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体育馆照明系统的LED节能改造

刘　杰1，王金鹏1，常继峰2，金　强2，周宏平1

(1.南京林业大学机械电子工程学院，江苏 南京　210037；2.南京林业大学体育运动中心，江苏 南京　210037)

摘　要：以南京林业大学羽毛球馆为例进行了改造照明系统的理论和实验研究，提出了利用高亮度、长寿命LED灯进行照明改造的方案，并进行了可行性验证实验，总结出了不同数量的T5 LED灯管的照度与距离之间的变化规律，发现在距离为6m～10m时照度随灯管个数的变化具有较好的线性关系。然后在46.57m×22.56m场地高9.06m的天花板上沿羽毛球场地两长边方向布置了340根LED灯管，总功率为6.12kW，比原照明系统的降低了62.8%。场馆基本达到了标准规定的最低照度要求，验证了新方案的可行性和优越性，为今后类似场馆的照明改造提供了有益的参考。

关键词：节能改造；LED；能耗；照度

引言

体育运动已成为人们生活的重要组成部分，体育场馆的建设及体育照明[1-2]正不断发展，同时节约能源的理念越来越深入人心。以南京林业大学的羽毛球馆为例，16盏金卤灯组成的照明系统下，场地照度仅约60lx，而国际单项体育联合会总会(GAISF)2007年颁布的多功能室内体育场馆人工照明标准规定在业余水平组体能训练时的最小平均水平照度为150lx，因此现有照明系统远远达不到标准要求；而LED灯具的发展为体育场馆的传统照明设施的节能改造提供了很好的选择。本文针对南京林业大学羽毛球馆照明系统[3]的节能改造需求，拟采用LED灯[4]，从提高平均照度、照度均匀度以及节能降耗的角度来研究制定改造方案，讨论其可行性，并期望最终能达到提高场地照度、节能降耗的目的。

1　所需LED灯管数量分析

1.1　照度测试系统

为了更好地达到羽毛球馆的照度要求，需要测试单个LED灯管和多个LED灯管共同照明时的照度的关系，为进一步确定照明系统的改造方案中灯管的布置以及所需灯管的数量提供依据。

南京林业大学羽毛球馆天花板距离地面的距离为9米，场馆大小刚好可以容纳9个标准羽毛球场地。实验中用到的LED灯管型号为T5，功率为18W，数量为6根(6根灯管并行排列)。实验测量了打开不同数目的灯管时，在照度仪距离灯管不同距离时的照度，距离间隔为1m，测到12m为止。6根灯管安装在一块板子上，板子最下边缘距离地面1m，灯管之间的间距为15cm，照度计放置高度及测量方法如图1所示。

图1　测量方法示意图
Fig.1　The schematic diagram of measurement method

实验在游泳馆地下室进行，为了更准确地测出LED灯管的照度，现场除了测量用灯管之外，没有其他光源，而且照度仪的感光面一定要正对着光源，且每次的测量高度要正对着所测灯管的中间位置，在用读取照度仪数据时，测量人员不能太靠近测量仪感光面的一侧。

1.2　数据分析

实验测得不同灯管数、不同的距离下的照度数据如表1所示。

表1　不同数目的灯管在不同距离下测得的照度　单位：lx

Table 1　Illumination measured under the condition of

different number of LED or different distance

距离1个2个3个4个5个6个1m23239263880090011212m601181982452783593m2755941141401744m1429526581965m818324051616m411222735437m27151925318m15111418239m03710141710m0257111311m014681012m002468

根据表1的测量数据，得到照度分布如图2所示。

图2　不同距离下不同灯管个数的照度
Fig.2　Illumination measured under the condition of 
different number of LED or different distance

从图2中可以得出，相同个数的灯管随着距离的增大，照度是逐渐减小的，但在3m以后其减小趋势变缓，在6m～10m时近似呈线性；在同一距离下随着灯管个数的增加，照度也逐渐增加；图 2(b)是6m～10m时的放大图。为了更清楚地分析在某一距离上的照度与灯管个数的关系，分别绘制了4m、6m、8m、9m及10m的曲线，如图3所示。

图3　同一距离下不同灯管个数的照度
Fig.3　Illumination measured under the condition of the 
same distance and different number of LED

从图3可以看出，同一距离下随着灯管个数的增加照度是增加的，其规律近似为

y=ax+b

(1)

式中，y为照度值，单位：lx；x为同一距离下不同灯管个数；a为斜率；b为截距。

根据表1的数据可以计算出某一距离上的照度与灯管个数曲线的斜率a和截距b，对所求的相邻点之间的数值求平均可得aave和bave。通常体育馆需要的照明距离都在4米以上，故选取距离为4～10米时a和b的数据列于表2。

表2　不同距离下相应的斜率和截距

Table 2　The corresponding slope and intercept

under different distance

距离/maavebave416.4-0.4067.8-3.4784.4-3.4093.4-3.40102.6-2.93

当距离为8m时，函数关系为y=4.4x-3.4，根据国家标准规定最低照度标准为150lx，当y为150时，可得出x的值为34.86，取整数为35；当距离为9m时，函数关系为y=3.4x-3.4，当y为150时，得出x的值为45.12，取整为45；当距离为10m时，函数关系式为y=2.6x-2.93，当y为150时，得出x的值为58.82，取整数为59。通过上述实验所得到的灯管数及距离与照度的变化规律，可以预测出对于照明距离为9m时的标准羽毛球场地，若在场地两长边附近布置LED灯，则至少需要45个此规格的LED灯管。

2　照明改造

改造前后金卤灯与LED灯管的分布如图4所示，改造前金卤灯分布在羽毛球馆两面的墙上，一共16个，一面各8个；改造后LED灯的分布考虑到了墙角的照度[6]，同时由于墙面对光照的影响，在靠近墙面的地方多增加了几组LED灯管。

图4　改造前后金卤灯与LED灯管分布示意图
Fig.4　Metal halide lamp and LED lamp distribution diagram

羽毛球馆中每个场地两长边附近布置了4排不少于45个灯管，整个场馆共布置了340个LED灯管，灯管之所以布置在羽毛球场地两侧边附近，主要是为了尽量减少灯光对运动员观察来球的干扰，同时提高场地上的照度均匀度。由9m距离下的函数关系 y=3.4x-3.4可以得出灯管个数为45时每块场地上的照度为149.6lx，约等于150lx，应能达到了体育场馆照明标准规定的最低照度指标，灯光的改造计划理论上可行。

3　照度测量

3.1　场地选取及网格划分

根据室内体育馆场地灯具的分布和球场平面布局，可以只测1/2或1/4的场地，本体育馆采用测量1/4场地的方法[7]。矩形场地照度计算和测量网格点可按图5确定。

图5　中心点法测量照度示意图
Fig.5　Illumination schemes of center point measuring method

1)测量网格的长dl和宽dw可按下列方法确定：当l，w不大于10m时，计算网格为1m；当l，w大于10m且不大于50m时，计算网格为2m；当l，w大于50m时，计算网格为5m。

2)测量网格点间距宜为计算网格点间距的2倍。因为整个羽毛球馆面积为46.57m×22.56m，因此所选测量面积为20.9m×10.0m，是整个面积的1/4。羽毛球场地网格划分按表3确定，测量场地被划分为10×5个网格。

表3　羽毛球场地网格划分

Table 3　Meshing of the Badminton courts

运动项目场地尺寸照度计算网格照度测量网格参考高度羽毛球20.94m×10.00m2m×2m4m×4m1.0m

3.2　照度测量

根据标准要求，水平照度应该按照中心点法进行测量计算[8-9]，测量点应该布置在每个网格的中心点上，如图5所示，实验采用TASI分体式数字照度计，型号为TASI-8710，实际测试点位于距地面1米的高度。

中心点法测量平均照度按式(2)计算：

(2)

式中，Eave为平均照度；Ei为第i个测量点上的照度；n为总的网格点数。

照度均匀度按式(3)、式(4)计算：

(3)

(4)

式中，U1、U2为照度均匀度；Emin为测量场地上的最小照度；Emax为测量场地上的最大照度；Eave为测量场地上的平均照度。

改造前金卤灯的测量数据如表4所示，改造后LED灯的测量数据如表5所示，改造前后的数据对比如表6所示。

从表6中可以看出羽毛球馆场地上的照度从原来的62.74lx提高到了148.39lx，改造后的平均照度的增幅为136.5%，水平照度均匀度U1增幅为92.3%，水平照度均匀度U2增幅为28.1%。改造后的场馆照度达到了国标的场馆照度要求，证明了利用LED灯具进行体育馆照明系统改造取得了成功。

表4　金卤灯的测量数据

Table 4　Illumination data of metal halide lamp

lighting system

水平方向照度/1x照度均匀度EmaxEminEaveU1U2102.740.462.740.390.64

表5　LED灯的测量数据

Table 5　Illumination data of LED lighting system

水平方向照度/1x照度均匀度EmaxEminEaveU1U2161.5121.8148.390.750.82

表6　改造前后照度的对比

Table 6　Illumination contrast before and after

the reconstruction

光源类型平均照度Eave/lx照度均匀度U1U2改造前金卤灯62.740.390.64改造后LED灯148.390.750.82

4　改造后的节能效果

原照明系统安装了16盏上海某厂家生产的型号为JLZ100W BT金卤灯，每个灯头1kW，共16kW，灯头每次启动需要5分钟。而改造后的照明系统用了340个T5型的LED灯管，每个灯管额定功率18W，共6.12kW，没有频闪，即开即亮，寿命大于50 000h。改造前后能耗[10]节约率达到62.8%。按每天用电5小时，1年350天，每度电费0.6元计算，改造前每年须支出电费16800.0元，而改造后仅需6426.0元，每年节约电费10374.0元。

在使用金卤灯时，当某个灯头发生故障而不亮时，会严重影响多个场地的照明。改为LED灯管照明后，由于每个灯管对相应场地的照度贡献很小，即使发生几个甚至十几个灯管不亮的情况，对场地照度的影响也不会像原先那样严重。

另外，由于金卤灯不适合经常开关，在日常使用过程中故障率较高，每年维护更换量较多，相应地维护成本较高，而改造后的维护成本则大大降低。

5　结论

本文以南京林业大学羽毛球馆为例进行了提高照度、节能降耗为目的的照明系统改造研究，并进行了可行性验证实验；最后对改造前后的照明系统的效果进行了测试，验证了本文设计的利用高亮度、长寿命LED灯进行体育馆照明系统改造方案的可行性和优越性，为今后类似场馆的照明改造提供了有益的参考，总结如下：

1)本文通过实验分析总结了不同数量的T5型LED的照度随着距离变化的规律以及某一距离上的照度随着灯管个数变化的规律，其中在距离为6m～10m时照度随灯管个数的变化具有较好的线性关系。

2)根据所设计的布灯方案改造了羽毛球馆的照明系统，共用了340个1.2m长的LED灯管，总功率为6.12kW，比原照明系统的降低了62.8%。

3)LED照明系统使得场馆照度由原来的62.74 lx提高到了148.39 lx，平均照度增加了136.5%，水平照度均匀度U1增加了92.3%，U2增加了28.1%，基本达到了标准规定的体育场馆的照度要求。

参考文献

[1] 张绍纲. 体育照明装置的光度规定和测量指南[J]. 照明工程学报, 1995,6(1):69-77.

[2] 陈逸泉. 体育馆照明设计与分析[J]. 照明工程学报, 2006,17(1):55-58.

[3] 谷首烨. 体育馆羽毛球场的照明环境研究[J]. 山西建筑, 2010(3):195-197.

[4] 关兆伟. LED照明体育场馆应用探讨[J]. 运动, 2013(17):139-140.

[5] 沈雅兰. LED光源在民用建筑照明中的应用[J]. 照明工程学报, 2014，25(3):98-100.

[6] 邓金坷. 浅谈体育馆照明设计[J]. 灯与照明, 2006,30(02):23-25.

[7] 体育场馆照明设计及检测标准：JGJ 153—2007[S].

[8] 林若慈, 张建平, 王书晓. 开发新的顶部采光计算方法[J]. 照明工程学报, 2014，25(1):31-34.

[9] 王飞翔, 赵建平, 林若慈. 我国办公建筑的照明节能评价方法的探索[J]. 照明工程学报, 2014，25(3):50-57.

[10] 陆星. 体育场馆节能新概念[J]. 体育学刊, 2010(2):123-124.

Energy Saving Reform of the Gymnasium’s Lighting System with LED

Liu Jie1, Wang Jinpeng1, Chang Jifeng2, Jin Qiang2, Zhou Hongping1

(1.Nanjing Forestry University, School of Mechanical and Electronic Engineering, Nanjing　210037, China;2.Nanjing Forestry University, Sports Center, Nanjing　210037, China )

Abstract： Take Nanjing Forestry University (NJFU) Badminton Hall as the example, theoretical and experimental studies of the lighting system reconstruction was carried out in this paper. A modification program was proposed by using high-brightness and long-life LED. The associated verification test was done with several T5 LED lamps. The results show that the relationship between illumination and distance, as well as illumination and number of the lamp is linear when the distance is 6m～10m. So 340 lamps was equipped in the new lighting system of NJFU badminton hall (46.57m×22.56m×9.06m), hanging on the ceiling along the longitudinal direction of the badminton courts. The total power is 6.12kW, decreased 62.8% than the old lighting system. The results have basically reached the minimum illuminance requirements of the national standard. Therefore, this indicates that the new program about LED lighting system is feasible. This case should be a useful reference for other similar gymnasium’s lighting system reconstruction.

Key words: energy saving reconstruction；LED lamp；energy consumption；illuminance

中图分类号：TM923

文献标识码：A　　

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.009

通讯作者：王金鹏，E-mail:[e-mail]

基金项目：国家自然科学基金青年基金(No.51408311)