体育照明新技术及其分析

李炳华 李兴林 宋镇江 董 青 杨庆伟汪嘉懿 徐学民 刘 娜 张巧玲

(《体育建筑电气设计规范》编制组、悉地国际设计顾问有限公司，北京 100080)

1 概述

近年来，作者在编制《体育建筑电气设计规范》过程中认真地研读和学习了国际上相关体育照明标准，尤其国际照明委员会CIE的标准、国际足联FIFA和国际田联IAAF的标准将引起同仁们高度重视，这些国际上知名组织影响力很大，影响面很广，对其他运动项目会产生示范效应。认真研究和分析这些新技术的变化有助于吸取他人所长为我所用，继而服务于我国的体育场馆建设和运动会的举行。

在介绍体育照明新技术之前，先介绍体育照明的术语，目前尚无官方定义，但约定俗成，体育照明系指为比赛场地提供的人工照明，简称场地照明。

2 国际体育照明的新技术

2.1 标准的变化

2.1.1 足球场场地照明新标准

2011年国际足球联合会FIFA颁布新的《足球场》［1］标准，其中第9章是体育照明。其足球场地的照明标准值见表1。

需要说明，该标准一直由足球发达国家参与编制，这些国家足球比赛等级及体系非常完善。表中第Ⅲ等级“国内比赛”与我国的“专业比赛”接近;第Ⅱ等级的“联赛和俱乐部比赛”属于低级别的比赛，与我国“业余比赛、专业训练”相似。

2.1.2 田径场场地照明新标准

国际田径联合会IAAF的最新标准于2008年颁布，即《国际田联田径设施手册》2008年版［2］，其中5.1节是关于体育照明，其田径场地的照明标准值见表2。

表2 田径场地的照明标准值

与足球相类似，田径国际标准也是由欧美发达国家进行编制，田径各等级比赛比较完善。表2中第Ⅲ等级“国内、国际比赛”尽管没有电视转播，但它是专业比赛，与我国的“专业比赛”等级接近;第Ⅱ等级的“俱乐部比赛”也是低级别的比赛，属于业余比赛，与我国“业余比赛、专业训练”等级相似。

2.1.3 国际照明委员会的照明新标准

国际照明委员会CIE第169号技术文件［3］——《体育赛事用于彩电和摄影照明的实用设计准则》颁布于2005年，文件要求169号文件应与1989年颁布的CIE83文件［4］［7］结合起来阅读，83号文件许多技术内容仍然有效。169号文件指出，CIE83—1989文件所示照明水平适用于现代CCD-HDTV的摄像系统。表3和表4列出了照明指标。

北美照明工程协会IES在2009年IESNA RP-6-01文件中，关于体育比赛电视转播照明的有关参数与CIE 169号文件一致，这说明由于高清电视转播后，CIE 83文件的有关参数仍然适用。

表3 各体育项目类别的垂直照度 (维持值)

表4 照度比和均匀度

眩光指数GR＜50，仅用于户外相关方向，参见CIE112—1994。CIE 83号文件给出光源的要求，如表5所示。

表5 对光源的要求

2.1.4 棒球及垒球场场地照明新标准

美国棒球、垒球比较发达，职业化水平高，其棒垒球场地照明标准可谓国际领先。2009年新修订的《体育和娱乐场地照明》［5］标准 IESNA RP-6-01 R2009规定，无论标清电视还是高清电视转播，一般显色指数Ra≥65，相关色温Tc=3000K～6000K。

2.2 灯具布置的新要求

2.2.1 足球场场地照明的布灯方式

国际足球联合会FIFA 2011年版的《足球场》标准对足球场照明布置有所调整，主要变化是增加了许多不能布置灯具区域，以保障运动员、裁判员避免眩光的影响，具体是下列部位不能布置灯具:

(1)以底线中点为中心，当有电视转播时底线两侧各15°角范围内的空间;当没有电视转播时底线两侧各10°角范围内的空间。

(2)场地中心25°仰角球门后面空间内。

(3)以底线为基准，禁区外侧75°仰角与禁区短边向外延长线20°角围合的空间，但图1中所示区域除外。

当然，对于具有足球运动项目的综合性体育场，第1、2、3所述范围内可布置灯具，但足球模式时不应开灯。

图1 足球场不应布置灯具区域示意图

2.2.2 棒球及垒球场场地照明的布灯方式

棒垒球场灯具布置有如下要求:

(1)棒球场灯具宜采用6杆或8杆布置方式，垒球场灯具宜采用不少于4杆布置方式。当挑篷能满足要求时，宜利用挑篷安装灯具。

(2)灯杆应布置在图2阴影区以外区域。

(3)灯具的高度应符合下列规定 (见图3):

①灯杆A1和A2上灯具的最小安装高度应按公式 (1)计算。

式中 ha——A1、A2灯杆上灯具的安装高度，单位m;

d1——A1、A2灯杆距场地边线的距离，单位m;

②灯杆B1、B2上灯具的最小安装高度应按公式 (2)计算。

式中 hb——B1、B2灯杆上灯具的安装高度，单位m;

图2 棒垒球场灯杆位置

图3 棒垒球场灯杆高度

d2——通过B1(B2)灯杆作一条平行于边线的直线，该直线与场地中线相交，此交点与B1(B2)灯杆的水平距离为d2，单位m;

③灯杆C1～C4上灯具的最小安装高度应按公式 (3)计算。

式中 hc——C1～C4灯杆上灯具的安装高度，单位m;

d3——C1～C4灯杆上的灯具最远投射距离，单位m;

④灯杆上的灯具最低安装高度不应小于21.3m。

2.3 其他变化

2.3.1 恒流明技术

“恒流明”一词早在2007版的国际足联标准中就已经推荐使用，英文为“Constant illumination lamp technology”，也可称为“恒照度”。国际足联2011版本标准中继续推荐使用该技术。恒流明的含义是在光源寿命周期内，光源的光通量保持不变或在很小范围内变化。因此，恒流明实际上是光源光通量保持不变的现象。毋庸置疑，使用恒流明技术的灯具，可以保持场地内照度不变。

2.3.2 光污染的控制要求

足球场场地照明经常会出现灯光外溢现象，大功率的场地照明照射到体育场外，不仅造成能源浪费，而且产生令人反感的光污染，为此国际足联对场地照明外溢光提出限制性指标，如表6所示，外溢光在体育场外50m和再向外200m作为计算点和测量点，既考核水平照度，也要考核垂直照度。示意图见图4。

表6 足球场场地照明外溢光限值

图4 足球场外溢光限值示意图

3 体育照明新技术分析

3.1 标准分析

3.1.1 照度的变化

标准变化最大的当属国际足联，从2002版到2011版，国际足联颁布三个版本的足球标准，以最高等级的比赛为例，将2002版、2007版、2011版三部标准进行比较，同时与我国体育场馆照明设计及检测标准JGJ 153进行对比，列表如表7所示。

需要说明FIFA 2002版有慢动作摄像机Slow Motion Cam.(对应照度 1800lx)和移动摄像机Mobile cam.(对应照度1000lx)，而2007版、2011版只有场内摄像机Field cam，两类摄像机性质不同，本文取FIFA 2002版中慢动作摄像机方向上的垂直照度1800lx参与比较，详见图5。

表7 足球场场地照明照度标准的变化

图5 国际足联照度标准的变化示意图

由图5可知，固定摄像机方向上的垂直照度2002年版只需1400lx即可，2007版达到不可思议的2400lx，到了2011年版回落到2000lx，与我国标准［6］相一致。场内摄像机方向上的垂直照度基本持平，没有变化，略高于我国标准。水平照明维持在3000～3500lx水平，低于我国4000lx的要求。

3.1.2 光源色度参数的变化

光源的色度参数对电视转播至关重要，主要有显色性和色温。国际足联在这方面有明显的变化，如表8所示。

表8 足球场场地照明光源色度参数的变化

由图6可知，国际足联从2002版到2007版将一般显色指数Ra的下限值由80调低到65，而2011版本继续维持下限值为65。相关色温的下限值由5500K下调到4000K。很显然，我国标准与2002版本的较接近。

3.2.1 部分将详细分析这种技术动态的合理性。

图6 国际足联光源色度参数的变化示意图

结合3.1.1和3.1.2可知，一般显色指数Ra、相关色温Tk降低了，照度水平没有明显提高，反而FIFA 2011版比FIFA 2007版有所降低。

3.2 技术分析

3.2.1 光源的色度参数

近年来，随着摄像机、电视技术水平的提高，摄像机对人工光的适应能力也在提高，对场地照明的显色指数和相关色温的要求有所降低。表9列出了部分国际标准的最新要求和技术动态。

作者对国际上新技术的变化和动态进行了研究和分析，供读者参考。

第一，科研成果验证了国际上技术的新变化。

在编制《体育建筑电气设计规范》过程中，规范编写组针对国际上新出现的技术动态和变化进行了专项研究，即“关于光源色度参数对体育比赛电视转播图像质量影响的研究”［8］，文献8给出了研究过程和结果，由于篇幅所限，在此不再赘述。研究表明，对电视观众来说，光源显色指数为65、相关色温为4000K与光源显色指数为90、相关色温为5500这两类人工照明情况下拍摄出的体育比赛节目画面没有明显差别，可以被电视观众和行业专家所接受。

第二，选择适宜色温和显色性的光源符合节能方针，有利于降低工程造价。

表10列出了主流的大功率金属卤化物灯的技术参数［9］［10］，从表中可知，同系列高色温、高显色性与标准色温和标准显色性相比，光源光效降低10%～30%，而且价格相对也较高，一次投资有所增加。

因此，体育照明应根据体育场馆的等级选择合适色温和显色性的光源。

第三，实测全球直播的国际赛事验证了技术动态。

表9 国际场地照明新标准

表10 大功率金卤灯光效比较 (工作电压400V)

作者对2011年部分全球直播的国际赛事场地实测 (见表11)，赛事包括:2011国际泳联短池游泳世界杯赛、2011年意大利足球超级杯赛、第14届国际泳联世界锦标赛、2011年ATP网球大师赛等，赛事均已经圆满结束，其场地照明的实际色温为4553K～5717K，显色指数为61～90.28(见图7和图8)。

表11 赛事名称和比赛时间、地点

综上所述，作者的研究证实了近年来国际新动向的合理性和科学性，即以较低的能耗获得观众认可的电视画面。

图7 部分体育场馆场地照明实际显色指数

图8 部分体育场馆场地照明实际色温

3.2.2 恒流明技术

如上所述，恒流明技术是国际足联推荐采用的技术，在光源寿命周期内，其光通量基本保持不变，为场地提供稳定的照明。我国研究机构证明了这一点，复旦大学信息学院光源和照明工程系2009年完成的“恒定照度测试报告”指出，在长达5000小时的照明测试中，实际照度维持值与设计值的偏差在－5%～+4.5%。

另一方面，恒流明技术为节能减排、节省投资也能做出不小的贡献。复旦大学的“恒定照度测试报告”表明，以恒流明技术的LSG-1500W灯具为例，测试地点位于复旦大学某网球场，总共测试系统运行5000小时，每隔100小时或250小时测试一次，实测数据汇总于表12。

表12 恒流明灯具实测功率

将表12转换成图9更加直观，实测表明，单灯能耗基本不变。光源在整个寿命周期内，前2000小时灯具实际电功率 (包括镇流器功率)低于灯具的额定功率，2000小时～5000小时灯具电功率略有增加。光源整个寿命周期内灯具实际电功率为其额定功率的86.5%～115.4%，图中右下斜线为实测数据，其围合的面积为实际使用的有功电度，电费支出将以此为依据。红线围合的矩形为恒定功率1500W运行5000小时，这是理想状态。实际运行围合的面积与红线围合的面积非常接近，仅增加2.91%。

图9 恒流明技术的灯具测试分析

从分析可以得出如下结论:

第一，恒流明技术可以获得稳定的照明效果。从实测数据看，当采用恒流明技术的灯具时，维护系数可取0.95，为了确保可靠性维护系数可取0.9。

第二，所用灯具数量较少。采用恒流明灯具数量上要少用22%，相应电能也少用22%，且一次投资减少，维护量也相应减小。

第三，单灯能耗基本不变。实测表明，光源在整个寿命周期内，前2000小时灯具实际电功率 (包括镇流器功率)低于灯具的额定功率，2000小时～5000小时灯具电功率略有增加，光源整个寿命周期内灯具实际电功率为其额定功率的86.5%～115.4%。

因此，场地照明采用恒流明技术的灯具在全寿命周期内总能耗有所降低，单灯能耗基本不变，而照度保持相对稳定。

4 结束语

现在，以国际足联为代表的有些国际标准在技术层面上发生不小的变化，如果说FIFA 2007版本值得我们关注，那么FIFA 2011版不仅仅是关注的问题，应引起专家、学者高度重视。

［1］Football Stadiums.Technical recommendations and requirements.FIFA，5th edition 2011.

［2］IAAFTRACK AND FIELD FACILITIESMANUAL.IAAF，2008 Edition.

［3］Practical design guidelines for the lighting of sport events for color television and filming.CIE 169:2005.

［4］Guide for the lighting of sports events for color television and film systems.CIE Publication No.83:1989.

［5］Sports and Recreational Area Lighting.IESNA RP-6-01:2009.

［6］李炳华，董青主编.体育照明设计手册.中国电力出版社，2009年2月第一版.

［7］李炳华，王玉卿编.现代体育场馆照明指南.中国电力出版社，2004年1月第一版.

［8］李兴林，李炳华，董青，杨庆伟，刘娜，张巧玲.关于光源色度参数对体育比赛电视转播图像质量影响的研究.照明工程学报，2011年第5期.

［9］李炳华.体育照明节能措施初探.建筑电气，2009年9期.

［10］李炳华，宋镇江主编.建筑电气节能技术及设计指南.中国建筑工业出版社，2011年11月第一版.