論體育場照明及電氣控制設計

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　摘要：本文通過介紹體育場照明及電氣控制的設計，分析照明設計標準的選擇與照明參數(shù)的計算，闡明照明質量標準、照明燈具分類與布置方式及電氣控制設計中應注意的一些問題。

　　關鍵詞：體育場照明設計　　電氣控制設計

　　1.體育場照明的重要性

　　對于一座現(xiàn)代化的體育場，不但要求建筑外形美觀大方、各種體育設備齊全完善，而且要求有良好的照明環(huán)境，即要求有合適、均勻的照度和亮度、理想的光色，有立體感及無眩光等。除保證滿足觀眾良好的視看效果外，還必須保證裁判員、運動員和比賽項目所需的照明要求以及應保證有良好的電視轉播效果。

　　照明是依靠光線的功能，保證燈光作用于運動員、裁判員、觀眾的眼睛、產生視覺，才能看見體育場地上的一切，如場地環(huán)境的明暗、物體?建筑、器具及服裝等　表面的顏色、觀看目標的形狀和大小、深度、立體感及運動員運動時的狀態(tài)和體育場的氣氛等等。所以，良好的照明在現(xiàn)代體育場中占有重要地位。

　　一般，在一個體育場的照明設計中，應考慮以下三方面的因素：

　　?1　滿足運動比賽時運動員的視覺要求，并且使燈光對比賽的客觀影響降到最低程度。

　　?2　滿足觀眾的視覺要求，使燈光對觀看比賽時所引起的不適感覺降低到最低程度。

　　?3　滿足彩電轉播的照明要求，盡可能提高轉播質量。

　　總之，照明與運動項目的比賽要求密切相關，與觀眾視看效果密切相關，沒有良好照明設施的體育場是不完整的體育場，必將嚴重影響它的使用功能。

　　2.體育場照明設計標準

　　為了得到良好的照明設計方案，合理利用光線的分布來滿足運動員、觀眾、裁判員視覺以及良好的電視轉播效果的要求，必需先確定照明標準，包括照度標準和照明質量標準。照明質量標準，其中包括眩光、光源色溫有顯色性要求，光的方向性、節(jié)能要求等。

　　2.1照度標準

　　根據(jù)國際體聯(lián)第83號推薦照度要求及《民用建筑照明設計標準》GBJ133－90中第2.2.9條中的規(guī)定，提出以下照度標準推薦值?見表1　。幾點說明：

　　?1　根據(jù)《民用建筑照明設計標準》GBJ133－90中第2.2.9－1條中規(guī)定：足球場比賽照度標準值：當觀看距離為120m時，為150～200～300lx；觀看距離為160m時，為200～300～500lx；觀看距離為200m時，為300～500～750lx.觀看距離指觀眾席最后一排到場地邊線的距離。

　　?2　根據(jù)《民用建筑照明設計標準》GBJ133－90中第2.2.9－2條中規(guī)定：電視轉播需要的垂直照度：最大拍攝距離分為三組，①對于足球項目而言，最在拍攝距離為25m時平均垂直照度應為750lx；最大拍攝距離為75m時平均垂直照度應為1000lx；最大拍攝距離為150m時平均垂直照度為1500lx；②對于田徑項目而言，最大拍攝距離為25m時平均垂直照度應為500lx；最大拍攝距離為75m平均垂直照度應為750lx；最大拍攝距離為150m時平均垂直照度為1000lx.上述每個垂直照度用于一個給定的運動等級和給定的最在拍攝距離相對于1.0m垂直面的值，各照度值的中間值用于其它拍攝距離。

　　?3　上述照度指體育場的最終平均照度，設計時選取的初始照度必須計入維護系數(shù)，一般可采用0.7～0.8的數(shù)值。

　　?4　水平照度的均勻度：照度均勻度一般用最小照度與最大照度之比表示，也可用最小照度與平均照度之比表示，最小照度與最大照度的比值應大于0.5.

　　?5　垂直照度的均勻度：最小照度與最大照度的比值應大于0.4，才能滿足主電視攝像的要求。

　　2.2照明質量標準

　　1　眩光

　　體育照明的關鍵除提供足夠的水平和垂直照度以外，還需要減少眩光，從而達到亮而無眩光的效果。眩光是影響照明質量的最重要因素之一。根據(jù)CIE NO.83出版物“彩電系統(tǒng)的體育場地照明”，場內最大眩光指數(shù)GRmax應小于50.眩光額定值?GR　愈小，眩光限制愈好，眩光額定值為50時。眩光額定值?GR　由下列公式算出：

　　GR=27＋24Lg?Lvl/Lve 0.9

　?1　式中，Lvl是燈具產生的光幕亮度，Lve是環(huán)境產生的光幕亮度。一般在計算照度時，應計算不同方向的眩光額定值?GR　，在GR<50時，即可行。眩光的限制除了合理確定燈具的選型，安裝高度和排列方式外，還可以采取提高賽場背景照度的方法。

　　2　光源色溫及顯色性要求

　　為達到良好的彩電轉播效果，體育場的照明質量不但與照度有關，而且與照明光源的色溫及顯色性有緊密關系。我國《民用建筑照明設計標準》GBJ133－90中第3.3.2條中規(guī)定：彩電轉播用一般光源顯色指數(shù)Ra不應小于65.依據(jù)CIE NO.83號出版物及國際足聯(lián)的要求，光源相關色溫Tc大于5000K和光源顯色指數(shù)Ra大于等于80，以達到最佳的現(xiàn)場照明效果及彩電轉播效果。

　　3　光的方向性

　　燈具的俯角不僅影響垂直照度，同時也對運動員、觀眾和裁判有可能產生較大眩光影響。對地體育場照明設計，應選擇好燈具的瞄準方向。另外，主攝像機與另一側過來的光線之比例應控制在一定范圍內，而照明的最重點是在足球場的中央及禁區(qū)設置。

　　4　節(jié)能要求

　　照明節(jié)能重在采用合理的照明方案和高效的照明裝置，降低線路損耗及良好的照明控制。體育建筑屬照明用電較大的建筑項目，從節(jié)能意義上講，僅比較初始投資費用，而不以最低運行成本為基礎選擇得出的照明設計不是合理的設計，應根據(jù)具體情況，將初始投資及運行成本綜合加以考慮。

　　應選擇高效率的光源和燈具，采用能耗較低的鎮(zhèn)流器等附件，并加補償電容，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。照明設計應有多種開燈模式及對應的控制方案?？梢酝ㄟ^調節(jié)燈具數(shù)量，為不同需要的比賽和活動提供合適的照明，控制方案要簡單、實用，并具有較強的靈活性。

　　3.體育場照明設計的計算

　　體育場照明設計的照度計算通常有三種方法：一是單位面積容量估算法；二是平均照度計算法，用以計算被照面上的平均照度；三是逐點計算法，可以精確的計算出某一點的照度。

　　?1　單位面積容量估算法基本公式：

　　N=P×A/PL?2　

　　式中：N—泛光燈燈數(shù)；PL—每臺泛光燈功率?W?。籔—單位面積功率?W/m2??；A—被照面積?m2　。

　　m=1/?η×η1×U×U1×K　?3　

　　式中：m—簡化系數(shù)；η—燈具效率；η1—光源效率，1m/W；U—利用系數(shù)；U1—照度均勻度；K—燈具維護系數(shù)，一般取0.7～0.8.

　　為簡化計算，按照η=0.6、U=0.75、U1=0.7、K=0.7給出不同光源的m值見表2.

　　P=m×E?4　

　　式中E為最小照度，lx.

　　?2　平均照度計算法，運用以下公式可以計算出燈具的數(shù)量。

　　N=E×A/η×F×K?5　

　　式中：N—燈具的數(shù)量?個?。籈—表面平均照度?lx　，由表1查得：A—被照面面積?m2?。?eta;—燈具的效率；F—光通量?1m　；K—維護系數(shù)，取0.7～0.8.以上兩種照度計算法應用較普遍，主要用于照度的估算，比較適合方案和初步設計階段。

　　?3　點光源逐點計算法

　　采用計算機軟件進行逐點計算。泛光燈的尺寸與其照射的距離相比要小的多，因此泛光燈可被當作點光源，一盞燈具照度計算的數(shù)學模型如公式?6　所示。

　　EΦ?cosα±?D/h　×sinα?Eh=ΨEh

　　6　式中，Eh：一盞燈照射到垂直立面上產生的平均照度?lx　，Eh用公式?7　計算：

　　Eh=?Iθ×cosθ　/R2?7　

　　Iθ—θ角照射方向的光強?cd??；R—光源至被照面間的距離?m??；h—光源至垂直立面的垂直計算距離?m??；D—R在垂直立面上的投影?m　；α—斜面與水平面的夾角，單位為度；θ—燈具光束中心與水平面的夾角，單位為度；Ψ—系數(shù)，Ψ=cosα±?D/h　×sinα。

　　4.體育場照明燈具分類與布置方式

　　4.1照明燈具分類

　　體育場照明燈具按其光束形狀可分為A、B、C三類，如表3所示。

　　在照明設計中，應根據(jù)具體情況選擇合適的燈具。通常對于側面布燈方式，采用光束為扇形?B或C型　泛光燈的利用系數(shù)要高于圓柱對稱光束?A型　泛光燈。對于四塔布燈方式，采用圓柱對稱光束?A型　泛光燈的利用系數(shù)要高于扇形?B或C型　泛光燈。

　　4.2燈具的布置方式

　　為有效地利用光源的光通量，還應根據(jù)投射距離選擇泛光燈光束角的大小。按光束角的大小可分為7類，如表4所示。

　　?1　四塔式布燈

　?、偎慕菬羲恢脩x在球門中線民地底線成15°角、半場中心線與邊線成5°角的兩線相交后延長線所夾得空間范圍，并宜將燈塔設置在場地的對角線上。將泛光燈安裝在4個高塔上，這種布置型式適用于沒有挑棚的體育場，其照明利用率較低；而且要解決好燈具的維護檢修問題。

　　②燈塔的高度應使最低一排泛光燈至場地中心與場地水平地面的夾角在20°～30°，超過這一范圍，不僅使燈塔的造價大大提高，同時也會降低垂直照度與水平照度的比例，影響物體造型的立體感和降低識別運動物體的速度。

　　燈塔?最低一排泛光燈　至場地水平面的垂直高度可由式?8　確定：

　　H≥L×tan25°或H≥0.4663L

　　8　式中：H—燈塔?最低一排泛光燈　至場地水平面的垂直高度?m??；L—場地中心點至燈塔座的水平距離?m　。

　　上式中的L與H關系還可以采用下列比值確定：與場地水平面夾角為25°時，L?H=2.145?1；與場地水平面夾角為20°時，L?H=2.747?1

　　③燈塔頂部應裝置防雷接地設施，接地電阻不大于10Ω。燈塔頂部應設置紅色高度標志燈，且不少于2臺。燈塔上安裝的接線端子箱、敷設的電纜及線醴均由燈塔廠配套提供。

　?、軣羲O置位置及塔上最低一排泛光燈投射角度及高度應滿足以下要求：α>5°，β>15°，20°<γ<30°，45°<θ<70°

　　?2　混合式布燈

　?、賹魩脚c燈塔式有機地組合在一起的布燈方法。一般大型綜合性體育場解決照明技術效果比較好的一種布燈型式。

　?、诨旌喜贾?，燈塔的投射角和方位布置可以適當靈活處理，光帶的長度可以適當縮短，光帶的高度也可適當降低。

　　5.體育場照明供電設計

　　?1　體育場的照明供電，一般由低壓配電室引來兩路電源供給，互為備用，手動與自動投切，平時兩路電源各帶50％左右的負荷，且均勻分布，以便任何一路斷電，熄滅了的燈光尚未點燃時，場地內仍能保持均勻的照度分布，使一般性比賽仍可進行。另外，由于氣體放電燈的啟動時間約為4～8min，再啟動時間約為10～15min，因此，即使采用兩種電源自投，也無法使熄滅了的燈光立即點燃，故對有人值班的控制室，可采用兩種電源手動互投的切換方式。對無人值班的控制室則應采用兩路電源自投不自復的切換方式，保證比賽的正常進行，延長光源的使用壽命。

　?、俅朔N供電方式可不再另外考慮場地的應急照明，而且當電源轉換時仍能基本保證比賽的正常進行。

　?、谂潆娤到y(tǒng)設計相對較為復雜，造價亦相應較高。

　　③采用四塔式照明時，將電源柜放在燈塔底部內側，電源線沿燈塔內壁敷設，燈具的鎮(zhèn)流器箱放在塔的頂部，這種配電方式較為合理。

　?、懿捎霉鈳秸彰鲿r，將電源直接送到挑棚馬道上的配電柜臺，配電的分支線路可以采用沿馬道旋轉的金屬線槽敷設方式。

　　?2　比賽燈的開關，主要靠交流接觸器或無觸點的晶閘管?可控硅　實現(xiàn)。用交流接觸器控制，簡單可靠，也較經(jīng)濟；用晶閘管控制，技術先進，但價格較貴。為了便于維護和燈光方案的變化，宜采用單燈單控，也可一個開關控制2～3個燈，以不超過3個燈為宜。

　　?3　氣體放電燈點燃時，沖擊電流很大，開啟燈光時，單燈宜間隔0.5s；組控時，宜間隔10～30s.另外，氣體放電燈的頻閃效應對照明質量的影響很大。由交流電源供電的氣體放電燈有二倍于電源頻率的周期性頻閃。頻閃會使迅速運動的物體，出現(xiàn)幻影，這種效應對于攝像，尤其是慢動作攝像影響很大，放映時，會顯示出一種令人難以忍受的閃動，頻閃還會造成視覺疲勞。通常用光通量的波動深度Fbd來衡量。

　　Fbd=?Fmax－Fmin　/?2Fav　×100％

　　9　式中：Fmax—光通量的最大值；Fmin—光通量的最小值；Fav—光通量的平均值。只要將波動深動降至25％以下，人的視覺對頻閃將不產生疲勞效應。這可通過改變配電方式來實現(xiàn)。例如：將相鄰的氣體放電燈接在不同相位的電源上；在方案設計時，還可考慮氫不同相位的氣體放電燈所發(fā)出的光通量相到重疊等?？傊?，在大量使用氣體放電燈的體育場照明設計中必須考慮頻閃對照明質量的影響。

　　6.體育場照明控制

　　體育場及觀眾席照明控制主要形式為在專設的燈光控制室采用計算機控制臺集中控制。計算機控制臺為人機對話形式，設有燈位布置模擬盤、燈光單控、組控開關等，燈光單控開關的布置應與燈位布置模擬盤相對應?？梢宰詣涌刂疲部梢允謩涌刂?，計算機可以模擬現(xiàn)場開燈狀態(tài)，自動控制及檢測燈具是否正常工作，并反饋顯示故障燈組位置，可根據(jù)實際需要設置不同的控制方案，以滿足不同比賽內容及活動對照度的不同要求及同一體育項目不同比賽級別對照度的不同需要。預先確定若干種開燈方案，編程后存入計算機內，根據(jù)不同的需要調用相應的開類方案。

　　7.結束語

　　良好的體育場照明環(huán)境的實現(xiàn)，主要取決于正確地確定照明設計方案，同時依賴于使用性以面優(yōu)異的照明設備的選取及照明電氣控制系統(tǒng)。這里所談的僅是一些粗淺的認識，有待于在今后的照明設計中深入探討，摸索出其內在的規(guī)律，使之進一步理論化、系統(tǒng)化，從而更有利于指導實踐工作。