鄭啟強(qiáng)

(福建省華廈能源設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350003)

引言

照明作為體育場(chǎng)館中重要的組成部分，良好的照明環(huán)境有利于運(yùn)動(dòng)員技術(shù)水平的發(fā)揮，因此，體育場(chǎng)館照明設(shè)計(jì)不僅要達(dá)到規(guī)定的照度，還應(yīng)具有良好的照明質(zhì)量。在實(shí)際工程中，想要設(shè)計(jì)出良好的體育場(chǎng)館照明方案，需要提前了解體育場(chǎng)館運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目、建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)等，然后查閱相關(guān)體育場(chǎng)館照明標(biāo)準(zhǔn)要求，最后選擇照明燈具參數(shù)，合理布置燈具，實(shí)現(xiàn)體育場(chǎng)館照明方案設(shè)計(jì)。

近些年關(guān)于羽毛球場(chǎng)館的照明方案設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[1]通過(guò)改變燈具類型、功率、布置等方法，構(gòu)造多種照明方案，最后給出照度最優(yōu)閾值方案，滿足運(yùn)動(dòng)者視覺(jué)工效的照明環(huán)境。文獻(xiàn)[2]以羽毛球場(chǎng)地布燈方法和布燈燈具的發(fā)明專利為基礎(chǔ)，詳細(xì)描述該發(fā)明專利實(shí)施技術(shù)方案，指出該方法能提高羽毛球比賽場(chǎng)防眩光效果。同樣是提高防眩光效果，文獻(xiàn)[3]將新型的“折彎式格柵陣列燈”應(yīng)用在羽毛球場(chǎng)館照明系統(tǒng)，使95%的羽毛球場(chǎng)地范圍內(nèi)達(dá)到85%防眩光要求。為了提高照明系統(tǒng)效率，文獻(xiàn)[4]改變燈具類型并總結(jié)出燈具照度與距離的變化規(guī)律，改造原有的羽毛球館照明系統(tǒng)，改造后的照明系統(tǒng)比原系統(tǒng)的功率降低了62.8%。文獻(xiàn)[5]分析體育館的常見(jiàn)照明系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)步驟，提出羽毛球區(qū)采用兩側(cè)布置金鹵燈的方案，該方案的平均照度為689 lx，照度均勻度U1和U2分別為0.49和0.69，均滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。文獻(xiàn)[6]確定燈具兩側(cè)安裝后通過(guò)改變燈具功率、配光曲線和安裝高度進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)改變上述三個(gè)因素，能有效提高羽毛球場(chǎng)館的照明質(zhì)量，最終的照度均勻度為0.53和0.64。

根據(jù)上述文獻(xiàn)關(guān)于羽毛球場(chǎng)的照明質(zhì)量參數(shù)設(shè)定，大多數(shù)屬于“訓(xùn)練和娛樂(lè)”模式的照明方案設(shè)計(jì)，對(duì)羽毛球場(chǎng)“業(yè)余比賽”模式場(chǎng)地的照明研究較少。本文運(yùn)用DIALux照明軟件建立羽毛球場(chǎng)模型，對(duì)模型光環(huán)境進(jìn)行模擬，量化分析燈具的不同配光曲線、安裝位置和瞄準(zhǔn)角對(duì)羽毛球場(chǎng)地照明質(zhì)量的影響，討論其可行性，實(shí)現(xiàn)羽毛球“業(yè)余比賽”模式場(chǎng)地照明方案的局部最優(yōu)解。

1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 高效光源選擇

傳統(tǒng)體育場(chǎng)館的照明光源選用金屬鹵化物燈，因其功率較大，能基本滿足體育場(chǎng)館照明需求，在當(dāng)時(shí)是一種最有效的照明方案，但金屬鹵化物燈功率耗能嚴(yán)重，且工作溫度較高，燈具關(guān)閉后需要等待溫度降下來(lái)后才能接通電源再次啟動(dòng)。若體育場(chǎng)館使用期間出現(xiàn)斷電情況，則短時(shí)間內(nèi)難以滿足照明需要，如果配置具備瞬時(shí)點(diǎn)亮條件的熱啟動(dòng)金屬鹵化物燈或蓄電池，則大幅提高照明成本。

隨著 LED 技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的LED 燈應(yīng)用在體育場(chǎng)館中[7]。目前，不同廠家LED燈光效相差較大，在能耗問(wèn)題上，無(wú)法進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比，但可以明確的是相較于金屬鹵化物燈，LED燈具更好的節(jié)能效果[8，9]，且LED 燈具有瞬時(shí)啟動(dòng)特性，能有效避免燈具斷電再啟動(dòng)問(wèn)題。

1.2 照明燈具布置

燈具布置是確定燈具在場(chǎng)地的空間位置，其直接影響工作面上照度、照度均勻度、眩光及陰影等。燈具布置需要考慮：建筑高度、燈具安裝便捷、日常維護(hù)等。體育館場(chǎng)地的照明燈具布置一般有3種方式：頂部布置、兩側(cè)布置和混合布置。

1)頂部布置。燈具均勻布置在場(chǎng)地上空，宜選用軸對(duì)稱配光燈具，其光源利用率高、水平照度均勻，但垂直照度較差、立體感偏弱，不利于電視轉(zhuǎn)播，適用空間高度不高的體育館。

2)兩側(cè)布置。水平照度與垂直照度兼顧，立體感強(qiáng)，具有較好的照度均勻度，適用于運(yùn)動(dòng)員經(jīng)常仰頭觀察的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，有利于提高電視轉(zhuǎn)播的效果。兩側(cè)布置燈具一般采用泛光燈或投光燈，需要考慮燈具瞄準(zhǔn)角(燈具的峰值光強(qiáng)方向與向下垂線之間的夾角)，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。目前需電視轉(zhuǎn)播的體育館基本都采用此方式。

3)混合布置，即頂部和側(cè)面結(jié)合布置。雖然照明方式多樣，但會(huì)增加照明燈具數(shù)量與體育場(chǎng)照明總體成本，常見(jiàn)于多功能型體育館。

1.3 燈具配光曲線

配光曲線表示以燈具中的光源為球心，通過(guò)球心和光軸線的剖面作為繪制配光曲線的平面，表征光源或照明燈具在空間各個(gè)方向的發(fā)光強(qiáng)度分布情況。配光方式的多樣使得體育場(chǎng)館照明設(shè)計(jì)也更加復(fù)雜。配光曲線從軸對(duì)稱性質(zhì)來(lái)說(shuō)可分3種：軸向?qū)ΨQ、對(duì)稱和非對(duì)稱。軸向?qū)ΨQ：指各個(gè)方向上的配光曲線都基本對(duì)稱，如：筒燈、天棚燈等；對(duì)稱：指燈具C0°和C180°剖面配光對(duì)稱，且C90°和C270°剖面配光也對(duì)稱時(shí)，稱為對(duì)稱配光，如：直管型熒光燈；非對(duì)稱：指任意一個(gè)剖面配光不對(duì)稱的情況。

2 軟件仿真

2.1 工程概況

本工程位于晉江市某天然氣發(fā)電公司體育館，館內(nèi)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目包括籃球和羽毛球，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目場(chǎng)地互相獨(dú)立。體育館寬40.85 m、深20.5 m，人字形頂棚鋼構(gòu)，頂棚最低點(diǎn)距地7 m、最高點(diǎn)距地8 m。結(jié)合建筑提資圖和常用建筑材料反射比，頂棚為鋼結(jié)構(gòu)，反射比0.6；墻面為陽(yáng)極氧化鍍膜的鋁，反射比0.75；場(chǎng)館采用綠色PVC運(yùn)動(dòng)地板[10]，反射比0.3。

本文針對(duì)羽毛球場(chǎng)地照明方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，羽毛球場(chǎng)地符合標(biāo)準(zhǔn)尺寸，主要用于公司員工的羽毛球訓(xùn)練娛樂(lè)和業(yè)余比賽，不進(jìn)行電視轉(zhuǎn)播，照明相關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[11]規(guī)定不同功能的羽毛球比賽場(chǎng)地的照明指標(biāo)，詳見(jiàn)表 1。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

照明質(zhì)量包括平均照度、照度均勻度、眩光指數(shù)等參數(shù)，照明方案設(shè)計(jì)初期主要由平均照度和照度均勻度來(lái)衡量可行性，因此本文從平均照度和照度均勻度來(lái)評(píng)價(jià)照明設(shè)計(jì)方案。

平均照度指規(guī)定表面上各點(diǎn)的照度平均值，根據(jù)《照明設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)》，利用系數(shù)法計(jì)算平均照度的基本公式為：

Eav=NΦUK/A

(1)

其中，Eav為工作面上的平均照度，lx；N為光源數(shù)量；Φ為光源光通量，lm；U為燈具利用系數(shù)；K為燈具的維護(hù)系數(shù)，取0.8；A為工作面面積，m2。

照度均勻度體現(xiàn)了計(jì)算參考面上照度的離散程度和參考面上的明暗變化，反映照明質(zhì)量高低，照度均勻度越接近1，表明照度越均勻。照度均勻度用U1和U2兩個(gè)參數(shù)表示，U1指羽毛球場(chǎng)地表面上的最小照度與最大照度之比，見(jiàn)式(2)；U2指羽毛球場(chǎng)地表面上的最小照度與平均照度之比，見(jiàn)式(3)。

U1=Emin/Emax

(2)

U2=Emin/Eav

(3)

式(2)和式(3)中：Emax為最大照度，lx；Emin為最小照度，lx。其中U1有利于視看功能，U2有利于視覺(jué)舒適。

2.3 仿真結(jié)果對(duì)比與分析

調(diào)研市場(chǎng)上照明燈具后，本文擬采用4種燈具用于仿真，燈具主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 燈具主要參數(shù)Table 2 Main parameters of lamps

以滿足標(biāo)準(zhǔn)照度和要求為導(dǎo)向，燈具采用兩側(cè)布置方式，兩行六列共計(jì)12盞，燈具間距3.13 m、高度7 m，兩側(cè)燈具分別距羽毛球場(chǎng)邊緣線水平距離2 m。根據(jù)表2參數(shù)，在DIALux照明軟件構(gòu)建模型，如圖1所示。

圖1 羽毛球場(chǎng)模型Fig.1 Badminton court model

燈具布置滿足主賽區(qū)上方不應(yīng)布置燈具、邊線1 m外兩側(cè)布置以及底線后方不宜布燈等要求，因受體育館層高限制，燈具安裝高度無(wú)法高于12 m，照明方案設(shè)計(jì)不做討論，本次羽毛球場(chǎng)邊緣線以羽毛球雙打邊線為準(zhǔn)。羽毛球場(chǎng)參數(shù)示意圖如圖2所示。

圖2 羽毛球場(chǎng)參數(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the badminton court parameter

將4種燈具瞄準(zhǔn)角設(shè)置為從 10°～50°，等 10°遞增，得到照明質(zhì)量參數(shù)圖如圖3所示。

圖3 水平距離2 m不同燈具瞄準(zhǔn)角與照明質(zhì)量參數(shù)關(guān)系Fig.3 The relationship between the aiming angle of different lamps and lighting quality parameters at a horizontal distance of 2 m

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[12]要求比賽場(chǎng)地設(shè)計(jì)照度值的允許偏差不宜超過(guò)照度標(biāo)準(zhǔn)值+10%，且現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[13]要求設(shè)計(jì)照度與照度標(biāo)準(zhǔn)值的偏差不應(yīng)超過(guò)±10%。綜合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[12，13]可知，羽毛球場(chǎng)地的照度閾值為675～825 lx。如圖3所示，4號(hào)燈具平均照度較大，且大部分角度已超出標(biāo)準(zhǔn)照度要求，其余燈具平均照度在業(yè)余比賽的標(biāo)準(zhǔn)照度要求范圍內(nèi)。對(duì)于無(wú)電視轉(zhuǎn)播業(yè)余比賽的照度均勻度，U1不應(yīng)小于0.4、U2不應(yīng)小于0.6，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)燈具擁有更好的均勻度，且2號(hào)、3號(hào)燈具照明質(zhì)量相對(duì)較高，進(jìn)一步可調(diào)整燈具瞄準(zhǔn)角，尋找最優(yōu)照明方案。1號(hào)燈具平均照度較小，進(jìn)一步可減小燈具距羽毛球場(chǎng)邊緣線水平距離，在保證照度均勻度情況下，盡可能提高平均照度。

為驗(yàn)證1號(hào)燈具作為照明方案燈具的可行性，將兩側(cè)燈具水平距離從2 m減小到1 m，結(jié)果如圖4所示。

圖4 1號(hào)燈具在不同水平距離瞄準(zhǔn)角與照明質(zhì)量參數(shù)關(guān)系Fig.4 The relationship between the aiming angle and lighting quality parameters of No. 1 luminaire at different horizontal distances

由圖4可知，燈具水平距離減小后，平均照度有所提高，但仍然低于2號(hào)、3號(hào)燈具，且照度均勻度略微降低，則不作為方案設(shè)計(jì)燈具。

更進(jìn)一步比較照明方案的優(yōu)越性，在2號(hào)、3號(hào)燈具仿真的基礎(chǔ)上，多次調(diào)節(jié)燈具瞄準(zhǔn)角，仿真得到2號(hào)、3號(hào)燈具瞄準(zhǔn)角與照明質(zhì)量參數(shù)關(guān)系圖，如圖5所示。

圖5 2號(hào)、3號(hào)燈具不同瞄準(zhǔn)角與照明質(zhì)量參數(shù)關(guān)系Fig.5 The relationship between different aiming angles and lighting quality parameters of No. 2 and No. 3 lamps

由圖5可知，2號(hào)燈具在水平距離2 m的情況下，瞄準(zhǔn)角17°，羽毛球場(chǎng)地照明參數(shù)有最佳值；3號(hào)燈具在水平距離2 m的情況下，瞄準(zhǔn)角26°，有最佳值，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 2號(hào)、3號(hào)燈具照明質(zhì)量參數(shù)Table 3 Lighting quality parameters of No.2 and No.3 lamps

根據(jù)表3，兩種方案照明質(zhì)量參數(shù)相差不大，但3號(hào)燈具的功率更小，長(zhǎng)時(shí)間使用節(jié)能效果更顯著，因此最終選擇NVC-NWP618C(支架款)-90°，水平距離2 m，瞄準(zhǔn)角26°的照明方案，羽毛球場(chǎng)地的照度圖和等值線圖如圖6所示。

圖6 羽毛球場(chǎng)地照度圖和等值線圖Fig.6 Illumination map and contour map of badminton court

3 結(jié)論

本文根據(jù)體育館項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)了羽毛球場(chǎng)地的照明方案。從燈具配光曲線、安裝位置和瞄準(zhǔn)角3個(gè)方面詳細(xì)分析羽毛球場(chǎng)地照明方案的可行性，量化對(duì)比羽毛球場(chǎng)的平均照度和照度均勻度，得到結(jié)論如下：1)針對(duì)燈具配光曲線，在燈具布置情況相同下，配光曲線越窄，燈具平均照度相對(duì)越高，但照度均勻度會(huì)降低，說(shuō)明投射距離較近時(shí)不適合采用窄配光燈具，故需綜合考慮體育場(chǎng)館的實(shí)際情況和燈具布置方式，選取合適配光曲線的燈具；2)對(duì)于燈具安裝位置，隨著燈具與羽毛球場(chǎng)邊緣線水平距離增大，平均照度降低，但照度均勻度會(huì)增大；3)對(duì)于燈具瞄準(zhǔn)角，由圖3(a)可知，燈具瞄準(zhǔn)角在 25°～ 35°范圍內(nèi)，平均照度值處在較高水平。

除了本文提出3種影響照明質(zhì)量的因素之外，仍然存在一些影響因素，其本質(zhì)屬于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，影響因素的增加導(dǎo)致照明方案設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。后續(xù)可以考慮以下2個(gè)方面繼續(xù)提高照明質(zhì)量：1)燈具間距。改變燈具間距，計(jì)算出不同間距對(duì)照明質(zhì)量參數(shù)的影響，尋找燈具最佳間距值；2)燈具不同位置。在滿足標(biāo)準(zhǔn)條件下，改變部分燈具位置或高度，提高照明質(zhì)量。