明中的应用已经逐步成为一种趋势[1]，将对未来的体育照明产生深远的影响,图1和图2分别为美国网球公开赛决赛场地和美国NRG体育场采用LED照明的实景效果。

图1 美国网球公开赛决赛场地采用LED照明效果Fig.1 LED lighting result of USTA final

1 体育照明的基本要求

体育场馆是以体育运动为主,兼容文艺、集会、展览等多种应用。由于其特殊的功能定位，对照明的需求明显高于其他功能性照明场所。

图2 NRG体育场采用LED照明实际效果Fig.2 LED lighting of NRG stadium

体育照明的服务对象主要分为运动员、观众、电视转播机构、裁判员及广告赞助商。

因此体育照明必须满足运动员的功能需求、观众欣赏比赛的需求、并为电视转播机构提供高质量的电视画面、给裁判员提供公正裁决的光环境，做到安全适用、经济合理、技术先进、节能环保。

体育照明评价要素包括照明质量、照明数量、维护成本、节能环保。

常见的照明质量的评价参数包括照度均匀度(U1、U2、UG、CV)、眩光及外溢光的控制，这关系到能否给运动员提供更好的运动体验，给观众更好的视觉享受，给电视转播提供更好的画面质量，是体育照明项目成败的关键和核心。

照明数量的要求即对照度水平高低的要求，可以从200lx到3000lx变化，以满足不同目的和级别比赛的要求，这也是我们为何规定从业余训练、专业比赛到HDTV电视转播不同级别体育照明要求的原因。更高的数量并不意味着照明质量的提高，数量稍低但质量更好的体育照明能提供更好的运动照明环境。

维护成本指的是全寿命周期维护成本、包括在维持照明数量和质量不变的前提下的更换光源的费用、灯具维护费用、电费、人工成本、以及在一个固定期限内的所有其他维持系统正常运行的成本，这一固定期限可以是五年、也可是十年，取决于场地的运行和适用要求。这些应与系统的初始投资结合起来考虑。从市场的现状来看，该维护成本目前还是相当高的，给后期的运行和管理带来了很重的负担。

节能环保是体育照明技术追求的核心目标，但只有在相同质量情况下的比较才有意义，20世纪70年代以来的体育照明技术变革均是围绕节能环保主题展开的，无论是光源技术的提高、灯具质量的改进、照明应用设计水准的提升，都是尽量将光线更有效地投射到场地需要的地方，并减少眩光和外溢光的污染。

2 LED应用于体育照明需要解决的问题

2.1 白光LED光色参数的选择

无论是采用RGB混色得到白光还是蓝光LED加黄色荧光粉不同方法得到连续的白光光谱，都使得LED能提供体育照明所需的连续可见光光谱。区别于传统大功率金卤灯，在金属卤化物初始成分决定后，光源的光电参数如色温、显色性等就已经确定，常用的有65(4 000 K)、80(4 000 K)、90(5 600 K)等可以选择，但随光源燃点时间的增加，石英泡壳内的金属卤化物的各种成分消失速度不同，其成分的配比也将发生变化，使其光色也会相应地变化。但LED白光不同，它的发光原理决定了LED可以提供稳定的色温及显色性，且有从2 700 K～6 000 K，从65～90不同的选择，可以很好地满足体育照明的需求。表1列出了XPL大功率白光LED芯片提供从65～90、2 700 K～>5 000 K不同的色度参数的特性，其产生的光通量也从300 lm～460 lm不等。高色温的LED可以提供更高的流明输出，显色指数越高，光源光通输出会显著降低。从节能和投资的角度，选择合适的LED光度参数非常重要。

表1 XPL大功率白光LED提供不同的光色特性[3]Table 1 Different photochromic character of XPL high power intensity LED 单位：lm

注：显色指数只是从65、75、80、90可选择，显色指数越高，光通输出越低。

2.2 LED应用中的节能问题

大功率金卤灯的初始输出流明为100 lm/W，维护系数为0.7/0.8，从我们的实际测试结果来看，大部分场地在使用2～3年后光衰均在30%以上，不仅包括光源本身输出的衰减，同时包含由于灯具本身氧化、密封性能不好、污染、呼吸系统问题等因素，实际的使用流明输出仅为70 lm/W。

LED光源的实验室最高光效约300 lm/W,产品级LED光源可以达到180 lm/W,结合灯具后可以稳定在90～110 lm/W，而且还有很大的发展空间。其光衰由实测结合TM-21-11文件[2]得出的 L90、L80、L70曲线来决定的。笔者根据一个初始照度为500 lx的足球场地对光衰情况做了比对如表2所示，从中可以看出LED有更好地控制光衰的性能。

表2 LED与金卤灯的光衰性能情况对比Table 2 The light depreciation character comparison of LED and MH fixture

注：场地每天使用5 h，一年365 d；1000 W光源寿命为10 000 h、1 500 W光源寿命5 000 h。

与金属卤化物灯具明显不同的是，LED灯具对色温和显色性有更多的选择。笔者对不同的LED光效性能做了比对研究，发现其节能效果有非常显著的差异，LED色温越高，光效也越高.与金属卤化物灯具相同的是，显色指数越高，光源的光效显著下降。实测比对结果如表3所示。

表3 不同色度参数LED效率比较Table 3 The efficiency comparison of different photochromic character LED

从表3中可以看出，选用不同色度参数的LED，其节能效应最大相差达32%之多，从运动员、观众、电视转播机构、裁判员、广告赞助商等的角度出发，这些光度参数带来的实际差异影响很小，国际上对此也有不同的观点和流派。笔者认为5 700 K的LED是最节能的LED光源，也是目前在工程实践中成功应用得最广泛的光源。

LED有更好的节能效果，与其有更好的指向性有关系，这可以保证灯具对光的利用效率更高，照明应用设计有更好的利用系数，但同时也对精准应用设计提出了更高的标准和要求，灯具间的节能效果差别将更明显。

2.3 LED眩光、外溢光问题及其有效评估

眩光是指视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜，或存在极端的亮度对比，以致引起不舒适感觉或降低观察细部及目标能力的视觉现象。外溢光是指直射光或反射光超出了本来应该照亮的范围，而照亮其他事物或区域的那一部分光线。体育比赛中眩光对运动员会产生很大的影响，直接影响到体能发挥，外溢光干扰也成为体育场馆周边居民投诉的主要内容。

眩光和外溢光的控制是体育照明中的重点，如何有效地评估眩光和外溢光成为一个难题。不同的灯具技术和照明设计差异非常大，最终产生的结果也截然不同，如图3所示。人们试图用眩光指数GR来评价眩光，并设定了0～100不同的指数区间来表征眩光的厉害程度，但该指数受计算方法及各种参数设定的影响，很难客观地反应出实际场地的眩光情况。往往书面计算GR满足要求的场地其实际主观眩光评价效果非常差，无法起到辨别实际眩光好坏并对不同灯具和设计做出判断比较的功能。

笔者通过实验比对和理论分析，采用了中心光强比较法对同一安装位置、同一场地不同灯具做出眩光比较，很好地解决了这一难题，让主观评价与客观评价的结果基本一致。比较结果及分析如表4所示。

表4 不同灯具眩光及外溢光分析比较Table 4 The glare and spill analysis and comparison of different fixtures

从表4中比较可以看出：

1)不同灯具对眩光和外溢光的控制效果差异非常大，取决于不同的灯具技术；

2)不同LED灯具的眩光控制效果也有显著差异，如图3所示；

3)外置眩光控制装置可以很好地控制眩光和外溢光；

4)该比较基于同样的设计应用条件，排除了不同场地及灯具安装位置和投射角度的影响。

图3 不同的LED眩光控制效果差异很大Fig.3 The huge glare control difference of different LED

如何有效地减少眩光和外溢光是LED灯具设计的难题，其复杂和困难程度超过传统的金卤灯，为了取得比传统的金卤灯更好的控制效果，以下措施可以有效地减少眩光和外溢光：

1)针对LED特性而专业设计的灯具，而非对传统光源的简单替换；

2)合理的透镜和反射器的设计，实现对光线的有效控制；

3)充分利用反射器的二次反射，减少直接眩光；

4)合理确定LED光源的工作功率，以控制其中心光强；

5)设计合适的外置眩光控制器减少眩光，并利用再次反射提高光效；

6)控制单颗不同LED灯珠的投射角度和方向。

2.4 大功率LED的散热问题及其结温的有效控制

LED灯具由电路板、光学系统和热管理系统组成，结温的控制是其性能的核心保证。LED光源制造商提供的所有技术性能参数均基于85℃结温条件下的产品特性[3]，结温升高时，性能指标呈断崖式的下降，怎样解决散热问题是大功率LED应用的难题。为了维持LED的长期稳定工作和最大降低其流明衰减，将结温控制在85℃以下，可以采取以下技术措施：

1)灯具本体由铝或其他导热性能更好的材料制成；

2)配备散热板等设计以扩大灯具表面积获得更好的散热性能；

3)LED 面板直接安装在导热板上，以便在LED板和光源腔间获得很好的热传导性能；

4)导热板作为一个整体设计和压铸成型以更好地将LED的热能传导出来；

5)采用合适的热接口传导材料，增强热能向外的传导性能。

2.5 LED与传统金卤灯的差异

LED作为一种新的光源，与传统金卤灯的差异巨大，其主要差异总结如表5所示。

这些差异导致LED的控制方式和金卤灯控制系统有很大的差别。在金卤灯时代，所有标榜的智能控制系统其实只是简单的开/关控制，而LED可以实现真正的智能控制，不仅可以开/关、还可以实现有级调光、连续调光、驱动具有选择性、可以寻址控制和瞬间启动。这些差别将带来体育场馆照明运行、管理、实现革命性的变化：

1)控制空间上的拓展；

2)管理方式的改变；

3)直接控制和间接控制的差异；

4)不同照度模式的实现方式不同；

5)在线诊断和远程控制的大规模应用；

6)瞬时启动功能的实现；

7)特殊舞台效果的实现。

表5 LED与金卤灯的差异Table 5 The difference of LED and MH fixtures

图4所示为英国Twickenham足球场改造前后的对比，左侧为改造前用2 000 W金卤灯的照明效果，右侧为用LED改造好的效果，差异非常明显。

图4 英国Twickenham足球场改造前后的对比Fig.4 The result comparison of UK Twickenham Stadium before and after LED renovation

2.6 利用系数和频闪比

我们通常的灯具效率的定义为“在规定的使用条件下，灯具发出的总光通量与灯具内所有光源发出的总光通量之比”。人们常用此参数来判别灯具的节能与否，在体育照明各种规范中通常要求灯具效率不低于70%。事实在体育照明中此参数不一定有效，灯具效率高不一定场地的应用是更节能的，该灯具效率包含了溢散光和其他浪费的光线。目前新的评判效率高低的有效参数为利用系数CU(Coefficient of Utilization)[1]。

(1)

部分体育照明专业软件提供CU的计算结果，一般来说CU越高，场地的照明设计越节能。

体育比赛中要求控制频闪比最好小于6%[6]，金属卤化物灯具的供电频率为50 Hz，只能用三相平衡的方式解决部分频闪问题，但也无法达到6%的要求，特别是面对超高速摄像机的频闪问题，如100 m终点线处或其他使用超高速摄像机的问题。

LED由于为直流供电，可以很好地解决电视转播中的频闪问题。英超阿森纳俱乐部的酋长球场使用LED灯具，其频闪比实测结果小于0.5%，远低于要求的6%。

3 LED应用于体育照明对电气设计的影响

3.1 维护系数选择的难题

在国际、国内照明标准中提出了“使用照度”的概念，定义如下：“照明装置在使用周期内，通过维护在规定表面上所要求维持的平均照度。”同时规定了维护系数为0.7或者0.8。

但在LED实践应用中，生产厂家往往会提供不同工作温度下的 L90、L80、L70[3]寿命曲线和测试报告，设计人员可以准确地指导光源的衰减。以常用的400 W LED用的芯片XML2为例，其L90(12 k)=61 000 h，L80(12 k)>72 000 h，L70(12 k)>72 000 h。而61 000 h衰减到初始光通的90%已经远超1 000 W金卤灯的10 000 h、1 500 W金卤灯的3 000 h和2 000 W金卤灯的2 000 h。以一个场地每天开灯5 h计算，一年365天，10年的总开灯小时数也不过18 250 h，远低于61 000 h，且无需更换光源。此时如果在此基础上再按0.7或0.8的维护系数计算显然将造成极大的浪费。

比较恰当的做法是在设计时进行场地使用时间的评估，再参照其寿命曲线进行恰当的初始设计，必须舍弃传统金卤灯光源的维护系数方法。常见的大功率体育照明用的LED寿命曲线参照值如下所示:[3]400 W LED L90(12 k)=61 000 h、630 W LED L90(10k)=38 000 h、1 400 W LED L90(6 k)=36 000 h，当然不同制造厂家的参数会有差异。

3.2 UPS/EPS的选择和应用问题

由于传统金卤灯无法瞬间重启，断电后需要20～30 min才能恢复照明系统，为了保证体育照明系统的可靠性，人们设计了双电源系统、UPS/EPS、ATS进行复杂的系统设计并结合柴油发电机确保重要比赛的正常进行，导致系统变得复杂且昂贵。

LED的瞬间启动性能解决了困扰人们数十年之久的难题，给所有场馆的便捷使用带来了福音，同时大大简化了系统设计，提高了系统可靠性，并大幅度降低了维护成本。今后UPS/EPS将会从体育照明系统中逐步消失。

3.3 线路压降计算的要求问题

在《体育建筑电气设计规范》(JGJ 354—2014)[8]中明确规定，比赛场地照明灯具端子处的电压偏差特级和甲级体育建筑宜为±2%，乙级及以下体育建筑应为±5%。事实上对金卤灯而言，该规定对确保照明效果很重要，实测表明：当供电电压为220 V时，电源电压的变化±10%时，灯具光通量输出变化为-25%～+28%；当供电电压为380 V时，电源电压的变化±10%时，灯具光通量输出变化为-22%～+23%。而体育场地内线路走线长度很长，要保证±5%的难度就不小，更不要说±2%，这将大大增加照明供电系统成本。

LED为直流驱动，其驱动器的主要功能是将交流变为直流，同时提供恒定电流，当输入端电压在一定范围内变化时，并不影响其恒定电流输出，也就是不会影响光通输出。这就大大降低了对供电系统压降的苛刻要求，可以在满足规范的前提下合理选择系统配置，降低总体成本。以220 V供电电压LED驱动为例，其输入电压范围为208 V～277 V，而380 V供电电压LED驱动其输入电压范围为347 V～480 V，只要在此电压范围内工作，其输出光通量不受影响，且随电力电子技术的进步，该范围还有望进一步扩大。

3.4 不同等级照明要求的分组模式问题

为了满足不同级别的体育场馆功能需求，体育照明按使用功能分为训练、业余比赛、专业比赛、TV转播国家、国际比赛、TV转播重大国际比赛、HDTV转播重大国际比赛等不同级别。使用金卤灯设计，将不同的灯具分组组合而得到不同模式结果，使其均匀度等均受不同程度的影响。LED本身的特性决定了每个灯具的输出可以调节。不同的模式可以通过调节灯具输出百分比来得到，这必将对电气设计中的灯具分组方式带来重大变化。表6列出了国内CBA主赛场新疆红山体育馆LED的分组模式及灯具的输出状态。此分组调节方式由于降低了LED的驱动功率和输出，且体育馆中的低模式使用实践最长，可以大幅度地提高LED的实际使用寿命。

从表6中结果可以看出：

1)灯具分组比传统金卤灯更少，仅A、B两组，可以给设计人员提供更灵活的设计选择；

2)低照度模式使用的灯具数更多，可以极大地提高低照度均匀度，减少眩光；

3)体育馆的耗电教传统金卤灯有明显降低，最高模式仅31.24 kW，低模式仅3.41 kW,这在同等级别的体育馆中不可想象；

4)提供的总体光环境，照明质量，眩光等明显优于传统金卤灯。

表6 新疆红山体育馆各种照度模式及灯具分组Table 6 The switching model and fixture grouping of Xinjiang Hongshan Arena

4 实际应用案例分析

成立于1886年阿森纳足球俱乐部是英超四大豪门之一，其酋长球场(Emirates Stadium)，是英格兰足球超级联赛豪门阿森纳的主场，能容纳观众60 000余人，平均一个赛季将会有114万人次赴现场观战，球场于2015年进行了LED灯光的改造[1]。

改造共采用328套935 W的大功率LED，各项技术指标很好地满足了英超电视转播要求和欧洲冠军联赛要求，具体照明效果参见表7。

表7 阿森纳俱乐部酋长球场照明效果Table 7 The lighting result of Arsenal Emirates stadium

阿森纳酋长球场使用的LED灯具主要技术参数如下：

重量： 20 kg；尺寸：L(673 mm)×W(419 mm)×H(445 mm)，与普通金卤灯差异不大；

色度参数： 显色指数：85 色温：5700 K；

光度参数： 100 lm/W， L90(10k)=38 000 h。

灯具平面布置图和灯具示意图参见图5、图6，实际效果图参见图7。

图5 阿森纳俱乐部酋长球场LED灯具平面布置示意图Fig.5 The LED fixture layout of Arsenal Emirates Stadium

图6 阿森纳俱乐部酋长球场LED灯具示意图Fig.6 The LED fixture of Arsenal Emirates Stadium

图7 阿森纳俱乐部酋长球场LED灯具实际效果图Fig.7 The LED lighting real result of Arsenal Emirates Stadium

笔者有幸于2015年同时测试了中超赛场的比赛场地照明情况，现就两者比对见表8。

从表8数据对比可以看出，使用LED的酋长球场总耗电量明显低于其他球场，且技术指标要求明显高于其他体育场，结合LED可以瞬间启动、不需要UPS/EPS，可以更好地与体育展示活动结合，提供不同的光色参数选择等，随着更多示范工程的实施和工程经验的积累，它必将在体育照明中得到越来越广泛的应用。

表8 阿森纳俱乐部酋长球场与中超俱乐部主场照度参数对比Table 8 The lighting parameter comparison of CSL club home stadium and Arsenal Emirates Stadium

5 结论

LED灯具应用在体育场馆照明中的优势如下：

1)卓越的节能效果。在实现同样的照度的情况下，采用LED灯具相比金卤灯，总体的能耗会降低很多。

2)LED灯具设计将有更多的选择性和差异性，将推动体育照明设计技术的进一步的发展。

3)瞬时启闭。相比金卤灯，LED可以实现瞬时启闭的功能。采用LED灯具进行体育场馆照明，可以大大丰富体育比赛之外的照明效果，轻易实现舞台灯光等其他可以丰富体育场馆照明效果的内涵。由于金卤灯启闭延时性的存在，若采用金卤灯灯具，这些功能很难甚至无法实现。

4)超长寿命，节约维护成本。LED灯具的寿命大大超过金卤灯的平均寿命，因此大大降低了维护成本和维修支出。

同样由于LED应用的复杂程度及体育照明的特殊要求，大规模地应用LED需要设计师切实地解决以下问题：①大功率LED灯具的散热问题；②光衰问题；③配套元件的寿命问题；④灯具设计的配光设计问题；⑤眩光问题；⑥投资成本问题；⑦缺乏实际工程经验的问题等。

LED易于控制及本身是半导体器件的特点，使LED灯具成为信息技术的一个很好的物理载体。因此，LED与信息技术进行深度的融合，将引领体育场馆智慧照明，给将来体育场馆的建造、运营、管理和维护带来划时代的变化。可以预见在不久的将来，我们将迎来LED在体育照明大规模应用的时代。

[1] Musco Sports Lighting. Musco Sports Field Lighting Specification Catalog 2015.

[2] Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources:IES-TM-21-11[S].

[3] Cree Lighting.Cree High Intensity Discrete LEDS Catalog.2015.

[4] Illuminating Engineering Society.Lighting Design Handbook[M].The 10thEdition.

[5] FA.Lighting Requirement of England Professional Football League.2013.

[6] 体育照明设计手册[M].北京：中国电力出版社,2009.

[7] 体育建筑设计电气设计规范：JGJ 354—2014[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

Application of LED in Sports Lighting

YANG Bo

(MuscoLighting(Shanghai)Co.Ltd,Shanghai201107,China)

The problems are addressed when using LED in sports lighting. The LED application effects on electrical design is also discussed. The difference between LED and MH fixtures is also compared. A case study of ARSENAL EMIRATES stadium is introduced. The advantage and disadvantage is summarized for LED’s application in sports lighting. The prediction of LED’s future in sports lighting is presented.

LED; sports lighting;metal halide;lighting design

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.023