LED在體育照明中的應(yīng)用

楊 波

(瑪斯柯照明設(shè)備(上海)有限公司，上海 201107)

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LED在體育照明中的應(yīng)用

楊 波

(瑪斯柯照明設(shè)備(上海)有限公司，上海 201107)

本文介紹了LED用于體育照明需要解決的問(wèn)題和對(duì)電氣設(shè)計(jì)的影響，與金鹵燈照明進(jìn)行了分析比較，并對(duì)英國(guó)酋長(zhǎng)足球場(chǎng)作了案例分析，總結(jié)了LED用于體育照明的優(yōu)勢(shì)與問(wèn)題，對(duì)LED在體育照明中的應(yīng)用作了展望。

LED；體育照明；金鹵燈；照明設(shè)計(jì)

引言

從2008年第一個(gè)LED照明的室外籃球場(chǎng)Beacon Park Basketball球場(chǎng)開(kāi)始，2010年的Lacey足球場(chǎng)、2013年第一個(gè)LED大型室內(nèi)籃球館Notre Dome籃球館、2014年NCAA和NBA中的頂級(jí)球館，包括底特律活塞隊(duì)、費(fèi)城76人隊(duì)、圣安東尼奧馬刺隊(duì)主場(chǎng)，2015年的USTA決賽場(chǎng)地，NRG體育場(chǎng)，阿森納的酋長(zhǎng)體育場(chǎng)，LED在體育照明中的應(yīng)用已經(jīng)逐步成為一種趨勢(shì)[1]，將對(duì)未來(lái)的體育照明產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,圖1和圖2分別為美國(guó)網(wǎng)球公開(kāi)賽決賽場(chǎng)地和美國(guó)NRG體育場(chǎng)采用LED照明的實(shí)景效果。

圖1 美國(guó)網(wǎng)球公開(kāi)賽決賽場(chǎng)地采用LED照明效果Fig.1 LED lighting result of USTA final

1 體育照明的基本要求

體育場(chǎng)館是以體育運(yùn)動(dòng)為主,兼容文藝、集會(huì)、展覽等多種應(yīng)用。由于其特殊的功能定位，對(duì)照明的需求明顯高于其他功能性照明場(chǎng)所。

圖2 NRG體育場(chǎng)采用LED照明實(shí)際效果Fig.2 LED lighting of NRG stadium

體育照明的服務(wù)對(duì)象主要分為運(yùn)動(dòng)員、觀眾、電視轉(zhuǎn)播機(jī)構(gòu)、裁判員及廣告贊助商。

因此體育照明必須滿足運(yùn)動(dòng)員的功能需求、觀眾欣賞比賽的需求、并為電視轉(zhuǎn)播機(jī)構(gòu)提供高質(zhì)量的電視畫(huà)面、給裁判員提供公正裁決的光環(huán)境，做到安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能環(huán)保。

體育照明評(píng)價(jià)要素包括照明質(zhì)量、照明數(shù)量、維護(hù)成本、節(jié)能環(huán)保。

常見(jiàn)的照明質(zhì)量的評(píng)價(jià)參數(shù)包括照度均勻度(U1、U2、UG、CV)、眩光及外溢光的控制，這關(guān)系到能否給運(yùn)動(dòng)員提供更好的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)，給觀眾更好的視覺(jué)享受，給電視轉(zhuǎn)播提供更好的畫(huà)面質(zhì)量，是體育照明項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵和核心。

照明數(shù)量的要求即對(duì)照度水平高低的要求，可以從200lx到3000lx變化，以滿足不同目的和級(jí)別比賽的要求，這也是我們?yōu)楹我?guī)定從業(yè)余訓(xùn)練、專(zhuān)業(yè)比賽到HDTV電視轉(zhuǎn)播不同級(jí)別體育照明要求的原因。更高的數(shù)量并不意味著照明質(zhì)量的提高，數(shù)量稍低但質(zhì)量更好的體育照明能提供更好的運(yùn)動(dòng)照明環(huán)境。

維護(hù)成本指的是全壽命周期維護(hù)成本、包括在維持照明數(shù)量和質(zhì)量不變的前提下的更換光源的費(fèi)用、燈具維護(hù)費(fèi)用、電費(fèi)、人工成本、以及在一個(gè)固定期限內(nèi)的所有其他維持系統(tǒng)正常運(yùn)行的成本，這一固定期限可以是五年、也可是十年，取決于場(chǎng)地的運(yùn)行和適用要求。這些應(yīng)與系統(tǒng)的初始投資結(jié)合起來(lái)考慮。從市場(chǎng)的現(xiàn)狀來(lái)看，該維護(hù)成本目前還是相當(dāng)高的，給后期的運(yùn)行和管理帶來(lái)了很重的負(fù)擔(dān)。

節(jié)能環(huán)保是體育照明技術(shù)追求的核心目標(biāo)，但只有在相同質(zhì)量情況下的比較才有意義，20世紀(jì)70年代以來(lái)的體育照明技術(shù)變革均是圍繞節(jié)能環(huán)保主題展開(kāi)的，無(wú)論是光源技術(shù)的提高、燈具質(zhì)量的改進(jìn)、照明應(yīng)用設(shè)計(jì)水準(zhǔn)的提升，都是盡量將光線更有效地投射到場(chǎng)地需要的地方，并減少眩光和外溢光的污染。

2 LED應(yīng)用于體育照明需要解決的問(wèn)題

2.1 白光LED光色參數(shù)的選擇

無(wú)論是采用RGB混色得到白光還是藍(lán)光LED加黃色熒光粉不同方法得到連續(xù)的白光光譜，都使得LED能提供體育照明所需的連續(xù)可見(jiàn)光光譜。區(qū)別于傳統(tǒng)大功率金鹵燈，在金屬鹵化物初始成分決定后，光源的光電參數(shù)如色溫、顯色性等就已經(jīng)確定，常用的有65(4 000 K)、80(4 000 K)、90(5 600 K)等可以選擇，但隨光源燃點(diǎn)時(shí)間的增加，石英泡殼內(nèi)的金屬鹵化物的各種成分消失速度不同，其成分的配比也將發(fā)生變化，使其光色也會(huì)相應(yīng)地變化。但LED白光不同，它的發(fā)光原理決定了LED可以提供穩(wěn)定的色溫及顯色性，且有從2 700 K～6 000 K，從65～90不同的選擇，可以很好地滿足體育照明的需求。表1列出了XPL大功率白光LED芯片提供從65～90、2 700 K～>5 000 K不同的色度參數(shù)的特性，其產(chǎn)生的光通量也從300 lm～460 lm不等。高色溫的LED可以提供更高的流明輸出，顯色指數(shù)越高，光源光通輸出會(huì)顯著降低。從節(jié)能和投資的角度，選擇合適的LED光度參數(shù)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 單位：lm

注：顯色指數(shù)只是從65、75、80、90可選擇，顯色指數(shù)越高，光通輸出越低。

2.2 LED應(yīng)用中的節(jié)能問(wèn)題

大功率金鹵燈的初始輸出流明為100 lm/W，維護(hù)系數(shù)為0.7/0.8，從我們的實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)看，大部分場(chǎng)地在使用2～3年后光衰均在30%以上，不僅包括光源本身輸出的衰減，同時(shí)包含由于燈具本身氧化、密封性能不好、污染、呼吸系統(tǒng)問(wèn)題等因素，實(shí)際的使用流明輸出僅為70 lm/W。

LED光源的實(shí)驗(yàn)室最高光效約300 lm/W,產(chǎn)品級(jí)LED光源可以達(dá)到180 lm/W,結(jié)合燈具后可以穩(wěn)定在90～110 lm/W，而且還有很大的發(fā)展空間。其光衰由實(shí)測(cè)結(jié)合TM-21-11文件[2]得出的 L90、L80、L70曲線來(lái)決定的。筆者根據(jù)一個(gè)初始照度為500 lx的足球場(chǎng)地對(duì)光衰情況做了比對(duì)如表2所示，從中可以看出LED有更好地控制光衰的性能。

表2 LED與金鹵燈的光衰性能情況對(duì)比Table 2 The light depreciation character comparison of LED and MH fixture

注：場(chǎng)地每天使用5 h，一年365 d；1000 W光源壽命為10 000 h、1 500 W光源壽命5 000 h。

與金屬鹵化物燈具明顯不同的是，LED燈具對(duì)色溫和顯色性有更多的選擇。筆者對(duì)不同的LED光效性能做了比對(duì)研究，發(fā)現(xiàn)其節(jié)能效果有非常顯著的差異，LED色溫越高，光效也越高.與金屬鹵化物燈具相同的是，顯色指數(shù)越高，光源的光效顯著下降。實(shí)測(cè)比對(duì)結(jié)果如表3所示。

表3 不同色度參數(shù)LED效率比較Table 3 The efficiency comparison of different photochromic character LED

從表3中可以看出，選用不同色度參數(shù)的LED，其節(jié)能效應(yīng)最大相差達(dá)32%之多，從運(yùn)動(dòng)員、觀眾、電視轉(zhuǎn)播機(jī)構(gòu)、裁判員、廣告贊助商等的角度出發(fā)，這些光度參數(shù)帶來(lái)的實(shí)際差異影響很小，國(guó)際上對(duì)此也有不同的觀點(diǎn)和流派。筆者認(rèn)為5 700 K的LED是最節(jié)能的LED光源，也是目前在工程實(shí)踐中成功應(yīng)用得最廣泛的光源。

LED有更好的節(jié)能效果，與其有更好的指向性有關(guān)系，這可以保證燈具對(duì)光的利用效率更高，照明應(yīng)用設(shè)計(jì)有更好的利用系數(shù)，但同時(shí)也對(duì)精準(zhǔn)應(yīng)用設(shè)計(jì)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，燈具間的節(jié)能效果差別將更明顯。

2.3 LED眩光、外溢光問(wèn)題及其有效評(píng)估

眩光是指視野中的亮度分布或亮度范圍的不適宜，或存在極端的亮度對(duì)比，以致引起不舒適感覺(jué)或降低觀察細(xì)部及目標(biāo)能力的視覺(jué)現(xiàn)象。外溢光是指直射光或反射光超出了本來(lái)應(yīng)該照亮的范圍，而照亮其他事物或區(qū)域的那一部分光線。體育比賽中眩光對(duì)運(yùn)動(dòng)員會(huì)產(chǎn)生很大的影響，直接影響到體能發(fā)揮，外溢光干擾也成為體育場(chǎng)館周邊居民投訴的主要內(nèi)容。

眩光和外溢光的控制是體育照明中的重點(diǎn)，如何有效地評(píng)估眩光和外溢光成為一個(gè)難題。不同的燈具技術(shù)和照明設(shè)計(jì)差異非常大，最終產(chǎn)生的結(jié)果也截然不同，如圖3所示。人們?cè)噲D用眩光指數(shù)GR來(lái)評(píng)價(jià)眩光，并設(shè)定了0～100不同的指數(shù)區(qū)間來(lái)表征眩光的厲害程度，但該指數(shù)受計(jì)算方法及各種參數(shù)設(shè)定的影響，很難客觀地反應(yīng)出實(shí)際場(chǎng)地的眩光情況。往往書(shū)面計(jì)算GR滿足要求的場(chǎng)地其實(shí)際主觀眩光評(píng)價(jià)效果非常差，無(wú)法起到辨別實(shí)際眩光好壞并對(duì)不同燈具和設(shè)計(jì)做出判斷比較的功能。

筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)和理論分析，采用了中心光強(qiáng)比較法對(duì)同一安裝位置、同一場(chǎng)地不同燈具做出眩光比較，很好地解決了這一難題，讓主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)的結(jié)果基本一致。比較結(jié)果及分析如表4所示。

表4 不同燈具眩光及外溢光分析比較Table 4 The glare and spill analysis and comparison of different fixtures

從表4中比較可以看出：

1)不同燈具對(duì)眩光和外溢光的控制效果差異非常大，取決于不同的燈具技術(shù)；

2)不同LED燈具的眩光控制效果也有顯著差異，如圖3所示；

3)外置眩光控制裝置可以很好地控制眩光和外溢光；

4)該比較基于同樣的設(shè)計(jì)應(yīng)用條件，排除了不同場(chǎng)地及燈具安裝位置和投射角度的影響。

圖3 不同的LED眩光控制效果差異很大Fig.3 The huge glare control difference of different LED

如何有效地減少眩光和外溢光是LED燈具設(shè)計(jì)的難題，其復(fù)雜和困難程度超過(guò)傳統(tǒng)的金鹵燈，為了取得比傳統(tǒng)的金鹵燈更好的控制效果，以下措施可以有效地減少眩光和外溢光：

1)針對(duì)LED特性而專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的燈具，而非對(duì)傳統(tǒng)光源的簡(jiǎn)單替換；

2)合理的透鏡和反射器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的有效控制；

3)充分利用反射器的二次反射，減少直接眩光；

4)合理確定LED光源的工作功率，以控制其中心光強(qiáng)；

5)設(shè)計(jì)合適的外置眩光控制器減少眩光，并利用再次反射提高光效；

6)控制單顆不同LED燈珠的投射角度和方向。

2.4 大功率LED的散熱問(wèn)題及其結(jié)溫的有效控制

LED燈具由電路板、光學(xué)系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)組成，結(jié)溫的控制是其性能的核心保證。LED光源制造商提供的所有技術(shù)性能參數(shù)均基于85℃結(jié)溫條件下的產(chǎn)品特性[3]，結(jié)溫升高時(shí)，性能指標(biāo)呈斷崖式的下降，怎樣解決散熱問(wèn)題是大功率LED應(yīng)用的難題。為了維持LED的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作和最大降低其流明衰減，將結(jié)溫控制在85℃以下，可以采取以下技術(shù)措施：

1)燈具本體由鋁或其他導(dǎo)熱性能更好的材料制成；

2)配備散熱板等設(shè)計(jì)以擴(kuò)大燈具表面積獲得更好的散熱性能；

3)LED 面板直接安裝在導(dǎo)熱板上，以便在LED板和光源腔間獲得很好的熱傳導(dǎo)性能；

4)導(dǎo)熱板作為一個(gè)整體設(shè)計(jì)和壓鑄成型以更好地將LED的熱能傳導(dǎo)出來(lái)；

5)采用合適的熱接口傳導(dǎo)材料，增強(qiáng)熱能向外的傳導(dǎo)性能。

2.5 LED與傳統(tǒng)金鹵燈的差異

LED作為一種新的光源，與傳統(tǒng)金鹵燈的差異巨大，其主要差異總結(jié)如表5所示。

這些差異導(dǎo)致LED的控制方式和金鹵燈控制系統(tǒng)有很大的差別。在金鹵燈時(shí)代，所有標(biāo)榜的智能控制系統(tǒng)其實(shí)只是簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)控制，而LED可以實(shí)現(xiàn)真正的智能控制，不僅可以開(kāi)/關(guān)、還可以實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)光、連續(xù)調(diào)光、驅(qū)動(dòng)具有選擇性、可以尋址控制和瞬間啟動(dòng)。這些差別將帶來(lái)體育場(chǎng)館照明運(yùn)行、管理、實(shí)現(xiàn)革命性的變化：

1)控制空間上的拓展；

2)管理方式的改變；

3)直接控制和間接控制的差異；

4)不同照度模式的實(shí)現(xiàn)方式不同；

5)在線診斷和遠(yuǎn)程控制的大規(guī)模應(yīng)用；

6)瞬時(shí)啟動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)；

7)特殊舞臺(tái)效果的實(shí)現(xiàn)。

表5 LED與金鹵燈的差異Table 5 The difference of LED and MH fixtures

圖4所示為英國(guó)Twickenham足球場(chǎng)改造前后的對(duì)比，左側(cè)為改造前用2 000 W金鹵燈的照明效果，右側(cè)為用LED改造好的效果，差異非常明顯。

圖4 英國(guó)Twickenham足球場(chǎng)改造前后的對(duì)比Fig.4 The result comparison of UK Twickenham Stadium before and after LED renovation

2.6 利用系數(shù)和頻閃比

我們通常的燈具效率的定義為“在規(guī)定的使用條件下，燈具發(fā)出的總光通量與燈具內(nèi)所有光源發(fā)出的總光通量之比”。人們常用此參數(shù)來(lái)判別燈具的節(jié)能與否，在體育照明各種規(guī)范中通常要求燈具效率不低于70%。事實(shí)在體育照明中此參數(shù)不一定有效，燈具效率高不一定場(chǎng)地的應(yīng)用是更節(jié)能的，該燈具效率包含了溢散光和其他浪費(fèi)的光線。目前新的評(píng)判效率高低的有效參數(shù)為利用系數(shù)CU(Coefficient of Utilization)[1]。

(1)

部分體育照明專(zhuān)業(yè)軟件提供CU的計(jì)算結(jié)果，一般來(lái)說(shuō)CU越高，場(chǎng)地的照明設(shè)計(jì)越節(jié)能。

體育比賽中要求控制頻閃比最好小于6%[6]，金屬鹵化物燈具的供電頻率為50 Hz，只能用三相平衡的方式解決部分頻閃問(wèn)題，但也無(wú)法達(dá)到6%的要求，特別是面對(duì)超高速攝像機(jī)的頻閃問(wèn)題，如100 m終點(diǎn)線處或其他使用超高速攝像機(jī)的問(wèn)題。

LED由于為直流供電，可以很好地解決電視轉(zhuǎn)播中的頻閃問(wèn)題。英超阿森納俱樂(lè)部的酋長(zhǎng)球場(chǎng)使用LED燈具，其頻閃比實(shí)測(cè)結(jié)果小于0.5%，遠(yuǎn)低于要求的6%。

3 LED應(yīng)用于體育照明對(duì)電氣設(shè)計(jì)的影響

3.1 維護(hù)系數(shù)選擇的難題

在國(guó)際、國(guó)內(nèi)照明標(biāo)準(zhǔn)中提出了“使用照度”的概念，定義如下：“照明裝置在使用周期內(nèi)，通過(guò)維護(hù)在規(guī)定表面上所要求維持的平均照度?！蓖瑫r(shí)規(guī)定了維護(hù)系數(shù)為0.7或者0.8。

但在LED實(shí)踐應(yīng)用中，生產(chǎn)廠家往往會(huì)提供不同工作溫度下的 L90、L80、L70[3]壽命曲線和測(cè)試報(bào)告，設(shè)計(jì)人員可以準(zhǔn)確地指導(dǎo)光源的衰減。以常用的400 W LED用的芯片XML2為例，其L90(12 k)=61 000 h，L80(12 k)>72 000 h，L70(12 k)>72 000 h。而61 000 h衰減到初始光通的90%已經(jīng)遠(yuǎn)超1 000 W金鹵燈的10 000 h、1 500 W金鹵燈的3 000 h和2 000 W金鹵燈的2 000 h。以一個(gè)場(chǎng)地每天開(kāi)燈5 h計(jì)算，一年365天，10年的總開(kāi)燈小時(shí)數(shù)也不過(guò)18 250 h，遠(yuǎn)低于61 000 h，且無(wú)需更換光源。此時(shí)如果在此基礎(chǔ)上再按0.7或0.8的維護(hù)系數(shù)計(jì)算顯然將造成極大的浪費(fèi)。

比較恰當(dāng)?shù)淖龇ㄊ窃谠O(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行場(chǎng)地使用時(shí)間的評(píng)估，再參照其壽命曲線進(jìn)行恰當(dāng)?shù)某跏荚O(shè)計(jì)，必須舍棄傳統(tǒng)金鹵燈光源的維護(hù)系數(shù)方法。常見(jiàn)的大功率體育照明用的LED壽命曲線參照值如下所示:[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，當(dāng)然不同制造廠家的參數(shù)會(huì)有差異。

3.2 UPS/EPS的選擇和應(yīng)用問(wèn)題

由于傳統(tǒng)金鹵燈無(wú)法瞬間重啟，斷電后需要20～30 min才能恢復(fù)照明系統(tǒng)，為了保證體育照明系統(tǒng)的可靠性，人們?cè)O(shè)計(jì)了雙電源系統(tǒng)、UPS/EPS、ATS進(jìn)行復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)并結(jié)合柴油發(fā)電機(jī)確保重要比賽的正常進(jìn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)變得復(fù)雜且昂貴。

LED的瞬間啟動(dòng)性能解決了困擾人們數(shù)十年之久的難題，給所有場(chǎng)館的便捷使用帶來(lái)了福音，同時(shí)大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性，并大幅度降低了維護(hù)成本。今后UPS/EPS將會(huì)從體育照明系統(tǒng)中逐步消失。

3.3 線路壓降計(jì)算的要求問(wèn)題

在《體育建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 354—2014)[8]中明確規(guī)定，比賽場(chǎng)地照明燈具端子處的電壓偏差特級(jí)和甲級(jí)體育建筑宜為±2%，乙級(jí)及以下體育建筑應(yīng)為±5%。事實(shí)上對(duì)金鹵燈而言，該規(guī)定對(duì)確保照明效果很重要，實(shí)測(cè)表明：當(dāng)供電電壓為220 V時(shí)，電源電壓的變化±10%時(shí)，燈具光通量輸出變化為-25%～+28%；當(dāng)供電電壓為380 V時(shí)，電源電壓的變化±10%時(shí)，燈具光通量輸出變化為-22%～+23%。而體育場(chǎng)地內(nèi)線路走線長(zhǎng)度很長(zhǎng)，要保證±5%的難度就不小，更不要說(shuō)±2%，這將大大增加照明供電系統(tǒng)成本。

LED為直流驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)器的主要功能是將交流變?yōu)橹绷?，同時(shí)提供恒定電流，當(dāng)輸入端電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，并不影響其恒定電流輸出，也就是不會(huì)影響光通輸出。這就大大降低了對(duì)供電系統(tǒng)壓降的苛刻要求，可以在滿足規(guī)范的前提下合理選擇系統(tǒng)配置，降低總體成本。以220 V供電電壓LED驅(qū)動(dòng)為例，其輸入電壓范圍為208 V～277 V，而380 V供電電壓LED驅(qū)動(dòng)其輸入電壓范圍為347 V～480 V，只要在此電壓范圍內(nèi)工作，其輸出光通量不受影響，且隨電力電子技術(shù)的進(jìn)步，該范圍還有望進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.4 不同等級(jí)照明要求的分組模式問(wèn)題

為了滿足不同級(jí)別的體育場(chǎng)館功能需求，體育照明按使用功能分為訓(xùn)練、業(yè)余比賽、專(zhuān)業(yè)比賽、TV轉(zhuǎn)播國(guó)家、國(guó)際比賽、TV轉(zhuǎn)播重大國(guó)際比賽、HDTV轉(zhuǎn)播重大國(guó)際比賽等不同級(jí)別。使用金鹵燈設(shè)計(jì)，將不同的燈具分組組合而得到不同模式結(jié)果，使其均勻度等均受不同程度的影響。LED本身的特性決定了每個(gè)燈具的輸出可以調(diào)節(jié)。不同的模式可以通過(guò)調(diào)節(jié)燈具輸出百分比來(lái)得到，這必將對(duì)電氣設(shè)計(jì)中的燈具分組方式帶來(lái)重大變化。表6列出了國(guó)內(nèi)CBA主賽場(chǎng)新疆紅山體育館LED的分組模式及燈具的輸出狀態(tài)。此分組調(diào)節(jié)方式由于降低了LED的驅(qū)動(dòng)功率和輸出，且體育館中的低模式使用實(shí)踐最長(zhǎng)，可以大幅度地提高LED的實(shí)際使用壽命。

從表6中結(jié)果可以看出：

1)燈具分組比傳統(tǒng)金鹵燈更少，僅A、B兩組，可以給設(shè)計(jì)人員提供更靈活的設(shè)計(jì)選擇；

2)低照度模式使用的燈具數(shù)更多，可以極大地提高低照度均勻度，減少眩光；

3)體育館的耗電教傳統(tǒng)金鹵燈有明顯降低，最高模式僅31.24 kW，低模式僅3.41 kW,這在同等級(jí)別的體育館中不可想象；

4)提供的總體光環(huán)境，照明質(zhì)量，眩光等明顯優(yōu)于傳統(tǒng)金鹵燈。

表6 新疆紅山體育館各種照度模式及燈具分組Table 6 The switching model and fixture grouping of Xinjiang Hongshan Arena

4 實(shí)際應(yīng)用案例分析

成立于1886年阿森納足球俱樂(lè)部是英超四大豪門(mén)之一，其酋長(zhǎng)球場(chǎng)(Emirates Stadium)，是英格蘭足球超級(jí)聯(lián)賽豪門(mén)阿森納的主場(chǎng)，能容納觀眾60 000余人，平均一個(gè)賽季將會(huì)有114萬(wàn)人次赴現(xiàn)場(chǎng)觀戰(zhàn)，球場(chǎng)于2015年進(jìn)行了LED燈光的改造[1]。

改造共采用328套935 W的大功率LED，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)很好地滿足了英超電視轉(zhuǎn)播要求和歐洲冠軍聯(lián)賽要求，具體照明效果參見(jiàn)表7。

表7 阿森納俱樂(lè)部酋長(zhǎng)球場(chǎng)照明效果Table 7 The lighting result of Arsenal Emirates stadium

阿森納酋長(zhǎng)球場(chǎng)使用的LED燈具主要技術(shù)參數(shù)如下：

重量： 20 kg；尺寸：L(673 mm)×W(419 mm)×H(445 mm)，與普通金鹵燈差異不大；

色度參數(shù)： 顯色指數(shù)：85 色溫：5700 K；

光度參數(shù)： 100 lm/W， L90(10k)=38 000 h。

燈具平面布置圖和燈具示意圖參見(jiàn)圖5、圖6，實(shí)際效果圖參見(jiàn)圖7。

圖5 阿森納俱樂(lè)部酋長(zhǎng)球場(chǎng)LED燈具平面布置示意圖Fig.5 The LED fixture layout of Arsenal Emirates Stadium

圖6 阿森納俱樂(lè)部酋長(zhǎng)球場(chǎng)LED燈具示意圖Fig.6 The LED fixture of Arsenal Emirates Stadium

圖7 阿森納俱樂(lè)部酋長(zhǎng)球場(chǎng)LED燈具實(shí)際效果圖Fig.7 The LED lighting real result of Arsenal Emirates Stadium

筆者有幸于2015年同時(shí)測(cè)試了中超賽場(chǎng)的比賽場(chǎng)地照明情況，現(xiàn)就兩者比對(duì)見(jiàn)表8。

從表8數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，使用LED的酋長(zhǎng)球場(chǎng)總耗電量明顯低于其他球場(chǎng)，且技術(shù)指標(biāo)要求明顯高于其他體育場(chǎng)，結(jié)合LED可以瞬間啟動(dòng)、不需要UPS/EPS，可以更好地與體育展示活動(dòng)結(jié)合，提供不同的光色參數(shù)選擇等，隨著更多示范工程的實(shí)施和工程經(jīng)驗(yàn)的積累，它必將在體育照明中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

表8 阿森納俱樂(lè)部酋長(zhǎng)球場(chǎng)與中超俱樂(lè)部主場(chǎng)照度參數(shù)對(duì)比Table 8 The lighting parameter comparison of CSL club home stadium and Arsenal Emirates Stadium

5 結(jié)論

LED燈具應(yīng)用在體育場(chǎng)館照明中的優(yōu)勢(shì)如下：

1)卓越的節(jié)能效果。在實(shí)現(xiàn)同樣的照度的情況下，采用LED燈具相比金鹵燈，總體的能耗會(huì)降低很多。

2)LED燈具設(shè)計(jì)將有更多的選擇性和差異性，將推動(dòng)體育照明設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)一步的發(fā)展。

3)瞬時(shí)啟閉。相比金鹵燈，LED可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)啟閉的功能。采用LED燈具進(jìn)行體育場(chǎng)館照明，可以大大豐富體育比賽之外的照明效果，輕易實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)燈光等其他可以豐富體育場(chǎng)館照明效果的內(nèi)涵。由于金鹵燈啟閉延時(shí)性的存在，若采用金鹵燈燈具，這些功能很難甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

4)超長(zhǎng)壽命，節(jié)約維護(hù)成本。LED燈具的壽命大大超過(guò)金鹵燈的平均壽命，因此大大降低了維護(hù)成本和維修支出。

同樣由于LED應(yīng)用的復(fù)雜程度及體育照明的特殊要求，大規(guī)模地應(yīng)用LED需要設(shè)計(jì)師切實(shí)地解決以下問(wèn)題：①大功率LED燈具的散熱問(wèn)題；②光衰問(wèn)題；③配套元件的壽命問(wèn)題；④燈具設(shè)計(jì)的配光設(shè)計(jì)問(wèn)題；⑤眩光問(wèn)題；⑥投資成本問(wèn)題；⑦缺乏實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的問(wèn)題等。

LED易于控制及本身是半導(dǎo)體器件的特點(diǎn)，使LED燈具成為信息技術(shù)的一個(gè)很好的物理載體。因此，LED與信息技術(shù)進(jìn)行深度的融合，將引領(lǐng)體育場(chǎng)館智慧照明，給將來(lái)體育場(chǎng)館的建造、運(yùn)營(yíng)、管理和維護(hù)帶來(lái)劃時(shí)代的變化?？梢灶A(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，我們將迎來(lái)LED在體育照明大規(guī)模應(yīng)用的時(shí)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] 體育照明設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2009.

[7] 體育建筑設(shè)計(jì)電氣設(shè)計(jì)規(guī)范：JGJ 354—2014[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)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