李曉彬

(北京市建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100045)

1 引言

目前各大、中型城市的體育館建設(shè)基本飽和，隨著“后奧運(yùn)”時代的來臨，體育館改造項目逐漸增多，每次改造幾乎都不可避免對場地照明系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，而調(diào)整的目標(biāo)往往要求達(dá)到更高的照明標(biāo)準(zhǔn)，尤其是照度標(biāo)準(zhǔn)值。在現(xiàn)有建筑層高、結(jié)構(gòu)荷載、設(shè)備空調(diào)、電氣負(fù)荷容量等對燈具布置有影響的因素都基本定型的基礎(chǔ)上，若仍選用傳統(tǒng)的金屬鹵化物燈進(jìn)行方案設(shè)計，盲目增加燈具數(shù)量，很可能在改造過程中不符合場地的現(xiàn)狀，設(shè)計方案最終不能實現(xiàn)。因此，考慮一種新的燈具作為備選，在必要時替代傳統(tǒng)的金鹵燈顯得尤為重要。本文以新近設(shè)計的一個乒乓球館場地照明系統(tǒng)的改造為例，通過分析比較得出在場地照明系統(tǒng)改造中應(yīng)用LED的可行性方案，對日后工程設(shè)計工作具有一定的指導(dǎo)作用。

2 場館照明現(xiàn)狀及照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

2.1 場館照明現(xiàn)狀

本工程為某乒乓球館改造項目，場館為乒乓球隊的日常訓(xùn)練場館，地上3層，地下1層，總建筑面積約13 545m2，其中地上二層、三層為乒乓球訓(xùn)練場地，層高分別為7.5m和9.9m，每層均布置有24塊14m×7m的標(biāo)準(zhǔn)乒乓球場地。

場地現(xiàn)有燈具為400W金屬鹵化物燈，采用直接照明，燈具布置在場地上方，光束垂直于場地平面的頂部布置方式。場地照度標(biāo)準(zhǔn)值為水平800lx，每塊場地布置有4盞燈具，其中二層燈具安裝高度下皮距地與建筑現(xiàn)有吸音體同，三層燈具安裝高度下皮距地與網(wǎng)架下弦同，距地面凈高均不小于6m，現(xiàn)有場地?zé)艟卟贾萌鐖D1所示(以二層為例)。

圖1 現(xiàn)有場地照明燈具布置

2.2 場館照明改造要求

應(yīng)運(yùn)動隊要求，此次改造乒乓球場地照明燈具需全部更新，場地平時訓(xùn)練的照度標(biāo)準(zhǔn)由現(xiàn)有的水平800lx提高到水平1 200lx。同時為了提高運(yùn)動員賽前適應(yīng)場地的能力，每層選出8塊場地專門用來作為賽前適應(yīng)性訓(xùn)練，其照度要求達(dá)到水平1 600lx的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 場館照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)范《體育場館照明設(shè)計及檢測標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 153-2007)，乒乓球場地的照明標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合規(guī)范中表4.1.4的規(guī)定(如表1所示)。

由此可以看出，運(yùn)動隊提出的照度要求在規(guī)范中并沒有對應(yīng)值，為了遵從一個統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，按照運(yùn)動隊要求的照度與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的照度相類比的原則，要求平時訓(xùn)練參照第Ⅲ等級，使用功能為“專業(yè)比賽”的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；賽前適應(yīng)性訓(xùn)練參照第Ⅳ等級，使用功能為“電視轉(zhuǎn)播國家、國際比賽”的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。這樣就明確了此次場地照明改造的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 規(guī)范《體育場館照明設(shè)計及檢測標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 153-2007)中表4.1.4

3 選用傳統(tǒng)照明燈具的布置方案

體育館場地照明設(shè)計的基本原則是燈具選擇。一般來說，當(dāng)燈具安裝高度低于6m時，宜選用熒光類燈具；當(dāng)燈具安裝高度在6m～18m時，宜選用功率不超過400W的中等功率金屬鹵化物類燈具。此次改造場地照明燈具安裝高度大于6m，且現(xiàn)有燈具為400W金屬鹵化燈，為保持前后設(shè)計的一致性，本方案仍選用同種規(guī)格的燈具類型。

3.1 平時訓(xùn)練的布燈方案

經(jīng)過模擬計算，將現(xiàn)有燈具更換為高光效的400W金屬鹵化物燈，在現(xiàn)有燈具布置方式的基礎(chǔ)上增加2盞燈具，即一塊場地布置6盞燈具，形成2(行)×3(列)的陣列，6盞燈全部開啟即可達(dá)到水平1 200lx的照度標(biāo)準(zhǔn)，燈具布置如圖2所示。

圖2 400W金屬鹵化物燈滿足平時訓(xùn)練的布置方案

3.2 賽前適應(yīng)性訓(xùn)練的布燈方案

選定的需要進(jìn)行賽前適應(yīng)性訓(xùn)練的場地，其燈具布置仍需滿足平時訓(xùn)練，故需要在上述平時訓(xùn)練的布燈方案基礎(chǔ)上進(jìn)行，經(jīng)過模擬計算，燈具布置如圖3所示。

圖3 400W金屬鹵化物燈滿足賽前適應(yīng)性訓(xùn)練的布置方案

在平時訓(xùn)練時，1～6號燈開啟，7～10號燈關(guān)閉；賽前適應(yīng)性訓(xùn)練時，1～4號燈和7～10號燈開啟，5～6號燈關(guān)閉。相當(dāng)于平時訓(xùn)練燈具仍形成2(行)×3(列)的陣列，而為滿足賽前適應(yīng)性訓(xùn)練水平1 600lx的照度標(biāo)準(zhǔn)，需在平時訓(xùn)練的燈位基礎(chǔ)上再均勻布置2盞燈具，形成2(行)×4(列)陣列。重復(fù)利用1～4號燈具，可以在滿足照明均勻度的前提下盡量減少燈具數(shù)量，從而使得此塊場地能同時滿足平時/賽前訓(xùn)練這兩種照明模式。

3.3 傳統(tǒng)燈具布置方案存在的問題

選用傳統(tǒng)金屬鹵化物燈具的場地照明改造方案，其存在最大的問題就是同等規(guī)格燈具數(shù)量的大幅度增加。每層24塊場地均要滿足平時訓(xùn)練，每塊場地較原有燈具數(shù)量增加2盞；另有8塊場地為滿足賽前適應(yīng)性訓(xùn)練，每塊場地較平時訓(xùn)練的燈具數(shù)量再增加4盞。故總共需要增加的燈具數(shù)量為24×2+8×4=80盞，這基本相當(dāng)于原有燈具數(shù)量(24×4=96盞)增加了一倍，由此給場地改造帶來如下問題。

3.3.1 眩光對照明質(zhì)量的影響

由于乒乓球運(yùn)動有手拋高球的技術(shù)特點，運(yùn)動員抬頭很可能會看見場地?zé)艟?，因此眩光的控制顯得尤為重要。為避免眩光干擾，室內(nèi)場地的投光點最低處到燈具的仰角必須大于45°，而仰角的大小取決于燈具的安裝位置和高度，其中以安裝高度最為重要。

本工程二層場地的燈具安裝條件最不利，現(xiàn)有層高7.7m，燈具安裝高度僅為6m，且基本沒有調(diào)整的余地，而改造后照明的亮度會大幅提高，受這兩個相互關(guān)聯(lián)的因素影響，選用防眩光燈具無疑是抑制眩光的可行辦法。但場館現(xiàn)有燈具上已安裝防眩透明棱紋擋板，運(yùn)動員反映效果并不理想，傳統(tǒng)金屬鹵化物燈的防眩燈具在其安裝條件受限、數(shù)量大幅提高的情況下，已很難滿足限制眩光的作用，勢必會嚴(yán)重影響照明質(zhì)量。

3.3.2 燈具發(fā)熱對空調(diào)系統(tǒng)的影響

眾所周知，傳統(tǒng)金屬鹵化物燈的發(fā)熱量很大，即便其發(fā)光效率相比其他光源已較高，但也僅有30%的電能轉(zhuǎn)化成光能，不包括光源在燈具里的損失，所以實際的發(fā)光效率可能會低于15%，其余的電能均轉(zhuǎn)化成熱量損耗了，這就是金屬鹵化物燈發(fā)熱量大的原因。

如此大的熱能增量對現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)的影響是不容忽視的，空調(diào)機(jī)組、管道、出風(fēng)口等相關(guān)設(shè)備的規(guī)格或數(shù)量均需要變動，這樣的變動同樣受到現(xiàn)有建筑格局的制約，超出了此次改造的可調(diào)范圍，故此方案是沒有可行性的。

3.3.3 照明負(fù)荷對電氣系統(tǒng)的影響

1)本方案金屬鹵化物燈的整燈功率為420W～440W，這是選用電子鎮(zhèn)流器的功率值，在燈具數(shù)量幾乎翻倍的情況下，經(jīng)核算需要對現(xiàn)有低壓配電柜場地照明回路的出線開關(guān)及配電干線進(jìn)行更換。

2)更換現(xiàn)有場地照明末端配電箱，其末端照明支路需根據(jù)控制方式進(jìn)行調(diào)整，增加大量的支路開關(guān)及管線。

3)調(diào)整現(xiàn)有場地照明控制方式，采用智能照明控制系統(tǒng)，通過開/關(guān)量的變化實現(xiàn)賽前適應(yīng)性訓(xùn)練、平時訓(xùn)練或清掃模式之間的切換。

4 應(yīng)用LED的解決方案

4.1 LED的相關(guān)技術(shù)參數(shù)

本設(shè)計LED燈選用36顆貼片式LED整體封裝而成，整燈功率為380W，燈具選用經(jīng)過磨砂處理的反光罩并提供對稱型配光。LED主要的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 LED的主要技術(shù)參數(shù)

4.2 LED的燈具布置方案

根據(jù)LED的技術(shù)規(guī)格，假定燈具安裝高度為6m，維護(hù)系數(shù)取0.8，為滿足此次改造的要求，經(jīng)過模擬計算，平時訓(xùn)練的燈具布置同本文3.1節(jié)金屬鹵化物燈，詳見圖2；賽前適應(yīng)性訓(xùn)練的布燈方式見圖3，將圖3中5、6號燈取消即滿足水平1 600lx的標(biāo)準(zhǔn)，通過調(diào)光控制達(dá)到平時訓(xùn)練1 200lx的要求。

4.3 與傳統(tǒng)金屬鹵化物燈的方案比較

此方案由于賽前適應(yīng)性訓(xùn)練的場地照明燈具數(shù)量較金屬鹵化物燈減少了2盞，每層有8塊這樣的場地，總共減少16盞。即將地上二層、三層場地內(nèi)現(xiàn)有金屬鹵化物燈替換為LED的同時，再各自增加64盞LED即可滿足改造要求。不光從數(shù)量上較傳統(tǒng)金屬鹵化物燈節(jié)省20%，同時結(jié)合本文3.3節(jié)金鹵燈布置方案存在的幾個問題作如下比對。

4.3.1 眩光控制

為了限制眩光，本工程LED燈具選用經(jīng)過磨砂處理的反光罩，出光方式為漫反射式，能有效限制燈具亮度，此外根據(jù)燈具亮度校驗了燈具遮光角，滿足了相關(guān)規(guī)定，最大程度抑制了眩光。在燈具全部安裝前選取部分場地進(jìn)行了試裝，經(jīng)測試平時訓(xùn)練已滿足規(guī)范要求，賽前適應(yīng)性訓(xùn)練的眩光指數(shù)稍高于標(biāo)準(zhǔn)值，但經(jīng)運(yùn)動員親身體會后表示可以接受。

4.3.2 燈具發(fā)熱量

據(jù)測算，LED發(fā)熱量僅是金屬鹵化物燈的30%甚至更低，且本工程LED燈具主體結(jié)構(gòu)是一個成型的散熱筒，從而保證空氣垂直對流，提高了散熱效率。雖然LED數(shù)量較現(xiàn)有燈具有所增加，但經(jīng)核算發(fā)熱量僅為現(xiàn)有燈具的60%～70%，對空調(diào)系統(tǒng)沒有任何實質(zhì)影響。

4.3.3 電氣系統(tǒng)

1) 經(jīng)核算，選用金屬鹵化物燈每層場地照明負(fù)荷容量增加約35kW，需更換現(xiàn)有低壓配電柜場地照明回路的出線開關(guān)及配電干線。采用LED，照明負(fù)荷容量增加約20kW，通過查閱原圖，現(xiàn)有出線斷路器的殼架電流可以滿足新增負(fù)荷，僅需調(diào)整開關(guān)的整定值即可。另外，現(xiàn)有電纜原設(shè)計已放大一級，載流量滿足要求，故低壓配電柜場地照明回路的出線開關(guān)及線纜均可不作更換。

2) LED選用DALI數(shù)字調(diào)光控制系統(tǒng)，每個LED燈具自帶DALI調(diào)光鎮(zhèn)流器，通過DALI網(wǎng)關(guān)對其進(jìn)行控制，實現(xiàn)開關(guān)、場景、調(diào)光、狀態(tài)查詢及故障檢測等功能。 每個DALI調(diào)光鎮(zhèn)流器都有唯一地址，系統(tǒng)對燈光的調(diào)節(jié)可以到每盞燈，實現(xiàn)單燈單控，滿足對每張乒乓球臺或某一片區(qū)域進(jìn)行單獨控制，控制方式靈活。

金屬鹵化物燈雖然也可以實現(xiàn)單燈單控，但末端配電箱出線需要單燈單回路，這無疑會增加出線開關(guān)、管線、智能模塊的數(shù)量，同時加大配電箱的尺寸。而DALI控制系統(tǒng)則不受配電回路所帶燈具數(shù)量的影響，一條回路可以帶3～4盞LED燈，避免上述情況發(fā)生。

4.3.4 應(yīng)用LED的場地照明計算結(jié)果

燈具設(shè)置方式如本文4.2節(jié)所述，平時訓(xùn)練分別對某一塊場地、某區(qū)域場地及全場這三種情況進(jìn)行計算；賽前適應(yīng)性訓(xùn)練選取指定的某塊場地計算，其計算結(jié)果如表3所示。

相應(yīng)的計算參數(shù)對應(yīng)的等照度曲線如圖4～圖7所示。

表3所示計算結(jié)果表明，本設(shè)計選用LED滿足此次改造所要求的照明標(biāo)準(zhǔn)值。

表3 應(yīng)用LED的場地照明計算數(shù)據(jù)

圖4 乒乓球場地某一球桌計算面等照度曲線圖(1 200lx)

圖5 乒乓球場地部分球桌周圍計算面等照度曲線圖(1 200lx)

圖6 乒乓球全場計算面等照度曲線圖(1 200lx)

圖7 乒乓球場地某一球桌計算面等照度曲線圖(1 600lx)

5 結(jié)束語

體育館改造項目由于其自身的特殊性，場地照明標(biāo)準(zhǔn)與建筑既有條件有時難免會產(chǎn)生沖突。在傳統(tǒng)照明燈具不能解決問題時，不妨考慮選用LED的布燈方案，在滿足要求的同時還能達(dá)到綠色節(jié)能的目的。

目前體育建筑場地照明系統(tǒng)選用LED的工程案例并不多見，在新建項目及有電視轉(zhuǎn)播要求的體育場館，傳統(tǒng)金屬鹵化物燈仍是場地照明的首選，日后隨著LED技術(shù)的成熟及成本的降低，其可否在上述場所大量推廣應(yīng)用還有待論證，望本文能起到拋磚引玉的作用。以上觀點和結(jié)論不一定完全正確，望各位同行前輩提出寶貴意見并給予指正。

[1] 中國建筑科學(xué)研究院.體育場館照明設(shè)計及檢測標(biāo)準(zhǔn)(JGJ 153-2007)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 中國建筑科學(xué)研究院.建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(GB 50034-2013)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[3] 北京照明學(xué)會照明設(shè)計專業(yè)委員會.照明設(shè)計手冊第二版[M].北京：中國電力出版社，2006.

[4] 諾伯特·萊希納(美國)，譯者：張利，等. 建筑師技術(shù)設(shè)計指南：采暖·降溫·照明(原著第2版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[5] 北京市建筑設(shè)計研究院.建筑電氣專業(yè)技術(shù)措施[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.