論體育場(chǎng)照明及電氣控制設(shè)計(jì)

申請(qǐng)免費(fèi)試用、咨詢電話：400-8352-114

　摘要：本文通過(guò)介紹體育場(chǎng)照明及電氣控制的設(shè)計(jì)，分析照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇與照明參數(shù)的計(jì)算，闡明照明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、照明燈具分類與布置方式及電氣控制設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：體育場(chǎng)照明設(shè)計(jì)　　電氣控制設(shè)計(jì)

　　1.體育場(chǎng)照明的重要性

　　對(duì)于一座現(xiàn)代化的體育場(chǎng)，不但要求建筑外形美觀大方、各種體育設(shè)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(wú)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(yùn)動(dòng)員和比賽項(xiàng)目所需的照明要求以及應(yīng)保證有良好的電視轉(zhuǎn)播效果。

　　照明是依靠光線的功能，保證燈光作用于運(yùn)動(dòng)員、裁判員、觀眾的眼睛、產(chǎn)生視覺(jué)，才能看見(jiàn)體育場(chǎng)地上的一切，如場(chǎng)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(biāo)的形狀和大小、深度、立體感及運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)和體育場(chǎng)的氣氛等等。所以，良好的照明在現(xiàn)代體育場(chǎng)中占有重要地位。

　　一般，在一個(gè)體育場(chǎng)的照明設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮以下三方面的因素：

　　?1　滿足運(yùn)動(dòng)比賽時(shí)運(yùn)動(dòng)員的視覺(jué)要求，并且使燈光對(duì)比賽的客觀影響降到最低程度。

　　?2　滿足觀眾的視覺(jué)要求，使燈光對(duì)觀看比賽時(shí)所引起的不適感覺(jué)降低到最低程度。

　　?3　滿足彩電轉(zhuǎn)播的照明要求，盡可能提高轉(zhuǎn)播質(zhì)量。

　　總之，照明與運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的比賽要求密切相關(guān)，與觀眾視看效果密切相關(guān)，沒(méi)有良好照明設(shè)施的體育場(chǎng)是不完整的體育場(chǎng)，必將嚴(yán)重影響它的使用功能。

　　2.體育場(chǎng)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

　　為了得到良好的照明設(shè)計(jì)方案，合理利用光線的分布來(lái)滿足運(yùn)動(dòng)員、觀眾、裁判員視覺(jué)以及良好的電視轉(zhuǎn)播效果的要求，必需先確定照明標(biāo)準(zhǔn)，包括照度標(biāo)準(zhǔn)和照明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。照明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)

　　根據(jù)國(guó)際體聯(lián)第83號(hào)推薦照度要求及《民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GBJ133－90中第2.2.9條中的規(guī)定，提出以下照度標(biāo)準(zhǔn)推薦值?見(jiàn)表1　。幾點(diǎn)說(shuō)明：

　　?1　根據(jù)《民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GBJ133－90中第2.2.9－1條中規(guī)定：足球場(chǎng)比賽照度標(biāo)準(zhǔn)值：當(dāng)觀看距離為120m時(shí)，為150～200～300lx；觀看距離為160m時(shí)，為200～300～500lx；觀看距離為200m時(shí)，為300～500～750lx.觀看距離指觀眾席最后一排到場(chǎng)地邊線的距離。

　　?2　根據(jù)《民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GBJ133－90中第2.2.9－2條中規(guī)定：電視轉(zhuǎn)播需要的垂直照度：最大拍攝距離分為三組，①對(duì)于足球項(xiàng)目而言，最在拍攝距離為25m時(shí)平均垂直照度應(yīng)為750lx；最大拍攝距離為75m時(shí)平均垂直照度應(yīng)為1000lx；最大拍攝距離為150m時(shí)平均垂直照度為1500lx；②對(duì)于田徑項(xiàng)目而言，最大拍攝距離為25m時(shí)平均垂直照度應(yīng)為500lx；最大拍攝距離為75m平均垂直照度應(yīng)為750lx；最大拍攝距離為150m時(shí)平均垂直照度為1000lx.上述每個(gè)垂直照度用于一個(gè)給定的運(yùn)動(dòng)等級(jí)和給定的最在拍攝距離相對(duì)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(chǎng)的最終平均照度，設(shè)計(jì)時(shí)選取的初始照度必須計(jì)入維護(hù)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(yīng)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(yīng)大于0.4，才能滿足主電視攝像的要求。

　　2.2照明質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

　　1　眩光

　　體育照明的關(guān)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(dá)到亮而無(wú)眩光的效果。眩光是影響照明質(zhì)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(chǎng)地照明”，場(chǎng)內(nèi)最大眩光指數(shù)GRmax應(yīng)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(shí)。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(chǎn)生的光幕亮度，Lve是環(huán)境產(chǎn)生的光幕亮度。一般在計(jì)算照度時(shí)，應(yīng)計(jì)算不同方向的眩光額定值?GR　，在GR<50時(shí)，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(chǎng)背景照度的方法。

　　2　光源色溫及顯色性要求

　　為達(dá)到良好的彩電轉(zhuǎn)播效果，體育場(chǎng)的照明質(zhì)量不但與照度有關(guān)，而且與照明光源的色溫及顯色性有緊密關(guān)系。我國(guó)《民用建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GBJ133－90中第3.3.2條中規(guī)定：彩電轉(zhuǎn)播用一般光源顯色指數(shù)Ra不應(yīng)小于65.依據(jù)CIE NO.83號(hào)出版物及國(guó)際足聯(lián)的要求，光源相關(guān)色溫Tc大于5000K和光源顯色指數(shù)Ra大于等于80，以達(dá)到最佳的現(xiàn)場(chǎng)照明效果及彩電轉(zhuǎn)播效果。

　　3　光的方向性

　　燈具的俯角不僅影響垂直照度，同時(shí)也對(duì)運(yùn)動(dòng)員、觀眾和裁判有可能產(chǎn)生較大眩光影響。對(duì)地體育場(chǎng)照明設(shè)計(jì)，應(yīng)選擇好燈具的瞄準(zhǔn)方向。另外，主攝像機(jī)與另一側(cè)過(guò)來(lái)的光線之比例應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，而照明的最重點(diǎn)是在足球場(chǎng)的中央及禁區(qū)設(shè)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(xiàng)目，從節(jié)能意義上講，僅比較初始投資費(fèi)用，而不以最低運(yùn)行成本為基礎(chǔ)選擇得出的照明設(shè)計(jì)不是合理的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)具體情況，將初始投資及運(yùn)行成本綜合加以考慮。

　　應(yīng)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(bǔ)償電容，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。照明設(shè)計(jì)應(yīng)有多種開(kāi)燈模式及對(duì)應(yīng)的控制方案。可以通過(guò)調(diào)節(jié)燈具數(shù)量，為不同需要的比賽和活動(dòng)提供合適的照明，控制方案要簡(jiǎn)單、實(shí)用，并具有較強(qiáng)的靈活性。

　　3.體育場(chǎng)照明設(shè)計(jì)的計(jì)算

　　體育場(chǎng)照明設(shè)計(jì)的照度計(jì)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(jì)算法，用以計(jì)算被照面上的平均照度；三是逐點(diǎn)計(jì)算法，可以精確的計(jì)算出某一點(diǎn)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(tái)泛光燈功率?W　；P—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(jiǎn)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(hù)系數(shù)，一般取0.7～0.8.

　　為簡(jiǎn)化計(jì)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(jiàn)表2.

　　P=m×E?4　

　　式中E為最小照度，lx.

　　?2　平均照度計(jì)算法，運(yùn)用以下公式可以計(jì)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(gè)??；E—表面平均照度?lx　，由表1查得：A—被照面面積?m2??；η—燈具的效率；F—光通量?1m??；K—維護(hù)系數(shù)，取0.7～0.8.以上兩種照度計(jì)算法應(yīng)用較普遍，主要用于照度的估算，比較適合方案和初步設(shè)計(jì)階段。

　　?3　點(diǎn)光源逐點(diǎn)計(jì)算法

　　采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行逐點(diǎn)計(jì)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(dāng)作點(diǎn)光源，一盞燈具照度計(jì)算的數(shù)學(xué)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(chǎn)生的平均照度?lx　，Eh用公式?7　計(jì)算：

　　Eh=?Iθ×cosθ　/R2?7　

　　Iθ—θ角照射方向的光強(qiáng)?cd　；R—光源至被照面間的距離?m?。籬—光源至垂直立面的垂直計(jì)算距離?m?。籇—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(chǎng)照明燈具分類與布置方式

　　4.1照明燈具分類

　　體育場(chǎng)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(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的燈具。通常對(duì)于側(cè)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(duì)稱光束?A型　泛光燈。對(duì)于四塔布燈方式，采用圓柱對(duì)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(yīng)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?yīng)選在球門中線民地底線成15°角、半場(chǎng)中心線與邊線成5°角的兩線相交后延長(zhǎng)線所夾得空間范圍，并宜將燈塔設(shè)置在場(chǎng)地的對(duì)角線上。將泛光燈安裝在4個(gè)高塔上，這種布置型式適用于沒(méi)有挑棚的體育場(chǎng)，其照明利用率較低；而且要解決好燈具的維護(hù)檢修問(wèn)題。

　?、跓羲母叨葢?yīng)使最低一排泛光燈至場(chǎng)地中心與場(chǎng)地水平地面的夾角在20°～30°，超過(guò)這一范圍，不僅使燈塔的造價(jià)大大提高，同時(shí)也會(huì)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(shí)別運(yùn)動(dòng)物體的速度。

　　燈塔?最低一排泛光燈　至場(chǎng)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(chǎng)地水平面的垂直高度?m?。籐—場(chǎng)地中心點(diǎn)至燈塔座的水平距離?m　。

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

　?、蹮羲敳繎?yīng)裝置防雷接地設(shè)施，接地電阻不大于10Ω。燈塔頂部應(yīng)設(shè)置紅色高度標(biāo)志燈，且不少于2臺(tái)。燈塔上安裝的接線端子箱、敷設(shè)的電纜及線醴均由燈塔廠配套提供。

　?、軣羲O(shè)置位置及塔上最低一排泛光燈投射角度及高度應(yīng)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(jī)地組合在一起的布燈方法。一般大型綜合性體育場(chǎng)解決照明技術(shù)效果比較好的一種布燈型式。

　?、诨旌喜贾茫瑹羲耐渡浣呛头轿徊贾每梢赃m當(dāng)靈活處理，光帶的長(zhǎng)度可以適當(dāng)縮短，光帶的高度也可適當(dāng)降低。

　　5.體育場(chǎng)照明供電設(shè)計(jì)

　　?1　體育場(chǎng)的照明供電，一般由低壓配電室引來(lái)兩路電源供給，互為備用，手動(dòng)與自動(dòng)投切，平時(shí)兩路電源各帶50％左右的負(fù)荷，且均勻分布，以便任何一路斷電，熄滅了的燈光尚未點(diǎn)燃時(shí)，場(chǎng)地內(nèi)仍能保持均勻的照度分布，使一般性比賽仍可進(jìn)行。另外，由于氣體放電燈的啟動(dòng)時(shí)間約為4～8min，再啟動(dòng)時(shí)間約為10～15min，因此，即使采用兩種電源自投，也無(wú)法使熄滅了的燈光立即點(diǎn)燃，故對(duì)有人值班的控制室，可采用兩種電源手動(dòng)互投的切換方式。對(duì)無(wú)人值班的控制室則應(yīng)采用兩路電源自投不自復(fù)的切換方式，保證比賽的正常進(jìn)行，延長(zhǎng)光源的使用壽命。

　　①此種供電方式可不再另外考慮場(chǎng)地的應(yīng)急照明，而且當(dāng)電源轉(zhuǎn)換時(shí)仍能基本保證比賽的正常進(jìn)行。

　?、谂潆娤到y(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)較為復(fù)雜，造價(jià)亦相應(yīng)較高。

　?、鄄捎盟乃秸彰鲿r(shí)，將電源柜放在燈塔底部?jī)?nèi)側(cè)，電源線沿?zé)羲?nèi)壁敷設(shè)，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(shí)，將電源直接送到挑棚馬道上的配電柜臺(tái)，配電的分支線路可以采用沿馬道旋轉(zhuǎn)的金屬線槽敷設(shè)方式。

　　?2　比賽燈的開(kāi)關(guān)，主要靠交流接觸器或無(wú)觸點(diǎn)的晶閘管?可控硅　實(shí)現(xiàn)。用交流接觸器控制，簡(jiǎn)單可靠，也較經(jīng)濟(jì)；用晶閘管控制，技術(shù)先進(jìn)，但價(jià)格較貴。為了便于維護(hù)和燈光方案的變化，宜采用單燈單控，也可一個(gè)開(kāi)關(guān)控制2～3個(gè)燈，以不超過(guò)3個(gè)燈為宜。

　　?3　氣體放電燈點(diǎn)燃時(shí)，沖擊電流很大，開(kāi)啟燈光時(shí)，單燈宜間隔0.5s；組控時(shí)，宜間隔10～30s.另外，氣體放電燈的頻閃效應(yīng)對(duì)照明質(zhì)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(huì)使迅速運(yùn)動(dòng)的物體，出現(xiàn)幻影，這種效應(yīng)對(duì)于攝像，尤其是慢動(dòng)作攝像影響很大，放映時(shí)，會(huì)顯示出一種令人難以忍受的閃動(dòng)，頻閃還會(huì)造成視覺(jué)疲勞。通常用光通量的波動(dòng)深度Fbd來(lái)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(dòng)深動(dòng)降至25％以下，人的視覺(jué)對(duì)頻閃將不產(chǎn)生疲勞效應(yīng)。這可通過(guò)改變配電方式來(lái)實(shí)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(shè)計(jì)時(shí)，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。總之，在大量使用氣體放電燈的體育場(chǎng)照明設(shè)計(jì)中必須考慮頻閃對(duì)照明質(zhì)量的影響。

　　6.體育場(chǎng)照明控制

　　體育場(chǎng)及觀眾席照明控制主要形式為在專設(shè)的燈光控制室采用計(jì)算機(jī)控制臺(tái)集中控制。計(jì)算機(jī)控制臺(tái)為人機(jī)對(duì)話形式，設(shè)有燈位布置模擬盤、燈光單控、組控開(kāi)關(guān)等，燈光單控開(kāi)關(guān)的布置應(yīng)與燈位布置模擬盤相對(duì)應(yīng)?？梢宰詣?dòng)控制，也可以手動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)可以模擬現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)燈狀態(tài)，自動(dòng)控制及檢測(cè)燈具是否正常工作，并反饋顯示故障燈組位置，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置不同的控制方案，以滿足不同比賽內(nèi)容及活動(dòng)對(duì)照度的不同要求及同一體育項(xiàng)目不同比賽級(jí)別對(duì)照度的不同需要。預(yù)先確定若干種開(kāi)燈方案，編程后存入計(jì)算機(jī)內(nèi)，根據(jù)不同的需要調(diào)用相應(yīng)的開(kāi)類方案。

　　7.結(jié)束語(yǔ)

　　良好的體育場(chǎng)照明環(huán)境的實(shí)現(xiàn)，主要取決于正確地確定照明設(shè)計(jì)方案，同時(shí)依賴于使用性以面優(yōu)異的照明設(shè)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(rèn)識(shí)，有待于在今后的照明設(shè)計(jì)中深入探討，摸索出其內(nèi)在的規(guī)律，使之進(jìn)一步理論化、系統(tǒng)化，從而更有利于指導(dǎo)實(shí)踐工作。