体育照明新技术及其分析
1 概述近年来，笔者在编制《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 的标准应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，体育照明也叫场地照明。
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。
表1 足球场地的照明标准值
注：
① 表中照度值为维持照度值；
② Ev为固定摄像机或场地摄像机方向上的垂直照度，手持摄像机和摇臂摄像机统称为场地摄像机；
③ 各等级场地内的眩光值应为GR≤50；
④ 维护系数不宜小于0.7；
⑤ 推荐采用恒流明技术。
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2。
表2 田径场地的照明标准值
注：
① 各等级场地内的眩光值应为GR≤50；
② 对终点摄像机来说，终点线前后5m范围内的U1和U2不应小于0.9；
③ 表中的照度值是最小维持平均照度值，初设照度值应不低于表中照度值的1.25倍。
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国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 各体体育项目类别的垂直照度（维持值）
|
拍摄距离 |
25m |
75m |
150m |
|
A类 |
400 lx |
560 lx |
800 lx |
|
B类 |
560 lx |
800 lx |
1120 lx |
|
C类 |
800 lx |
1120 lx |
|
表4 照度比和均匀度
|
（对于参考面） |
|
（对于参考面） |
|
（对于参考面） |
|
（每个格点的四个方向） |
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
|
名称 |
指标 |
备注 |
|
相关色温 |
4000K~6500K |
适用于室内外场地人工照明 |
|
色差 |
≤±500K |
|
|
一般显色指数 |
≥65 |
|
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。当挑蓬能满足要求时，宜利用挑蓬安装灯具。
② 灯杆应布置在图2阴影区以外区域。
|
图2 棒垒球场灯杆位置 |
③ 灯具的高度应符合下列规定：
㈠ 灯杆A1和A2上灯具的最小安装高度应按公式1计算。
ha≥27.43+0.5d1 （1）
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。
hb≥d2/3 （2）
式中，hb——B1、B2灯杆上灯具的安装高度，单位m；
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。
hc≥d3/2 （3）
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。
|
图3 棒垒球场灯杆高度 |
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
|
|
照度值（lx） |
体育场外距离 |
|
水平外溢光 |
25 |
体育场外50m |
|
水平外溢光 |
10 |
再向外200m |
|
垂直外溢光 |
40 |
体育场外50m |
|
垂直外溢光 |
20 |
再向外200m |
图4 足球场外溢光限值示意图
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，同时与我国标准进行对比，列表如表7所示。
表7 足球场场地照明照度标准的变化
|
年份 |
下限值 |
上限值 |
|
|
固定摄像机，Ev |
场内摄像机，Ev |
Eh |
|
|
2002 |
1400 |
- |
3000 |
|
2007 |
2400 |
1800 |
3500 |
|
2011 |
2000 |
1800 |
3500 |
|
JGJ153 |
2000 |
1400 |
4000 |
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 Fieldcam，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。
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
|
年份 |
Ra |
Tk（K） |
|
FIFA 2002 |
80 |
5500 |
|
FIFA 2007 |
65 |
4000 |
|
FIFA 2011 |
65 |
4000 |
|
JGJ153 |
90 |
5500 |
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。
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。
表9 国际场地照明新标准
笔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。
表10 大功率金卤灯光效比较（工作电压400V）
|
型号 规格 |
功率 (W) |
光效 （lm/W） |
光通量 （lm） |
工作电流 （A） |
色温 （K） |
显色指数 （Ra） |
备注 |
|
MHN SA/956 2000W400V |
2000 |
90 |
180000 |
11.3 |
5600 |
92 |
飞利浦 |
|
MHN SA/856 2000W400V |
2000 |
100 |
200000 |
11.3 |
5600 |
80 |
飞利浦 |
|
HQI-T 2000/N/E/SUPER |
2000 |
120 |
220000 |
8.8 |
4000 |
60～69 |
欧司朗 |
|
HQI-T 2000/D |
2000 |
90 |
180000 |
10.3 |
6000 |
≥90 |
欧司朗 |
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。
另一方面，光源必须与灯具有良好的配合。一般来说，Ra=65 的光源多为单端金卤灯，而 Ra≥80 多为双端金卤灯。
如图5所示，前者体积相对较大，但它装在灯具内垂直于灯具前端的玻璃罩，接近点光源，灯具反射器有利于对光的控制，配光有几十种，甚至数千种之多。而后者的光源体积相对较小，但它平行于灯具前端玻璃罩安装，它是线光源，灯具反射器对光的控制无优势，一般只有3~5种配光。
编制组调查表明，光源的体积与灯具的效率没有直接关系，两类灯具效率相当，没有明显差距。
图5 双端金卤灯和单端金卤灯灯具比较
第三，实测全球直播的国际赛事验证了技术动态
笔者对2011年部分全球直播的国际赛事场地实测，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（参见图6和图7）。
表11 赛事名称和比赛时间、地点
图6 部分体育场馆场地照明实际显色指数
图7 部分体育场馆场地照明实际色温
综上所述，笔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。
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
|
时间（h） |
整流器前端功率（W） |
整流器后端功率（W） |
|
0-500 |
1350 |
1280 |
|
500-2000 |
1500 |
1400 |
|
2000-3500 |
1600 |
1520 |
|
3500-5000 |
1800 |
1600 |
将表12可转换成图10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%，图中蓝线为实测数据，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10 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。笔者经过多年潜心研究，有些心得体会，以飨读者。
因此，本文的作用仅为抛砖引玉，以唤起同行的重视，用科学、严谨的态度对待国际上新技术、新标准。
文/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
来源/炳华话电气
参考文献
1 “Football Stadiums . Technicalrecommendations and requirements”，FIFA，5th edition 2011
2 “IAAF TRACKAND FIELD FACILITIES MANUAL”，IAAF，2008 Edition
3 “Practical design guidelinesfor the lighting of sport events for color television and filming”，CIE 169:2005
4“Guide for the lighting of sports events forcolor television and film systems”，CIE Publication No. 83：1989
5 “Sports andRecreational Area Lighting”，IESNA RP-6-01：2009
6《体育照明设计手册》，李炳华、董青主编，中国电力出版社，2009年2月第一版
7《现代体育场馆照明指南》，李炳华、王玉卿编，中国电力出版社，2004年1月第一版
8“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”，李兴林 李炳华 董青 杨庆伟 刘娜 张巧玲，《照明工程学报》2011年第5期
9“体育照明节能措施初探”，李炳华，《建筑电气》2009年9期
10《建筑电气节能技术及设计指南》，李炳华、宋镇江主编，中国建筑工业出版社，2011年11月第一版
跟李炳华老师学习体育照明
点击阅读原文，
即可直接报名
