论体育场照明及电气控制设计

　　摘要：本文通过介绍体育场照明及电气控制的设计，分析照明设计标准的选择与照明参数的计算，阐明照明质量标准、照明灯具分类与布置方式及电气控制设计中应注意的一些问题。
　　关键词：体育场照明设计　　电气控制设计
　　1.体育场照明的重要性
　　对于一座现代化的体育场，不但要求建筑外形美观大方、各种体育设备齐全完善，而且要求有良好的照明环境，即要求有合适、均匀的照度和亮度、理想的光色，有立体感及无眩光等。除保证满足观众良好的视看效果外，还必须保证裁判员、运动员和比赛项目所需的照明要求以及应保证有良好的电视转播效果。
　　照明是依靠光线的功能，保证灯光作用于运动员、裁判员、观众的眼睛、产生视觉，才能看见体育场地上的一切，如场地环境的明暗、物体?建筑、器具及服装等?表面的颜色、观看目标的形状和大小、深度、立体感及运动员运动时的状态和体育场的气氛等等。所以，良好的照明在现代体育场中占有重要地位。
　　一般，在一个体育场的照明设计中，应考虑以下三方面的因素：
　　?1?满足运动比赛时运动员的视觉要求，并且使灯光对比赛的客观影响降到最低程度。
　　?2?满足观众的视觉要求，使灯光对观看比赛时所引起的不适感觉降低到最低程度。
　　?3?满足彩电转播的照明要求，尽可能提高转播质量。
　　总之，照明与运动项目的比赛要求密切相关，与观众视看效果密切相关，没有良好照明设施的体育场是不完整的体育场，必将严重影响它的使用功能。
　　2.体育场照明设计标准
　　为了得到良好的照明设计方案，合理利用光线的分布来满足运动员、观众、裁判员视觉以及良好的电视转播效果的要求，必需先确定照明标准，包括照度标准和照明质量标准。照明质量标准，其中包括眩光、光源色温有显色性要求，光的方向性、节能要求等。
　　2.1照度标准
　　根据国际体联第83号推荐照度要求及《民用建筑照明设计标准》GBJ133－90中第2.2.9条中的规定，提出以下照度标准推荐值?见表1?。几点说明：
　　?1?根据《民用建筑照明设计标准》GBJ133－90中第2.2.9－1条中规定：足球场比赛照度标准值：当观看距离为120m时，为150～200～300lx；观看距离为160m时，为200～300～500lx；观看距离为200m时，为300～500～750lx.观看距离指观众席最后一排到场地边线的距离。
　　?2?根据《民用建筑照明设计标准》GBJ133－90中第2.2.9－2条中规定：电视转播需要的垂直照度：最大拍摄距离分为三组，①对于足球项目而言，最在拍摄距离为25m时平均垂直照度应为750lx；最大拍摄距离为75m时平均垂直照度应为1000lx；最大拍摄距离为150m时平均垂直照度为1500lx；②对于田径项目而言，最大拍摄距离为25m时平均垂直照度应为500lx；最大拍摄距离为75m平均垂直照度应为750lx；最大拍摄距离为150m时平均垂直照度为1000lx.上述每个垂直照度用于一个给定的运动等级和给定的最在拍摄距离相对于1.0m垂直面的值，各照度值的中间值用于其它拍摄距离。
　　?3?上述照度指体育场的最终平均照度，设计时选取的初始照度必须计入维护系数，一般可采用0.7～0.8的数值。
　　?4?水平照度的均匀度：照度均匀度一般用最小照度与最大照度之比表示，也可用最小照度与平均照度之比表示，最小照度与最大照度的比值应大于0.5.
　　?5?垂直照度的均匀度：最小照度与最大照度的比值应大于0.4，才能满足主电视摄像的要求。
　　2.2照明质量标准
　　1?眩光
　　体育照明的关键除提供足够的水平和垂直照度以外，还需要减少眩光，从而达到亮而无眩光的效果。眩光是影响照明质量的最重要因素之一。根据CIE NO.83出版物“彩电系统的体育场地照明”，场内最大眩光指数GRmax应小于50.眩光额定值?GR?愈小，眩光限制愈好，眩光额定值为50时。眩光额定值?GR?由下列公式算出：
　　GR=27＋24Lg?Lvl/Lve 0.9
??1?式中，Lvl是灯具产生的光幕亮度，Lve是环境产生的光幕亮度。一般在计算照度时，应计算不同方向的眩光额定值?GR?，在GR<50时，即可行。眩光的限制除了合理确定灯具的选型，安装高度和排列方式外，还可以采取提高赛场背景照度的方法。
　　2?光源色温及显色性要求
　　为达到良好的彩电转播效果，体育场的照明质量不但与照度有关，而且与照明光源的色温及显色性有紧密关系。我国《民用建筑照明设计标准》GBJ133－90中第3.3.2条中规定：彩电转播用一般光源显色指数Ra不应小于65.依据CIE NO.83号出版物及国际足联的要求，光源相关色温Tc大于5000K和光源显色指数Ra大于等于80，以达到最佳的现场照明效果及彩电转播效果。
　　3?光的方向性
　　灯具的俯角不仅影响垂直照度，同时也对运动员、观众和裁判有可能产生较大眩光影响。对地体育场照明设计，应选择好灯具的瞄准方向。另外，主摄像机与另一侧过来的光线之比例应控制在一定范围内，而照明的最重点是在足球场的中央及禁区设置。
　　4?节能要求
　　照明节能重在采用合理的照明方案和高效的照明装置，降低线路损耗及良好的照明控制。体育建筑属照明用电较大的建筑项目，从节能意义上讲，仅比较初始投资费用，而不以最低运行成本为基础选择得出的照明设计不是合理的设计，应根据具体情况，将初始投资及运行成本综合加以考虑。
　　应选择高效率的光源和灯具，采用能耗较低的镇流器等附件，并加补偿电容，提高系统的功率因数。照明设计应有多种开灯模式及对应的控制方案。可以通过调节灯具数量，为不同需要的比赛和活动提供合适的照明，控制方案要简单、实用，并具有较强的灵活性。
　　3.体育场照明设计的计算
　　体育场照明设计的照度计算通常有三种方法：一是单位面积容量估算法；二是平均照度计算法，用以计算被照面上的平均照度；三是逐点计算法，可以精确的计算出某一点的照度。
　　?1?单位面积容量估算法基本公式：
　　N=P×A/PL?2?
　　式中：N—泛光灯灯数；PL—每台泛光灯功率?W?；P—单位面积功率?W/m2?；A—被照面积?m2?。
　　m=1/?η×η1×U×U1×K??3?
　　式中：m—简化系数；η—灯具效率；η1—光源效率，1m/W；U—利用系数；U1—照度均匀度；K—灯具维护系数，一般取0.7～0.8.
　　为简化计算，按照η=0.6、U=0.75、U1=0.7、K=0.7给出不同光源的m值见表2.
　　P=m×E?4?
　　式中E为最小照度，lx.
　　?2?平均照度计算法，运用以下公式可以计算出灯具的数量。
　　N=E×A/η×F×K?5?
　　式中：N—灯具的数量?个?；E—表面平均照度?lx?，由表1查得：A—被照面面积?m2?；η—灯具的效率；F—光通量?1m?；K—维护系数，取0.7～0.8.以上两种照度计算法应用较普遍，主要用于照度的估算，比较适合方案和初步设计阶段。
　　?3?点光源逐点计算法
　　采用计算机软件进行逐点计算。泛光灯的尺寸与其照射的距离相比要小的多，因此泛光灯可被当作点光源，一盏灯具照度计算的数学模型如公式?6?所示。
　　EΦ?cosα±?D/h?×sinα?Eh=ΨEh
　　6?式中，Eh：一盏灯照射到垂直立面上产生的平均照度?lx?，Eh用公式?7?计算：
　　Eh=?Iθ×cosθ?/R2?7?
　　Iθ—θ角照射方向的光强?cd?；R—光源至被照面间的距离?m?；h—光源至垂直立面的垂直计算距离?m?；D—R在垂直立面上的投影?m?；α—斜面与水平面的夹角，单位为度；θ—灯具光束中心与水平面的夹角，单位为度；Ψ—系数，Ψ=cosα±?D/h?×sinα。
　　4.体育场照明灯具分类与布置方式
　　4.1照明灯具分类
　　体育场照明灯具按其光束形状可分为A、B、C三类，如表3所示。
　　在照明设计中，应根据具体情况选择合适的灯具。通常对于侧面布灯方式，采用光束为扇形?B或C型?泛光灯的利用系数要高于圆柱对称光束?A型?泛光灯。对于四塔布灯方式，采用圆柱对称光束?A型?泛光灯的利用系数要高于扇形?B或C型?泛光灯。
　　4.2灯具的布置方式
　　为有效地利用光源的光通量，还应根据投射距离选择泛光灯光束角的大小。按光束角的大小可分为7类，如表4所示。
　　?1?四塔式布灯
　　①四角灯塔位置应选在球门中线民地底线成15°角、半场中心线与边线成5°角的两线相交后延长线所夹得空间范围，并宜将灯塔设置在场地的对角线上。将泛光灯安装在4个高塔上，这种布置型式适用于没有挑棚的体育场，其照明利用率较低；而且要解决好灯具的维护检修问题。
　　②灯塔的高度应使最低一排泛光灯至场地中心与场地水平地面的夹角在20°～30°，超过这一范围，不仅使灯塔的造价大大提高，同时也会降低垂直照度与水平照度的比例，影响物体造型的立体感和降低识别运动物体的速度。
　　灯塔?最低一排泛光灯?至场地水平面的垂直高度可由式?8?确定：
　　H≥L×tan25°或H≥0.4663L
　　8?式中：H—灯塔?最低一排泛光灯?至场地水平面的垂直高度?m?；L—场地中心点至灯塔座的水平距离?m?。
　　上式中的L与H关系还可以采用下列比值确定：与场地水平面夹角为25°时，L?H=2.145?1；与场地水平面夹角为20°时，L?H=2.747?1
　　③灯塔顶部应装置防雷接地设施，接地电阻不大于10Ω。灯塔顶部应设置红色高度标志灯，且不少于2台。灯塔上安装的接线端子箱、敷设的电缆及线醴均由灯塔厂配套提供。
　　④灯塔设置位置及塔上最低一排泛光灯投射角度及高度应满足以下要求：α>5°，β>15°，20°<γ<30°，45°<θ<70°
　　?2?混合式布灯
　　①将灯带式与灯塔式有机地组合在一起的布灯方法。一般大型综合性体育场解决照明技术效果比较好的一种布灯型式。
　　②混合布置，灯塔的投射角和方位布置可以适当灵活处理，光带的长度可以适当缩短，光带的高度也可适当降低。
　　5.体育场照明供电设计
　　?1?体育场的照明供电，一般由低压配电室引来两路电源供给，互为备用，手动与自动投切，平时两路电源各带50％左右的负荷，且均匀分布，以便任何一路断电，熄灭了的灯光尚未点燃时，场地内仍能保持均匀的照度分布，使一般性比赛仍可进行。另外，由于气体放电灯的启动时间约为4～8min，再启动时间约为10～15min，因此，即使采用两种电源自投，也无法使熄灭了的灯光立即点燃，故对有人值班的控制室，可采用两种电源手动互投的切换方式。对无人值班的控制室则应采用两路电源自投不自复的切换方式，保证比赛的正常进行，延长光源的使用寿命。
　　①此种供电方式可不再另外考虑场地的应急照明，而且当电源转换时仍能基本保证比赛的正常进行。
　　②配电系统设计相对较为复杂，造价亦相应较高。
　　③采用四塔式照明时，将电源柜放在灯塔底部内侧，电源线沿灯塔内壁敷设，灯具的镇流器箱放在塔的顶部，这种配电方式较为合理。
　　④采用光带式照明时，将电源直接送到挑棚马道上的配电柜台，配电的分支线路可以采用沿马道旋转的金属线槽敷设方式。
　　?2?比赛灯的开关，主要靠交流接触器或无触点的晶闸管?可控硅?实现。用交流接触器控制，简单可靠，也较经济；用晶闸管控制，技术先进，但价格较贵。为了便于维护和灯光方案的变化，宜采用单灯单控，也可一个开关控制2～3个灯，以不超过3个灯为宜。
　　?3?气体放电灯点燃时，冲击电流很大，开启灯光时，单灯宜间隔0.5s；组控时，宜间隔10～30s.另外，气体放电灯的频闪效应对照明质量的影响很大。由交流电源供电的气体放电灯有二倍于电源频率的周期性频闪。频闪会使迅速运动的物体，出现幻影，这种效应对于摄像，尤其是慢动作摄像影响很大，放映时，会显示出一种令人难以忍受的闪动，频闪还会造成视觉疲劳。通常用光通量的波动深度Fbd来衡量。
　　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。只要将波动深动降至25％以下，人的视觉对频闪将不产生疲劳效应。这可通过改变配电方式来实现。例如：将相邻的气体放电灯接在不同相位的电源上；在方案设计时，还可考虑氢不同相位的气体放电灯所发出的光通量相到重叠等。总之，在大量使用气体放电灯的体育场照明设计中必须考虑频闪对照明质量的影响。
　　6.体育场照明控制
　　体育场及观众席照明控制主要形式为在专设的灯光控制室采用计算机控制台集中控制。计算机控制台为人机对话形式，设有灯位布置模拟盘、灯光单控、组控开关等，灯光单控开关的布置应与灯位布置模拟盘相对应。可以自动控制，也可以手动控制，计算机可以模拟现场开灯状态，自动控制及检测灯具是否正常工作，并反馈显示故障灯组位置，可根据实际需要设置不同的控制方案，以满足不同比赛内容及活动对照度的不同要求及同一体育项目不同比赛级别对照度的不同需要。预先确定若干种开灯方案，编程后存入计算机内，根据不同的需要调用相应的开类方案。
　　7.结束语
　　良好的体育场照明环境的实现，主要取决于正确地确定照明设计方案，同时依赖于使用性以面优异的照明设备的选取及照明电气控制系统。这里所谈的仅是一些粗浅的认识，有待于在今后的照明设计中深入探讨，摸索出其内在的规律，使之进一步理论化、系统化，从而更有利于指导实践工作。
　　以上是笔者对于体育场照明及电气控制设计的一些粗浅认识，不当之处请读者指正。
　　参考文献
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　　6.CIE Publication No83.《Guide for The lighting of Sports Events for Colour Tele－vision and Film Systems》。1989
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