从绿色节能角度浅析足球场人工照明新要求

李炳华，王炳铮，潘 鑫，李 鹏，岳云涛

(1. 北京建筑大学，北京 100044；2. 悉地(北京)国际建筑设计顾问有限公司，北京 100013)

0 引言

近年来中国体育产业迅速发展，2021年5月28日国家体育总局发布的《关于开展全国足球发展重点城市建设工作的指导意见》提出三个足球发展“五年规划”，推动专业足球场地建设，以举办亚洲杯、世俱杯等重大国际赛事为契机，科学规划建设专业足球场馆。在足球场电气设计中，场地照明是非常重要的组成部分，需要满足运动员比赛、观众观看比赛、应急照明的需要，对于高等级场地而言，还要满足电视转播、场内广告等的需要。

国际足球联合会(Fédération Internationale de Football Association，FIFA)对足球场人工照明标准进行的重大调整，对我国体育场建设将产生巨大影响。绿色足球场地照明涉及资源节约、可靠耐久、健康舒适等方面的综合性能，本文根据国际足联新标准的新变化，从绿色节能角度对比国内标准的照度、电源、灯光布置、频闪等需重点关注的指标，探讨我国专用足球场地照明设计未来发展的方向。

1 基本术语

2020新版FIFA足球场人工照明标准发生较大变动，与国内标准部分符号定义有细微差别，为避免产生歧义，在本节进行符号说明。

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-主摄像机方向垂直照度；Evaux-辅摄像机方向垂直照度。

1.2 均匀度

U-照度均匀度；U1h-最小水平照度与最大水平照度之比；U2h-最小水平照度与平均水平照度之比；U1v-最小垂直照度与最大垂直照度之比；U2v-最小垂直照度与平均垂直照度之比；Uvmai-主摄像机方向垂直照度均匀度；Uvaux-辅摄像机方向垂直照度均匀度；U1.vmai-主摄像机方向最小垂直照度与最大垂直照度之比；U2.vmai-主摄像机方向最小垂直照度与平均垂直照度之比；U1.vaux-辅摄像机方向最小垂直照度与最大垂直照度之比；U2.vaux-辅摄像机方向最小垂直照度与平均垂直照度之比。

1.3 其他参数

Tcp-相关色温；Ra-一般显色指数；FFave-平均频闪比；FFmax-最大频闪比；GR-眩光指数；MCM-灯光连续性模式；MAUR-最小相邻均匀比；MF-维护系数。

2 足球场照明新技术分析

2.1 照明等级

JGJ153—2016《体育场馆有检测技术及标准》(以下简称“JGJ153”)关于体育场馆照明分级规定如表1所示。

体育场馆照明使用功能分级 表1

新版FIFA足球场人工照明标准中第4章建议按照举办的赛事进行分级，针对不同类型的赛事，规定如表2所示。

照明等级及供电标准 表2

由表2可以看出，对于有转播需求的赛事，FIFA将其分为A、B、C、D四个级别规定各级技术指标，无电视转播的足球场，仅要求水平照度≥350lx。相比于国内标准，FIFA同届赛事跨等级定义照明指标，降低了照明能耗，同时在一定程度上解决了大型赛事后场地的可持续利用问题。

2.2 照明标准分析

从资源节约角度研究新版FIFA足球场照明标准值，有以下几个方面改动较大。

(1)平均水平照度与平均垂直照度的比值要求有所提高。JGJ153、GB50034-2013《建筑电气照明设计(以下简称“GB50034”)》及新版FIFA标准对有电视转播的足球场地平均水平照度与平均垂直照度的比值规定如图1所示。

图1 平均水平照度与平均垂直照度比值

(2)对水平照度和垂直照度提出新要求。新版FIFA标准与JGJ153的规定如图2所示，新版FIFA标准明确规定了最小值和平均值，照明设计需要同时满足两个指标要求。

图2 专用足球场照明标准值

通过图2可以看出，新版FIFA标准对水平照度和垂直照度的要求有所降低，且A、B、C、D四个等级区间指标跨度较大。这意味着即使同届的小组赛、半决赛和决赛的照度等级也有较大差别，需要采用智能照明控制系统来实现专用足球场地照度最高达到高清转播级别并逐级递减的功能。通过调光满足不同级别赛事活动的不同照度要求。

(3)照度均匀度指标有所下降。新版FIFA标准与JGJ153对水平和垂直照度均匀度的规定如图3所示。

通过图3可知，FIFA的A级赛事的照度均匀度指标与JGJ153中最低等级场地规定的照度均匀度指标相同，国内对于专用足球场照度均匀度的指标的要求要高于新版FIFA标准。

(4)对主、辅摄像机方向的垂直照度提出新要求。JGJ153中规定重大比赛时辅摄像机方向的垂直照度应为面向场地周边四个方向垂直面上的照度，一般辅摄像机方向的垂直照度会比主摄像机方向的垂直照度低一个等级。新版FIFA标准也是根据四个方向(0°、90°、180°、270°)考核垂直照度及其均匀度，规定主摄像机为270°一侧，主摄像机和辅摄像机四个方向的垂直照度及均匀度的指标要求相同。此外，与我国标准不同的是，FIFA面向主摄像机方向上的垂直照度测试点距场地1.0m高，而我国要求1.5m。因此在足球场地建设中需要提前设计好马道条件，才能达到所要求的照度值。

(5)修改显色指数。对于FIFA的C、D级别足球场地，>70即可，而A、B级别需要>80。

(6)修改色温标准值。不同于JGJ153满足最低色温指标的要求，新版FIFA标准分别对四个级别场地规定了色温区间范围，如图4所示。

图4 各等级场地色温区间范围

(7)增加MCM要求；A级场地不允许中断，B级场地3min内水平照度需>1 000lx、15min内水平照度需>2 000lx，C级场地3min内水平照度需>1 000lx、 15min内水平照度需>1 250lx，D级场地无连续性要求。

(8)增加频闪比指标；各级别场地频闪比指标需同时满足最大值和平均值的要求，频闪比指标相关要求会在2.5节中详细说明。

(9)增加最小相邻均匀度比率(MAUR)指标；任何给定平面上照度水平的快速变化都会导致摄像机、照相机曝光不一致，此参数与JGJ153中的均匀度梯度相类似，均用于确保相机曝光的一致性。均匀度梯度用某一网格点与其八个相邻网格点的照度比表示。而MAUR指标用1个主格点及4个次格点测试，任何两个相邻点的照度值之差不得大于各级场地规定的允许水平。FIFA的D级场地对此无要求，A、B、C三级场地最小相邻均匀度比率为0.6、0.6、0.5。

(10)针对LED和HID提出不同的维护系数值。LED和HID的维护系数值分别为0.8和0.9。

2.3 电源分析

JGJ 354—2014《体育建筑电气设计规范》(以下简称“JGJ354”)对于场馆的负荷级别如表3所示。

体育场馆负荷级别 表3

可靠耐久对于场地电源的重要性不言而喻，新版FIFA标准主要有以下几个方面的变动。

(1)增加场地电源类别。新版FIFA标准致力于各级场馆的电源级别及相应指标，电源要求如表4所示。其中，A+级电源为系统级冗余，A级电源为电源冗余，B级为公共电网供电。

(2)修改主备电源要求。GB 51348-2019《民用建筑电气设计标准》(以下简称“GB51348”)中要求甲级及以上场地照明的一级负荷应由双重电源供电，可同时工作也可一用一备。而对于特级体育建筑，JGJ354规定TV应急的场地照明为一级负荷中特别重要的负荷，剩余的场地照明为一级负荷，因此，除双重电源外，还应设置应急/备用电源。新版FIFA标准规定A级在双重电源基础上采用不间断场馆技术电源。目前，由于电力系统已形成电网，所以用户无论从电网取几路电源进线，都无法保证其独立性，因此增设应急电源对A、B两级的一级和一级负荷中特别重要的负荷是很有必要的。

电源总体要求 表4

(3)UPS指标变化。当用电负荷不允许中断供电或允许中断供电时间为毫秒级时，多采用 UPS装置，GB51348的6.3条规定UPS的额定输出功率应为最大计算负荷的1.3倍，储能时间宜≥15min设计。新版FIFA标准要求UPS设备的运行时间是主备电源最大预期切换时间的5倍且保证100%照明负荷10min的自动运行，其实转换时间比较长是由市电转到柴油发电机组供电后，启动需要一定时间，在主电源失电5min内，一般柴油发电机都已启动且进入正常运行供电状态，可向UPS供电。此外考虑到蓄电池随使用时间的衰变情况，对于容量较大且有人维护的UPS，其蓄电池初装容量10min也可满足。

4)新增匹配连续性模式(MCM)要求，对故障、干扰切换状态和切换时间提出新要求，无论A、B、C、D四个等级的照明控制都需配备小型UPS。

2.4 灯具布置分析

健康舒适的灯光对于绿色足球场地照明设计是十分重要的，因此足球场地一些区域禁止布置照明灯具，需满足眩光和控制干扰光的要求。根据JGJ153的6.2.2条，有电视转播需求的专用足球场可采用场地两侧布置、场地四角灯杆布置或混合布置方式。

(1)采用场地两侧布置时，灯具的位置应满足图5所示的规定。

图5 单排(左)、双排(右)布置灯具位置图(阴影部分为可安装区域)

上图底线两侧15°角范围内禁止布置灯具。而新版FIFA标准要求无论是采用多杆布置或光带式布置都可在禁区布置灯具，如图6所示。

图6 FIFA2020标准要求的禁止布灯区域

但禁区内的灯具投射点需在禁区外，禁区内的照明由其他区域安装的灯具投射，形成互补投射。在最新FIFA标准中，考虑到实际实施的可行性并依据照明实测，为降低眩光，对单条马道上灯具的安装高度及瞄准角也有要求。

(2)采用场地四角布置时，《照明设计手册》规定灯具的布置位置及安装高度与灯杆至场地中心点的距离，但灯具高度应满足最低一排灯具到场地中心的连线与场地平面之间的夹角应≥25°，如图7所示。

图7 四角布置灯具位置图(阴影为可安装区域)

相比于国内标准，新版FIFA标准对四角布置重新定义，规定灯杆应位于图8所示的区域。该区域是通过与球门线成120°和与球场边成120°而形成，且灯杆距离角球处应>12m的位置。在大多数情况下，灯杆到灯拍中心的最佳高度为40～45m。

图8 四角布置灯具位置图

3)周圈布置

无论是我国标准或旧版FIFA标准，都不支持周圈式布置灯具。而新版FIFA标准在这方面是重大突破。如果场地照明采用周圈式连续布置灯具方式，则灯具的位置应与周边保持足够的横向距离“x”，以确保达到所需的垂直照度水平和照度均匀性，如表5所示。周圈式布置方式一般在体育场屋顶设置马道进行布置灯具。

灯具横向距离参考 表5

为了确保球员面部造型符合良好的标准，要将灯具布置在垂直于球场周边至少20°的角度范围，最佳角度为25°～30°。

2.5 频闪分析

为保证足球场地健康舒适的灯光，对光源也有所要求。金卤灯、LED灯等灯具普遍用于足球场照明，但都不同程度地具有频闪效应。频闪效应(图9)主要用频闪比指标评价，《照明设计手册》要求HDTV转播重大比赛有超高速摄像要求时，频闪比不宜大于6%。

图9 频闪效应的描述

频闪比可用公式(1)计算：

(1)

式中，A为一个周期内的输出光通最大值，B为输出光通最小值。

如表6所示，为频闪比指标要求。2012年的伦敦奥运会也是采用的下表标准。

频闪比参考表 表6

相比于国内标准，新版FIFA标准要求则不同，并提出了具体的测试方法，选取12个高频测试点计算，如图10所示。

图10 频闪比测试点示意图

图中6个频闪比测试点应在90°平面、270°平面、距地面高度1m处获取垂直频闪比值，最大允许频闪比如表7所示。

FIFA各级别场地最大允许频闪比 表7

表中12点平均值为算数平均值，最大值为12个点中的最高测量值。但用于降低频闪比的措施不应影响平面上照度的均匀性，因此涉及来自不同角度重叠光通量的场地照度系统应使用24个频闪比测试点，以确保所有区域的照度均匀性一致。

新版FIFA标准虽然降低了部分级别较低的场馆频闪标准，但针对各个级别场馆提出了更具体的频闪比测量方法、场地限值等新要求，值得借鉴。

3 结束语