在北京2022年冬奥会期间，国家游泳中心（以下简称“水立方”）将变身为“冰立方”，成为冬奥冰壶和轮椅冰壶项目竞赛场馆。对于冰壶赛事而言，场地的光环境效果将直接影响到赛事能否顺利进行、运动员的竞技状态、技术水平的发挥以及最终的比赛成绩。
作为北京市科委的重点项目，《国家游泳中心冰壶场地环境与节能关键技术研究》的项目负责单位为国家游泳中心，中国建筑科学研究院建筑环境与能源研究院承担并完成了光环境研究。近日，中国建研院建筑环境与能源研究院罗涛博士接受新华网专访，讲述在双碳背景下，大功率LED照明如何满足冰壶赛事的比赛需求，以及如何使水立方在不同的使用工况下，均能实现节能高效的运行。
课题成果直接应用于工程实践
据了解，本课题为北京市科技计划课题“国家游泳中心冰壶场地环境与节能关键技术研究”的子课题“冰壶场地光环境与节能关键技术研究”，课题起止时间为 2017年1月至2019年12月。
中国建研院建筑环境与能源研究院罗涛博士 新华网周靖杰 摄
该课题的主要研究目标是根据水立方的光环境和冬奥赛事特点，及冰上场地改造的要求，通过对 LED 照明的光色电性能、供配电和控制技术的深入研究，提出大功率 LED 照明产品的技术指标，解决LED 照明应用的关键技术问题，形成冰上场地高级别体育赛事 LED 照明应用技术方案，为工程实施提供指导。同时，考虑到赛后应用的要求，场地照明方案要满足游泳和跳水比赛的彩电转播和赛后各类活动的要求。
据罗涛介绍，该课题主要针对冰上场地用大功率 LED 照明产品关键技术指标研究、比赛大厅照明设计方案研究、智能照明控制与节能关键技术研究、冰上场地天然采光与节能关键技术研究以及多功能冰上场地的照明控制关键技术研究五个方面展开研究工作。同时，该课题研究结合国家游泳中心冰壶场地照明改造工程同时进行，课题成果直接应用于工程实践，在产品招标、照明设计、系统调试和竣工验收的全过程各阶段提供了相应的技术支撑，改造后场地照明不仅能够满足冬奥会赛时的各项要求，同时兼顾了赛后运营，实现了可持续设计的目标。
针对该课题为项目组带来哪些方面的挑战，罗涛认为：首先，水立方是既有场馆，原有建筑布局和马道主要是满足游泳和跳水等水上项目的照明需求，要在具备上述条件的同时，满足冰壶比赛的要求，在照明设计上有相当的难度；其次，在满足光环境的同时，还要实现节能的要求，实现赛时、赛后的综合利用，赛后要满足冰上和水上两类运动的照明需求，这就需要提供一套足够灵活和适应性强的解决方案；第三，大功率LED在国内高级别赛场中还未得到应用，没有参考依据，工程时间也比较紧张，这对于课题组也是个不小的挑战。
“通过课题组研究，在水立方的大力支持和相关单位的配合下，最终圆满完成了这个任务。该项目成果直接应用于国家游泳中心冰壶场地照明改造项目，经现场测试，各项照明指标满足冬奥比赛和电视转播要求，并得到了奥运转播机构 OBS 专家和冬奥组委的充分肯定，为2022 年冬奥会提供了重要的技术保障。研究成果中关于照明产品的性能要求和超高清转播的技术要求被国家标准《LED 体育照明应用技术要求》采纳，为其他场馆建设提供了参考，特别是为高级别体育照明实践起到重要的指导作用。”罗涛说。
首次提出适用于冰壶场地的大功率LED灯具性能评价指标
随着 LED 照明技术快速发展，LED 目前已广泛应用于一般照明，全面取代传统照明已是大势所趋，国际冰壶联盟也推荐采用 LED。但是大功率 LED 能否用于高级别体育赛事的场地照明，从成熟度上还有许多问题有待研究和解决，特别是在光电性能、散热、颜色一致性、谐波和频闪等方面还存在哪些问题，在这种高大空间和高级别赛事应用中如何实现良好的光环境效果，都需要进行研究。
据罗涛介绍，体育照明需要关注场地内的运动员和裁判员、现场观众和电视转播三方面的需求。其中，冰壶比赛对于场地照明的基本要求包括以下几方面：一是冰面照明水平高，尽量均匀，没有反射眩光，保证运动员和裁判能准确判断和正常比赛；二是有足够的垂直照度，以保证运动员和裁判的现场视线交流，满足现场观众观看比赛的要求；三是避免眩光，保证正常比赛和竞技水平的发挥；四是在上述基础上，垂直照度和均匀度、眩光以及显色性还要满足电视转播的要求。
研究表明，高色温和高照度条件下，能够提高运动员的兴奋度，从而保证其竞技状态和技术水平发挥；同时，照明水平高并保持足够均匀，也是比赛的公平性的基本要求。该课题基于冰壶场地的照明需求和国家游泳中心的建筑特点，通过对大功率LED照明产品的控光特性、光电色性能、散热、光衰、谐波和频闪等性能开展实验研究，并首次提出适用于冰壶场地的大功率LED灯具性能评价指标，并为相关标准的制修订奠定基础。
“良好的光环境，不仅能保证赛事的顺利进行，保证运动员发挥出应有水平，同时也能保证电视转播的效果，使全世界亿万观众能够欣赏到精彩的比赛。”罗涛说。
场地照明实现节能、可持续设计的目标
除了高级别冰壶比赛对场地光效果的高要求外，场地照明方案还要考虑到水立方的赛后应用。对此，研究团队提出合理的照明设计在保证冰壶比赛用灯具在不用调整灯位的条件下，可用于游泳比赛模式；提供智能照明控制方案，可实现模式的快速切换，并可与演出灯光和景观照明进行联动，实现了赛后冰水双模式、彩电转播和赛后各类活动的要求。
据介绍，在场地照明方案设计中，研究团队通过对冬夏项目场地转换的运行模式和控制策略进行研究，首次完成了同时满足水上和冰上两类运动项目的需求，使水立方能够在服务2008年北京奥运会后，又服务2022年北京冬奥会。
当前，在双碳背景下，节能运行是核心内容。研究团队通过多次优化方案，实现了赛时和赛后的综合利用，即通过一键切换，可以实现不同模式之间的转换，实现节能高效运行。同时，利用动态变参数光热性能模拟和太阳全光谱优化选择技术，通过光热优化及采光照明协同设计研究，提出地下冰场整体性能最优化的被动式节能设计方法。
“首先，是要保证大功率LED投光灯的产品性能，特别是光学性能，具体来说，主要是合理的配光（也就是光分布要合理）、良好的显色性、稳定的光输出；其次，良好的照明设计是核心内容，要根据大功率LED的特点，结合场地需求和马道设置，优化灯具选型、合理布置灯具，用最少的灯实现最佳的照明效果；最后，要充分利用智能照明控制的优势，保证高效经济运行。通过课题研究，本项目的节能率超过60%。”罗涛说。
值得关注的是，罗涛所在的研究团队作为国内最早开展体育照明系统研究的专业团队，不仅完成了《体育场馆照明设计及检测标准》和《LED体育照明应用技术要求》等国家和行业标准的制修订工作，还自行开发了体育照明眩光检测设备等具有国内领先水平的测试设备，并用于横滨国际综合竞技场的照明工程的眩光检测和改进，以及完成了2008年北京奥运会京内所有场馆和京外部分场馆的照明检测和广州亚运会和深圳大运会所有场馆的照明检测。配合体育总局训练局对篮球、游泳跳水、体操、田径、举重等场馆完成了LED照明改造工作。
“目前，我们正在对2022年北京冬奥会京内和张家口冬奥场馆进行照明系统的全面调试和检测。”罗涛说。
（新华社）
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