從綠色節(jié)能角度淺析足球場人工照明新要求

李炳華，王炳錚，潘 鑫，李 鵬，岳云濤

(1. 北京建筑大學(xué)，北京 100044；2. 悉地(北京)國際建筑設(shè)計顧問有限公司，北京 100013)

0 引言

近年來中國體育產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，2021年5月28日國家體育總局發(fā)布的《關(guān)于開展全國足球發(fā)展重點(diǎn)城市建設(shè)工作的指導(dǎo)意見》提出三個足球發(fā)展“五年規(guī)劃”，推動專業(yè)足球場地建設(shè)，以舉辦亞洲杯、世俱杯等重大國際賽事為契機(jī)，科學(xué)規(guī)劃建設(shè)專業(yè)足球場館。在足球場電氣設(shè)計中，場地照明是非常重要的組成部分，需要滿足運(yùn)動員比賽、觀眾觀看比賽、應(yīng)急照明的需要，對于高等級場地而言，還要滿足電視轉(zhuǎn)播、場內(nèi)廣告等的需要。

國際足球聯(lián)合會(Fédération Internationale de Football Association，F(xiàn)IFA)對足球場人工照明標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的重大調(diào)整，對我國體育場建設(shè)將產(chǎn)生巨大影響。綠色足球場地照明涉及資源節(jié)約、可靠耐久、健康舒適等方面的綜合性能，本文根據(jù)國際足聯(lián)新標(biāo)準(zhǔn)的新變化，從綠色節(jié)能角度對比國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的照度、電源、燈光布置、頻閃等需重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)，探討我國專用足球場地照明設(shè)計未來發(fā)展的方向。

1 基本術(shù)語

2020新版FIFA足球場人工照明標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生較大變動，與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)部分符號定義有細(xì)微差別，為避免產(chǎn)生歧義，在本節(jié)進(jìn)行符號說明。

1.1 照度

E-照度；Eh-水平照度；Ev-垂直照度；Emax-最大照度值；Emin-最小照度；Eave-平均照度；Ehmin-最小水平照度；Ehave-平均水平照度；Evmin-最小垂直照度；Evave-平均垂直照度；Evmai-主攝像機(jī)方向垂直照度；Evaux-輔攝像機(jī)方向垂直照度。

1.2 均勻度

U-照度均勻度；U1h-最小水平照度與最大水平照度之比；U2h-最小水平照度與平均水平照度之比；U1v-最小垂直照度與最大垂直照度之比；U2v-最小垂直照度與平均垂直照度之比；Uvmai-主攝像機(jī)方向垂直照度均勻度；Uvaux-輔攝像機(jī)方向垂直照度均勻度；U1.vmai-主攝像機(jī)方向最小垂直照度與最大垂直照度之比；U2.vmai-主攝像機(jī)方向最小垂直照度與平均垂直照度之比；U1.vaux-輔攝像機(jī)方向最小垂直照度與最大垂直照度之比；U2.vaux-輔攝像機(jī)方向最小垂直照度與平均垂直照度之比。

1.3 其他參數(shù)

Tcp-相關(guān)色溫；Ra-一般顯色指數(shù)；FFave-平均頻閃比；FFmax-最大頻閃比；GR-眩光指數(shù)；MCM-燈光連續(xù)性模式；MAUR-最小相鄰均勻比；MF-維護(hù)系數(shù)。

2 足球場照明新技術(shù)分析

2.1 照明等級

JGJ153—2016《體育場館有檢測技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱“JGJ153”)關(guān)于體育場館照明分級規(guī)定如表1所示。

體育場館照明使用功能分級 表1

新版FIFA足球場人工照明標(biāo)準(zhǔn)中第4章建議按照舉辦的賽事進(jìn)行分級，針對不同類型的賽事，規(guī)定如表2所示。

照明等級及供電標(biāo)準(zhǔn) 表2

由表2可以看出，對于有轉(zhuǎn)播需求的賽事，F(xiàn)IFA將其分為A、B、C、D四個級別規(guī)定各級技術(shù)指標(biāo)，無電視轉(zhuǎn)播的足球場，僅要求水平照度≥350lx。相比于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)IFA同屆賽事跨等級定義照明指標(biāo)，降低了照明能耗，同時在一定程度上解決了大型賽事后場地的可持續(xù)利用問題。

2.2 照明標(biāo)準(zhǔn)分析

從資源節(jié)約角度研究新版FIFA足球場照明標(biāo)準(zhǔn)值，有以下幾個方面改動較大。

(1)平均水平照度與平均垂直照度的比值要求有所提高。JGJ153、GB50034-2013《建筑電氣照明設(shè)計(以下簡稱“GB50034”)》及新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)對有電視轉(zhuǎn)播的足球場地平均水平照度與平均垂直照度的比值規(guī)定如圖1所示。

圖1 平均水平照度與平均垂直照度比值

(2)對水平照度和垂直照度提出新要求。新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)與JGJ153的規(guī)定如圖2所示，新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了最小值和平均值，照明設(shè)計需要同時滿足兩個指標(biāo)要求。

圖2 專用足球場照明標(biāo)準(zhǔn)值

通過圖2可以看出，新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)對水平照度和垂直照度的要求有所降低，且A、B、C、D四個等級區(qū)間指標(biāo)跨度較大。這意味著即使同屆的小組賽、半決賽和決賽的照度等級也有較大差別，需要采用智能照明控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)專用足球場地照度最高達(dá)到高清轉(zhuǎn)播級別并逐級遞減的功能。通過調(diào)光滿足不同級別賽事活動的不同照度要求。

(3)照度均勻度指標(biāo)有所下降。新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)與JGJ153對水平和垂直照度均勻度的規(guī)定如圖3所示。

通過圖3可知，F(xiàn)IFA的A級賽事的照度均勻度指標(biāo)與JGJ153中最低等級場地規(guī)定的照度均勻度指標(biāo)相同，國內(nèi)對于專用足球場照度均勻度的指標(biāo)的要求要高于新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)。

(4)對主、輔攝像機(jī)方向的垂直照度提出新要求。JGJ153中規(guī)定重大比賽時輔攝像機(jī)方向的垂直照度應(yīng)為面向場地周邊四個方向垂直面上的照度，一般輔攝像機(jī)方向的垂直照度會比主攝像機(jī)方向的垂直照度低一個等級。新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)也是根據(jù)四個方向(0°、90°、180°、270°)考核垂直照度及其均勻度，規(guī)定主攝像機(jī)為270°一側(cè)，主攝像機(jī)和輔攝像機(jī)四個方向的垂直照度及均勻度的指標(biāo)要求相同。此外，與我國標(biāo)準(zhǔn)不同的是，F(xiàn)IFA面向主攝像機(jī)方向上的垂直照度測試點(diǎn)距場地1.0m高，而我國要求1.5m。因此在足球場地建設(shè)中需要提前設(shè)計好馬道條件，才能達(dá)到所要求的照度值。

(5)修改顯色指數(shù)。對于FIFA的C、D級別足球場地，>70即可，而A、B級別需要>80。

(6)修改色溫標(biāo)準(zhǔn)值。不同于JGJ153滿足最低色溫指標(biāo)的要求，新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)分別對四個級別場地規(guī)定了色溫區(qū)間范圍，如圖4所示。

圖4 各等級場地色溫區(qū)間范圍

(7)增加MCM要求；A級場地不允許中斷，B級場地3min內(nèi)水平照度需>1 000lx、15min內(nèi)水平照度需>2 000lx，C級場地3min內(nèi)水平照度需>1 000lx、 15min內(nèi)水平照度需>1 250lx，D級場地?zé)o連續(xù)性要求。

(8)增加頻閃比指標(biāo)；各級別場地頻閃比指標(biāo)需同時滿足最大值和平均值的要求，頻閃比指標(biāo)相關(guān)要求會在2.5節(jié)中詳細(xì)說明。

(9)增加最小相鄰均勻度比率(MAUR)指標(biāo)；任何給定平面上照度水平的快速變化都會導(dǎo)致攝像機(jī)、照相機(jī)曝光不一致，此參數(shù)與JGJ153中的均勻度梯度相類似，均用于確保相機(jī)曝光的一致性。均勻度梯度用某一網(wǎng)格點(diǎn)與其八個相鄰網(wǎng)格點(diǎn)的照度比表示。而MAUR指標(biāo)用1個主格點(diǎn)及4個次格點(diǎn)測試，任何兩個相鄰點(diǎn)的照度值之差不得大于各級場地規(guī)定的允許水平。FIFA的D級場地對此無要求，A、B、C三級場地最小相鄰均勻度比率為0.6、0.6、0.5。

(10)針對LED和HID提出不同的維護(hù)系數(shù)值。LED和HID的維護(hù)系數(shù)值分別為0.8和0.9。

2.3 電源分析

JGJ 354—2014《體育建筑電氣設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱“JGJ354”)對于場館的負(fù)荷級別如表3所示。

體育場館負(fù)荷級別 表3

可靠耐久對于場地電源的重要性不言而喻，新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾個方面的變動。

(1)增加場地電源類別。新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)致力于各級場館的電源級別及相應(yīng)指標(biāo)，電源要求如表4所示。其中，A+級電源為系統(tǒng)級冗余，A級電源為電源冗余，B級為公共電網(wǎng)供電。

(2)修改主備電源要求。GB 51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱“GB51348”)中要求甲級及以上場地照明的一級負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電，可同時工作也可一用一備。而對于特級體育建筑，JGJ354規(guī)定TV應(yīng)急的場地照明為一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，剩余的場地照明為一級負(fù)荷，因此，除雙重電源外，還應(yīng)設(shè)置應(yīng)急/備用電源。新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定A級在雙重電源基礎(chǔ)上采用不間斷場館技術(shù)電源。目前，由于電力系統(tǒng)已形成電網(wǎng)，所以用戶無論從電網(wǎng)取幾路電源進(jìn)線，都無法保證其獨(dú)立性，因此增設(shè)應(yīng)急電源對A、B兩級的一級和一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷是很有必要的。

電源總體要求 表4

(3)UPS指標(biāo)變化。當(dāng)用電負(fù)荷不允許中斷供電或允許中斷供電時間為毫秒級時，多采用 UPS裝置，GB51348的6.3條規(guī)定UPS的額定輸出功率應(yīng)為最大計算負(fù)荷的1.3倍，儲能時間宜≥15min設(shè)計。新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)要求UPS設(shè)備的運(yùn)行時間是主備電源最大預(yù)期切換時間的5倍且保證100%照明負(fù)荷10min的自動運(yùn)行，其實(shí)轉(zhuǎn)換時間比較長是由市電轉(zhuǎn)到柴油發(fā)電機(jī)組供電后，啟動需要一定時間，在主電源失電5min內(nèi)，一般柴油發(fā)電機(jī)都已啟動且進(jìn)入正常運(yùn)行供電狀態(tài)，可向UPS供電。此外考慮到蓄電池隨使用時間的衰變情況，對于容量較大且有人維護(hù)的UPS，其蓄電池初裝容量10min也可滿足。

4)新增匹配連續(xù)性模式(MCM)要求，對故障、干擾切換狀態(tài)和切換時間提出新要求，無論A、B、C、D四個等級的照明控制都需配備小型UPS。

2.4 燈具布置分析

健康舒適的燈光對于綠色足球場地照明設(shè)計是十分重要的，因此足球場地一些區(qū)域禁止布置照明燈具，需滿足眩光和控制干擾光的要求。根據(jù)JGJ153的6.2.2條，有電視轉(zhuǎn)播需求的專用足球場可采用場地兩側(cè)布置、場地四角燈桿布置或混合布置方式。

(1)采用場地兩側(cè)布置時，燈具的位置應(yīng)滿足圖5所示的規(guī)定。

圖5 單排(左)、雙排(右)布置燈具位置圖(陰影部分為可安裝區(qū)域)

上圖底線兩側(cè)15°角范圍內(nèi)禁止布置燈具。而新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)要求無論是采用多桿布置或光帶式布置都可在禁區(qū)布置燈具，如圖6所示。

圖6 FIFA2020標(biāo)準(zhǔn)要求的禁止布燈區(qū)域

但禁區(qū)內(nèi)的燈具投射點(diǎn)需在禁區(qū)外，禁區(qū)內(nèi)的照明由其他區(qū)域安裝的燈具投射，形成互補(bǔ)投射。在最新FIFA標(biāo)準(zhǔn)中，考慮到實(shí)際實(shí)施的可行性并依據(jù)照明實(shí)測，為降低眩光，對單條馬道上燈具的安裝高度及瞄準(zhǔn)角也有要求。

(2)采用場地四角布置時，《照明設(shè)計手冊》規(guī)定燈具的布置位置及安裝高度與燈桿至場地中心點(diǎn)的距離，但燈具高度應(yīng)滿足最低一排燈具到場地中心的連線與場地平面之間的夾角應(yīng)≥25°，如圖7所示。

圖7 四角布置燈具位置圖(陰影為可安裝區(qū)域)

相比于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)對四角布置重新定義，規(guī)定燈桿應(yīng)位于圖8所示的區(qū)域。該區(qū)域是通過與球門線成120°和與球場邊成120°而形成，且燈桿距離角球處應(yīng)>12m的位置。在大多數(shù)情況下，燈桿到燈拍中心的最佳高度為40～45m。

圖8 四角布置燈具位置圖

3)周圈布置

無論是我國標(biāo)準(zhǔn)或舊版FIFA標(biāo)準(zhǔn)，都不支持周圈式布置燈具。而新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)在這方面是重大突破。如果場地照明采用周圈式連續(xù)布置燈具方式，則燈具的位置應(yīng)與周邊保持足夠的橫向距離“x”，以確保達(dá)到所需的垂直照度水平和照度均勻性，如表5所示。周圈式布置方式一般在體育場屋頂設(shè)置馬道進(jìn)行布置燈具。

燈具橫向距離參考 表5

為了確保球員面部造型符合良好的標(biāo)準(zhǔn)，要將燈具布置在垂直于球場周邊至少20°的角度范圍，最佳角度為25°～30°。

2.5 頻閃分析

為保證足球場地健康舒適的燈光，對光源也有所要求。金鹵燈、LED燈等燈具普遍用于足球場照明，但都不同程度地具有頻閃效應(yīng)。頻閃效應(yīng)(圖9)主要用頻閃比指標(biāo)評價，《照明設(shè)計手冊》要求HDTV轉(zhuǎn)播重大比賽有超高速攝像要求時，頻閃比不宜大于6%。

圖9 頻閃效應(yīng)的描述

頻閃比可用公式(1)計算：

(1)

式中，A為一個周期內(nèi)的輸出光通最大值，B為輸出光通最小值。

如表6所示，為頻閃比指標(biāo)要求。2012年的倫敦奧運(yùn)會也是采用的下表標(biāo)準(zhǔn)。

頻閃比參考表 表6

相比于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)要求則不同，并提出了具體的測試方法，選取12個高頻測試點(diǎn)計算，如圖10所示。

圖10 頻閃比測試點(diǎn)示意圖

圖中6個頻閃比測試點(diǎn)應(yīng)在90°平面、270°平面、距地面高度1m處獲取垂直頻閃比值，最大允許頻閃比如表7所示。

FIFA各級別場地最大允許頻閃比 表7

表中12點(diǎn)平均值為算數(shù)平均值，最大值為12個點(diǎn)中的最高測量值。但用于降低頻閃比的措施不應(yīng)影響平面上照度的均勻性，因此涉及來自不同角度重疊光通量的場地照度系統(tǒng)應(yīng)使用24個頻閃比測試點(diǎn)，以確保所有區(qū)域的照度均勻性一致。

新版FIFA標(biāo)準(zhǔn)雖然降低了部分級別較低的場館頻閃標(biāo)準(zhǔn)，但針對各個級別場館提出了更具體的頻閃比測量方法、場地限值等新要求，值得借鑒。

3 結(jié)束語